混凝土超声检测技术

1、混凝土超声检测技术测罗骐先前言混凝土超声检测技术始于上世纪40年代后期。由于该项技术具有用途广泛、探测距离大、完全不破坏结构物等优点，迅速在国内外普及推广，成为应用最广泛的混凝土无破损检测方法。我国从50年代中期开展这项技术的研究至今，不论在检测技术、仪器设备方面均取得重大进步，使该项技术在国内各个建设工程广泛推广应用，在提高工程质量，消除隐患，保证安全方面发挥了巨大作用。1980年，混凝土超声检测技术首先列入我国交通部行业标准港口工程混凝土试验法（现经修订后改名为水运工程混凝土试验规程），随后又列入水电部行业标准水工混凝土试验规程（SD 105-82）。1988年、1990年，中国工程标准化

2、委员会先后组织编写、颁布了协会推荐性标准超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程（CECS 02：88）超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS 21：1990，现修订后为CECS 21 2000）。这以后，一些地方和部门也陆续发布了一些有关的地方和部门检测测试规程。这些规程的颁布对混凝土超声检测技的推广和发展起到了促进作用。第一章 声学概念一、 波形及其参数声波是物体机械振动时迫使周围介质也发生振动并使振动向外传播而形成的一种波动。将接收换能器置于某点接收由声源传过来的声波，实际上就是接收该点在声波作用下的振动过程。振动大小和方向随时间而变化的过程曲线就称为波形。超声仪屏幕上的图线就是传播到接收换

3、能器所在位置的声波的波形。波形参数：周期T相位相同的相邻的波之间所经历的时间称为周期。频率f周期的倒数称为频率，单位赫芝或千赫芝（Hz，kHz）。混凝土超声检测使用频率一般在20200kHz之间。振幅A波动的幅度，表征波的强弱，通常以分贝（db）或直接以屏幕上波高度的毫米数表示。时间t振幅 ATA图1-1 波形图波长声波波动波动一次所传播的距离。波速v单位时间波传播的距离，以m/s或km/s表示。波长、频率、波速间有如下关系： = （1-1）例如超声波通过混凝土后被接收到，测得其频率为50 kHz，超声波在混凝土中的传播速度为4500 km/s，则由（1）式可计算出混凝土中超声波的波长： =c

4、m二、 波的分类声波在介质中传播时按照介质质点振动方向与波的传播方向之间的关系，可分为纵波、横波和表面波。纵 波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，又称为P波。可在固体、流体中传播。横 波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，又称为S波。只能在固体中传播。表面波：沿固体表面传播的波，它是由纵波和横波组合而成，又称瑞利波，R波。通常的超声换能器置于混凝土表面发射时，振动状况复杂，既有纵向振动又有横向振动，其发射出的超声波既有纵波也有横波和表面波。三、声波在介质中的传播速度在同一种介质中，不同种类的波具有不同的传播速度。同一种类型的波，在同一种介质中，因为不同

5、的边界条件，其传播速度也不相同。对于固体介质来说：在无限大或半无限大介质中的纵波速度vP： vP= （1-2）在有限的固体中传播时，则形成制导波，传播速度变小。在薄板中（板厚远小于波长）纵波的传播速度vL： vL= （1-3）在细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波的传播速度vo： vo= （1-4）在无限介质中横波的传播速度vS： vS= （1-5）在固体表面传播的表面波速度vR： vR= vS （1-6） 式中 密度； E 杨氏模量； 泊松比在同一种介质中，纵波速度>横波速度>表面波速度。从（1-2）、（1-5）、（1-6）式可知： （1-7）一般固体，介于0-0.3左右，&g

6、t;1.14，混凝土在0.2-0.3左右，-1.87，因为VR0.9VS，所以VP（1.8-2.0）VR。因为纵波比横波速度快得多，虽然换能器发射出各种类型的波，接收换能器也可接收到各种类型的波，但最先接收到的波仍然是纵波。目前在混凝土超声检测中主要研究的是首波，即纵波。表1为部分材料的弹性模量、波速和特性阻抗值。 部分材料的弹性模量、波速和特性阻抗 表1-1 项目材料 杨氏弹 性模量（10-5N/VCM2）泊 松 比（）密度（g/cm3）波 速 vP vS 特性阻抗×v（104g/cm2）钢21.0×10110.297.8 5940 3220 470玻璃7.0×

7、10110.252.5 5800 3350129陶瓷5.9×10110.232.4 5300 3100130混凝土3.0×10110.282.4 4500 2486108石灰石7.2×10110.312.7 6130 3200166淡水 0.998 1481 14.8空气0.0012 330 0.004三、 声波在介质界面的反射和折射声波在传播过程中，由一种介质到达另一种介质，在两种介质的分界面（界面）上，声波会发生方向和能量的变化：一部分声波被反射回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波透过界面在另一种介质中继续传播，称为折射波。谈谈声波能量的变化。若以声强I

8、表示能量的大小，且定义：R= 为声强反射系数；T = 为声强透射系数。式中 I0、I1、I2 分别为入射波、反射波、透射波的声强。声强反射系数、声强透射系数反映了界面上声波能量变化在数量上的关系。由理论推导和实验可知，反射系数与透射系数的大小取决于两种介质的声学特性，具体来说取决于介质的特性阻抗Z。特性阻抗Z表征介质的声学特性，其值为介质的密度和波速的乘积，即Z=×v。（见表1-1）。对于垂直入射到两个无限大界面的声波（图1-2）： R= （1-8）IRTZ1=1×v1Z2=2×v2图1-2 垂直入射声波的反射和透射 T= (1-9）式中 Z1、Z2第一、二种介质

9、的特性阻抗。从（8）式、（9）式可知：1） R+T=1，这符合能量守恒定律；2） Z1= Z2时，R=0，T=1，即当两种介质特性阻抗相等时，声波全部透过界面，无反射，对声波来说，两种介质如同一种介质一样；3） 当两种介质特性阻抗相差悬殊时（Z1>> Z2或Z1<< Z2），R1，T0，即声波能量在界面绝大部分被反射，难于进入第二种介质。从表1-1可看到，钢、混凝土一类固体介质特性阻抗较大，液体一类介质次之，空气的特性阻抗最小，因此，在空气与固体介质界面上，声波很难通过，绝大部分被反射。这也就是为什么换能器和被测体之间需要耦合介质（黄油、水等）的原因。也正是利用声波在界

10、面这一点，可以用超声波探测裂缝。第二章 混凝土超声检测原理一、 混凝土超声检测原理超声波通过混凝土传播后，其声学参数将发生变化。根据这些声学参数的变化可以探测混凝土内部缺陷、裂缝及质量情况。常用于混凝土超声探测的声学参数如下：1） 波速v（声速）： 波速就是声波在介质中传播的速度。 V= （2-1） 式中 L声波传播距离。因为是以最先到达的波为准，L就是发、收换能器间的最短 距离； t声波传播时间（声时）。声时由超声仪测得，测距需要实体丈量得。图2-1超声测试波形 LTtA波速是主要的声学参数。2） 振幅A：接收波首波的幅度。振幅可以分贝（db）表示，由超声仪上读出，也可凭示波器上的刻度（mm

11、）度量。振幅参数在探测缺陷和裂缝中是重要的参数。3）收波主频率（简称频率）f：发射换能器发出的超声脉冲波是复频脉冲波，它包含各种频率成分。超声脉冲波在混凝土中传播过程中高频成分首先衰减，结果随着传播距离的增加，超声波的主频率不断下降。接收波主频率的下降除了与传播距离有关外，还取决于混凝土内部缺陷、裂缝和质量。因此，接收波频率也是一个有用的参数首波后面12个周波是直达的纵波，所以测定接收波频率时应当测定这12个波的频率。可以通过移动游标的办法测定两个波谷（峰）的声时t1、t2，则频率f： f= （2-2） 3） 波形：即波的形状。正常的混凝土，超声波接收波形是衰减正弦波，其包络线大致为半圆形。当

12、混凝土内存在缺陷时，有时会出现畸变波，如后图所示。波形受许多因素影响，在判断缺陷中只能作为一种辅助参数。在结构物上布置换能器，让声传播线通过需要检测的部位，测量声波通过这些部位后，声学参数的大小及其变化情况，据此判断混凝土内部缺陷及质量情况。第三章 超声检测混凝土强度一、超声检测混凝土强度原理和方法1.检测原理（1）混凝土波速（v）一般在40005000km/s之间变化。混凝土强度(f)与波速(v)之间有较好的相关性。混凝土强度越高，其波速也越快。（2）当知道fv之间的关系曲线后，测出结构物混凝土的波速就可以推算结构物混凝土的强度。2.如何获得fv曲线方程？（1）如果有获得批准的地区曲线可以采

13、用。（2）无地区曲线或所测混凝土与地区曲线所代表的混凝土差异较大，则应专门标定制作专用曲线。地区曲线与专用曲线之间应首先采用专用曲线。3.为什么超声测强中要特别强调采用专用曲线呢？这是因为：（1）混凝土是一种用地方材料制作的产品，各地区的砂、石、水泥性能各不相同。（2）混凝土是几种材料的混合物，因使用目的及要求不同，其合成份有很大差异。 4.0 4.5 5.0 5.5 v（km/s） f(Mp)（403020101234图3-1 不同品种石子的fv曲线1杭州碎石；2重庆碎石；3北京碎石；4成都卵石（3）不同的混凝土其养护方式和含水率不同。这些差异都影响fv曲线。因此，很难找到一条各地区通用的f

14、v曲线。4.影响fv曲线的的因素很多，主要的有：（1）石子的品种、粒径、用量的影响 f(km/s) 50 40 30 20 10 3.7 3.9 4.1 4.3 4.5 4.7 4.9 v（km/s）1234图3-2不同石子粒径的fv曲线1-515mm；2-530mm；3-540mm；4-2540mm混凝土的波速实际上是组成混凝土的各部分材料波速的综合值。由于混凝土中石子所占的体积最大，约70%左右，所以石子的情况对fv曲线影响最大。首先是石子的品种。不同的石子，其材质不同，其本身的波速就不同。因而用不同石子制作的同配合比混凝土，其波速不一样。而用不同的石子，只要水灰比相同，混凝土的强度仍然一

15、样。这就造成不同石子的混凝土，其fv曲线各不相同，有的甚至差别很大。图3-1是陕西建筑科学研究院以同样的配合比、水灰比但不同的石子的混凝土试验得出的fv曲线。在同样的强度下，成都卵石混凝土波速最高。这是因为成都卵石是经水流长期冲磨剩下的坚硬、致密的石头，其本身波速就很高，所以用它配制的混凝土波速很高，但混凝土强度并不一定高。杭州碎石混凝土波速最低，显然是由于杭州石灰石波速本身就不高的原因。石子的品种除指材质外，还包括碎石与卵石之分。由于碎石与水泥砂浆粘结力强以及碎石子之间的嵌固力，使得碎石混凝土的强度高于同条件下的卵石混凝土。这也就是为什么图3-1中，成都卵石混凝土强度低而波速高的另一原因。其

16、次，石子的粒径也对fv曲线有影响。图3-2是同济大学的试验结果。从图中看到，石子粒径越大，其波速越高。4.5 5.0 5.5v（km/s）123图3-3 不同养护条件下的fv曲线1-自然养护；2-标准养护；3-水中养护40302010另外，在强度相同情况下，单位体积混凝土的石子用量越多，其波速也越高，且石子本身波速越高，石子用量对fv曲线影响也越大。（2）混凝土养护方式的影响不同的养护方式对fv曲线也形成明显的影响。图3-3是南京水利科学研究院的试验结果：在三种不同的养护方式下获得的fv曲线。1是自然养护，2是标准养护，3是水中养护。它们的fv曲线有明显差别。同样强度水平，混凝土的波速以水中养

17、护的最大，标准养护次之，自然养护的最小。形成这种差别的原因主要是由于不同的养护方式使混凝土的含水量不同。水中养护的混凝土，其孔隙中充满水。而自然养护的混凝土孔隙中充满气，水与空气的波速本身差别就很大，这就造成混凝土含水率高，波速也高。而含水率高的混凝土，其强度倒反而略低一些。这一来，就使fv曲线差别更大了。根据试验结果，混凝土含水率每增大1%，其波速也增大1%左右。既然影响fv曲线的因素很多，所以应当优先考虑使用专用曲线。5.如何获得专用曲线所谓专用曲线就是用与所要测试的结构相同的混凝土来制作一批试件，与所测结构混凝土相同条件下养护一定龄期后进行率定试验，即既测试件波速又测强度，最后通过计算获

18、得一条专用的fv曲线。（1）进行步骤：a.制作试件：（a）数量：3个为一组，宜不少于10组。试件混凝土的原材料、配合比、振捣方法、养护条件应尽量与被测结构混凝土一致。（b）试件尺寸：立方试件，边长应大于混凝土最大骨料粒径的三倍。通常使用15cm立方体试件。（c）试件养护和龄期：试件按所测结构相同的条件进行养护。试件龄期可以是一种龄期（各组试件水灰比有变化），例如28天；也可以在不同龄期（7、14、28天）进行测试。其目的是为了拉开混凝土强度的变化范围。b.试件测试：首先测试试件波速再将试件进行抗压强度试验。将各个试件的测试结果强度、波速测值点绘在坐标图上并连出一条fv曲线，这就是散点图。c.回

19、归分析：为了获得最优的曲线及该曲线的数学表达式，即曲线方程，还应当采用最小二乘法进行回归分析。回归分析分几个步骤：（a）选择曲线线型进行回归分析前首先应选择合适的曲线型式。下面三种曲线型式均适合于fv曲线：平方抛物线，表达式为： f=a+bv+cv2幂函数，表达式为： f=avb指数函数，表达式为： f=aebv式中 a、b、c为待定系数，即回归系数。因为幂函数、指数函数作最小二乘法运算时可通过取对数的方法化曲线相关为直线相关，计算起来简便，故目前多采用。（b）选定曲线线型后，下面就是计算回归系数。首先，看看最基本的一元直线回归：一元直线方程的一般形式为： y=A+Bx (3-1)根据最小二乘

20、法原则，可推导出直线方程待定系数A、B的公式为： B= (3-2) A=-B (3-3)式中 lxx= (3-4) lyy= (3-5) lxy= (3-6)、分别为观测值xI、yi 的算术平均值n 为试件个数。（c）化曲线回归为直线回归：由于f与v之间不是直线相关而是曲线相关，故不能直接利用上述公式。但是幂函数、指数函数可以通过取对数化成直线方程形式。对于幂函数：f=avb， 方程式两边取对数， 得： lnf=lna+blnv （3-7)令 lnf=y，lna=A，b=B，lnv=x ，这些为定义式 (3-8)将定义式代入(3-7)则(3-7)式也可化为直线方程形式，y=A+Bx 再代入(3

21、-2)、(3-3)式即可求得系数B和A。再代入定义式(3-8)即可求得a、b值。同样，对于指数函数也可用上述方法处理。为了检验二个相关量彼此相关的程度，还应计算一个叫做相关系数r的值。在直线相关中： r= (39)对于曲线相关，则不能采用相关系数r来衡量其相关性，而应使用另一种称为相关指数的值R2来衡量曲线拟和的效果。R2按下式计算： R2= (310)式中 yi 试件强度实测值 试件强度计算值，即以实测的波速xi代入所求得方程式计算出的强度值。 各试件强度实测值的算术平均值。r或R2 越大，则说明拟合的曲线效果越好。为了对用拟合的曲线计算的强度可能产生的误差有一个估计，还要引出一个参数-相对

22、标准差er： er= (3-11)式中 n 试件个数。规范规定：对于地区曲线，er£ 14% 对于专用曲线，er£ 12%回归分析计算可用计算机编程进行，也可用有回归统计功能的计算器列表计算。我们现在有了一个合用的fv曲线，是不是马上就可以推算结构混凝土的强度呢？我们说，还有些问题需要解决。6. 现场超声测试中的问题及修正方法大家知道，我们率定fv曲线时，我们是在边长15cm的立方体试件上测试波速，它与在构件上测试波速是有差别的。这些差别是：（1）实体构件尺寸大，即超声测距大；（2）实体构件内大多有钢筋；（3）测试实体构件与试件时，所用的换能器频率可能不一样。通过大量研究发

23、现，构件与试件的这些差别有时会导致二者所测波速不同。现在让我们来逐个地加以讨论。这就是：a.测距对波速测值的影响随着测距增大，所测波速会减小。本来，一种介质的波速是一定的，不应随尺寸大小而变。但问题在于，用我们目前的超声仪来测定时，随着测距的增加，所测得的波速值确实会减小。为了弄清这个问题，南京水利科学研与洲坝工程局合作进行了大规模的试验。制作了不同强度等级的大型混凝土阶梯型试件(图3-4)。600cm600cm图3-4测试阶梯状大试件 试件混凝土尽可能均匀一致。从二个方向一级一级地测试混凝土的波速。这样就获得了在不同测距（从15cm-600cm)下混凝土波速的变化情况，如图3-5所示。从图中

24、可以看到，三种等级的混凝土，随着测距增加，所测波速都逐渐减小。减小的趋势是：测距短时减小快，而测距增大后，这种减小趋势也变缓。在测试波速的同时也测量了接收波主频率。结果发现，随着测距的增加，接收波的主频率也变小，且变小的趋势与波速变小的趋势一致。v km/s 5.0 4.5 0 1 2 3 4 5 6213d（m）图3-5 波速测距关系图图3-5声速测距关系图1-350号；2-250号；3-150号超声脉冲波随着传播距离增加将逐渐衰减，而其中高频分量又比低频分量更容易衰减，所以随着测距增加接收波的主频率也随之下降。超声脉冲波主频率的下降正是引起所测波速下降的根本原因。为了使在实体结构上测得的波

25、速与在15cm试件上测得的波速一致，根据上述试验结果制作了不同测距波速修正表。表中以15cm测距为准，凡测距大于15cm者，可将测得的波速乘上表中的修正系数。中间测距可用内插修正。 不同测距波速修正表 表3-1 测距cm 15 50 100 200 300 400 500 修正系数 1 1.003 1.015 1.023 1.027 1.030 1.031b钢筋对波速测量的影响为什么钢筋对混凝土波速测量有影响？道理很简单，声波在钢中传播速度比混凝土快。钢的传播速度5900 m/s；混凝土的传播速度4000m/s5000m/s。由于测定声时时，我们总是以首先到达的波来计时，所以当在声波的传播路径

26、上遇到钢筋时，有时会使所测波速增大。现在谈谈钢筋是如何影响，影响的大小及如何避免。钢筋的影响分两种情况：图3-7平行钢筋的影响DBCL dA图3-6垂直钢筋的影响（1） 垂直钢筋的影响。一些构件，如梁，上下有成排的主筋（图3-6）。如果我们测量梁的混凝土波速时，换能器正好对准钢筋，这时，声波穿钢筋而过，将使所测波速略有提高。随钢筋排列的密度不同波速会增大1%5%。这时，您只需要将换能器向上移开钢筋35cm，这种影响就没有了。（2）平行钢筋的影响有时也会遇到钢筋的方向正好与声波的传播方向平行，如图3-7。当发射换能器A发出一束超声波，其中一部分在混凝土中传播，直接由A到达D。同时，也有一部分超声

27、波从A出发，斜向传播到钢筋上的B点，然后沿着钢筋以较快的速度传播到C点，再从C到达接收换能器D。如果A、D换能器离开钢筋的距离d小到一定程度，那么完全有可能声波经折线AB-BC-CD传播的时间还短于经AD直接传播的时间。这时，我们仍然以测距L来计算波速，结果计算出的波速就高于混凝土真正的波速。通过数学推导并经试验证实，当知道换能器距钢筋的距离d及声波在钢筋中的波速，我们也是可以计算出声波在混凝土中的AB、CD段的波速。但最方便和最稳妥的作法是在选定测点时，使换能器连线与钢筋离开一定距离。这应离开的最小距离dmin 是可以计算的。作为大致估计，dmin为测距L的1/61/8。这样就可完全不受钢筋

28、的影了。混凝土结构中大都有钢筋，那么是不是一听到说有钢筋，就没办法测量呢？完全不是这么回事。根据上面的讨论我们可以归纳出关于钢筋影响的几点结论：a.对于垂直于测试方向的钢筋这是常遇到的，例如柱、墩、墙体的主筋。虽然可能纵横都有，但都与测试方向垂直，完全可以不去管它。仅仅象梁的底部、顶部有成排的主筋，因为密集，会显出一些影响。但避开也很简单：将测点移开35cm就行了。b.对于平行于测试方向的筋真正遇到这种情况的不多，只是在结构变断面或机械安装的局部区域碰到。这时通常考虑避开。避开的最小距离为测距的1/81/6 。c.箍筋的情况梁、柱一类结构有许多箍筋，往往平行于测试方向，似乎有影响。但是，这里有

29、个有趣的问题，就是钢筋的声传播速度。我们说钢的传播速度是5940m/s，那是指在半无限大介质中的速度。当声波沿着钢筋传播时，边界条件变了，声波是近似在杆件中传播，速度变小。南京水利科学研究院实测了的钢筋波速。结果发现，钢筋越细，波速越小。6mm的钢筋波速甚至低于一般混凝土的波速。所以箍筋的问题一般可不予考虑。c.换能器频率的影响。我们在率定fv曲线时是测量试件，所用换能器频率较高，而实测结构时由于测距大，有时用的换能器频率较低，这将造成测试条件和结果的不一致。为使二者测试结果一致，我们建议：(1)如果实测距离在1m以内，如梁、板、柱，则率定试件时用的什么频率换能器(例如50100kHz)，实体

30、测试也用它。(2)50kHz换能器通用性较强，可用来测试试件，实体测试中也可达23m的测距。(3)当实体结构尺寸较大，例如45m以上，需要采用较低频的换能器时，宜在试件上比较二种换能器测值的差异，以修正测试结果。6.现场测试按照规范要求，在结构表面按一定间距画出测区（20×20cm）。每个测区测试3点的波速，取其平均值作为测区混凝土波速值。将波速值按前述有关项目进行修正后，即可按fv曲线换算出测区强度值。7.综合法测强综合法测强就是在测区上既进行回弹法测试又进行超声法测试，以回弹值和波速值两项参数与混凝土强度建立关系，推算混凝土强度。综合法测强繁琐一些，但它可以综合回弹法与超声法二者

31、的优点。这是中国工程标准化委员会标准：超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程以综合法测强时，和超声法一样，先布置测区。所不同的是，测试时，先在测区相对两面，每面用回弹仪弹击8点，两面共16点。然后再进行超声测试。根据各测区回弹、超声测值(R、v)按混凝土强度（f）与R、v间相关关系计算各个测区混凝土强度换算值fi。综合法相关关系一般式为： f =a*vb*Rc 式中 a、b、c 回归系数，即待定系数（1）关于综合法测强曲线综合法规程规定：a.应根据原材料品种、龄期和养护条件等，通过专门试验建立专用曲线。b.如无条件建立专用曲线，可采用经过批准的地区曲线。c.当无上述二类曲线时，经过验证后可采用规

32、程中列出的通用曲线。通用曲线方程如下：粗骨料为卵石时： fecu=0.0038（vi）1.23（Ri）1.97 （3-14）粗骨料为碎石时： fecu=0.008（vi）1.72（Ri）1.57式中 （3-15）式中 fecu 测区混凝土强度换算值 vI 测区波速值 Ri 测区回弹值综合法规程中已将上述相关曲线制成了测区强度换算表供直接查用。规范规定：要使用通用曲线须通过验证。验证方法是用当地或该工程常用的材料制作一批试件(每个强度等级3组），进行综合法测定和强度试验以验证通用曲线的是否可用 。有时也可通过取样试件或取芯试件试验结果来修正所用曲线。综合法测强专用曲线的制定与超声法专用曲线的制定

33、类似。所不同的是试件除了要测量波速外还要测量回弹值（最好还要测量混凝土碳化层厚度），以波速、回弹值和碳化层厚度值与混凝土强度值建立关系，进行回归分析。这时应是二元或三元曲线回归。计算方法这里不再详述，大家可参见综合法测强规程及有关书籍。这里列出江苏省超声回弹综合法曲线公式供参考： fecu=0.00134（vi）3.853（Ri）1.16610-0.00418L （3-16）式中 L 测区碳化层厚度平均值（mm）8.关于推定强度的问题。（1）推定强度的意义我们在结构物上测得各测区的波速、回弹及碳化层厚度值后，根据它们与混凝土间的相关关系方程，可计算或查表得到各测区的计算(换算)强度（包括超声法

34、、回弹法、综合法）。它的符号：意为计算（换算） 意为抗压强度 f注意，这里所测得的强度是指构件上某测区处混凝土的强度。因为构件中各部分强度是波动的，所以各个测区的计算强度也是各不相同的。而我们希望得到的是一个构件或一批构件其混凝土整体的强度。这就是所谓推定强度 。它的符号：意为推定、评定 fcu，e意为抗压强度推定强度有以下含义：（a）它不是该构件各测区计算强度的平均值，而是具有一定保证率(95%)的混凝土强度取值。（b）它是指混凝土在测试日期当时的强度。（2）如何确定推度强度呢？根据规范规定，推定强度按下述法则确定：（a）当按单个构件检测时，单个构件的混凝土强度推定值fcu，e取该构件各测区

35、中最小的混凝土强度换算值fccu，min，（b）当按批抽样检测时，该批构件的混凝土强度推定值应按下列公式计算：fcu，e=mfccu，I -1.645sfccu式中 mfccu，i 各测区混凝土强度换算值的平均值 sfccu 、i 各测区混凝土强度换算值的标准差所谓按批抽样检测，就是对于一批混凝土强度等级相同，构件种类相同，混凝土原材料、配合比、工艺、养护相同及龄期基本相同的一批构件，可随机抽30%的构件进行检测，其结果代表该批全部构件混凝土的强度。（3）关于推定强度的使用问题所有在现场用无破损检测方法测得的实体构件强度与由取样试件试验得出的28天强度有所不同。这些不同是：（a）前者是结构上混

36、凝土的强度，后者是取样试件的强度；（b）前者是现场制作，自然养护，后者是实验室制作，标准养护；（c）前者是测试当时的强度，后者是28天龄期强度。正因为二者的这些不同，所以不能混为一谈。取样试件的强度是作为评定该种混凝土强度等级是否合格用。这是因为混凝土强度检验评定标准（GBJ107-87）中规定使用标准养护28天龄期试件的强度。而现场用无破损方法测得的强度是非标准养护的结构上的混凝土的强度且不一定是28天龄期，因为与上述的评定混凝土是否合格的标准的要求不符，所以不能用它来评定混凝土强度等级是否合格。它可以作为构件强度校核、验算，决定是否加固处理的依据。在一般情况下，若混凝土龄期大致相同，在结构

37、上测得的混凝土强度一般仅为取样试件强度的85%左右。第四章 超声检测混凝土缺陷和裂缝（一）探测内部缺陷 混凝土结构在施工过程中常因各种原因产生各种缺陷，严重危害建筑物的安全和耐久性。这些缺陷包括内部蜂窝状疏松区、空洞、裂缝、内部夹杂物、接合面缺陷及表层损伤等。如何探测出这些缺陷的位置及范围以便及时消除缺陷是很重要的事情。超声法的一大突出特点是：不但能测量混凝土强度，还可以探测混凝土结构内部缺陷，是目前应用最广泛的混凝土无破损探测技术。L图4-1超声探测缺陷原理一、探测缺陷原理为什么超声波能探测出内部缺陷呢？图4-1是一混凝土体。当混凝土无缺陷时，混凝土是连续体，超声波在其中正常传播。但当换能器

38、正对着缺陷时，情况就不一样了。由于缺陷（空洞、蜂窝区）的存在，混凝土连续性中断，缺陷区与混凝土之间成为界面（空气与混凝土）。在这界面上，超声波传播情况发生变化。这些变化是：超声波传播到缺陷处将产生反射、散射与绕射。超声波经过缺陷后接收波声学参数将发生如下变化：1.声时（波速）的变化超声波绕过或穿过缺陷，声时延长，计算波速降低。2.接收波振幅的变化超声波能量经缺陷反射、吸收后能量减小，接收波振幅明显降低。如果传播路径中遇到裂缝，由于裂缝的强烈反射，只有很少的声波通过裂缝，接收波振幅将大大降低。3.接收波主频率（简称频率）的变化缺陷对超声脉冲波中高频成份衰减较一般混凝土更剧烈，接收波频率下降更明显

39、。4.接收波波形的变化（1）有时接收波第一、二周期会出现波形畸变；（2）正常混凝土接收波形包络线呈半圆形，有缺陷混凝土包络线呈喇叭形。a）正常波形b）畸变波形图4-2接收波波形a）半圆形 b）喇叭形 正常混凝土 有缺陷混凝土 图4-3接收波包络线目前，对波形的研究还不够，影响因素多，只能是半定性的参数，作为判断缺陷的参考。曾制作一大型混凝土试件，内埋各种尺寸的缺陷进行超声测定。现将测量结果绘制成下图4-4。从图中可以看到，三个声学参数都反映了缺陷的存在，但各有特点：（1）声时（速）变化较稳定，重复性好，有统一的测定方法，是探测缺陷必测的参数。但声时对缺陷的反应不够敏感。对于尺寸这样大的缺陷，波

40、速仅变化了15%（正常混凝土声时130ms，缺陷处150ms）（2）振幅对缺陷的反应敏感，变化达70%（正常混凝土40mm，缺陷处10mm）。但振幅测值无统一标准，只能在相同测距情况下作相对比较。同时振幅测值受换能器与混凝土表面耦合条件影响较大。 若耦合条件好，彼此一致，如孔中水耦合，振幅参数是判断缺陷的很好参数；若耦合条件差，不一致，则只能作判断缺陷的参考。 t（s）120 130 140 150. . . . A（mm）0 10 20 30 40. . . . . f（kHz） 10 15 20. . . . d缺陷图4-4超声参数变化曲线（3）频率的情况介于上述两者之间，且测试较繁，研究

41、还不多，一般测试中用得不多。二、如何在现场进行超声探测缺陷检测。1.首先在结构物相对两面布置方格网。网格交点即测点。网格间距视结构物大小而定，从10cm到100cm。2.测点表面应平整。不平整的可适当打磨，或用快硬砂浆或石膏抹平。测点上抹上耦合剂（黄油或浆糊）。3.丈量测距。4.逐点测量声时、振幅及频率值。观察波形有无畸变。 三、如何判断缺陷概率法现场测试完毕后，先计算出各测点波速、振幅、频率值。根据这些参数的相对变化判断混凝土内部是否存在缺陷。那么，到底如何判断呢？混凝土是非均质体，各测点处混凝土的质量是波动与离散的。任何结构上都能测量到一些低值点，但这些低值点不一定都是缺陷。如何判断是个难

42、题。南京水利科学研究院早年曾提出一种判断缺陷的方法，名为“概率法”，经过多年实践、改进，目前已作为判断缺陷存在的基本方法列入上述各类超声检测规范中。1概率法的基本构想概率法的基本构想是认为：a正常混凝土质量的波动是偶然误差所引起，是不可避免的，也是允许的，它的分布是符合正态分布的。同时粗略认为，正常混凝土其声学参数也符合正态分布。b.缺陷是由过失误差（漏振、漏浆、架空等）引起。它的分布不符合正态分布。c.现在的问题是如何区别判断这些低测值点是偶然误差还是过失误差所引起，也就是说要定出一个是否是缺陷的临界值：凡低于临界值就是缺陷可疑点。2确定临界值的准则：按该结构本身正常波动水平衡量，一个点或相

43、邻点在正常波动情况下可能出现的最低值。3临界值确定方法先简单谈谈偶然误差和正态分布。偶然误差是随机的，不可避免的。由偶然误差引起的质量波动，其分布，也就是质量高低出现的相对比例是符合所谓正态分布。-xx图4-5正态分布图PX1这是正态分布曲线。横坐标是表征质量好坏的某种测值x，例如混凝土波速，坐标原点为所有测值平均值；纵坐标是各测值出现的百分数。从正态分布曲线可看到:a.平均值处出现最多，曲线最高，越偏离平均值出现越少；b.曲线左右对称；c.整个曲线与横坐标所包围的面积为1，即100%。某一测值xI与横坐标、曲线所包围的面积代表所有小于等于xI的测值出现的总和，即出现的概率P。当从母体上随机抽

44、取足够数量的样品测量 （即在结构物上按网格测量多个测点）后，我们就可以计算出各测值的平均值和标准差s： s= （4-1）标准差的大小表示各测点测值离散波动的程度。标准差越小，表示测值离散越小，曲线越瘦。标准差和平均值既定，正态分布曲线也就定了。为了计算方便，把上面的正态分布曲线变化一下，把横坐标由测值的具体量改为所谓分位值Ka，分位值的定义是： Ka= （4-2）分位值的含义就是某测值xI与平均值相差多少个标准差s。0ka图4-6标准正态分布图Pka1以分位值为横坐标绘制的正态分布图称为标准正态分布图（图5-6），它的原点横坐标为零。一般的数理统计书上都有所谓正态分布表。从表上可直接查出某一K

45、a值所对应的概率P来，例如，Ka=1，其出现的概率P=15%（保证率为85%），Ka=1.645，概率P=5%（保证率=95%）。现在我们来谈如何确定临界值。临界值分单个点临界值和相邻测点临界值。（1）.单个测点临界值xL1a.正常的混凝土声学参数分布符合正态分布，如图45所示。图中相应于某测值xi（也就是相应于图46的某Ka值）的阴影面积就是所有低于xi的测值出现的概率P。b.我们把单个缺陷可疑点的临界值定为正态分布中概率为P=（n是测点总数）时所对应的测值xLi。把定为是否为缺陷的界限的原因为：如果某个低测值是属于正常的质量波动，那么，它出现的概率应当大于或等于。如果这个低测值小于xLi,

46、，则它出现的概率必低于。概率低于的含义是：在正常波动情况下，这样的点一个也不允许出现。现在事实上已经出现了一个，那么，这测点测值的低下已不是正常波动所引起，而是非正常波动，即过失误差所引起。这点就应属于缺陷可疑点。界限概率既定，临界值xL1就可计算出来。c.具体的计算步骤：a）一个构件共测了n 个测点。先计算各测值平均值、标准差S。b）查正态分布表，可获得相应于概率P=的分位值Ka1。因为分位值的定义是：Ka=则单个点的临界值xL1可按下式计算： xL1=-Ka1S （43）（2）相邻点临界值xL2：a.确定原则：在实际结构中，缺陷往往有一定的尺寸，因此不但可能测到单个的缺陷点，还可能测到相邻

47、的缺陷点。 B· B·E· A· C· A· D· C· a） b） 图4-7 测点相邻的情况a）一般构件；b）孔（管）中根据概率的原理，某点A的测值小于等于某一界限值xi，其出现的概率为p，与其相邻的B点测值也小于等于x i。这种二点同时小于等于 xi的情况构成概率论中的事物相容事件，其出现的概率P为单个事件概率之积，即P=p2 。但所谓相邻，对于一般结构来说，（如图47a），有AB、AC、AD、AE 4种情况都是相邻，因此任意二点测值都低于 x i的概率P概率应为4×p2。同样，对于孔中或管中的测量（如灌注桩检测），测点只能上下布置（如图47b），则相邻点出现的概率应为2× p2。同样，把这种情况的界限P定为与概率相应的分位值，即一个也不应出现。b.计算步骤：对于一般结构，界限概率P=4×p2=，则p=对于孔（管）中的检测，界限概率P=2×p2=，则p=查正态分布表中相应于概率为p的分位值Ka2，则相邻二点的临界值xL2按下式计算： xL2=Ka2S （44）凡单个测点测值小于xL1，相邻二点测值均小于 xL2的测点都可判为缺陷可疑点。测缺规程已将分位值列表，使用者只须根据测点数n即可查得得相应的系数。只不过规程中将Ka1