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超声法检测混凝土缺陷 福建省建筑科学研究院 陈松 一 混凝土无损检测概述 v混凝土无损检测技术是以电子学、物理学、 计算机技术为基础的测试仪器，直接在材料 试体或结构物上，非破损地测量与材料物理 、力学、结构质量有关的物理量，藉材料学 、应用力学、数理统计和信息分析处理等方 法，确定和评价材料和结构的弹性、强度、 均匀性与密实度等的一种新兴的测试方法。 一 混凝土无损检测概述 v结构混凝土无损检测技术工程应用，主要有结构混凝土的强 度、缺陷和损伤的诊断测试，而钢筋的位置、直径和保护层 厚度，以及钢结构焊缝质量检测也得到比较广泛的应用，随 着新技术的开发，结构水渗漏、气密性和保温性能、钢筋腐 蚀程度的检测也日益得到重视。 v无损检测技术的应用，已遍及建筑、交通、水利、电力、地 矿、铁道等系统的建设工程质量检测与评估，正如国际上权 威人士早就预言的“混凝土工程应用无损检测技术程度，是 标志着一个国家对结构工程验收和质量检测技术的高低”， 正说明了发展无损检测技术的必要性和实际意义。 v 无损检测技术的特点： v无损于材料、结构的组织和使用性能； v可以直接在试体或结构上，对质量或强度进行重 复、全面的检测，弥补了因各种因素影响造成材料 试件与结构物质量差别的缺点； v选用不同的方法，检测和判别结构表层和内部的 质量或损伤，操作简便、迅速； v随着信息处理技术的发展，有利于实现“在线检测 和生产自动化”。 国内外无损检测方法分类(一) 检测 目的 常用方法测 试 量基本原理 混凝 土强 度 回弹法 超声脉冲法 回弹超声综合法 超声衰减综合法 射线法 落球法(脉冲回波法) 钻芯法 拔出法 压痕法 射击法 回弹值 超声脉冲传播速度 回弹值 和声速 声速和衰减 吸收或散射强度 振动参数 芯样抗压强度 拉拔强度 压力和压痕直径或深 度 探针射入深度 根据混凝土应力 应变性质与强度 的关系，用弹性 模量或粘塑性指 标推算标准抗压 强度及特征强度 ；根据混凝土密 实度推算强度振 动参数与强度的 关系；局部区域 的抗压、抗拉或 抗冲击强度推算 成标准抗压强度 及特征强度。 国内外无损检测方法分类(二) 检测 目的 常用方法测 试 量基本原理 混凝 土内 部缺 陷 超声脉冲法 声时、波高、波形 、频谱、反射回波 波的绕射、衰 减、叠加等 射线法穿透后的射线强度 射线强度记录 或 摄影 脉冲回波法 反射波位置 缺陷表面形成反射 波 雷达法 雷达波反射位置 缺陷表面形成雷达 反射信号 国内外无损检测方法分类(三) 检测 目的 常用方法测 试 量基本原理 混凝 土受 力历 史和 损伤 程度 声发射法声发射信号、事 件记数、幅值分 布、能谱等 声发射信号源 定位、声发射 的凯塞效应、 破坏过程的连 续观察 超声脉冲法 声速、衰减 国内外无损检测方法分类(四) 检测 目的 常用 方法 测 试 量基本原理 弹性 模量 和粘 塑性 性质 及耐 久性 共振法 敲击法 超声法 透气法 固有频率、品质因数 对数衰减率 声速、衰减系数、频 谱 气压变化 振动分析 应力波传播 分析 孔隙渗透性 国内外无损检测方法分类(五) 检测 目的 常用 方法 测 试 量基本原理 钢筋 位置 和锈 蚀 磁测法 电测法 射线法 磁场强度 钢筋的半电池电 位 射线 钢筋对磁场的影响 电化学分析 射线摄影 二 超声波检测基本概念 v1 混凝土超声检测技术发展概况 v1928年世界上第一台连续波的超声波石材探测仪问 世。20世纪30年代初开始有学者尝试进行混凝土中 声波传播性质的研究，有的采用金属超声波探伤仪 ，有的采用敲击产生振动的方法。40年代末50年代 初，加拿大、德国和英国的一些学者开创了超声波 检测混凝土质量这一新领域。至20世纪70年代末， 随着电子技术的发展，超声波检测仪的不断改进和 完善，促进了超声波检测技术的发展。 v我国自20世纪50年代末60年代初开始超声法检测混 凝土质量技术的研究和应用，先后完成了“超声波检 测混凝土缺陷”、“超声波检测混凝土强度”、“超声回 弹综合法检测混凝土强度”、“超声波检测灌注桩完 整性”、“超声波检测钢管混凝土质量”等课题的应用 研究，目前都具有相应的技术规程。同时，国产的 超声检测仪也达到了国际先进水平，形成了从模拟 式的CTS-25(汕头超声仪器公司)到数字式的CTS- 45以及智能化的NM系列(北京康科瑞公司)、ZBL-U 系列(北京智博联公司)、RSM-SY5(武汉岩海公司) 等品种繁多、性能稳定可靠、使用方便的一系列仪 器。 v值得一提的是，国内的超声检测仪比较注重 波型的显示，无论是模拟式还是数字式、智 能型的仪器，都具备波型显示、手动游标判 读功能。而国外的仪器，基本上都不具备波 型显示功能，超声参数均由仪器自动判读， 必要的时候可以将显示信号输出到示波器上 显示波型，在实际使用中反而不如国产仪器 方便。 2 超声波的基本知识 v振动与波 v超声波是一种机械振动波。当物体中某一个质点突 然获得一定能量，在其自身的平衡位置产生往复运 动时，机械振动即产生了。由于物体介质的连续性 ，则这种振动会传递到邻近的质点，并且一个个传 递下去，从而使得振动在物体内传播，这就是机械 振动波。注意在机械振动波传播过程中，质点本身 是不会传播的，传播的仅仅是振动这种运动方式以 及能量。 2 超声波的基本知识 v波的种类 va 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。 产生于媒质受到拉、压交变力的作用，在固体、液体和气体 中均能传播。这是混凝土超声检测中应用最广泛的形式。从 形态上看，也叫“疏密波”，即有的质点之间因为振动互相远 离(疏)，有的质点直接互相靠近(密)。 vb 横波：质点振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。 具有切变弹性变形能力的物体，其媒质受到剪切力作用的时 候，产生剪切变形，使质点沿切线方向振动而产生横波。只 有固体才具有切变弹性变形能力，因此横波只能在固体中传 播。 vc 表面波：质点的振动方向与波的传播方向具有纵 波和横波质点振动的综合特性，固体介质表面质点 以纵向和横向两种振动的合成振动，便围绕其平衡 位置做椭圆形振动。表面波的振动能量随着深度的 增加而迅速减小，故只能沿着固体表面传播。产生 在固体介质自由表面的表面波称为瑞利波，瑞利波 的最大特点是其波速只与介质的弹性常数有关，与 振动频率无关，且属于二维振动的波，在固体表面 传输的能量损耗小，传播距离远，可用于检测水下 混凝土的表面裂缝情况。 v纵波波速最高。 纵波 横波 表面波 波的形式 v根据波阵面，波可以分为平面波、球面波和 柱面波。 v波阵面：振动传播过程中相位相同的所有质 点轨迹的集合所形成的面。 v波线：振动传播的方向。 v波前：在某一瞬间振动传播到最前沿的各质 点轨迹形成的面。 va 平面波：波阵面呈平面的波。可以看作是由无限 大板状振源或从无限远处的点状振源发出的振动波 。例如光线，可以看作平面波。 vb 球面波：波阵面呈球面的波。由点状振源发出。 对于混凝土质量检测，因振源(换能器)尺寸较小， 振动频率不太高，传播距离有限，因此一般都看成 球面波。 vc 柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波。由无限长直 棒振源发出的振动波。 波阵面形状不同的波 v(a)平面波 (b)球面波(剖面示意图) (c)柱面波 v1波线 2波阵面 3波前 振动频率 v根据机械波的振动频率，可分为次声波、可闻声波、超声波 和特超声波。 va 次声波：振动频率小于10Hz，人耳听不见。一些动物可听 见次声波。传播距离远，可应用于声纳导航、海底潜艇声纳 探测等等。 vb 可闻声波：振动频率10Hz20kHz，人耳理论上能听到的 声波。实际上，50Hz以下的低音一般人无法分辨，随着年 龄的增大，很多人对于高频声波的听觉也在不断退化。 vc 超声波：振动频率在20kHz107kHz。广泛应用于无损检 测。混凝土中常用的频率范围是20kHz300kHz，金属探伤 的一般为500kHz2MHz。低频超声波常常与可闻声波伴随 在一起。 vd 特超声波：振动频率超过107kHz。 振动形式 v声波振动中，还可根据质点振动的连续与否分为脉 冲波和连续波。 va 脉冲波：波在传播过程中，媒质的质点作单个或 间歇振动的波。在科研、检测中最常用的一种波， 在混凝土超声检测中用的就是脉冲超声波。 vb 连续波：波在传播过程中，各个质点均连续不断 地振动。当各个质点都作同一频率的连续不断振动 时，称为余弦波(也称正弦波或简谐波)。 v脉冲波在数学上可以分解为许多不同频率的余弦波 ，是一种复合波，因此余弦波是超声波研究的数学 基础。 3 超声波的物理量 v基本量： v速度：超声波单位时间传播的距离，用v表示，单位m/s； v频率：等于超声波传播介质中质点振动的频率，用f表示，单 位赫兹Hz； v周期：在超声波传播介质中，相邻两个同相位质点间波传播 的时间间隔，用T表示，单位秒s。f和T互为倒数。 v波长：振动传播一个周期所走的路程，用表示，单位m; v振幅：质点振动幅度，用A表示。 v它们之间有这样的关系：Tv v声场：被声波充满的空间。 v声场的状态可用声压、声强、声阻抗等特征量来描 述。 v声压：声场中某一点在某一瞬间因声波所引起的压 强，用p表示，单位是帕斯卡Pa。 vp=cv v是介质密度。c是介质质点振动速度，v在声学之 中称为声阻抗，用Z表示。 v声强：垂直于声波传播方向上的单位面积在单位时 间内通过的声波能量。用I表示。 v近场区：圆板状声源的声场特性之一。即从声源发射点起 ，有一个N点，从声源发射点到该点之间声压出现若干个极 大值和极小值，这是由于圆板状声源各单元点辐射的声波 在轴线互相干涉、叠加的结果，0N的范围称为近场区。 超过N点后，声压p随距离的增加而明显减小，称为远场区 。N的大小取决于圆板状声源的直径D和声波的波长，它 们之间存在如下关系： v由于近场区声压变化很复杂，在实际应用中应避开这一区域 。在混凝土超声波检测中，超声波频率不高，波长一般为 30mm90mm，声速一般为3.8km/s5.4km/s，换能器的 直径为35mm45mm，所以N都在10mm以内，一般不会对 检测造成影响。 4 声波在介质中的传播特性 v一般把超声波在混凝土中的传播路径看成直线。和 其它波类似，声波也会发生干涉、绕射和衍射等等 。 v声波的干涉：两个频率、波长以及相位相同或相位 差恒定的波源称为相干波源，它们产生的波称为相 干波，两个相干波在同一介质中相遇时，两个谐振 频率叠加，从而产生某些点因为相位相同而振动加 强，某些点因为相位相反振动减弱甚至抵消。这种 在空间出现固定的最大振幅点和最小振幅点的现象 ，称为波的干涉现象。 v根据惠更斯-菲涅耳原理，平面波在均匀媒质中传播 时，在其传播方向上遇到一定尺寸的孔或障碍物时 ，会出现下列两种情况： v孔或障碍物的尺寸比波长大许多，则声波基本仍 沿直线传播，在孔的外侧和障碍物后面没有声波， 如图3所示。 v当园孔或障碍物尺寸较小，接近于波长时，在园 孔或障碍物处形成许多子波源，都向园孔另一侧或 障碍物表面发出球面子波，这些子波干涉叠加的结 果使得声波局部改变方向通过小孔或绕过小障碍物 继续传播，称为声波的绕射现象，如下图所示。 声波遇到大孔洞或大障碍物后的传播 v(a)孔径远大于 (b)障碍物远大于 声波的绕射现象 v(a)平面波在小孔处的绕射 (b)平面波在小障碍物处的绕射 5 超声波在媒质界面上的传播特性 v当声波从一种媒质传播到另一种媒质时，在 两种媒质的分界面上，只有一部分声波穿透 界面，在另一媒质中继续传播，称之为折射 波或透射波；另一部分声波被反射回原媒质 称为反射波。穿过界面继续传播的声波，其 传播方向、能量及波形等都会发生变化，变 化的情况取决于两种媒质的阻抗、声波入射 方向等因素。 v当超声波垂直于媒质界面入射时，通常在界面产生 两部分超声波：一为反射波，一为透射波。当超声 波不垂直于媒质界面入射时，则根据入射角度，在 界面会产生反射波、折射波，折射波的方向产生改 变，服从Snell定律(光学折射定律)。在一定的角度 范围内，折射波会分解成折射纵波、折射横波。在 特定的角度下，对于入射纵波，会出现一个临界角 ，使得折射纵波消失，该角度称为第一临界角，这 是超声检测中用来获取横波的一种方法。 v折射角度的变化与两种媒质的阻抗、入射角度等都 有关系。 6 超声波传播过程中的能量衰减 v超声波在媒质中传播时，其振幅随传播距离 的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。 v衰减是限制超声波检测距离的主要因素。当 测距较大时，会降低测试灵敏度，增大测试 误差。另一方面，可利用衰减大小判断混凝 土的质量状况(声波透射法测桩时常用)。 v振幅随距离增大而减小的规律可用下式表示 ： v上式中称为媒质的衰减系数，其度量单位是dB/cm，即单 位长度上损耗的分贝数，用声压或振幅表示为： v在实际应用中，可以从仪器上直接读取波幅值，并配合衰减 按键进行衰减量的测读。 v对于平面波，其衰减主要来源于吸收和散射，对于球面波， 除了吸收衰减和散射衰减，还有波束本身的扩散衰减。 v吸收衰减：超声波传播过程中，由于媒质的黏滞性 ，导致质点间产生内摩擦，使一部分声能转换成热 能；同时超声波作为机械波，在传播的过程中，是 质点(或分子)通过相互作用碰撞来传递能量的，这 中间有一个时间过程，称之为“分子驰豫过程”，这 两方面的损耗导致了媒质的吸收衰减。吸收衰减随 超声波频率提高而增大，与频率的二次方成正比。 v超声波在气体和非均质固体中吸收衰减比较大，在 液体和均匀固体中吸收衰减较小。 v散射衰减：当媒质中存在小尺寸的异物时，当超声波入射到 这些异物时，这些异物会形成新的振源向四周发射超声波， 这些声波相互干涉、叠加的结果造成超声能量的衰减，称之 为散射衰减。由于混凝土是由水泥砂浆、石子等组成的多相 堆聚体，其内部结构复杂，既有石子、砂浆等固体颗粒，又 有气孔、微裂缝等不连续构造，因此其散射衰减很大。当超 声波进入混凝土后，在砂浆中沿直线传播，当遇到石子后， 波长比石子小的高频脉冲被反射，一部分折射进入石子(改 变传播方向)，到石子-砂浆边界又折射进入砂浆；波长比石 子尺寸大的低频超声脉冲则绕过石子继续传播。当超声波气 孔或微裂缝时，其中波长比较小的高频脉冲也被反射，而波 长比较大的低频脉冲则绕过。因此最终接收的超声波比发射 波振幅减小、频率降低。 v扩散衰减：声束都有一定的扩散角，随着传 播距离的增大，扩散的面积增大，而能量并 不增加，导致单位面积上的能流密度降低， 叫做扩散衰减。扩散衰减仅取决于超声波换 能器的直径和振动频率，与传播媒质的性质 无关。 7 混凝土超声检测特点： v由于混凝土由固-液-气三相组成的具有弹黏塑性的复合材料 ，其内部存在分布极其复杂的界面，例如砂浆-石子界面、 砂浆-气孔界面、砂浆-微裂缝界面等等，因此超声波在混凝 土中的传播情况比均匀介质中负责得多，因此决定了混凝土 超声检测具有如下特点： v只能采用低频超声波 v混凝土中存在多相，相互之间的声阻抗差异很大(如砂浆-气 孔界面)，导致散射衰减严重，散射衰减对高频超声波影响 更大，而混凝土结构构件尺寸一般都有几百mm甚至几米， 为了超声波传播距离足够长，必须采用低频超声波，一般采 用20kHz300kHz的低频超声波。而金属超声探伤中采用的 超声波频率一般都在1000kHz以上(1000kHz=1MHz)。 v超声波指向性差 v由于混凝土超声波采用的低频换能器在混凝 土中的传播波长长(=40mm90mm)，换能 器直径较小(D30mm40mm)，由下式： 可知，波束的扩散角2一般为5090，近似 于球面波。同时，由于混凝土内的石子等存在 不规则界面，超声波在混凝土内产生反射、折 射，并且互相干涉、叠加，使得大部分声波产 生漫反射。 v超声波在混凝土内并非直线传播 v由于混凝土的非均质性，超声波在无数不规则的石 子与砂浆界面上发生反射和折射，使得接收到的声 波并非严格地沿测试方向直线传播，只能大致上近 似到看作沿直线传播。 v接收到的信号十分复杂 v由于超声纵波在混凝土内传播时，沿途会产生许多 次生反射纵波、折射纵波以及波型转换产生的横波 ，这些波以不同相位、不同路径相互叠加、干涉， 造成接收到的超声波信号十分复杂。 三 超声检测设备简介 v超声波应用范围：包括医学、各种探测等等； v医学上采用的超声仪比较先进，现在B型超声(成像显示)已 经普遍得到应用； v金属探伤中采用的则是A型超声，即反射波显示型，成像技 术也在研究中。 v由于混凝土对超声波的衰减大，且混凝土结构构件的特点决 定了其截面尺寸较大因此超声测距长，因此混凝土超声波检 测仪目前只能采用透射式(一发一收式)，而无法采用金属探 伤中的反射式，目前对于混凝土超声成像的技术也在研究中 ，但其难度相当大。当前常用的透射式超声检测设备的基本 功能，就是通过发射换能器(也叫发射探头)向混凝土中发射 低频超声脉冲，然后通过接收换能器(接收探头)接收透射超 声信号并将信号经过放大、滤波等信号处理以后显示出来， 某些智能化的超声仪器能将信号储存下来进行后期的信号处 理，通过对这些信号的计算、加工，可以分析被测混凝土的 内部质量。 1 超声检测仪 v超声检测仪器的发展经历：电子管、晶体管、大规模集成电 路、计算机处理系统等四代。 v汕头超声电子公司生产的CTS-25型超声仪就是晶体管为主 、带有部分集成电路的仪器，而智博联的ZBU520自动 测桩仪则是第四代智能化仪器。前者为模拟式，其接收信号 为连续的模拟量，后者为数字式智能型，其接收信号是间断 的数字信号，经模/数(A/D)以及数/模(D/A)转换后显示成波形 。 v超声检测仪的性能要求依据标准是混凝土超声波检测仪 (JG/T 5004-92)。 v目前超声检测仪，国产的比进口的更加实用，价格也比较实 在。主要原因是国产仪器都带有波形显示功能，即使是智能 仪器也带有模拟式读数、手动游标等功能，而进口仪器很多 不带波形显示，完全靠仪器自动判读，容易出现丢失首波的 问题。 2 超声换能器 v换能器，即具有能量转换功能的传感器 。 v因为超声仪能处理电信号，即电压随时 间的波动，而混凝土中传播的超声波是 机械波，首先需要将电信号转变成机械 振动，以发生超声波，同时还需要将机 械振动转变为电信号，以接收超声波到 检测仪器。 v通过“压电效应”可以达到这个目的。 压电效应 v 正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就 产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷 ；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用 方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电 荷量与外力的大小成正比。 v逆压电效应：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象 ，又称电致伸缩效应。 v压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积 变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式。 v压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下 产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但 具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 v依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 v目前用于混凝土超声检测的压电材料一般都同时具有正压电 效应和逆压电效应，这意味着我们不必区分发射换能器和接 收换能器，仪器都能正常工作。常用的材料是压电陶瓷复合 材料，如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO2)、锆钛酸铅 (PbZrO2PbTiO2)、偏铌酸铅(PbNb2O6)等。 v用于混凝土检测的超声换能器，按照波型可分为纵波换能器 和横波换能器，按压电体振动模式可分为平面式换能器和径 向式换能器。简单地说，我们常用的是纵波换能器，其中平 面式换能器用于上部结构混凝土检测，径向式换能器用于声 波透射法检测混凝土灌注桩。 v横波换能器一般用于测量材料的动弹特性(弹性模量、泊松 比)，有时也可用于检测填充了水的缺陷混凝土(如充满水的 裂缝或孔洞等)。 v换能器与混凝土表面接触时，总是存在一定的空隙 ，为了保证超声能量最大程度地进入混凝土、以及 接收信号最大程度地进入换能器，必须通过耦合剂 将接触面空隙中的空气排除。对于纵波换能器，平 面式换能器一般采用黄油、凡士林等作为耦合剂， 径向式换能器一般采用水作为耦合剂。而横波换能 器不能采用黄油等耦合剂进行柔性耦合，因为横波 无法在液体、气体中传播，因此必须采用胶黏剂将 换能器牢固地粘结在混凝土表面或采用多层铝箔作 耦合层，将换能器紧贴于混凝土测试表面，才能将 发射并接收超声横波，给实际应用增加了许多困难 。 3 超声仪的检定 v检定的主要项目是声时测量的准确性，通过测定空气声速的 方法来检验仪器的声时计量是否准确。空气中的声速主要受 温度变化的影响。具体操作方法见超声法检测混凝土缺陷 技术规程(CECS 21:2000)。简要步骤如下： v准备一个如下图所示的测量装置，其中换能器之间的距离可 以调节，并通过刻度尺测量其测距。分别测量两换能器之间 距离为50mm、100mm、150mm500mm下的声时读数( 一般要求10组数据)，同时准确测量空气温度Tk(精确至 0.5)。理论上测距l(mm)-声时t(s)之间呈线性关系，则对 测距-声时进行线性回归，求其斜率则为空气中声速va，并根 据下式计算室温Tk下空气中的声速vb： v则测量值va与理论计算值vb之间的相对误差er为： v要求er0.5%。如误差超过范围，首先应检查测距 、声时、室温测量的误差，最后检查仪器是否正常 。 v空气中声速测量装置 空气中声时-测距关系图 v1-滑轮 2-刻度尺 3-换能器 4-支架 4 超声仪的保养 v只有保养良好的仪器，才能提供准确可靠的检测数据，才能 延长仪器使用寿命，创造良好效益。 v超声仪的保养需要注意以下几点： v作为电子设备，避潮、避尘是最基本的要求。在使用中应 注意避开潮湿环境，露天操作时避开雨水，采用必要的遮挡 (如覆盖塑料布等等)。检测完毕后应擦拭灰尘后装箱。 v避免振动对仪器的影响。振动会造成仪器零部件松动，从 而影响其稳定性甚至出现接触不良。振动主要源于搬运途中 。 v正确连接各接头。超声仪的接头主要有：发射、接收等各 种传感器连线，以及电源连线。注意CTS-25型仪器具有交 、直流两种电源供电方式，当采用直流供电(电瓶)时，应注 意电源的极性，切忌反接，反接则造成仪器的供电部分烧毁 ，从而造成仪器不能使用。另外，换能器的连线接头注意切 忌用力拉扯，以免造成接触不良出现干扰信号影响检测。 四 超声参数的检测 v1 超声参数简介 v混凝土超声检测中常用的参数主要是：声时(传播时 间)或声速、频率、波幅(衰减)以及波形。 v2 超声声时的测量 v超声声时是混凝土超声检测中最基本的参数，通过 声时、测距可以计算被测混凝土的声速，通常认为 混凝土的声速与其弹性模量、泊松比等相关，因而 通过混凝土的声速大小可以反映其密实度、强度等 质量状况。只有准确测量超声声时值，才能准确判 断被测混凝土的内部状况。 v根据所采用的仪器不同，模拟式仪器和数字式仪器的声时测 量方法是不同的，但基本原理是一致的，即都是通过测量仪 器发射超声信号到接收到超声信号首波之间的时间差来确定 声时的。 v模拟式仪器的声时测量注意事项 v模拟式仪器通过手动游标判读首波声时，因此我们需要先了 解超声信号的波形特征，如图7所示。图中有一扫描基线， 接收信号呈类似于正弦波形，扫描基线上的小三角形称为手 动游标，仪器能将它所在的位置转换成从发射信号算起的时 间(声时)，单位为s(微秒)，通过仪器的旋钮可以调节其位 置，从而将游标切到接收信号的首波前沿上，即可判读接收 信号的首波声时，如下图所示。 v模拟式仪器超声信号基本特征 手动游标判读声时的位置 v图中游标的位置比较靠前， 属于刚刚碰到首波前沿的情 况，实际上在检测中较少采 用这种方法。 v在用手动游标判读首波声时的时候，必须注 意以下两个方面的影响： v第一是游标的位置，显然，游标位置靠前则 测读的声时值偏低，相应的声速测量值偏大 ；游标靠后则判断的声时值偏大，相应的声 速测量值偏小，因此有必要确立一个比较统 一的标准来进行游标的定位。 v检测中常用的方法，即游标稍向后 一些，使得游标向上突起的部分与 首波向下的趋势接近刚好抵消从而 看不到游标的突起为准。 v游标过分靠后，使得首波前沿的 一部分被游标抵消以后变成“断线” ，因为这种位置标准不统一，检 测中应避免这样的测读法。 v第二是首波幅度的大小。 v当首波幅度过小时，则其前沿的 起始位置不易查找，声时判读值 偏大。 v首波幅度过大时，首波前沿容易 判读但易于靠前，使得声时判读 值偏小。 v通过仪器的“增益”与“衰减”调节首波幅度，通常“增益”是不随便动的 ，因为增益增大则扫描基线上的本底噪声(杂波、干扰信号)也随之增 大，一般调节到“2”，主要通过调节衰减按钮，使得首波达到满45 格即可。 数字式、智能化仪器的声时测量注 意事项 v数字式仪器以及智能化仪器都是根据超声信 号波形上的一些普遍规律进行声时自动判读 的，这种普遍规律即超声信号都具有一个比 较陡峭的前沿，因此仪器设置了一个比较小 的电压称为“门槛电压”，即读数的门槛，也叫 阈值，其意义是当信号幅度超过该幅值时， 则认为是信号首波，仪器测读其位置，相当 于仪器自动把“游标”调整到首波。这样作的好 处是自动判读，但其缺点是，仪器判读的首 波比实际首波位置稍后一些。 v仪器自动判断首波 自动判断时实际首波位置的偏差 v当读数门槛设置不当时，还会出现异常情况 。 v读数门槛太大时，则出现“丢波” 现象，即把低于门槛的首波信号 当作噪声给“忽略”了。 v门槛设置过低时把噪声信号 当作首波，出现误判。 v通过调节仪器的增益和门槛电压来避免。 v目前多数数字式、智能化仪器，都具备了手动游标读 数功能，必要时可以切换到手动模式。 声时初读数及其扣除 v声时初读数也叫“零读数”，主要来源于： v一是仪器各相关电路在处理交变电信号过程中产生的滞后， 称为“电延迟”；二是换能器在对信号进行电-声转换过程中产 生的滞后效应，称为“声延迟”；三是换能器在与混凝土测试 面的耦合过程中产生滞后，也是一种“声延迟”，这几部分的 延迟累加起来，形成了超声信号的初读数，以t0表示。 v为精确测量声时值，则必须扣除t0。常用的方法有： v在仪器中直接扣除法，这是大部分仪器采用的方法。即利用 经过检定已知声时的标准棒进行检测，然后通过“调零”的方 法，使仪器测读的声时读数等于标准棒的声时，则完成了初 读数的之间扣除。 v还可以读取声时后再扣除，仍然是采用标准棒，测量仪器测 读标准棒的声时值与其标准值之间的差值即为t0。其中标准 棒也可以采用各向同性的、长方体形状的有机玻璃等均质体 ，通过测量不同方向的声时值计算出其声速以及t0再予以扣 除。 柱状径向探头声时初读数测量原理 v对于柱状径向探头，由于无法直接和标准棒 耦合，则通过测量不同测距下水中声时的办 法来计算初读数。 v其原理在于假设水中声速处处相等，则不同 测距l1和l2下的声时t1和t2都包含了相同的初读 数，通过下列方程，可以得出初读数： 3 混凝土缺陷的特征波形 v超声声时、幅度、频率等特征，都是表征混凝土质量的超声 参数。 v在检测中，主要测量的参数是声时，原因如下： v相对幅度、频率而言，混凝土的声速不容易受测试过程中换 能器超声性质、耦合状态等因素的干扰，从而能更准确地判 断混凝土质量。超声幅度除了与超声波在混凝土中的衰减有 关外，还与换能器与混凝土测试面之间的耦合状况有关。当 混凝土表面不平整、或耦合剂不够时，则超声信号幅度大大 降低。更重要的是，即使是测试时耦合作用力的细微变化都 足以造成首波幅度的大大波动，而测试人员按压换能器的压 力大小在测试过程难以保证统一，因此首波幅度不能作为超 声检测中的主要参数。频率则与换能器频率相关，同时存在 检测较繁琐等原因，因此一般不单独将频率作为主要参数。 但是，首波幅度、频率与声时综合起来，则称为超声波的波 形，又是判断混凝土质量的主要依据。 混凝土波形特征 v正常混凝土的特征波形。图中t1、t2、t3、t4、t5分别是接收波第一个周 期的声时，t1为首波声时，t2为1/4周期声时，t3为半周期声时，t4为3/4 周期声时，t5为一周期声时，通过测量这些声时差，可以初步估算接收 信号的频率(精确计算需要进行频谱分析)。正常混凝土特征波形的大致 特点为：首波前沿较陡；首波幅度较高；波形比较饱满，接近于 正弦波，随着绕射波的到达，后续波的幅度越来越大；频率较高，接 近于发射波频率(一般为换能器频率，混凝土检测采用的超声波频率一般 在50kHz300kHz)；通过声时计算得到的声速一般在4000m/s 5000m/s。 v正常混凝土的特征波形 v异常混凝土波形出现畸变，特征：首波 前沿平缓；首波幅度较低，有的甚至淹没 在背景噪声中；波形不饱满，有时不能呈 正弦波特征；频率很低，大大低于发射波 频率；通过声时计算得到的声速通常大大 低于4000m/s5000m/s。有的甚至低于 1000m/s。 混凝土波形实测图 v正常混凝土 波形 v异常混凝土 波形 v上图的异常混凝土波形常见于混凝土中夹杂( 如夹泥)、孔洞、疏松、裂缝、分层(界面结合 不良)等质量缺陷中。但当换能器与混凝土之 间耦合不良时(如混凝土表面不平整、混凝土 与混凝土接触面存在泥沙、耦合剂不正常等 情况)，也会出现类似的波形，需要根据经验 判断，及时排除耦合不良造成的干扰。 v不同的缺陷有的波形也有一些差别，需要在 实践中积累经验，不断总结。 v另外，还有一种异常情况即波形很正常，其基本特 征与正常混凝土波形类似，唯一的问题是声速偏低 ，如在3000m/s3500m/s左右，而波形甚至比混 凝土中还饱满，首波幅度很高。这种情况一般是超 声波在缺少石子的砂浆中传播造成的，由于砂浆相 当于混凝土而言，缺少石子，因此对超声波的散射 衰减大大降低。但砂浆的声速一般只有3500m/s左 右，而且砂浆的强度偏低，无法满足承载能力要求 ，因此在检测中也应注意。 v总的来说，超声检测混凝土缺陷目前基本上停留在 半定性的阶段，尚不能很好地区分缺陷类型，需要 结合工程实际来判断。 五 超声法检测混凝土缺陷 v原理概述 v1 基本原理 v超声法检测混凝土缺陷的基本原理就是，通过超声波在混凝 土中传播后发生的波形变化、利用声时(本质是声速)、频率 、波幅等参数的特征，来综合分析判断其内部状况。 v虽然实际上超声波在混凝土中由于受到石子、气孔、微裂缝 、钢筋等影响，会产生散射、绕射等过程，致使其传播方向 改变(非直线传播)，但由于我们在测量时主要取首波，因此 基本上还是认为在正常混凝土中，超声波沿近似直线的路径 传播。当遇到缺陷时则绕射是主要的，因此导致了声速及波 幅、频率均下降，波形产生畸变。在对缺陷进行定位时，也 是以超声在混凝土中的直线传播为假设前提的。 v超声波在混凝土缺陷检测中的应用，主要依 据是超声法检测混凝土缺陷技术规程 (CECS 21:2000)，主要应用在：孔洞、疏松 等内部缺陷检测、新旧混凝土结合面质量检 测、裂缝深度检测、表面损伤层深度检测、 钢管混凝土质量检测、声波透射法检测混凝 土灌注桩桩身完整性等。 超声检测中的基本原则(一) v超声波优先选择最短路径： v即在超声传播路径周围，当存在不同介质时，根据 不同介质的声速差异，超声波总是优先选择最快到 达的那一条路径，由于钢筋中的纵波声速大大高于 混凝土(5900m/s)，因此，当超声传播路径周围存在 钢筋时，则超声波往往会从钢筋“短路”。为避免钢 筋的影响，一般应使传播路径不与钢筋轴线平行或 离开钢筋约l/5l/6。同时，超声波的这种特性也是 用来检测混凝土表层损伤深度、裂缝深度等的一个 依据。当混凝土是均质的时候，一般认为超声波在 混凝土中是直线传播的。因此，当检测混凝土结合 质量时，就必须让超声波穿过结合面，为此常常必 须采用斜测法等。 超声检测中的基本原则(二) v正常混凝土的超声参量基本上符合正态分布： v这是判断混凝土中是否存在异常测点的主要依据。这种方法 也叫“概率法”，是混凝土缺陷检测中最常用的判据，即混凝 土的超声声速等各参数基本在其平均值附近，当出现偏离平 均值较大的值时，则可判断其为异常值。异常值判定值的大 小与测点数有关，也与被测混凝土本身的质量波动(标准差) 有关。必须指出的是，仅当测距可以准确测量的前提下这一 假设才能成立，这就意味着对于预埋声测管进行声波透射法 检测的灌注桩，由于测距实际上是变化的(因为声测管总是 难免在埋设后产生扭曲)，因此一般不采用这种数理统计的 方法判断异常部位，其判据另外介绍。同时，进行数理统计 的超声参量一般是声时或声速，较少采用频率、波幅等参数 。 v2 基本方法 v根据构件的几何外形、大小以及现场条件(所能布置 的检测面)、测试面状况、缺陷类型等，选择不同的 测试方法。常用的有： v采用平面换能器测试时(厚度振动换能器) v优先采用对测法：当被测部位具有相互平行的相 对的测试面时，应优先选择对测法。此时收发换能 器位于两个相对测试面，超声测线垂直于测试面， 接收波的波前正对接收探头，接收信号强度是所有 方法中最大的，因此最容易进行结果判断。 v其次选择斜测法：斜测法有两种，一种是指两个检测面相 交(检测面相邻)，两个探头在丁角进行测试；一种是指两个 相对的测试面，但两个探头轴线与被测面形成不等于90的 角度，如果测试面是垂直于地面的(这种情况是常见的)，那 么探头轴线则非水平，常用于新旧混凝土接合面质量检测， 目的是使得超声波能穿过接缝。 v平测法：当被测部位仅有一个测试面时，采用此方法，即 发射、接收探头位于同一个测试面，此时一般必须将两个探 头的间距进行等距离变化测得一组数据，根据测点间距与声 时的线性关系变化来进行判断。一般用于混凝土表面损伤深 度测试、裂缝深度测试等。 v钻孔、预埋管检测(采用径向振动式换能器) v管(孔)中对测：适用于灌注桩以及大体积混凝土 以及。灌注桩中预埋2根以上声测管，采用柱状径 向振动式换能器进行检测是目前常规检测方法之一 。除此之外，对于大体积混凝土，由于测距太大， 无法直接在两个相对面直接测试(比如大底板)，或 者浇注侧面均被遮挡、隐蔽无法布置测点(比如大底 板)，也可采用预埋声测管或者钻孔的办法进行检测 。测试时两个探头位于同一高度，同步提升。 v管(孔)中斜测：上述构件中，当存在水平缺陷， 对测有可能漏测(比如水平裂缝)，此时可将两个探 头取不同高度进行斜测，探头同步提升。 v孔中平测：将一对径向振动式探头或者一 发双收探头置于同一个测孔中(声测管不用此 法)，测试孔壁周边混凝土状况。较少采用。 v混合检测：同时采用柱状径向换能器和平 面式换能器进行检测，孔中放径向换能器， 侧面布置平面换能器。比较少用。 3 超声检测影响因素 v耦合状态：所谓“耦合”，是指让超声波探头和被 测混凝土表面密切接触，尽量避免能量损失。对于 平面探头，虽然探头面和混凝土测试面都是平的， 但是实际上混凝土和探头表面都有无数肉眼无法观 察到的凹凸，里面存在空气，如果直接进行测试会 导致超声能量被这些表面的凹凸部位中的空气吸收 衰减，大大影响超声穿透能力，因此必须采用黄油 、凡士林等糊状物来填补混凝土测试面与探头接触 面之间的空隙，形成良好的耦合。对于柱状径向探 头，采用水进行耦合，因此柱状径向探头具有水密 性的指标要求，0.4MPa下不允许漏水。 v钢筋：超声波在钢中的传播速度(纵波声速一般为5.9km/s 左右)大大高于混凝土(纵波声速一般为4.0km/s5.0km/s)， 如果在超声传播路径上或其周围存在钢筋，则会有部分或者 大部分超声信号沿着钢筋传播而且比在混凝土中传播的信号 先到达接收探头，从而导致检测到的声时值偏小，这叫做“ 视声时”，即实验观察到的声时，它是受到干扰的不准确的 声时。这样会导致计算出来的声速偏大，增加检测方风险。 v水分：水分填充了混凝土中的孔隙，混凝土孔隙中的空气 被水取代，由于水的超声波速度和阻抗比空气大得多，和空 气相比，超声波在水中传播的速度大，衰减小，因此如果混 凝土中的缺陷被水分填充，将会造成超声传播的“水短路”， 导致缺陷判别的困难。 混凝土裂缝深度检测 v1、单面平测 v适用于结构只有一个表面可供测试时，如混凝土路面、地下 室剪力墙、飞机跑道、大体积混凝土等。最大检测深度为 500mm。 v平测裂缝如上图所示，基于下列的假设： v裂缝附近混凝土质量基本一致(声速基本相等)； v跨缝声速和不跨缝声速一致； v超声波绕过裂缝尖端传播。 v根据上述假设，通过上图的几何关系，可以推导出 裂缝深度的计算公式如下： v测点布置如下图所示。注意测距是测量两个换能器 的内边缘距离。 v在跨缝和不跨缝处均布置等间距测点，跨缝检测时测点应在 裂缝两侧对称分布，将不跨缝处测点声时读数作图，取其斜 率为不跨缝处声速。在裂缝深度的平测法检测中，跨缝检测 时常会遇到如下图所示的首波“反相”现象。 v大量的实验室研究和工程检测表明，单面平测法检测裂缝深 度时，当测距从大变小的过程中，存在这样一个临界点，首 波开始反相，低于这个测距后，首波基本上都是反相的。有 个比较简便的近似关系是，首波反相的临界点测距l=2hc， 也有观点认为裂缝较深的时候l=hc。规范CECS 21:2000是 规定：在发现反相的临界点，取该测距及其两个相邻测距的 测量值计算裂缝深度后进行平均。当无法观察到首波反相时 ，则对每个测距计算裂缝深度，然后计算所有测点裂缝深度 平均值，剔除其中小于平均值测距下的测试数据，以及大于 3倍平均值的测试数据，然后重新计算平均值作为裂缝深度 计算值。 v当检测楼板、剪力墙等结构构件时，注意测点布置应保证超 声传播路线和钢筋分布尽量呈45夹角，以避开钢筋影响。 2、裂缝双面斜测： v单面平测法的前提条件是超声波绕过裂缝尖 端传播。当裂缝尖端存在水分、尘土颗粒等 杂质时，或者裂缝局部被水分、尘土颗粒等 填充时，会成为超声传播的通道，因此导致 深度测试的误差(使裂缝深度偏小)。因此，当 结构具有两个相互平行的可测面时，优先选 择双面斜测法。如下图所示。 v根据波幅、声时和主频的突变来判定超声波是否穿 过裂缝传播，可以判断裂缝是否贯通截面。 3、钻孔检测裂缝深度 v钻孔对测法适用于大体积混凝土，预计深度在500mm以上 的裂缝检测，需要在被测混凝土上钻孔。钻孔有如下要求： v孔径应大于换能器直径5mm10mm； v孔深应超过预计裂缝深度700mm，可初测后补钻； vA、B两个测孔必须始终位于裂缝两侧(对于斜裂缝要注意) ，且测孔应保持平行； v测孔间距AB、BC宜为2m左右，且AB=BC； v孔中粉末碎屑必须清除干净； v必须在跨缝的AB和不跨缝的BC两条连线上分别进行测试 。C孔可浅些，以便于将跨缝和不跨缝测试数据加以对比。 钻孔检测裂缝示意图 v一般选择20kHz60kHz的径向振动式换能器 ，测试前先向测孔中注满清水，径向换能器 以(100400)mm的测距同步移动，读取各深 度的声时、波幅等读数，绘制深度-波幅以及 深度-声时曲线，如图25(C)所示。一般波幅 对裂缝较为敏感，当波幅稳定在较大的数值 后，可认为已经超过裂缝尖端了，通过图 25(C)的拐点可确定裂缝深度。 不密实区和空洞检测 v不密实区是指因振捣不足、漏浆、石子架空等原因 造成的蜂窝状缺陷，或者因水泥缺少而形成的松散 状以及遭受意外损伤造成的疏松状混凝土区域。不 密实区和空洞检测要求检测部位必须具有一对或两 对相互平行的测试面。检测的时候，应在同条件的 正常混凝土上进行对比测试，对比测点数不得少于 20点。 v根据被测构件的实际情况，选择下列方法之一进行 检测： v1、对测法：适用于构件具有两对相互平行的测试 面。如下图所示。 对测法示意图 v(a)平面图 (b)立面图 v2、斜测法： v当只有一对相互平行测试面时，可采用斜测、对测结合的方 法，如下图所示。 v斜测的目的在于能发现水平走向的缺陷。 v3、钻孔法： v当测距较大时，可采用钻孔或预埋管法。 v一般测距大于2m3m以上时采用此方法，钻孔内采用径向 换能器，侧壁采用平面换能器。钻孔间距也不得大于3m， 孔径要比换能器直径大5mm10mm，孔中注满清水。可以 用径向换能器和平面换能器结合成收发换能器对进行检测。 (a)平面图 (b)立面图 v测试中，必须在测试部位弹画网格线，网格 间距一般为(100300)mm，测试部位表面必 须清理干净、必要时打磨平整。如果存在缺 陷，可以采用高强度快凝砂浆抹平，干后测 试。 v测试前必须涂耦合剂，一般耦合剂为黄油或 者凡士林。钻孔测试时注满清水耦合。测试 前必须准确量测超声测距，精确至1%。 v对于缺陷的判断，主要是采用数理统计，认为超声 参数符合正态分布，将各测点的波幅、声速或主频 值等超声参数Xi由大到小按顺序排列，将排在后面 的明显小的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最 大的一个Xn其前面的数据计算平均值、标准差，并 按下式计算异常情况判断值： X0=