超声波检测砼缺陷的基本原理_方法和影响因素.pdf

建筑材料及制品 超声波检测砼缺陷的基本原理 方法和影响因素 李乃平 1 马 越 2 1 陕西省建筑科学研究院 710082西安 2 陕西省大荔县建设工程质量安全监督站 715100大荔 摘 要 为了进一步推广超声波检测技术的应用 笔者根据 超声法检测砼缺陷技术规程 并结合多年的检测 实践经验 阐述了超声波检测砼缺陷的基本概念 原理 测试方法和影响因素 关键词 超声脉冲波 砼缺陷 声时 波幅 频率 耦合状态 1 超声波检测砼缺陷的基本概念 砼缺陷系指破坏砼的连续性和完整性 并在一定 程度上降低砼的强度和耐久性的不密实区 空洞 裂 缝或夹杂等 所谓不密实区 系指砼因漏振 离析或 石子架空而形成的蜂窝状 或因缺少水泥而形成的松 散状 或受意外损伤而造成的酥松状的区域 砼缺陷超声波检测比金属超声波探伤复杂 技术 难度大 对于某一确定的金属材料 相对于超声波的波长 而言 材料是均质的且声速基本固定 所以金属材料 探伤一般采用高频 1MH z 10 MH z 超声脉冲波 并 以反射波的特征参数做为判断缺陷的依据 测试前 根据探伤灵敏度要求 仪器首先在标准试件上标定 好 然后进行实际探伤 并根据反射波来判定缺陷位 置和大小 即主要采用反射法 而砼是一种非均质 弹粘塑性的多相材料 它对 超声波的吸收 散射衰减较大 其中高频成份更易衰 减 而组成砼的原材料不同 会使砼的声速在相当大 的范围内波动 故不可能事先标定或设置一个判断缺 陷的标准 因此 用于砼缺陷检测的超声波 往往一 般采用低频 20k H z 250k H z 超声脉冲波 且通过测 量它在砼中传播的速度 首波幅度和接收信号主频率 等声学参数 并以这些参数及其相对变化来判断砼的 缺陷 即主要采用透射法 2 超声波检测砼缺陷基本原理 2 1 超声波在遇到尺寸比其波长小的缺陷时会产生 绕射 从而使声程增大 传播时间延长 可根据声时 或声速 的变化判断和计算缺陷的大小 2 2 超声波在遇到蜂窝 空洞 裂缝等缺陷时 大部 分脉冲波会在缺陷界面被散射和反射 到达接收换能 器的声波能量 波幅 显著减小 可根据波幅变化判断 缺陷的性质和大小 2 3 超声波通过缺陷时 各种频率成份的脉冲波在 缺陷界面衰减程度不同 其中频率越高的脉冲波 衰 减越大 因此 超声脉冲波在通过有缺陷的砼时 接 收信号的主频率明显降低 可根据接收信号主频率 或频率谱的变化来分析判断缺陷情况 2 4 超声波通过缺陷时 部分脉冲波因绕射或多次 31 反射而产生路径和相位变化 不同路径或不同相位的 超声波叠加后 造成接收波形畸变 可根据波形畸变 分析判断缺陷情况 当被测砼的基本条件一定时 即砼的组成材料 工艺条件 内部质量情况及超声测试距离等基本相 同 各测点的声速 波幅和主频率等声学参数相对稳 定 一般不会产生显著差异 如果某区域砼存在空 洞 不密实或裂缝等缺陷 通过该处的超声波与同条 件其它部位的砼 正常情况下的砼 相比 则声时明显 偏长 或声速减小 波幅和频率明显降低 波形也会 产生严重畸变 由此可根据这些声学参量的相对变 化来判断砼缺陷 3 超声波检测砼缺陷基本测试方法 一般是根据构件或结构的几何形状 尺寸大小 所处环境以及所能提供的测试表面等操作条件 选用 相应的测试方法 常用的方法有以下几种 3 1 平面检测 采用厚度振动式换能器 1 对测法 当被测部位能提供两对或一对相互平行的测试 表面时 可采用对测法检测 即将一对发射 接收换 能器 分别耦合于被测构件相互平行的两个表面 两 个换能器的轴线始终位于同一直线上 依次逐点进行 检测 例如检测一般砼柱 梁等构件或钢管砼的内部 密实情况及砼匀质性都首先采用此方法 2 斜测法 当被测部位只能提供两个相对或相邻测试表面 时 可采用斜测法检测 检测时 将一对换能器分别 耦合于被测构件的两个表面 两个换能器的轴线不在 同一直线上 两换能器可以分别布置在两个相邻表 面进行丁角斜测 也可以分别布置在两个相对面上 沿垂直或水平方向斜线进行检测 例如检测砼梁 柱 的施工接槎 修补加固砼结合质量和检测砼梁 柱的 裂缝深度多采用此方法 3 平测法 当被测部位只能提供一个测试表面时 可采用平 测法检测 将一对换能器置于被测结构的同一个表 面上 以采取相同测距或逐点递增测距的方法进行检 测 比如检测路面 飞机跑道 隧道壁的裂缝深度及 砼表面损伤层厚度多采用此方法 3 2 钻孔或预埋管检测 采用径向振动式换能器 1 孔 管 中对测 对于一些大体积砼结构或灌注桩 有的断面尺寸 很大 有的四周侧面被遮挡 为了提高测试灵敏度 一 般需要在结构上钻出一定间距的声测孔 或预埋声测 管 并向钻孔中注满清水 将一对径向式换能器 分 别置于相邻两个钻孔中 处于同一高度 以一定间距 向下或向上同步移动逐点进行检测 比如检测砼坝 体 承台 筏板 大型设备基础的密实情况和裂缝深度 以及检测灌注桩的完整性 多采用此方法 2 孔 管 中斜测 如果两个测孔之间存在薄层扁平缺陷或水平裂缝 时 采用对测有可能出现漏检 采用斜测法便可避免 另外 在钻孔或预埋管中对测时一旦发现异常数据 应 围绕异常测点进行斜测 以进一步查明两个测孔之间 的缺陷位置和范围 检测时将一对径向式换能器 分 别置于两个对应钻孔 或预埋管 中 但不在同一高度 而是保持一定高度差同步移动进行斜线检测 3 孔中平测 为了进一步查明某一钻孔壁周围的缺陷位置和 范围 可将一对径向式换能器 或一对双收换能器 置 于被测结构的同一个测孔中 以一定高度差同步移动 进行检测 3 3 混合检测 采用一个平面换能器和一个径向式 换能器 有的砼结构虽然具有一对或两对相互平行的表 面 但为了提高测试灵敏度 必须缩短测试距离 即在 结构上钻出一定间距的垂直声测孔 孔中放置径向式 换能器 用清水耦合 而在结构侧面放置平面式换能 器 用黄油耦合 进行对测和斜测 4 超声波检测砼缺陷的影响因素 32 采用超声波检测砼缺陷时 往往会受到一些客观 因素的影响 在实际检测中如不考虑这些因素并采取 适当的措施 必然会使缺陷判断带来困难或给测试结 果带来较大误差 根据大量的试验研究和工程实测表 明 超声波检测砼缺陷主要影响因素可分为以下三种 4 1 耦合状态的影响 由于超声波接收信号的波幅对砼缺陷反应最为 敏感 所以测得的波幅值是否可靠 将直接影响砼缺 陷判定结果的准确性和可靠性 对于相同的测试距 离而言 测试表面的平整程度和耦合剂的厚薄 是影 响波幅测量值的主要因素 根据声学传播理论 脉冲波在特性声阻抗不同的 两种介质界面上要发生反射 折射 或散射 导致声能 损失 波幅降低 因此 为使声波能最大限度地传播到 砼中去 从换能器辐射面到砼表面之间的界面数越少 越好 且界面处两种介质的声阻抗差异越小越好 一 般要求换能器辐射面与砼测试面应全平面接触 且耦 合层中不得有空气 粉尘杂物 并保持耦合层为最薄 如果测试面凹凸不平 粘附泥砂或耦合剂的粘性 不好 均会造成波幅的不稳定 从而掩盖了真实的波 幅值 使检测者无法分清波幅的降低是因为耦合状态 不良 还是因为砼内部存在真正的缺陷 从而造成缺 陷判断困难 4 2 钢筋的影响 由于超声波在钢中传播速度比在砼中传播的快 如果在发射和接收换能器的连线上或其附近存在钢 筋 仪器接收到的首波信号 大部分路径是通过钢筋 传播过来的 故测得的声速值必然偏大 钢筋对砼声速的影响程度 除了超声测试方向与 钢筋所处位置有关外 还与测点附近钢筋的数量和直 径有关 不少研究者的试验结果表明 钢筋轴线垂直 于超声测试方向 其影响程度取决于接收信号通过各 钢筋直径之和 ls 与测试距离 l 之比 对于声速 v 4 00km s的砼来说 ls l 1 12时 钢筋对砼声速 的影响很小 基本可以忽略 但是当超声测试方向与钢筋轴线平行时 应尽量 避免超声测试方向与附近主钢筋轴线平行 如因条件 限制无法避免时 则应使两个换能器连线与钢筋的最 小距离不小于 l 5 l 6 或者使其连线与附近钢筋轴 线保持一定夹角 4 3 缺陷中水分的影响 由于水的声速和声阻抗比空气的大的多 如果砼缺 陷中的空气被水取代 则超声波绝大部分在缺陷界面不 再反射 绕射 而是直接透过水耦合层到达接收换能器 使得有无缺陷的砼声速 波幅和主频测试值差异无明显 给缺陷判断带来困难 为此 在进行缺陷检测时 应尽量 使砼处于自然干燥状态 使缺陷中不含水分 参考文献 1 中国工程建设标准化协会标准 超声法检测砼缺 陷技术规程 CECS 21 2000 2 吴新璇等 砼无损检测技术手册 北京 人民交 通出版社 2002年 3 张治泰等 超声波在砼质量检测中的应用 化 学工业出版社 2006年 上接第 15页 适用范围广等优点 是一种高效的索网结构找形算 法 参考文献 1 SchekH J The Force DensityM ethod for for m find ing and Computation ofGeneralNet work