超聲法檢測(cè)混凝土缺陷經(jīng)典培訓(xùn)教程

1、一 混凝土無損檢測(cè)概述v混凝土無損檢測(cè)技術(shù)是以電子學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的測(cè)試儀器，直接在材料試體或結(jié)構(gòu)物上，非破損地測(cè)量及材料物理、力學(xué)、結(jié)構(gòu)質(zhì)量有關(guān)的物理量，藉材料學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和信息分析處理等方法，確定和評(píng)價(jià)材料和結(jié)構(gòu)的彈性、強(qiáng)度、均勻性與密實(shí)度等的一種新興的測(cè)試方法。一 混凝土無損檢測(cè)概述v結(jié)構(gòu)混凝土無損檢測(cè)技術(shù)工程應(yīng)用，主要有結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度、缺陷和損傷的診斷測(cè)試，而鋼筋的位置、直徑和保護(hù)層厚度，以及鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量檢測(cè)也得到比較廣泛的應(yīng)用，隨著新技術(shù)的開發(fā)，結(jié)構(gòu)水滲漏、氣密性和保溫性能、鋼筋腐蝕程度的檢測(cè)也日益得到重視。v無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，已遍及建筑、交通、水利、電力

2、、地礦、鐵道等系統(tǒng)的建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)及評(píng)估，正如國(guó)際上權(quán)威人士早就預(yù)言的“混凝土工程應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)程度，是標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家對(duì)結(jié)構(gòu)工程驗(yàn)收和質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的高低”，正說明了發(fā)展無損檢測(cè)技術(shù)的必要性和實(shí)際意義。 v 無損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)：v無損于材料、結(jié)構(gòu)的組織和使用性能；v可以直接在試體或結(jié)構(gòu)上，對(duì)質(zhì)量或強(qiáng)度進(jìn)行重復(fù)、全面的檢測(cè)，彌補(bǔ)了因各種因素影響造成材料試件及結(jié)構(gòu)物質(zhì)量差別的缺點(diǎn)；v選用不同的方法，檢測(cè)和判別結(jié)構(gòu)表層和內(nèi)部的質(zhì)量或損傷，操作簡(jiǎn)便、迅速；v隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，有利于實(shí)現(xiàn)“在線檢測(cè)和生產(chǎn)自動(dòng)化”。國(guó)內(nèi)外無損檢測(cè)方法分類(一)檢測(cè)目的常用方法測(cè) 試 量基本原理混凝土強(qiáng)度回彈法超聲脈

3、沖法回彈超聲綜合法超聲衰減綜合法射線法落球法(脈沖回波法)鉆芯法拔出法壓痕法射擊法回彈值超聲脈沖傳播速度回彈值和聲速聲速和衰減吸收或散射強(qiáng)度振動(dòng)參數(shù)芯樣抗壓強(qiáng)度拉拔強(qiáng)度壓力和壓痕直徑或深度探針射入深度 根據(jù)混凝土應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)與強(qiáng)度的關(guān)系，用彈性模量或粘塑性指標(biāo)推算標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度及特征強(qiáng)度；根據(jù)混凝土密實(shí)度推算強(qiáng)度振動(dòng)參數(shù)與強(qiáng)度的關(guān)系；局部區(qū)域的抗壓、抗拉或抗沖擊強(qiáng)度推算成標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度及特征強(qiáng)度。 國(guó)內(nèi)外無損檢測(cè)方法分類(二)檢測(cè)目的常用方法測(cè) 試 量基本原理混凝土內(nèi)部缺陷超聲脈沖法 聲時(shí)、波高、波形、頻譜、反射回波波的繞射、衰減、疊加等射線法穿透后的射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度記錄或攝影脈沖回波法 反射波位

4、置缺陷表面形成反射波雷達(dá)法 雷達(dá)波反射位置缺陷表面形成雷達(dá)反射信號(hào)國(guó)內(nèi)外無損檢測(cè)方法分類(三)檢測(cè)目的常用方法測(cè) 試 量基本原理混凝土受力歷史和損傷程度聲發(fā)射法聲發(fā)射信號(hào)、事件記數(shù)、幅值分布、能譜等聲發(fā)射信號(hào)源定位、聲發(fā)射的凱塞效應(yīng)、破壞過程的連續(xù)觀察 超聲脈沖法 聲速、衰減國(guó)內(nèi)外無損檢測(cè)方法分類(四)檢測(cè)目的常用方法測(cè) 試 量基本原理彈性模量和粘塑性性質(zhì)及耐久性共振法敲擊法超聲法透氣法 固有頻率、品質(zhì)因數(shù)對(duì)數(shù)衰減率聲速、衰減系數(shù)、頻譜氣壓變化 振動(dòng)分析應(yīng)力波傳播分析孔隙滲透性 國(guó)內(nèi)外無損檢測(cè)方法分類(五)檢測(cè)目的常用方法測(cè) 試 量基本原理鋼筋位置和銹蝕磁測(cè)法電測(cè)法射線法磁場(chǎng)強(qiáng)度鋼筋的半電池電

5、位射線鋼筋對(duì)磁場(chǎng)的影響電化學(xué)分析射線攝影 二 超聲波檢測(cè)基本概念v1 混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展概況v1928年世界上第一臺(tái)連續(xù)波的超聲波石材探測(cè)儀問世。20世紀(jì)30年代初開始有學(xué)者嘗試進(jìn)行混凝土中聲波傳播性質(zhì)的研究，有的采用金屬超聲波探傷儀，有的采用敲擊產(chǎn)生振動(dòng)的方法。40年代末50年代初，加拿大、德國(guó)和英國(guó)的一些學(xué)者開創(chuàng)了超聲波檢測(cè)混凝土質(zhì)量這一新領(lǐng)域。至20世紀(jì)70年代末，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波檢測(cè)儀的不斷改進(jìn)和完善，促進(jìn)了超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。v我國(guó)自20世紀(jì)50年代末60年代初開始超聲法檢測(cè)混凝土質(zhì)量技術(shù)的研究和應(yīng)用，先后完成了“超聲波檢測(cè)混凝土缺陷”、“超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度”、“超

6、聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度”、“超聲波檢測(cè)灌注樁完整性”、“超聲波檢測(cè)鋼管混凝土質(zhì)量”等課題的應(yīng)用研究，目前都具有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)的超聲檢測(cè)儀也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，形成了從模擬式的CTS-25(汕頭超聲儀器公司)到數(shù)字式的CTS-45以及智能化的NM系列(北京康科瑞公司)、ZBL-U系列(北京智博聯(lián)公司)、RSM-SY5(武漢巖海公司)等品種繁多、性能穩(wěn)定可靠、使用方便的一系列儀器。v值得一提的是，國(guó)內(nèi)的超聲檢測(cè)儀比較注重波型的顯示，無論是模擬式還是數(shù)字式、智能型的儀器，都具備波型顯示、手動(dòng)游標(biāo)判讀功能。而國(guó)外的儀器，基本上都不具備波型顯示功能，超聲參數(shù)均由儀器自動(dòng)判讀，必要的時(shí)候可

7、以將顯示信號(hào)輸出到示波器上顯示波型，在實(shí)際使用中反而不如國(guó)產(chǎn)儀器方便。2 超聲波的基本知識(shí)v振動(dòng)及波v超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)波。當(dāng)物體中某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)突然獲得一定能量，在其自身的平衡位置產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)即產(chǎn)生了。由于物體介質(zhì)的連續(xù)性，則這種振動(dòng)會(huì)傳遞到鄰近的質(zhì)點(diǎn)，并且一個(gè)個(gè)傳遞下去，從而使得振動(dòng)在物體內(nèi)傳播，這就是機(jī)械振動(dòng)波。注意在機(jī)械振動(dòng)波傳播過程中，質(zhì)點(diǎn)本身是不會(huì)傳播的，傳播的僅僅是振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)方式以及能量。2 超聲波的基本知識(shí)v波的種類va 縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向及波的傳播方向一致的波稱為縱波。產(chǎn)生于媒質(zhì)受到拉、壓交變力的作用，在固體、液體和氣體中均能傳播。這是混凝土超聲檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的

8、形式。從形態(tài)上看，也叫“疏密波”，即有的質(zhì)點(diǎn)之間因?yàn)檎駝?dòng)互相遠(yuǎn)離(疏)，有的質(zhì)點(diǎn)直接互相靠近(密)。vb 橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波。具有切變彈性變形能力的物體，其媒質(zhì)受到剪切力作用的時(shí)候，產(chǎn)生剪切變形，使質(zhì)點(diǎn)沿切線方向振動(dòng)而產(chǎn)生橫波。只有固體才具有切變彈性變形能力，因此橫波只能在固體中傳播。vc 表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向及波的傳播方向具有縱波和橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的綜合特性，固體介質(zhì)表面質(zhì)點(diǎn)以縱向和橫向兩種振動(dòng)的合成振動(dòng)，便圍繞其平衡位置做橢圓形振動(dòng)。表面波的振動(dòng)能量隨著深度的增加而迅速減小，故只能沿著固體表面?zhèn)鞑?。產(chǎn)生在固體介質(zhì)自由表面的表面波稱為瑞利波，瑞利波的最大特點(diǎn)是其波

9、速只與介質(zhì)的彈性常數(shù)有關(guān)，與振動(dòng)頻率無關(guān)，且屬于二維振動(dòng)的波，在固體表面?zhèn)鬏數(shù)哪芰繐p耗小，傳播距離遠(yuǎn)，可用于檢測(cè)水下混凝土的表面裂縫情況。v縱波波速最高。 縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向波傳播方向橫波波傳播方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向表面波波傳播方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡xyz波的形式v根據(jù)波陣面，波可以分為平面波、球面波和柱面波。v波陣面：振動(dòng)傳播過程中相位相同的所有質(zhì)點(diǎn)軌跡的集合所形成的面。v波線：振動(dòng)傳播的方向。v波前：在某一瞬間振動(dòng)傳播到最前沿的各質(zhì)點(diǎn)軌跡形成的面。va 平面波：波陣面呈平面的波?？梢钥醋魇怯蔁o限大板狀振源或從無限遠(yuǎn)處的點(diǎn)狀振源發(fā)出的振動(dòng)波。例如光線，可以看作平面波。vb 球面波：波陣面呈球面的波。由點(diǎn)狀

10、振源發(fā)出。對(duì)于混凝土質(zhì)量檢測(cè)，因振源(換能器)尺寸較小，振動(dòng)頻率不太高，傳播距離有限，因此一般都看成球面波。vc 柱面波：波陣面為同軸圓柱面的波。由無限長(zhǎng)直棒振源發(fā)出的振動(dòng)波。波陣面形狀不同的波v(a)平面波 (b)球面波(剖面示意圖) (c)柱面波v1波線 2波陣面 3波前 振動(dòng)頻率v根據(jù)機(jī)械波的振動(dòng)頻率，可分為次聲波、可聞聲波、超聲波和特超聲波。va 次聲波：振動(dòng)頻率小于10Hz，人耳聽不見。一些動(dòng)物可聽見次聲波。傳播距離遠(yuǎn)，可應(yīng)用于聲納導(dǎo)航、海底潛艇聲納探測(cè)等等。vb 可聞聲波：振動(dòng)頻率10Hz20kHz，人耳理論上能聽到的聲波。實(shí)際上，50Hz以下的低音一般人無法分辨，隨著年齡的增大，

11、很多人對(duì)于高頻聲波的聽覺也在不斷退化。vc 超聲波：振動(dòng)頻率在20Hz107kHz。廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)。混凝土中常用的頻率范圍是20kHz300kHz，金屬探傷的一般為500kHz2MHz。低頻超聲波常常及可聞聲波伴隨在一起。vd 特超聲波：振動(dòng)頻率超過107kHz。振動(dòng)形式v聲波振動(dòng)中，還可根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的連續(xù)及否分為脈沖波和連續(xù)波。va 脈沖波：波在傳播過程中，媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)作單個(gè)或間歇振動(dòng)的波。在科研、檢測(cè)中最常用的一種波，在混凝土超聲檢測(cè)中用的就是脈沖超聲波。vb 連續(xù)波：波在傳播過程中，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)均連續(xù)不斷地振動(dòng)。當(dāng)各個(gè)質(zhì)點(diǎn)都作同一頻率的連續(xù)不斷振動(dòng)時(shí)，稱為余弦波(也稱正弦波或簡(jiǎn)諧波)。v脈

12、沖波在數(shù)學(xué)上可以分解為許多不同頻率的余弦波，是一種復(fù)合波，因此余弦波是超聲波研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。3 超聲波的物理量v基本量：v速度：超聲波單位時(shí)間傳播的距離，用v表示，單位m/s；v頻率：等于超聲波傳播介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率，用f表示，單位赫茲Hz；v周期：在超聲波傳播介質(zhì)中，相鄰兩個(gè)同相位質(zhì)點(diǎn)間波傳播的時(shí)間間隔，用T表示，單位秒s。f和T互為倒數(shù)。v波長(zhǎng)：振動(dòng)傳播一個(gè)周期所走的路程，用表示，單位m;v振幅：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅度，用A表示。v它們之間有這樣的關(guān)系：Tvv聲場(chǎng)：被聲波充滿的空間。v聲場(chǎng)的狀態(tài)可用聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗等特征量來描述。v聲壓：聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間因聲波所引起的壓強(qiáng)，用p表示，單位是

13、帕斯卡Pa。vp=cvv是介質(zhì)密度。c是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，v在聲學(xué)之中稱為聲阻抗，用Z表示。v聲強(qiáng)：垂直于聲波傳播方向上的單位面積在單位時(shí)間內(nèi)通過的聲波能量。用I表示。22222121ZAvAIv近場(chǎng)區(qū)：圓板狀聲源的聲場(chǎng)特性之一。即從聲源發(fā)射點(diǎn)起，有一個(gè)N點(diǎn)，從聲源發(fā)射點(diǎn)到該點(diǎn)之間聲壓出現(xiàn)若干個(gè)極大值和極小值，這是由于圓板狀聲源各單元點(diǎn)輻射的聲波在軸線互相干涉、疊加的結(jié)果，0N的范圍稱為近場(chǎng)區(qū)。超過N點(diǎn)后，聲壓p隨距離的增加而明顯減小，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。N的大小取決于圓板狀聲源的直徑D和聲波的波長(zhǎng)，它們之間存在如下關(guān)系：442DNv由于近場(chǎng)區(qū)聲壓變化很復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避開這一區(qū)域。在混凝土超聲波

14、檢測(cè)中，超聲波頻率不高，波長(zhǎng)一般為30mm90mm，聲速一般為3.8km/s5.4km/s，換能器的直徑為35mm45mm，所以N都在10mm以內(nèi)，一般不會(huì)對(duì)檢測(cè)造成影響。4 聲波在介質(zhì)中的傳播特性v一般把超聲波在混凝土中的傳播路徑看成直線。和其它波類似，聲波也會(huì)發(fā)生干涉、繞射和衍射等等。v聲波的干涉：兩個(gè)頻率、波長(zhǎng)以及相位相同或相位差恒定的波源稱為相干波源，它們產(chǎn)生的波稱為相干波，兩個(gè)相干波在同一介質(zhì)中相遇時(shí)，兩個(gè)諧振頻率疊加，從而產(chǎn)生某些點(diǎn)因?yàn)橄辔幌嗤駝?dòng)加強(qiáng)，某些點(diǎn)因?yàn)橄辔幌喾凑駝?dòng)減弱甚至抵消。這種在空間出現(xiàn)固定的最大振幅點(diǎn)和最小振幅點(diǎn)的現(xiàn)象，稱為波的干涉現(xiàn)象。v根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理

15、，平面波在均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)，在其傳播方向上遇到一定尺寸的孔或障礙物時(shí)，會(huì)出現(xiàn)下列兩種情況：v孔或障礙物的尺寸比波長(zhǎng)大許多，則聲波基本仍沿直線傳播，在孔的外側(cè)和障礙物后面沒有聲波，如圖3所示。v當(dāng)園孔或障礙物尺寸較小，接近于波長(zhǎng)時(shí)，在園孔或障礙物處形成許多子波源，都向園孔另一側(cè)或障礙物表面發(fā)出球面子波，這些子波干涉疊加的結(jié)果使得聲波局部改變方向通過小孔或繞過小障礙物繼續(xù)傳播，稱為聲波的繞射現(xiàn)象，如下圖所示。聲波遇到大孔洞或大障礙物后的傳播v(a)孔徑遠(yuǎn)大于 (b)障礙物遠(yuǎn)大于 聲波的繞射現(xiàn)象v(a)平面波在小孔處的繞射 (b)平面波在小障礙物處的繞射 5 超聲波在媒質(zhì)界面上的傳播特性v當(dāng)聲波從一

16、種媒質(zhì)傳播到另一種媒質(zhì)時(shí)，在兩種媒質(zhì)的分界面上，只有一部分聲波穿透界面，在另一媒質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱之為折射波或透射波；另一部分聲波被反射回原媒質(zhì)稱為反射波。穿過界面繼續(xù)傳播的聲波，其傳播方向、能量及波形等都會(huì)發(fā)生變化，變化的情況取決于兩種媒質(zhì)的阻抗、聲波入射方向等因素。v當(dāng)超聲波垂直于媒質(zhì)界面入射時(shí)，通常在界面產(chǎn)生兩部分超聲波：一為反射波，一為透射波。當(dāng)超聲波不垂直于媒質(zhì)界面入射時(shí)，則根據(jù)入射角度，在界面會(huì)產(chǎn)生反射波、折射波，折射波的方向產(chǎn)生改變，服從Snell定律(光學(xué)折射定律)。在一定的角度范圍內(nèi)，折射波會(huì)分解成折射縱波、折射橫波。在特定的角度下，對(duì)于入射縱波，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界角，使得折射縱波

17、消失，該角度稱為第一臨界角，這是超聲檢測(cè)中用來獲取橫波的一種方法。v折射角度的變化及兩種媒質(zhì)的阻抗、入射角度等都有關(guān)系。6 超聲波傳播過程中的能量衰減v超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，其振幅隨傳播距離的增大而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為衰減。v衰減是限制超聲波檢測(cè)距離的主要因素。當(dāng)測(cè)距較大時(shí)，會(huì)降低測(cè)試靈敏度，增大測(cè)試誤差。另一方面，可利用衰減大小判斷混凝土的質(zhì)量狀況(聲波透射法測(cè)樁時(shí)常用)。v振幅隨距離增大而減小的規(guī)律可用下式表示：xeAA0v上式中稱為媒質(zhì)的衰減系數(shù)，其度量單位是dB/cm，即單位長(zhǎng)度上損耗的分貝數(shù)，用聲壓或振幅表示為：v在實(shí)際應(yīng)用中，可以從儀器上直接讀取波幅值，并配合衰減按鍵進(jìn)行衰減量的

18、測(cè)讀。v對(duì)于平面波，其衰減主要來源于吸收和散射，對(duì)于球面波，除了吸收衰減和散射衰減，還有波束本身的擴(kuò)散衰減。ppx0lg201AAx0lg201v吸收衰減：超聲波傳播過程中，由于媒質(zhì)的黏滯性，導(dǎo)致質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使一部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能；同時(shí)超聲波作為機(jī)械波，在傳播的過程中，是質(zhì)點(diǎn)(或分子)通過相互作用碰撞來傳遞能量的，這中間有一個(gè)時(shí)間過程，稱之為“分子馳豫過程”，這兩方面的損耗導(dǎo)致了媒質(zhì)的吸收衰減。吸收衰減隨超聲波頻率提高而增大，及頻率的二次方成正比。v超聲波在氣體和非均質(zhì)固體中吸收衰減比較大，在液體和均勻固體中吸收衰減較小。v散射衰減：當(dāng)媒質(zhì)中存在小尺寸的異物時(shí)，當(dāng)超聲波入射到這些異物時(shí)，

19、這些異物會(huì)形成新的振源向四周發(fā)射超聲波，這些聲波相互干涉、疊加的結(jié)果造成超聲能量的衰減，稱之為散射衰減。由于混凝土是由水泥砂漿、石子等組成的多相堆聚體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有石子、砂漿等固體顆粒，又有氣孔、微裂縫等不連續(xù)構(gòu)造，因此其散射衰減很大。當(dāng)超聲波進(jìn)入混凝土后，在砂漿中沿直線傳播，當(dāng)遇到石子后，波長(zhǎng)比石子小的高頻脈沖被反射，一部分折射進(jìn)入石子(改變傳播方向)，到石子-砂漿邊界又折射進(jìn)入砂漿；波長(zhǎng)比石子尺寸大的低頻超聲脈沖則繞過石子繼續(xù)傳播。當(dāng)超聲波氣孔或微裂縫時(shí)，其中波長(zhǎng)比較小的高頻脈沖也被反射，而波長(zhǎng)比較大的低頻脈沖則繞過。因此最終接收的超聲波比發(fā)射波振幅減小、頻率降低。v擴(kuò)散衰減：聲束

20、都有一定的擴(kuò)散角，隨著傳播距離的增大，擴(kuò)散的面積增大，而能量并不增加，導(dǎo)致單位面積上的能流密度降低，叫做擴(kuò)散衰減。擴(kuò)散衰減僅取決于超聲波換能器的直徑和振動(dòng)頻率，及傳播媒質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。7 混凝土超聲檢測(cè)特點(diǎn)：v由于混凝土由固-液-氣三相組成的具有彈黏塑性的復(fù)合材料，其內(nèi)部存在分布極其復(fù)雜的界面，例如砂漿-石子界面、砂漿-氣孔界面、砂漿-微裂縫界面等等，因此超聲波在混凝土中的傳播情況比均勻介質(zhì)中負(fù)責(zé)得多，因此決定了混凝土超聲檢測(cè)具有如下特點(diǎn)：v只能采用低頻超聲波v混凝土中存在多相，相互之間的聲阻抗差異很大(如砂漿-氣孔界面)，導(dǎo)致散射衰減嚴(yán)重，散射衰減對(duì)高頻超聲波影響更大，而混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸一般

21、都有幾百mm甚至幾米，為了超聲波傳播距離足夠長(zhǎng)，必須采用低頻超聲波，一般采用20kHz300kHz的低頻超聲波。而金屬超聲探傷中采用的超聲波頻率一般都在1000kHz以上(1000kHz=1MHz)。v超聲波指向性差v由于混凝土超聲波采用的低頻換能器在混凝土中的傳播波長(zhǎng)長(zhǎng)(=40mm90mm)，換能器直徑較小(D30mm40mm)，由下式：)/22. 1 (sin1D可知，波束的擴(kuò)散角2一般為5090，近似于球面波。同時(shí)，由于混凝土內(nèi)的石子等存在不規(guī)則界面，超聲波在混凝土內(nèi)產(chǎn)生反射、折射，并且互相干涉、疊加，使得大部分聲波產(chǎn)生漫反射。v超聲波在混凝土內(nèi)并非直線傳播v由于混凝土的非均質(zhì)性，超聲波

22、在無數(shù)不規(guī)則的石子及砂漿界面上發(fā)生反射和折射，使得接收到的聲波并非嚴(yán)格地沿測(cè)試方向直線傳播，只能大致上近似到看作沿直線傳播。v接收到的信號(hào)十分復(fù)雜v由于超聲縱波在混凝土內(nèi)傳播時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生許多次生反射縱波、折射縱波以及波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的橫波，這些波以不同相位、不同路徑相互疊加、干涉，造成接收到的超聲波信號(hào)十分復(fù)雜。三 超聲檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)介v超聲波應(yīng)用范圍：包括醫(yī)學(xué)、各種探測(cè)等等；v醫(yī)學(xué)上采用的超聲儀比較先進(jìn)，現(xiàn)在B型超聲(成像顯示)已經(jīng)普遍得到應(yīng)用；v金屬探傷中采用的則是A型超聲，即反射波顯示型，成像技術(shù)也在研究中。v由于混凝土對(duì)超聲波的衰減大，且混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特點(diǎn)決定了其截面尺寸較大因此超聲測(cè)距長(zhǎng)

23、，因此混凝土超聲波檢測(cè)儀目前只能采用透射式(一發(fā)一收式)，而無法采用金屬探傷中的反射式，目前對(duì)于混凝土超聲成像的技術(shù)也在研究中，但其難度相當(dāng)大。當(dāng)前常用的透射式超聲檢測(cè)設(shè)備的基本功能，就是通過發(fā)射換能器(也叫發(fā)射探頭)向混凝土中發(fā)射低頻超聲脈沖，然后通過接收換能器(接收探頭)接收透射超聲信號(hào)并將信號(hào)經(jīng)過放大、濾波等信號(hào)處理以后顯示出來，某些智能化的超聲儀器能將信號(hào)儲(chǔ)存下來進(jìn)行后期的信號(hào)處理，通過對(duì)這些信號(hào)的計(jì)算、加工，可以分析被測(cè)混凝土的內(nèi)部質(zhì)量。1 超聲檢測(cè)儀v超聲檢測(cè)儀器的發(fā)展經(jīng)歷：電子管、晶體管、大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等四代。v汕頭超聲電子公司生產(chǎn)的CTS-25型超聲儀就是晶體管

24、為主、帶有部分集成電路的儀器，而智博聯(lián)的ZBU520自動(dòng)測(cè)樁儀則是第四代智能化儀器。前者為模擬式，其接收信號(hào)為連續(xù)的模擬量，后者為數(shù)字式智能型，其接收信號(hào)是間斷的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)模/數(shù)(A/D)以及數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換后顯示成波形。v超聲檢測(cè)儀的性能要求依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是混凝土超聲波檢測(cè)儀(JG/T 5004-92)。v目前超聲檢測(cè)儀，國(guó)產(chǎn)的比進(jìn)口的更加實(shí)用，價(jià)格也比較實(shí)在。主要原因是國(guó)產(chǎn)儀器都帶有波形顯示功能，即使是智能儀器也帶有模擬式讀數(shù)、手動(dòng)游標(biāo)等功能，而進(jìn)口儀器很多不帶波形顯示，完全靠?jī)x器自動(dòng)判讀，容易出現(xiàn)丟失首波的問題。2 超聲換能器v換能器，即具有能量轉(zhuǎn)換功能的傳感器。v因?yàn)槌晝x能處理電信號(hào)

25、，即電壓隨時(shí)間的波動(dòng)，而混凝土中傳播的超聲波是機(jī)械波，首先需要將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，以發(fā)生超聲波，同時(shí)還需要將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以接收超聲波到檢測(cè)儀器。v通過“壓電效應(yīng)”可以達(dá)到這個(gè)目的。壓電效應(yīng)v 正壓電效應(yīng)：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量及外力的大小成正比。v逆壓電效應(yīng)：對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。v壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5

26、種基本形式。v壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這 5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。v依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。 v目前用于混凝土超聲檢測(cè)的壓電材料一般都同時(shí)具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，這意味著我們不必區(qū)分發(fā)射換能器和接收換能器，儀器都能正常工作。常用的材料是壓電陶瓷復(fù)合材料，如鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鉛(PbTiO2)、鋯鈦酸鉛(PbZrO2PbTiO2)、偏鈮酸鉛(PbNb2O6)等。v用于混凝土檢測(cè)的超聲換能器，按照波型可分為縱波換能器和橫波換能器，按壓電體振動(dòng)模式可分為平面式換能器和

27、徑向式換能器。簡(jiǎn)單地說，我們常用的是縱波換能器，其中平面式換能器用于上部結(jié)構(gòu)混凝土檢測(cè)，徑向式換能器用于聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁。v橫波換能器一般用于測(cè)量材料的動(dòng)彈特性(彈性模量、泊松比)，有時(shí)也可用于檢測(cè)填充了水的缺陷混凝土(如充滿水的裂縫或孔洞等)。v換能器及混凝土表面接觸時(shí)，總是存在一定的空隙，為了保證超聲能量最大程度地進(jìn)入混凝土、以及接收信號(hào)最大程度地進(jìn)入換能器，必須通過耦合劑將接觸面空隙中的空氣排除。對(duì)于縱波換能器，平面式換能器一般采用黃油、凡士林等作為耦合劑，徑向式換能器一般采用水作為耦合劑。而橫波換能器不能采用黃油等耦合劑進(jìn)行柔性耦合，因?yàn)闄M波無法在液體、氣體中傳播，因此必須采

28、用膠黏劑將換能器牢固地粘結(jié)在混凝土表面或采用多層鋁箔作耦合層，將換能器緊貼于混凝土測(cè)試表面，才能將發(fā)射并接收超聲橫波，給實(shí)際應(yīng)用增加了許多困難。3 超聲儀的檢定v檢定的主要項(xiàng)目是聲時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確性，通過測(cè)定空氣聲速的方法來檢驗(yàn)儀器的聲時(shí)計(jì)量是否準(zhǔn)確。空氣中的聲速主要受溫度變化的影響。具體操作方法見超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程(CECS 21:2000)。簡(jiǎn)要步驟如下：v準(zhǔn)備一個(gè)如下圖所示的測(cè)量裝置，其中換能器之間的距離可以調(diào)節(jié)，并通過刻度尺測(cè)量其測(cè)距。分別測(cè)量?jī)蓳Q能器之間距離為50mm、100mm、150mm500mm下的聲時(shí)讀數(shù)(一般要求10組數(shù)據(jù))，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量空氣溫度Tk(精確至0.5)。

29、理論上測(cè)距l(xiāng)(mm)-聲時(shí)t(s)之間呈線性關(guān)系，則對(duì)測(cè)距-聲時(shí)進(jìn)行線性回歸，求其斜率則為空氣中聲速va，并根據(jù)下式計(jì)算室溫Tk下空氣中的聲速vb：kbTv00367. 014 .331v則測(cè)量值va及理論計(jì)算值vb之間的相對(duì)誤差er為：%100aabrvvvev要求er0.5%。如誤差超過范圍，首先應(yīng)檢查測(cè)距、聲時(shí)、室溫測(cè)量的誤差，最后檢查儀器是否正常。v空氣中聲速測(cè)量裝置 空氣中聲時(shí)-測(cè)距關(guān)系圖v1-滑輪 2-刻度尺 3-換能器 4-支架1243L(mm)t(s)L1L2L4L3L6L5t1t2t3t4t5t6 4 超聲儀的保養(yǎng)v只有保養(yǎng)良好的儀器，才能提供準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，才能延長(zhǎng)儀器

30、使用壽命，創(chuàng)造良好效益。v超聲儀的保養(yǎng)需要注意以下幾點(diǎn)：v作為電子設(shè)備，避潮、避塵是最基本的要求。在使用中應(yīng)注意避開潮濕環(huán)境，露天操作時(shí)避開雨水，采用必要的遮擋(如覆蓋塑料布等等)。檢測(cè)完畢后應(yīng)擦拭灰塵后裝箱。v避免振動(dòng)對(duì)儀器的影響。振動(dòng)會(huì)造成儀器零部件松動(dòng)，從而影響其穩(wěn)定性甚至出現(xiàn)接觸不良。振動(dòng)主要源于搬運(yùn)途中。v正確連接各接頭。超聲儀的接頭主要有：發(fā)射、接收等各種傳感器連線，以及電源連線。注意CTS-25型儀器具有交、直流兩種電源供電方式，當(dāng)采用直流供電(電瓶)時(shí)，應(yīng)注意電源的極性，切忌反接，反接則造成儀器的供電部分燒毀，從而造成儀器不能使用。另外，換能器的連線接頭注意切忌用力拉扯，以免造

31、成接觸不良出現(xiàn)干擾信號(hào)影響檢測(cè)。四 超聲參數(shù)的檢測(cè)v1 超聲參數(shù)簡(jiǎn)介v混凝土超聲檢測(cè)中常用的參數(shù)主要是：聲時(shí)(傳播時(shí)間)或聲速、頻率、波幅(衰減)以及波形。v2 超聲聲時(shí)的測(cè)量v超聲聲時(shí)是混凝土超聲檢測(cè)中最基本的參數(shù)，通過聲時(shí)、測(cè)距可以計(jì)算被測(cè)混凝土的聲速，通常認(rèn)為混凝土的聲速及其彈性模量、泊松比等相關(guān)，因而通過混凝土的聲速大小可以反映其密實(shí)度、強(qiáng)度等質(zhì)量狀況。只有準(zhǔn)確測(cè)量超聲聲時(shí)值，才能準(zhǔn)確判斷被測(cè)混凝土的內(nèi)部狀況。v根據(jù)所采用的儀器不同，模擬式儀器和數(shù)字式儀器的聲時(shí)測(cè)量方法是不同的，但基本原理是一致的，即都是通過測(cè)量?jī)x器發(fā)射超聲信號(hào)到接收到超聲信號(hào)首波之間的時(shí)間差來確定聲時(shí)的。v模擬式儀器

32、的聲時(shí)測(cè)量注意事項(xiàng)v模擬式儀器通過手動(dòng)游標(biāo)判讀首波聲時(shí)，因此我們需要先了解超聲信號(hào)的波形特征，如圖7所示。圖中有一掃描基線，接收信號(hào)呈類似于正弦波形，掃描基線上的小三角形稱為手動(dòng)游標(biāo)，儀器能將它所在的位置轉(zhuǎn)換成從發(fā)射信號(hào)算起的時(shí)間(聲時(shí))，單位為s(微秒)，通過儀器的旋鈕可以調(diào)節(jié)其位置，從而將游標(biāo)切到接收信號(hào)的首波前沿上，即可判讀接收信號(hào)的首波聲時(shí)，如下圖所示。v模擬式儀器超聲信號(hào)基本特征 手動(dòng)游標(biāo)判讀聲時(shí)的位置掃描基線手動(dòng)游標(biāo)首波前沿游標(biāo)切首波前沿 v圖中游標(biāo)的位置比較靠前，屬于剛剛碰到首波前沿的情況，實(shí)際上在檢測(cè)中較少采用這種方法。v在用手動(dòng)游標(biāo)判讀首波聲時(shí)的時(shí)候，必須注意以下兩個(gè)方面的影

33、響：v第一是游標(biāo)的位置，顯然，游標(biāo)位置靠前則測(cè)讀的聲時(shí)值偏低，相應(yīng)的聲速測(cè)量值偏大；游標(biāo)靠后則判斷的聲時(shí)值偏大，相應(yīng)的聲速測(cè)量值偏小，因此有必要確立一個(gè)比較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行游標(biāo)的定位。v檢測(cè)中常用的方法，即游標(biāo)稍向后一些，使得游標(biāo)向上突起的部分及首波向下的趨勢(shì)接近剛好抵消從而看不到游標(biāo)的突起為準(zhǔn)。游標(biāo)切稍后基本取平v游標(biāo)過分靠后，使得首波前沿的一部分被游標(biāo)抵消以后變成“斷線”，因?yàn)檫@種位置標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，檢測(cè)中應(yīng)避免這樣的測(cè)讀法。游標(biāo)切過后出現(xiàn)斷線v第二是首波幅度的大小。v當(dāng)首波幅度過小時(shí)，則其前沿的起始位置不易查找，聲時(shí)判讀值偏大。v首波幅度過大時(shí)，首波前沿容易判讀但易于靠前，使得聲時(shí)判讀值偏小

34、。v通過儀器的“增益”及“衰減”調(diào)節(jié)首波幅度，通常“增益”是不隨便動(dòng)的，因?yàn)樵鲆嬖龃髣t掃描基線上的本底噪聲(雜波、干擾信號(hào))也隨之增大，一般調(diào)節(jié)到“2”，主要通過調(diào)節(jié)衰減按鈕，使得首波達(dá)到滿45格即可。 數(shù)字式、智能化儀器的聲時(shí)測(cè)量注意事項(xiàng)v數(shù)字式儀器以及智能化儀器都是根據(jù)超聲信號(hào)波形上的一些普遍規(guī)律進(jìn)行聲時(shí)自動(dòng)判讀的，這種普遍規(guī)律即超聲信號(hào)都具有一個(gè)比較陡峭的前沿，因此儀器設(shè)置了一個(gè)比較小的電壓稱為“門檻電壓”，即讀數(shù)的門檻，也叫閾值，其意義是當(dāng)信號(hào)幅度超過該幅值時(shí)，則認(rèn)為是信號(hào)首波，儀器測(cè)讀其位置，相當(dāng)于儀器自動(dòng)把“游標(biāo)”調(diào)整到首波。這樣作的好處是自動(dòng)判讀，但其缺點(diǎn)是，儀器判讀的首波比實(shí)際

35、首波位置稍后一些。v儀器自動(dòng)判斷首波 自動(dòng)判斷時(shí)實(shí)際首波位置的偏差讀數(shù)門檻儀器判讀的首波位置儀器判讀的首波位置實(shí)際首波位置 v當(dāng)讀數(shù)門檻設(shè)置不當(dāng)時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)異常情況。v讀數(shù)門檻太大時(shí)，則出現(xiàn)“丟波”現(xiàn)象，即把低于門檻的首波信號(hào)當(dāng)作噪聲給“忽略”了。v門檻設(shè)置過低時(shí)把噪聲信號(hào)當(dāng)作首波，出現(xiàn)誤判。v通過調(diào)節(jié)儀器的增益和門檻電壓來避免。v目前多數(shù)數(shù)字式、智能化儀器，都具備了手動(dòng)游標(biāo)讀數(shù)功能，必要時(shí)可以切換到手動(dòng)模式。讀數(shù)門檻“丟失”的首波讀數(shù)門檻儀器把噪聲當(dāng)作首波 聲時(shí)初讀數(shù)及其扣除v聲時(shí)初讀數(shù)也叫“零讀數(shù)”，主要來源于：v一是儀器各相關(guān)電路在處理交變電信號(hào)過程中產(chǎn)生的滯后，稱為“電延遲”；二是換能

36、器在對(duì)信號(hào)進(jìn)行電-聲轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的滯后效應(yīng)，稱為“聲延遲”；三是換能器在及混凝土測(cè)試面的耦合過程中產(chǎn)生滯后，也是一種“聲延遲”，這幾部分的延遲累加起來，形成了超聲信號(hào)的初讀數(shù)，以t0表示。v為精確測(cè)量聲時(shí)值，則必須扣除t0。常用的方法有：v在儀器中直接扣除法，這是大部分儀器采用的方法。即利用經(jīng)過檢定已知聲時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行檢測(cè)，然后通過“調(diào)零”的方法，使儀器測(cè)讀的聲時(shí)讀數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)棒的聲時(shí)，則完成了初讀數(shù)的之間扣除。v還可以讀取聲時(shí)后再扣除，仍然是采用標(biāo)準(zhǔn)棒，測(cè)量?jī)x器測(cè)讀標(biāo)準(zhǔn)棒的聲時(shí)值與其標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值即為t0。其中標(biāo)準(zhǔn)棒也可以采用各向同性的、長(zhǎng)方體形狀的有機(jī)玻璃等均質(zhì)體，通過測(cè)量不同方向的聲時(shí)

37、值計(jì)算出其聲速以及t0再予以扣除。3 混凝土缺陷的特征波形v超聲聲時(shí)、幅度、頻率等特征，都是表征混凝土質(zhì)量的超聲參數(shù)。v在檢測(cè)中，主要測(cè)量的參數(shù)是聲時(shí)，原因如下：v相對(duì)幅度、頻率而言，混凝土的聲速不容易受測(cè)試過程中換能器超聲性質(zhì)、耦合狀態(tài)等因素的干擾，從而能更準(zhǔn)確地判斷混凝土質(zhì)量。超聲幅度除了及超聲波在混凝土中的衰減有關(guān)外，還與換能器與混凝土測(cè)試面之間的耦合狀況有關(guān)。當(dāng)混凝土表面不平整、或耦合劑不夠時(shí)，則超聲信號(hào)幅度大大降低。更重要的是，即使是測(cè)試時(shí)耦合作用力的細(xì)微變化都足以造成首波幅度的大大波動(dòng)，而測(cè)試人員按壓換能器的壓力大小在測(cè)試過程難以保證統(tǒng)一，因此首波幅度不能作為超聲檢測(cè)中的主要參數(shù)。

38、頻率則與換能器頻率相關(guān)，同時(shí)存在檢測(cè)較繁瑣等原因，因此一般不單獨(dú)將頻率作為主要參數(shù)。但是，首波幅度、頻率與聲時(shí)綜合起來，則稱為超聲波的波形，又是判斷混凝土質(zhì)量的主要依據(jù)?；炷敛ㄐ翁卣鱲正常混凝土的特征波形。圖中t1、t2、t3、t4、t5分別是接收波第一個(gè)周期的聲時(shí)，t1為首波聲時(shí)，t2為1/4周期聲時(shí)，t3為半周期聲時(shí)，t4為3/4周期聲時(shí)，t5為一周期聲時(shí)，通過測(cè)量這些聲時(shí)差，可以初步估算接收信號(hào)的頻率(精確計(jì)算需要進(jìn)行頻譜分析)。正?；炷撂卣鞑ㄐ蔚拇笾绿攸c(diǎn)為：首波前沿較陡；首波幅度較高；波形比較飽滿，接近于正弦波，隨著繞射波的到達(dá)，后續(xù)波的幅度越來越大；頻率較高，接近于發(fā)射波頻率(一

39、般為換能器頻率，混凝土檢測(cè)采用的超聲波頻率一般在50kHz300kHz)；通過聲時(shí)計(jì)算得到的聲速一般在4000m/s5000m/s。t1t2t3 t4t5v正?；炷恋奶卣鞑ㄐ蝪異?；炷敛ㄐ纬霈F(xiàn)畸變，特征：首波前沿平緩；首波幅度較低，有的甚至淹沒在背景噪聲中；波形不飽滿，有時(shí)不能呈正弦波特征；頻率很低，大大低于發(fā)射波頻率；通過聲時(shí)計(jì)算得到的聲速通常大大低于4000m/s5000m/s。有的甚至低于1000m/s?；炷敛ㄐ螌?shí)測(cè)圖v正常混凝土波形v異?；炷敛ㄐ蝪上圖的異?；炷敛ㄐ纬Ｒ娪诨炷林袏A雜(如夾泥)、孔洞、疏松、裂縫、分層(界面結(jié)合不良)等質(zhì)量缺陷中。但當(dāng)換能器及混凝土之間耦合不良

40、時(shí)(如混凝土表面不平整、混凝土與混凝土接觸面存在泥沙、耦合劑不正常等情況)，也會(huì)出現(xiàn)類似的波形，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，及時(shí)排除耦合不良造成的干擾。v不同的缺陷有的波形也有一些差別，需要在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，不斷總結(jié)。v另外，還有一種異常情況即波形很正常，其基本特征及正常混凝土波形類似，唯一的問題是聲速偏低，如在3000m/s3500m/s左右，而波形甚至比混凝土中還飽滿，首波幅度很高。這種情況一般是超聲波在缺少石子的砂漿中傳播造成的，由于砂漿相當(dāng)于混凝土而言，缺少石子，因此對(duì)超聲波的散射衰減大大降低。但砂漿的聲速一般只有3500m/s左右，而且砂漿的強(qiáng)度偏低，無法滿足承載能力要求，因此在檢測(cè)中也應(yīng)注意

41、。v總的來說，超聲檢測(cè)混凝土缺陷目前基本上停留在半定性的階段，尚不能很好地區(qū)分缺陷類型，需要結(jié)合工程實(shí)際來判斷。五 超聲法檢測(cè)混凝土缺陷v原理概述v1 基本原理v超聲法檢測(cè)混凝土缺陷的基本原理就是，通過超聲波在混凝土中傳播后發(fā)生的波形變化、利用聲時(shí)(本質(zhì)是聲速)、頻率、波幅等參數(shù)的特征，來綜合分析判斷其內(nèi)部狀況。v雖然實(shí)際上超聲波在混凝土中由于受到石子、氣孔、微裂縫、鋼筋等影響，會(huì)產(chǎn)生散射、繞射等過程，致使其傳播方向改變(非直線傳播)，但由于我們?cè)跍y(cè)量時(shí)主要取首波，因此基本上還是認(rèn)為在正常混凝土中，超聲波沿近似直線的路徑傳播。當(dāng)遇到缺陷時(shí)則繞射是主要的，因此導(dǎo)致了聲速及波幅、頻率均下降，波形產(chǎn)

42、生畸變。在對(duì)缺陷進(jìn)行定位時(shí)，也是以超聲在混凝土中的直線傳播為假設(shè)前提的。v超聲波在混凝土缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，主要依據(jù)是超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程(CECS 21:2000)，主要應(yīng)用在：孔洞、疏松等內(nèi)部缺陷檢測(cè)、新舊混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測(cè)、裂縫深度檢測(cè)、表面損傷層深度檢測(cè)、鋼管混凝土質(zhì)量檢測(cè)、聲波透射法檢測(cè)混凝土灌注樁樁身完整性等。超聲檢測(cè)中的基本原則(一)v超聲波優(yōu)先選擇最短路徑：v即在超聲傳播路徑周圍，當(dāng)存在不同介質(zhì)時(shí)，根據(jù)不同介質(zhì)的聲速差異，超聲波總是優(yōu)先選擇最快到達(dá)的那一條路徑，由于鋼筋中的縱波聲速大大高于混凝土(5900m/s)，因此，當(dāng)超聲傳播路徑周圍存在鋼筋時(shí)，則超聲波往往會(huì)從鋼筋

43、“短路”。為避免鋼筋的影響，一般應(yīng)使傳播路徑不及鋼筋軸線平行或離開鋼筋約l/5l/6。同時(shí)，超聲波的這種特性也是用來檢測(cè)混凝土表層損傷深度、裂縫深度等的一個(gè)依據(jù)。當(dāng)混凝土是均質(zhì)的時(shí)候，一般認(rèn)為超聲波在混凝土中是直線傳播的。因此，當(dāng)檢測(cè)混凝土結(jié)合質(zhì)量時(shí)，就必須讓超聲波穿過結(jié)合面，為此常常必須采用斜測(cè)法等。超聲檢測(cè)中的基本原則(二)v正常混凝土的超聲參量基本上符合正態(tài)分布：v這是判斷混凝土中是否存在異常測(cè)點(diǎn)的主要依據(jù)。這種方法也叫“概率法”，是混凝土缺陷檢測(cè)中最常用的判據(jù)，即混凝土的超聲聲速等各參數(shù)基本在其平均值附近，當(dāng)出現(xiàn)偏離平均值較大的值時(shí)，則可判斷其為異常值。異常值判定值的大小及測(cè)點(diǎn)數(shù)有關(guān)，

44、也與被測(cè)混凝土本身的質(zhì)量波動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)差)有關(guān)。必須指出的是，僅當(dāng)測(cè)距可以準(zhǔn)確測(cè)量的前提下這一假設(shè)才能成立，這就意味著對(duì)于預(yù)埋聲測(cè)管進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)的灌注樁，由于測(cè)距實(shí)際上是變化的(因?yàn)槁暅y(cè)管總是難免在埋設(shè)后產(chǎn)生扭曲)，因此一般不采用這種數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法判斷異常部位，其判據(jù)另外介紹。同時(shí)，進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)的超聲參量一般是聲時(shí)或聲速，較少采用頻率、波幅等參數(shù)。v2 基本方法v根據(jù)構(gòu)件的幾何外形、大小以及現(xiàn)場(chǎng)條件(所能布置的檢測(cè)面)、測(cè)試面狀況、缺陷類型等，選擇不同的測(cè)試方法。常用的有：v采用平面換能器測(cè)試時(shí)(厚度振動(dòng)換能器)v優(yōu)先采用對(duì)測(cè)法：當(dāng)被測(cè)部位具有相互平行的相對(duì)的測(cè)試面時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)測(cè)法。此時(shí)

45、收發(fā)換能器位于兩個(gè)相對(duì)測(cè)試面，超聲測(cè)線垂直于測(cè)試面，接收波的波前正對(duì)接收探頭，接收信號(hào)強(qiáng)度是所有方法中最大的，因此最容易進(jìn)行結(jié)果判斷。v其次選擇斜測(cè)法：斜測(cè)法有兩種，一種是指兩個(gè)檢測(cè)面相交(檢測(cè)面相鄰)，兩個(gè)探頭在丁角進(jìn)行測(cè)試；一種是指兩個(gè)相對(duì)的測(cè)試面，但兩個(gè)探頭軸線及被測(cè)面形成不等于90的角度，如果測(cè)試面是垂直于地面的(這種情況是常見的)，那么探頭軸線則非水平，常用于新舊混凝土接合面質(zhì)量檢測(cè)，目的是使得超聲波能穿過接縫。v平測(cè)法：當(dāng)被測(cè)部位僅有一個(gè)測(cè)試面時(shí)，采用此方法，即發(fā)射、接收探頭位于同一個(gè)測(cè)試面，此時(shí)一般必須將兩個(gè)探頭的間距進(jìn)行等距離變化測(cè)得一組數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)間距與聲時(shí)的線性關(guān)系變化來

46、進(jìn)行判斷。一般用于混凝土表面損傷深度測(cè)試、裂縫深度測(cè)試等。v鉆孔、預(yù)埋管檢測(cè)(采用徑向振動(dòng)式換能器)v管(孔)中對(duì)測(cè)：適用于灌注樁以及大體積混凝土以及。灌注樁中預(yù)埋2根以上聲測(cè)管，采用柱狀徑向振動(dòng)式換能器進(jìn)行檢測(cè)是目前常規(guī)檢測(cè)方法之一。除此之外，對(duì)于大體積混凝土，由于測(cè)距太大，無法直接在兩個(gè)相對(duì)面直接測(cè)試(比如大底板)，或者澆注側(cè)面均被遮擋、隱蔽無法布置測(cè)點(diǎn)(比如大底板)，也可采用預(yù)埋聲測(cè)管或者鉆孔的辦法進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試時(shí)兩個(gè)探頭位于同一高度，同步提升。v管(孔)中斜測(cè)：上述構(gòu)件中，當(dāng)存在水平缺陷，對(duì)測(cè)有可能漏測(cè)(比如水平裂縫)，此時(shí)可將兩個(gè)探頭取不同高度進(jìn)行斜測(cè)，探頭同步提升。v孔中平測(cè)：將一

47、對(duì)徑向振動(dòng)式探頭或者一發(fā)雙收探頭置于同一個(gè)測(cè)孔中(聲測(cè)管不用此法)，測(cè)試孔壁周邊混凝土狀況。較少采用。v混合檢測(cè)：同時(shí)采用柱狀徑向換能器和平面式換能器進(jìn)行檢測(cè)，孔中放徑向換能器，側(cè)面布置平面換能器。比較少用。3 超聲檢測(cè)影響因素v耦合狀態(tài)：所謂“耦合”，是指讓超聲波探頭和被測(cè)混凝土表面密切接觸，盡量避免能量損失。對(duì)于平面探頭，雖然探頭面和混凝土測(cè)試面都是平的，但是實(shí)際上混凝土和探頭表面都有無數(shù)肉眼無法觀察到的凹凸，里面存在空氣，如果直接進(jìn)行測(cè)試會(huì)導(dǎo)致超聲能量被這些表面的凹凸部位中的空氣吸收衰減，大大影響超聲穿透能力，因此必須采用黃油、凡士林等糊狀物來填補(bǔ)混凝土測(cè)試面及探頭接觸面之間的空隙，形成

48、良好的耦合。對(duì)于柱狀徑向探頭，采用水進(jìn)行耦合，因此柱狀徑向探頭具有水密性的指標(biāo)要求，0.4MPa下不允許漏水。v鋼筋：超聲波在鋼中的傳播速度(縱波聲速一般為5.9km/s左右)大大高于混凝土(縱波聲速一般為4.0km/s5.0km/s)，如果在超聲傳播路徑上或其周圍存在鋼筋，則會(huì)有部分或者大部分超聲信號(hào)沿著鋼筋傳播而且比在混凝土中傳播的信號(hào)先到達(dá)接收探頭，從而導(dǎo)致檢測(cè)到的聲時(shí)值偏小，這叫做“視聲時(shí)”，即實(shí)驗(yàn)觀察到的聲時(shí)，它是受到干擾的不準(zhǔn)確的聲時(shí)。這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出來的聲速偏大，增加檢測(cè)方風(fēng)險(xiǎn)。v水分：水分填充了混凝土中的孔隙，混凝土孔隙中的空氣被水取代，由于水的超聲波速度和阻抗比空氣大得多，和

49、空氣相比，超聲波在水中傳播的速度大，衰減小，因此如果混凝土中的缺陷被水分填充，將會(huì)造成超聲傳播的“水短路”，導(dǎo)致缺陷判別的困難?；炷亮芽p深度檢測(cè)v1、單面平測(cè)v適用于結(jié)構(gòu)只有一個(gè)表面可供測(cè)試時(shí)，如混凝土路面、地下室剪力墻、飛機(jī)跑道、大體積混凝土等。最大檢測(cè)深度為500mm。hcllllTRTRv平測(cè)裂縫如上圖所示，基于下列的假設(shè)：v裂縫附近混凝土質(zhì)量基本一致(聲速基本相等)；v跨縫聲速和不跨縫聲速一致；v超聲波繞過裂縫尖端傳播。v根據(jù)上述假設(shè)，通過上圖的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出裂縫深度的計(jì)算公式如下：1)(220lvtlhccv測(cè)點(diǎn)布置如下圖所示。注意測(cè)距是測(cè)量?jī)蓚€(gè)換能器的內(nèi)邊緣距離。TT4T3

50、T1T2R1 R2R3 R4R1R2R3R4L1L2L3L4L1L2L3L4v在跨縫和不跨縫處均布置等間距測(cè)點(diǎn)，跨縫檢測(cè)時(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在裂縫兩側(cè)對(duì)稱分布，將不跨縫處測(cè)點(diǎn)聲時(shí)讀數(shù)作圖，取其斜率為不跨縫處聲速。在裂縫深度的平測(cè)法檢測(cè)中，跨縫檢測(cè)時(shí)常會(huì)遇到如下圖所示的首波“反相”現(xiàn)象。v大量的實(shí)驗(yàn)室研究和工程檢測(cè)表明，單面平測(cè)法檢測(cè)裂縫深度時(shí)，當(dāng)測(cè)距從大變小的過程中，存在這樣一個(gè)臨界點(diǎn)，首波開始反相，低于這個(gè)測(cè)距后，首波基本上都是反相的。有個(gè)比較簡(jiǎn)便的近似關(guān)系是，首波反相的臨界點(diǎn)測(cè)距l(xiāng)=2hc，也有觀點(diǎn)認(rèn)為裂縫較深的時(shí)候l=hc。規(guī)范CECS 21:2000是規(guī)定：在發(fā)現(xiàn)反相的臨界點(diǎn)，取該測(cè)距及其兩個(gè)相鄰

51、測(cè)距的測(cè)量值計(jì)算裂縫深度后進(jìn)行平均。當(dāng)無法觀察到首波反相時(shí)，則對(duì)每個(gè)測(cè)距計(jì)算裂縫深度，然后計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)裂縫深度平均值，剔除其中小于平均值測(cè)距下的測(cè)試數(shù)據(jù)，以及大于3倍平均值的測(cè)試數(shù)據(jù)，然后重新計(jì)算平均值作為裂縫深度計(jì)算值。v當(dāng)檢測(cè)樓板、剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，注意測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)保證超聲傳播路線和鋼筋分布盡量呈45夾角，以避開鋼筋影響。2、裂縫雙面斜測(cè)：v單面平測(cè)法的前提條件是超聲波繞過裂縫尖端傳播。當(dāng)裂縫尖端存在水分、塵土顆粒等雜質(zhì)時(shí)，或者裂縫局部被水分、塵土顆粒等填充時(shí)，會(huì)成為超聲傳播的通道，因此導(dǎo)致深度測(cè)試的誤差(使裂縫深度偏小)。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)相互平行的可測(cè)面時(shí)，優(yōu)先選擇雙面斜測(cè)法。如下圖

52、所示。v根據(jù)波幅、聲時(shí)和主頻的突變來判定超聲波是否穿過裂縫傳播，可以判斷裂縫是否貫通截面。TR3、鉆孔檢測(cè)裂縫深度v鉆孔對(duì)測(cè)法適用于大體積混凝土，預(yù)計(jì)深度在500mm以上的裂縫檢測(cè)，需要在被測(cè)混凝土上鉆孔。鉆孔有如下要求：v孔徑應(yīng)大于換能器直徑5mm10mm；v孔深應(yīng)超過預(yù)計(jì)裂縫深度700mm，可初測(cè)后補(bǔ)鉆；vA、B兩個(gè)測(cè)孔必須始終位于裂縫兩側(cè)(對(duì)于斜裂縫要注意)，且測(cè)孔應(yīng)保持平行；v測(cè)孔間距AB、BC宜為2m左右，且AB=BC；v孔中粉末碎屑必須清除干凈；v必須在跨縫的AB和不跨縫的BC兩條連線上分別進(jìn)行測(cè)試。C孔可淺些，以便于將跨縫和不跨縫測(cè)試數(shù)據(jù)加以對(duì)比。 鉆孔檢測(cè)裂縫示意圖CBAll(

53、a) 平面圖（C為比較孔）(b) 立面圖lhc20406080100120140160180d(cm)hcA(dB)(c) h-A坐標(biāo)圖v一般選擇20kHz60kHz的徑向振動(dòng)式換能器，測(cè)試前先向測(cè)孔中注滿清水，徑向換能器以(100400)mm的測(cè)距同步移動(dòng)，讀取各深度的聲時(shí)、波幅等讀數(shù)，繪制深度-波幅以及深度-聲時(shí)曲線，如圖25(C)所示。一般波幅對(duì)裂縫較為敏感，當(dāng)波幅穩(wěn)定在較大的數(shù)值后，可認(rèn)為已經(jīng)超過裂縫尖端了，通過圖25(C)的拐點(diǎn)可確定裂縫深度。不密實(shí)區(qū)和空洞檢測(cè)v不密實(shí)區(qū)是指因振搗不足、漏漿、石子架空等原因造成的蜂窩狀缺陷，或者因水泥缺少而形成的松散狀以及遭受意外損傷造成的疏松狀混凝

54、土區(qū)域。不密實(shí)區(qū)和空洞檢測(cè)要求檢測(cè)部位必須具有一對(duì)或兩對(duì)相互平行的測(cè)試面。檢測(cè)的時(shí)候，應(yīng)在同條件的正?；炷辽线M(jìn)行對(duì)比測(cè)試，對(duì)比測(cè)點(diǎn)數(shù)不得少于20點(diǎn)。v根據(jù)被測(cè)構(gòu)件的實(shí)際情況，選擇下列方法之一進(jìn)行檢測(cè)：v1、對(duì)測(cè)法：適用于構(gòu)件具有兩對(duì)相互平行的測(cè)試面。如下圖所示。對(duì)測(cè)法示意圖v(a)平面圖 (b)立面圖RRTTTR v2、斜測(cè)法：v當(dāng)只有一對(duì)相互平行測(cè)試面時(shí)，可采用斜測(cè)、對(duì)測(cè)結(jié)合的方法，如下圖所示。v斜測(cè)的目的在于能發(fā)現(xiàn)水平走向的缺陷。v3、鉆孔法：v當(dāng)測(cè)距較大時(shí)，可采用鉆孔或預(yù)埋管法。v一般測(cè)距大于2m3m以上時(shí)采用此方法，鉆孔內(nèi)采用徑向換能器，側(cè)壁采用平面換能器。鉆孔間距也不得大于3m，孔

55、徑要比換能器直徑大5mm10mm，孔中注滿清水?？梢杂脧较驌Q能器和平面換能器結(jié)合成收發(fā)換能器對(duì)進(jìn)行檢測(cè)。平面圖 (b)立面圖v測(cè)試中，必須在測(cè)試部位彈畫網(wǎng)格線，網(wǎng)格間距一般為(100300)mm，測(cè)試部位表面必須清理干凈、必要時(shí)打磨平整。如果存在缺陷，可以采用高強(qiáng)度快凝砂漿抹平，干后測(cè)試。v測(cè)試前必須涂耦合劑，一般耦合劑為黃油或者凡士林。鉆孔測(cè)試時(shí)注滿清水耦合。測(cè)試前必須準(zhǔn)確量測(cè)超聲測(cè)距，精確至1%。v對(duì)于缺陷的判斷，主要是采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為超聲參數(shù)符合正態(tài)分布，將各測(cè)點(diǎn)的波幅、聲速或主頻值等超聲參數(shù)Xi由大到小按順序排列，將排在后面的明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個(gè)Xn其前

56、面的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，并按下式計(jì)算異常情況判斷值：X0=mx-1sx v將X0同Xn進(jìn)行比較，如果XnX0，則Xn及排列其后的數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉Xn，對(duì)X1Xn-1再次進(jìn)行計(jì)算和判別，直至比較的結(jié)果沒有異常值為止。當(dāng)XnX0時(shí)，則應(yīng)將Xn+1放進(jìn)去重新進(jìn)行計(jì)算和判別。例題v采用超聲法進(jìn)行構(gòu)件混凝土密實(shí)性檢測(cè)，經(jīng)過計(jì)算得到的聲速數(shù)據(jù)如下表1所示，請(qǐng)根據(jù)表2所提供的1值分析判斷是否存在異常測(cè)點(diǎn)？如果有請(qǐng)將它們一一找出來。 測(cè)點(diǎn) 聲速(km/s) 測(cè)點(diǎn)聲速(km/s)測(cè)點(diǎn)聲速(km/s)14.5694.55174.5324.47104.49184.6234.45114.46194.5244.49124.23204.2554.63134.32214.3264.54144.49224.5674.57154.48234.4784.48164.51244.45例題v表2v解：v(1)24個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速平均值、標(biāo)準(zhǔn)差： n2022242611.651.691.731.77skmvmiiv/48.4241241skmmvsiviv/10.0124)(2412例題vN=24，查表2得1=1.73v聲速異常值判定值vv0=mv-1Sv=4.4