土木工程材料原理与方法13-超声法测缺

1、土木工程材料试验原理与方法(设计)东南大学材料学院庞超明Email: 办公电话：52090638 手机木工程材料试验原理与方法2超声法：重点超声法：重点一一 原理、方法、定义原理、方法、定义二二 声波的衰减声波的衰减三三 分贝分贝四四 混凝土中的超声波特征混凝土中的超声波特征五五 参数参数六六 影响因素影响因素七七 测强测试方法测强测试方法综合法综合法土木工程材料试验原理与方法3土木工程材料试验原理与方法定义：采用定义：采用能量转换能量转换的方法，运用的方法，运用电能转换电能转换为超声为超声能量，在材料中传播后，将其放大处能量，在材料中传播后，将其放大处理后又转换为电

2、能，用来测试材料性能的一理后又转换为电能，用来测试材料性能的一种测试方法。种测试方法。超声脉冲波速与材料的弹性性质有关，以最超声脉冲波速与材料的弹性性质有关，以最短距离传递。短距离传递。超声波超声波: :频率频率2210104 4HzHz的一种弹性介质的机的一种弹性介质的机械波，是声波的一种。械波，是声波的一种。参数：声压、声强和声阻抗参数：声压、声强和声阻抗4土木工程材料试验原理与方法衰减：振幅随传播距离的增大而逐渐减小。衰减：振幅随传播距离的增大而逐渐减小。声波衰减的大小取决：声波衰减的大小取决：一一超声波频率及其传播距离，超声波频率及其传播距离，二二被测材料的内部结构及性能。被测材料的内

3、部结构及性能。固体材料中三个原因：固体材料中三个原因：一一吸收衰减，散射衰减：吸收衰减，散射衰减： afafbfbf2 2cfcf4 4；二二扩散衰减：扩散衰减：取决于声辐射器取决于声辐射器的扩散性能及波的扩散性能及波的几何形状，与传播介质无关的几何形状，与传播介质无关分贝分贝(dB)(dB)：声学、电学中，两个量纲相同的：声学、电学中，两个量纲相同的量的比。量的比。20lg20lg（A/A0A/A0）或）或10lg10lg （J/J0J/J0）5土木工程材料试验原理与方法重复间断发射，非持续、一定频率重复间断发射，非持续、一定频率(100Hz(100Hz或或50Hz)50Hz)间断发射。间断

4、发射。脉冲超声波不具有单一频率，而是由许多不同脉冲超声波不具有单一频率，而是由许多不同频率的余弦波组成的复频波，有固定主频率。频率的余弦波组成的复频波，有固定主频率。频散现象：不同频率的余弦波在媒质中传播时频散现象：不同频率的余弦波在媒质中传播时，波速不同，波形将随距离的增大而发生畸变，波速不同，波形将随距离的增大而发生畸变：脉冲开始部分的频率比后面的频率要高，越：脉冲开始部分的频率比后面的频率要高，越来越平、宽。来越平、宽。频漂：频率越高，衰减越大，引起主频率向低频漂：频率越高，衰减越大，引起主频率向低频侧的漂移频侧的漂移62022-3-4声速：声速即超声波在砼中的传播速度。声速：声速即超声

5、波在砼中的传播速度。振幅：首波振幅与接受换能器处被测介质超声声首波振幅与接受换能器处被测介质超声声压成正比，大小反映衰减情况；绕过裂缝和缺陷压成正比，大小反映衰减情况；绕过裂缝和缺陷而传播，振幅减小。振幅的大小还取决于仪器设而传播，振幅减小。振幅的大小还取决于仪器设备的性能、所处的状态、耦合状况及测距大小等备的性能、所处的状态、耦合状况及测距大小等。频率：高频成分首先被吸收和散射频率：高频成分首先被吸收和散射波形：直达波，反射波和绕射波相继达到接受换波形：直达波，反射波和绕射波相继达到接受换能器，由于频率和相位的不同，不同波的叠加有能器，由于频率和相位的不同，不同波的叠加有时也会使波形发畸变。

6、时也会使波形发畸变。2022-3-41 1横向尺寸效应横向尺寸效应2 2温度和湿度温度和湿度3 3钢筋钢筋4 4粗骨料品种、粒径和含量粗骨料品种、粒径和含量5 5水灰比和水泥用量水灰比和水泥用量6 6龄期和养护方法龄期和养护方法7 7砼的缺陷和损伤砼的缺陷和损伤2022-3-4分为统一曲线、地区性曲线和校准曲线。分为统一曲线、地区性曲线和校准曲线。测强曲线的建立测强曲线的建立与回弹法相似与回弹法相似常用砼测强曲线常用砼测强曲线f-Vf-V的关系曲线形式：的关系曲线形式： ( (二次函数二次函数) ) ( (指数函数指数函数) ) ( (幂函数幂函数) )2cvbvafcubvcuaefbcua

7、vf2022-3-4综合法特点：减少龄期和含水率的影响；弥补相综合法特点：减少龄期和含水率的影响；弥补相互不足，提高测试精度互不足，提高测试精度主要影响因素主要影响因素一一石子品种、用量及粒径石子品种、用量及粒径二二含水率含水率/ /测试面测试面三其他因素的分析l水泥品种水泥品种POPO、PSPS、PFPF，水泥用量，水泥用量200200450450/m/m3 3 : :无显无显著影响著影响l粗砂、中砂及细砂、砂率在粗砂、中砂及细砂、砂率在28284444无显著影响。无显著影响。l碳化深度每碳化深度每1 1，高，高0.60.6左右；仅影响回弹值，碳左右；仅影响回弹值，碳化深度较大，含水量低，声

8、速下降。化深度较大，含水量低，声速下降。超声法测缺：重点超声法测缺：重点一一裂缝裂缝二二缺陷缺陷其他无损检测法其他无损检测法一一电磁法电磁法二二红外技术红外技术三三共振法共振法四四冲击回波法冲击回波法五五声发射声发射土木工程材料试验原理与方法112022-3-4原理：最短距离、最快速度传输原理：最短距离、最快速度传输砼：裂缝中含水或空气砼：裂缝中含水或空气, , 两种两种阻抗差别很大阻抗差别很大的物质，能量几乎全部被反射，接收信号极的物质，能量几乎全部被反射，接收信号极其微弱。其微弱。采用较低频率，当探头置于裂缝两侧时，低采用较低频率，当探头置于裂缝两侧时，低频的超声波又可以从裂缝尾端绕过而传

9、到接频的超声波又可以从裂缝尾端绕过而传到接受换能器，传播时间变长、声时计算值变小受换能器，传播时间变长、声时计算值变小来判断裂缝。来判断裂缝。2022-3-4要求：要求：一一需检测的裂缝中，不得充水或泥浆；裂缝中需检测的裂缝中，不得充水或泥浆；裂缝中存在水分时，绝大部分超声波经水穿过裂缝传存在水分时，绝大部分超声波经水穿过裂缝传播到接受换能器，使得无裂缝的波幅值无明显播到接受换能器，使得无裂缝的波幅值无明显差异，但可使用横波换能器差异，但可使用横波换能器二二如有主筋穿过裂缝且于两探头的位置大致平如有主筋穿过裂缝且于两探头的位置大致平行，布置测点时，应注意使两探头所在位置的行，布置测点时，应注意

10、使两探头所在位置的连线至少与该主筋轴线相距连线至少与该主筋轴线相距1.51.5倍的裂缝隙预倍的裂缝隙预计深度。计深度。测试方法：平测法或斜测法等。当只有一测试方法：平测法或斜测法等。当只有一个可测面，可采用平测法检测。个可测面，可采用平测法检测。2022-3-4以不同测距同时测跨缝和不跨缝声时。以不同测距同时测跨缝和不跨缝声时。步骤：步骤：1.1.不跨缝隙声时测量，间距分别为不跨缝隙声时测量，间距分别为5050、100100、150150、200200、250mm250mm等，分别读取声时值等，分别读取声时值t tm m。2 2跨缝声时测量，换能器中心连线垂直于裂缝跨缝声时测量，换能器中心连线

11、垂直于裂缝方向，裂缝两侧间距分别为方向，裂缝两侧间距分别为5050、100100、150150、200200、250mm250mm等，读取声时值等，读取声时值t tf f。3 3计算裂缝隙深度计算裂缝隙深度hfhf声波传播速度一致，则声波传播速度一致，则mtLv 222)2()2.(Lttlhmff1)(22mffttLh 。.。 .。.。 。 . 。. 。. hl/2l/22022-3-4跨缝测量中，某测距跨缝测量中，某测距首波反相首波反相时，可取时，可取该测距及该测距及两个相邻测距两个相邻测距的测量值按上式计算，取三点的深的测量值按上式计算，取三点的深度度h h平均值作为该裂缝的深度值平均

12、值作为该裂缝的深度值h hc c。否则计算不同测距测得的深度否则计算不同测距测得的深度h hi i，并，并计算出深度平计算出深度平均值均值m mh h，将各测距与平均值，将各测距与平均值m mh h的测距相比较，凡测的测距相比较，凡测距小于平均值距小于平均值m mh h和大于和大于3m3mh h的数据组的数据组剔除剔除，然后取，然后取余下的余下的h hi i的平均值，作为该裂缝的深度。的平均值，作为该裂缝的深度。 2022-3-4 相互平行的测试表面。直观，可靠，相互平行的测试表面。直观，可靠， 保持通过缝与不通过缝的测试距离相等、倾斜角一致保持通过缝与不通过缝的测试距离相等、倾斜角一致时，读

13、取相应各点的声时值时，读取相应各点的声时值titi波幅波幅AiAi及频率及频率fifi。如发。如发射与接收探头的连线通过裂缝时，由于混凝土失去了射与接收探头的连线通过裂缝时，由于混凝土失去了连续性，在裂缝界面产生很大衰减，接收信号的波幅连续性，在裂缝界面产生很大衰减，接收信号的波幅及频率与不过缝相比较，存在显著差异，据此所可判及频率与不过缝相比较，存在显著差异，据此所可判断裂缝深度，及是否在水平方向贯通。断裂缝深度，及是否在水平方向贯通。 （三）对测法：两个换能器平行放置于同一水平面（三）对测法：两个换能器平行放置于同一水平面.。.。. .。.。. .。. .。.。. .。. .。.。.。.

14、.。. .。.。.。.。. .。.。. .。. .。.。. .。.。.。.。. .。. .。. .。.。. .。. .。. .。. .。.。.2022-3-4 用于大体积，深度在用于大体积，深度在500mm500mm以上的裂缝检测。以上的裂缝检测。一一大体积结构中如施工管理不善，易产生深度裂缝，大体积结构中如施工管理不善，易产生深度裂缝， 因为水化热的散失相对较慢，内部温差较大，而产生拉因为水化热的散失相对较慢，内部温差较大，而产生拉应力，从而在混凝土表面产生裂缝。温差越大，产生的应力，从而在混凝土表面产生裂缝。温差越大，产生的拉应力越大，裂缝越深。拉应力越大，裂缝越深。 混凝土裂缝总是表面较

15、宽，越向里深入越窄直至完全混凝土裂缝总是表面较宽，越向里深入越窄直至完全闭合闭合 跨缝与不跨缝的测点，其声时差异不明显，而波幅差跨缝与不跨缝的测点，其声时差异不明显，而波幅差异却很大，且随着裂缝宽度减小波幅值增大，直至裂异却很大，且随着裂缝宽度减小波幅值增大，直至裂缝末端，波幅才达最大值并基本保持稳定。缝末端，波幅才达最大值并基本保持稳定。 2022-3-4 允许在裂缝两旁钻孔测试；允许在裂缝两旁钻孔测试； 当裂缝中不得充水或水泥浆。当裂缝中不得充水或水泥浆。一一对所测试孔的要求：对所测试孔的要求：1.1.孔径比探头直径大孔径比探头直径大5 510mm10mm；二二2 2对应的两个测试孔必须始

16、终位于裂缝两侧，其轴对应的两个测试孔必须始终位于裂缝两侧，其轴线应保持平行；线应保持平行；三三3 3孔深应至少比裂缝预计深度深孔深应至少比裂缝预计深度深7070，经测试如浅，经测试如浅于裂缝深度，则应加深钻孔；于裂缝深度，则应加深钻孔；四四4 4对应测试孔的间距宜为对应测试孔的间距宜为20002000，同一结构的各对，同一结构的各对应测孔间距应相同；应测孔间距应相同；五五5 5孔中粉末碎屑，应清理干净；孔中粉末碎屑，应清理干净；六六6 6测试无缝砼的声学参数，供对比判别。测试无缝砼的声学参数，供对比判别。2022-3-4 将两探头置于裂缝两侧的对应将两探头置于裂缝两侧的对应孔中，以相同高程等间

17、距从上孔中，以相同高程等间距从上至下同步移动，逐步读取声时至下同步移动，逐步读取声时，波幅和探头所处的深度。，波幅和探头所处的深度。n以探头所处的深度（以探头所处的深度（d d）与对）与对应的波幅值（应的波幅值（A A）绘制）绘制d-Ad-A坐标坐标图，随着探头位置的下移，波图，随着探头位置的下移，波幅逐渐增大，当探头下移至某幅逐渐增大，当探头下移至某一位置后，波幅达最大并基本一位置后，波幅达最大并基本稳定，该位置所对应的深度便稳定，该位置所对应的深度便是裂缝深度是裂缝深度d d。01020304050607080900123振幅A深度h(mm)2022-3-4怀疑存在缺陷，检测范围一般要大于

18、所怀疑怀疑存在缺陷，检测范围一般要大于所怀疑的区域，或首先大范围粗测，再着重对可疑的区域，或首先大范围粗测，再着重对可疑区域细测。区域细测。波形畸变，可以根据声时，首波幅值及接收波形畸变，可以根据声时，首波幅值及接收信号频率的变化进行综合分析判断砼内部有信号频率的变化进行综合分析判断砼内部有无缺陷。无缺陷。当然混凝土内部密实性，强度存在一定的波当然混凝土内部密实性，强度存在一定的波动和离散，但只要符合质量保证率的条件下动和离散，但只要符合质量保证率的条件下，这种波动和离散是允许的，不应作缺陷处，这种波动和离散是允许的，不应作缺陷处理。理。2022-3-4砼强度服从正态分布，根据砼强度服从正态分

19、布，根据R-VR-V相关性，求相关性，求出出R-VR-V曲线，然后以曲线，然后以R-2R-2p p作为判定缺陷的作为判定缺陷的依据，如测点的强度低于依据，如测点的强度低于R-2R-2P P，则属于砼，则属于砼缺陷。如未具备缺陷。如未具备R-VR-V曲线，可近似以声时的曲线，可近似以声时的平均值和标准差平均值和标准差t-2t-2t t或者或者v-2v-2v v作判此缺作判此缺陷的临界值。陷的临界值。 2022-3-4用对测法；先测声时，按从小到大排列，用对测法；先测声时，按从小到大排列，排在后面明显大的视为可疑，再将这些可排在后面明显大的视为可疑，再将这些可疑数据中最小的一个连同前面的数据计算疑

20、数据中最小的一个连同前面的数据计算出平均值及标准差，计算出平均值及标准差，计算i i与测数有关（计算的点数）与测数有关（计算的点数）若若t tioio大于或等于可疑值中的最小值，则最大于或等于可疑值中的最小值，则最小值及排在其后的均为异常值，当小值及排在其后的均为异常值，当t tioio小于小于最小值时，则应将最小值后的次小值，代最小值时，则应将最小值后的次小值，代进去重新计算。进去重新计算。Sttiio2022-3-4n n141416161818202022222424262628283030323234343636i i1.471.471.531.531.591.591.641.641.

21、691.691.731.731.771.771.801.801.831.831.861.861.891.891.921.92n n38384040424244444646484850505252545456565858 i i1.941.941.961.961.981.982.002.002.022.022.042.042.052.052.072.072.092.092.102.102.122.12 n n60606262646466666868707072727474767678788080 i i2.132.132.142.142.162.162.172.172.182.182.192.1

22、92.202.202.212.212.222.222.232.232.232.23 n n828284848686888890909292949496969898 100100 102102 i i2.252.252.262.262.272.272.282.282.292.292.302.302.302.302.312.312.322.322.322.322.332.33 2022-3-4序号序号1 12 23 34 45 56 67 7声时值声时值 106.4106.4 107.2107.2 107.9107.9 109.2109.2 109.4109.4 109.6109.6 109.61

23、09.6序号序号8 89 910101111121213131414声时值声时值 109.6109.6 110.4110.4 110.4110.4 111.2111.2 111.4111.4 111.6111.6 111.8111.8序号序号151516161717181819192020 声时值声时值 112.2112.2 112.4112.4 114.3114.3 114.6114.6 115.1115.1 115.8115.8 2022-3-4假设假设t t1515为可疑，则计算为可疑，则计算t t1 1t t1515的平均值的平均值m mt t和标准差和标准差S St tn n1515

24、时，时， m mt t109.9109.9，S St t1.711.71t t0101= m= mt ti i S St t 109.9109.91.561.561.711.71112.6112.6，t t15 15 =112.2=112.2 ttt0202 ，t t1717t t2020为异常数据，故舍去。为异常数据，故舍去。2022-3-4则 按 从 大 到 小 的 顺 序 排 列 ，则 按 从 大 到 小 的 顺 序 排 列 ，x x1 1xx2 2xx3 3xx4 4xnxn。视某。视某x xi i为可疑数为可疑数据，将可疑数据中最大的连同前面的计算平据，将可疑数据中最大的连同前面的计

25、算平均值均值m mx x、标准差、标准差S Sx x，以，以x x0 0m mx xi i S Sx x为临界为临界值，若可疑数据值，若可疑数据x xi ixx0 0，则，则x xi i及排在其后的及排在其后的参数值异常，反之若参数值异常，反之若x xi ixx0 0，则再将，则再将x xi+1i+1的放的放进去，重新进行统计判别。进去，重新进行统计判别。2022-3-4n当砼内部存在空洞时,采用100KHZ换能器超声检测,则在缺陷区的声时明显偏长,其波幅度和信号频率均有明显下下降n当空洞位于发射器和接收器的中间位置时,且空洞的范围大于换能器直径时,缺陷的最小横向尺寸(垂直于超声传播方向)为

26、h a h a D d D d l l2022-3-4t tD D缺陷处最大传播时间缺陷处最大传播时间t tC C无缺陷处砼中平均声无缺陷处砼中平均声时时d d 缺陷的最小尺寸缺陷的最小尺寸D D 换能器直径换能器直径L L 试件宽度试件宽度22)2(22LaDhDd22)2()2(2LttLDdC1)(2cdttLD2022-3-4砼表面疏松层厚度：砼表面疏松层厚度：多用于砼路面、机场跑道、表多用于砼路面、机场跑道、表面受损状况检测。面受损状况检测。发射发射A A固定，接收换能器置于固定，接收换能器置于BjBj，沿表面以，沿表面以100100间距测量，当接收换能器置于间距测量，当接收换能器置

27、于B0B0时，纵波按一定时，纵波按一定角度入射时，以折线传播再经过破坏层到达接收角度入射时，以折线传播再经过破坏层到达接收换能器，则超声波传播时间与测距换能器，则超声波传播时间与测距t tL L的关系曲的关系曲线线B2B3B0B4B5B1AaxxL0L2L3L4L10L1L2L3L0L4L5L(mm)t(s)t1t0t4t5t3t22022-3-4x x为水平投影距离，为水平投影距离，v v1 1为损伤层中传播速度，为损伤层中传播速度，V V2 2为为密实层中传播距离密实层中传播距离声时传播最短，对声时传播最短，对x x求导求导 得疏松层厚度得疏松层厚度21220221vxLvxaVLto02

28、22221vxavx21221vvavx12122vvvvlao土木工程材料试验原理与方法31土木工程材料试验原理与方法测量原理：通过用周期力或脉冲力激励砼试测量原理：通过用周期力或脉冲力激励砼试件或构件时的稳态或瞬态振动，记录振动参件或构件时的稳态或瞬态振动，记录振动参数，根据基振频率的衰减系数推算来反映材数，根据基振频率的衰减系数推算来反映材料的弹性与非弹性性质。料的弹性与非弹性性质。用途：测定材料的动弹性模量，利用声源射用途：测定材料的动弹性模量，利用声源射出非衰减波，当声频与待测试体的固有振动出非衰减波，当声频与待测试体的固有振动频率成倍数关系时频率成倍数关系时,使振动在被测试体内发使

29、振动在被测试体内发生共振生共振,在砼耐久性中抗冻性测试中使用在砼耐久性中抗冻性测试中使用,显显示出砼抗冻融性能。示出砼抗冻融性能。32土木工程材料试验原理与方法用用X、射线来测试砼的有关性能，两种方射线来测试砼的有关性能，两种方法：法：穿透辐射法：根据射线的穿透衰减或散射穿透辐射法：根据射线的穿透衰减或散射程度来推定。多用来测定材料密实度、腐蚀程度来推定。多用来测定材料密实度、腐蚀程度、钢筋位置、直径、保护层、厚度、灌程度、钢筋位置、直径、保护层、厚度、灌浆质量等浆质量等中子法，利用砼中的氢原子中子法，利用砼中的氢原子H对中子能量的对中子能量的衰减作用来测定含水率。衰减作用来测定含水率。 ，式

30、中，式中为衰减系数为衰减系数常用的中子源有：镅、镭、钚、钋等衰减成常用的中子源有：镅、镭、钚、钋等衰减成铍。铍。xoxeII33土木工程材料试验原理与方法应用频率在应用频率在901000MHz微波频段的电磁波作为探测媒介微波频段的电磁波作为探测媒介，根据钢筋及预埋铁件会影响磁场现象而设计，主要用于，根据钢筋及预埋铁件会影响磁场现象而设计，主要用于测定砼中钢筋位置、含水量和保护层厚度，常用的方法有测定砼中钢筋位置、含水量和保护层厚度，常用的方法有：电磁波吸收法：根据电磁波通过砼后被吸收的能量的大小电磁波吸收法：根据电磁波通过砼后被吸收的能量的大小求得砼中的游离水分。游离水越多，衰减量愈少。求得砼

31、中的游离水分。游离水越多，衰减量愈少。电磁感应法电磁感应法:用于测定钢筋结构中钢筋的位置和直径用于测定钢筋结构中钢筋的位置和直径,砼是弱砼是弱磁性磁性,而钢筋具有强磁性而钢筋具有强磁性,磁力线通过时使磁力线集中于沿钢磁力线通过时使磁力线集中于沿钢筋方向。筋方向。地面穿透雷达地面穿透雷达(GPR) ：利用被测物体电磁特性敏感，向被：利用被测物体电磁特性敏感，向被检测物体发射高频电磁波，通过电磁波的反射或透射对被检测物体发射高频电磁波，通过电磁波的反射或透射对被检测物体内部的异质如钢筋、孔洞以及密实度进行成像检测物体内部的异质如钢筋、孔洞以及密实度进行成像 34土木工程材料试验原理与方法采用两种采

32、用两种(或两种以上或两种以上)的测试方法。的测试方法。单一的非破损试验方法，由于对各种因素影单一的非破损试验方法，由于对各种因素影响的反应敏感程度不同而使测试结果误差较响的反应敏感程度不同而使测试结果误差较大，而采用几种方法，综合评定可消除片面大，而采用几种方法，综合评定可消除片面性，较大的提高检测结果的精度和可靠性。性，较大的提高检测结果的精度和可靠性。常用的有超声常用的有超声回弹综合法：超声法主要反回弹综合法：超声法主要反映砼的内部性质；回弹法主要反映砼表面硬映砼的内部性质；回弹法主要反映砼表面硬度。采用综合法，可以部分抵消砼含水量对度。采用综合法，可以部分抵消砼含水量对测试结果的影响，且

33、较全面的反映了砼的整测试结果的影响，且较全面的反映了砼的整体性能。目前采用的综合法还有超声钻芯综体性能。目前采用的综合法还有超声钻芯综合法，回弹钻芯综合法、声速衰减综合法等合法，回弹钻芯综合法、声速衰减综合法等。35土木工程材料试验原理与方法是运用红外热像仪探测物体各部分辐射红外线能量，根据是运用红外热像仪探测物体各部分辐射红外线能量，根据物体表面的温度场分布状况所形成的热像图，直观的显示物体表面的温度场分布状况所形成的热像图，直观的显示材料、结构物及其结合上存在不连续缺陷的检测技术。材料、结构物及其结合上存在不连续缺陷的检测技术。它是非接触的无损检测技术，可以对被测物体上下、左右它是非接触的无损检测技术，可以对被测物体上下、左右进行非接触的连续扫描成像，已广泛应用于电力设备、高进行非接触的连续扫描成像，已广泛应用于电力设备、高压电