混凝土无损检测技术讲稿

结构混凝土无损检测技术 结构混凝土无损检测技术是以声 光 电 磁 力或变形等物理 量 与混凝土组份及构造的关系 或根据预先试验及数理统计建立 的相关性 推定评判混凝土的强度和缺陷或损伤的方法 无损检测技术的特点 无损检测技术的特点 1 检测过程无损于材料 结构的组织和使用性能 2 直接在构筑物上检测并推定混凝土强度 评判结构混凝土的缺陷 或损伤 3 重测或复检方便 重复性好 4 方法简便 检测随机性强 5 由于间接评判 存在着系统操作误差和随机抽样误差 6 影响因素较多 专业性和检测操作要求较高 一 超声波检测技术基本知识 超声波是械机波 振动是波动产生的根源 波动是振动的传播过程 声频 20000HZ 称超声 混凝土超声检测频率范围 20 200KHZ 一般用 40 100 KHZ 1 超声波基本物理量 超声波基本物理量 1 TV f V 波长 cm V 介质的波速 km s f 超声频率 KHz T 波的周期 s 按 1 式 对一定波速的介质 给定超声波探测的频率 可以确定波长 探测混凝土内部缺陷线度大小往往以所用的超声波长来复核 超声波长与所测 的缺陷线度大小相当 或小于缺陷尺寸 检测的灵敏度较高 波长超过缺陷线 度 探测的灵敏度则低 用高频短波长探测还要兼顾接收信号和首波幅度可鉴 为基础 因为探测频率过高 能量衰减较大 甚至接受不到信号 2 超声波型 超声波型 1 纵波 代表符号 P 介质中质点振动方向与波传播方向一致 称为纵波 见 PP1 即介质受 拉伸压缩的交变应力 固体 液体 气体具有容变弹性 所以纵波能在固 液 气介质中传播 在块体中纵波波速 2 21 1 1 E V 在板中纵波波速 3 1 1 2 E V 在杆中纵波波速 4 E V E 动弹模量 N m2 介质密度 g cm3 泊松系数 2 横波 代号 S 介质质点的振动方向与波的传播方向相垂直 称为横波 见 PP1 横 波使介质产生剪切变形 液体 气体无一定形状 形变时不产生切变应力 故液 气中不能传播横向 横波传速 5 2 1 2 1 EG Vs G 剪切模量 N m2 3 表面波 代号 R 固体介质表面受交变张力 使介质表面发生相应的纵向和横向合成振动 围绕平衡位置作椭圆振动 见 PP1 表面波只能在固体中传播 表面波波速 6 G VR 1 12 1 87 0 s V 1 12 1 87 0 当 0 28 55 0 1 2 21 V Vs 当 0 28 90 s R V V 所以 Rsp VVV 当混凝土的泊松比介于 0 20 0 30 之间 介于 1 63 1 87 21 1 2 Vs V 之间 即在混凝土中 纵波速度为横波速度的 1 63 1 87 倍 3 超声场的结构 见超声场的结构 见 PP2 圆盘波源辐射的声场 声能按一定规律单向辐射 声波束 近场长度为 D 晶片直径 4 2 D N 波长 在紧贴晶片部分声压分布不均匀 区内干涉最严重 影响探测结果 称 为盲区 声束指向性 超声波集中一定区域并向一个方向强烈辐射的现象 称为声 场的指向特性 又以半扩散角表示 圆晶片 1 Sin DD 7022 1 方晶片 1 Sin DD 5008 1 波 D 晶片直径 晶片边长 指向特性由声场中心线与主声束边缘之间的夹角来描述 越小 指向性越好 灵敏度和分辨率也越高 混凝土超声检测的频率低 半扩散角大 除可以作对测之外 还可以作斜 测 角测和平测 4 超声入射波的反射和折射 超声入射波的反射和折射 1 垂直入射波时声压反射率和透射率 声压反射率 7 12 12 1122 1122 ZZ ZZ CC CC R 声压透射率 8 12 2 1122 22 22 ZZ Z CC C D 第一界质的声阻抗 111 VZ 第二界质的声阻抗 222 VZ 当 Z1 Z2时 则 R 0 D 1 即声能全透射 当 Z2 Z1 即 时 则 R 1 D 0 即声能全反射0 1 2 Z Z 2 声波斜射进入介质中波型转换特性 见 PP 图列 a 反射折射定律 9 s S p P s S pp Sin V Sin V Sin V Sin V Sin V 221 11 b 第一临界角 Sin 1 10 即第二界质中超声纵波的折射角为 P P V V 2 1 900 第二临界角 Sin 1 11 即第二界质中超声横波的折射角为 900 S P V V 2 1 c 倾斜入射波 不同介质中波型转换 见 pp 图列 L 纵波 T 横波 入射角 反射角 折射角 5 超声波的衰减超声波的衰减 1 衰减系数及衰减量 声波在介质中传播过程 其振幅随过声波传播距离的增大而逐渐减小 衰减 a 衰减系数衰减系数 声波在任何介质中传播声能均产生衰减 衰减大小变化与超声频率及传 播距离有关 也与材料的内部结构及性质有关 超声传播 其声压随距离的增加而降低 其衰减按指数方式变化 ePP 取自然对数 奈培 cm Px Po n 1 分贝 cm Px Po g 20 b 衰减量 衰减量 Np ln 奈培 x o p p 传播 x 距离的接收声压 P0 传播距离为 0 的声压 P dB 20lg 20lg 分贝 0 p p 0 1 A A A1 接收信号首波幅度 A0 基准的首波幅度 由于声压比是无量纲的 声压与接收信号的振幅成正比关系 也可以用振幅 变化代替声压变化 因此 衰减量计算可用 分贝 2 1 20 A A gdB 分贝值为负称衰减 分贝值为正称增益 dBN NdB 686 0 1151 0 2 混凝土中声波衰减的原因 a 吸收衰减 a 材料的粘滞性吸收声能 质量振动内摩擦使声能转变为热能 与探测频率成正比 a 2 ff b 散射衰减 5 混凝土中颗粒结构 缺陷 夹杂等构成相当复杂的声学界面 导致声 波杂乱的反射 折射和波型转换 微粒共振呈现新振源向四周发射等 是 造成声能散射的基本原因 散射是超声波声能衰减的主要因素 与探测 s 频 成正比 42 ff 上述两项总的声能衰减 A B C 为常数 42 CfBfAf sa c 扩散衰减 发射换能器发出的声波束存在一定的扩散角 使声能逐渐扩散 即单位 面积的能量随声波传播距离的增大而减弱 称扩散衰减 它与辐射器的扩散 性能及波的几何形状有关 而与介质的性质无关 计算时是个恒量 不影响衰减系数计称和比较分析 6 6 超声波换能器超声波换能器 电声相互转换的器具 见电声相互转换的器具 见 pppp 图列 图列 换能器核心元件是压电陶瓷晶片 它具有压电效应 即有电声或声电转 换的性能 常用的压电晶片材料有锆钛酸铅 还有钛酸钡 21 TizrPb BaTiO3 钛酸铅 PbTiO3 偏铌酸铅 PbNb2O6 等 压电效应物理意义 单晶和多晶陶瓷材料在应力 压 拉 作用下 产生应变时 晶体产生极 化或电场 正压电效应 当晶体处于电场中 由于极化作用 晶体产生应变 或应力 逆压电效应 压电陶瓷使用温度不应超过居里点 如 PZT 4 发射型的居里点为 328 PZT 5 接收型的居里点为 365 PZT A 厚度纵向振动的频率常数为 2000HZ m 如陶瓷晶片取厚度 4mm 则其厚度纵向谐振频率为 KHZfo500 104 2000 3 超声换能器的结构形式见 PP 图例 频率 200 500KHZ 的纵波换能器 采用厚度振动的压电陶瓷换能器 频率 100KHZ 以下的纵波换能器大多采用夹心式或单片弯曲型和增压式的 混凝土检测用的换能器中压电晶片有厚度振动和径向振动之分 二 结构混凝土 钢管混凝土 钻孔灌注桩质量超声检二 结构混凝土 钢管混凝土 钻孔灌注桩质量超声检 测测 1 超声波检测原理与质量评判 超声波检测原理与质量评判 1 超声脉冲法检测混凝土缺陷装置框图 超声脉冲法检测混凝土缺陷装置框图 2 接收波形超声参量标识 接收波形超声参量标识 T 超声波在试件测距内传播的声时净值 应扣除 t0 us A 接收信号首波幅度值 dB f 接收信号的频率 KHz 接收信号频率计算式 141312 1 2 1 4 1 tttttt f 或或 波形 判别波形包络面积大小 脉冲波震荡延续性或首波 有无畸变等 3 混凝土内缺陷与超声检测参量的关系 混凝土内缺陷与超声检测参量的关系 波形示意波形示意 参数比较参数比较 t1 A1 f1为参照量 为参照量 t1A2 f1 f2 t1 t3 A3 f3t2 A4 A3 f4 f3 4 混凝土缺陷评判方法混凝土缺陷评判方法 A 超声接收信号声时 首波幅度 频率和波形综合分析评判 超声接收信号声时 首波幅度 频率和波形综合分析评判 声 时 反映声波直接传播或绕射传播过程中时间的差异 即在相同测 距内声速差异 首波幅度 声波在不同的声学界面 因介质声阻抗不同 引起声能反射或 透射差异 反映声能衰减 首波幅度下降 混凝土 水 声能反射率为 73 混凝土 空气 声能反射率为 99 9 信号频率 声波随着在混凝土测距内传播 频率逐渐下降 遇不密实或缺 陷区 其结果频率下降更甚 波 形 因混凝土不密实 不均匀 声波传播产生反射 折射 绕射 叠加结果导致波形畸变 B 概率方法评判概率方法评判 a 概率分布概念 b 概率评判法 按声时数据由小至大排列 求检测数据平均值 mt和标准查 st再按式 X0 mt s st t逐步算得临介值 xt 用以判断可疑值 若按声速 V 幅值 A 或频率 f 判断 检查数据可由大至小排列 计算检 测数据的平均值 Mv Ma Mf及相应的标准差 SV SA Sf按公式 X X0 0 M MX X S St 逐步 算得临介值 X0 用以判断可疑值 直接取直接取 2 的判据按的判据按 XX mx 2Sx计算 计算 即小概率 p 2 27 测点数量 n p1 则 Xx 为正常的测点 例如 30 组超声实测声速平均值 mv 4 3km s 声速最小值 vmin 4 0km s 均方差 Sv 0 15km s 由 vmin mvSv 则 2 15 0 0 43 4 S vmin v mv 根据 的小概率 p 2 27 n 30 vvx smx2 n p 30 2 27 0 683400m s 证明检测时超声波为直接穿透钢管混凝土的 而按为 混 V 4300m s 4200m s 计算 则分别为 1 27与 1 24 管 t 混 t 混 t 声通路将主要取决于核心混凝土的探测距离 而超声波收 发换能器接触 的两层钢管壁厚相对于钢管混凝土直径的测距是很短的 对 声时 检测的影 响不会比钢筋混凝土中垂直声通路排置钢筋的影响大 通过核心混凝土和钢管 混凝土穿透对测的比较 钢管壁对钢管混凝土缺陷检测的声时影响很小 测缺 时 声时变化以相对比较 一般可以采用钢管外径作为超声对测的传播测距考 虑 6 孔灌注桩完整性 孔灌注桩完整性 PSD 判据法判据法 1 1 2 1 ii ii HH tt K 式中 ti 桩中第 i 点测距的超声传播声时 s Hi 第 i 点检测深度 cm a 缺陷为夹层或断桩缺陷为夹层或断桩 1 1 V L ti 2V L ti 所以 12 1 V L V L ttii 根据 1 式得 HVV VVL K 2 2 2 1 2 21 2 式中 L 测距 cm V1 正常混凝土的声速 cm s V2 砂 砾石混合物声速 取 0 32cm s b 缺陷为空洞缺陷为空洞 1 1 V L ti 1 22 2 2 V L R ti 由 1 式 得 2 1 2222 4224 VH LRLLR K 式中 R 空洞半径 C 缺陷为缺陷为 蜂窝蜂窝 或填塞其他介质的孔洞 或填塞其他介质的孔洞 31 22 V R V RL ti 1 1 V L ti 由 1 式 得 2 3 2 1 2 31 2 4 VVH VVR K 式中 V3 孔中填塞物的声速取 0 85V1 三 超声参量与混凝土性质的关系 1 1 声速与混凝土强度 缺陷的关系 声速与混凝土强度 缺陷的关系 1 与混凝土抗压强度的正相关 cu A B cu A BRc 或 cu AeBV cu AeBV CR 2 混凝土粗骨料品种 数量对超声波速的影响关系 粗骨料提之不同岩石 具有不同的超声速度 碎石 软石 具有不同的超声 速度 混凝土中含石量多 具有较高的超声速度 3 钢筋配置轴线与超声波传播方向关系 相垂直 声速比素混凝土声速有所提高 一般避开正对 声速也不作修正 相平行 平行距离为测对直线 测距 声速可受钢筋的影响 测对直 8 1 6 1 线距钢筋近 混凝土的声速受钢筋声速影响较甚 可按下式加以修正 22 4 2 ltVa aV V s s C 式中 t 钢筋混凝土中传播速度 s Vs 超声在钢筋中传播速度 km s Vc 超声在砼中直接传播速度 4 温度和湿度对波速的影响 温度 5 30 声速变化不大 40 60 声速下降 5 0 以下声 速提高 混凝土中自由水结冰 v水 1 45km s v冰 3 50km s 混凝土湿度 高 声速提高 水填充孔隙 空气 v 为 0 34 km s 5 波速与试体断面尺寸的关系 无限介质 Vp 断面尺寸 d 2 21 1 1 E 薄板中 Vp 0 2 d v 下降 6 7 1 2 u E 杆中 Vp d 0 2 用杆的 V 代入校准曲线估算强 E 度误差可达 30 40 2 2 超声能量衰减 超声能量衰减 通常取接受信号首波幅度 通常取接受信号首波幅度 1 吸收衰减 材料粘滞性吸收 质量之间内摩擦 转变为热量 2 散射衰减 介质中颗粒结构 缺陷夹杂等构成复杂的声学界面 导致声 波杂乱反射折射和波型转换 微粒共振干扰 吸收衰减和散射衰减二项与探测频率的关系 42 CfBfAf sa 声能反射率和透射率 声压反射率 R 1122 1122 CC CC 12 12 ZZ ZZ 声压透射率 D 12 2 1122 22 22 zz z CC C 当 Z1 Z2时 则 R 0 D 1 声能全投射 当 Z1 Z