浅析混凝土超声波无损检测

1、浅析混凝土超声波无损检测         摘要：本文根据超声波无损检测的发展现状，详细阐述其工作原理，并就当前混凝土工程施工过程中无损检测应注意的问题展开分析。关键词：混凝土工程；超声波无损检测；原理分析；波形Analysis of ultrasonic nondestructive testing of concreteZou JianpingDongtai Co., Ltd. Jinming construction quality inspectionAbstract: Ultrasonic nondestr

2、uctive testing based on current development, detailing their works and concrete construction on the current non-destructive testing process should pay attention to issues analysis.Keywords: concrete construction; ultrasonic non-destructive testing; theory analysis1 超声波无损检测概述早在20世纪30年代，人们就开始研究混凝土无损检测

3、技术。20世纪40年代末50年代初，加拿大的Leslie和Cheesman、英国的Jones等率先将超声波用于混凝土检测，开辟了混凝土无损检测的一个新领域；60年代，罗马尼亚的Facaoaru用声速、回弹综合法检测混凝土强度；80年代，美国的Sansalone和Carino将冲击回波法用于混凝土无损检测，冲击回波法是根据接收到的反射P波信息来达到检测的目的，也可属声波反射波法的一种。我国于20世纪50年代引进超声波仪器，并展开了该方面的研究；60年代我国研制成第一台非金属（混凝土）超声仪，此后，进行了较大规模的研究工作，探测距离由120m发展到10200m，从以声速为检测参数发展到以声速、振幅

4、、频率、相位等多参数综合判断检测；80年代末，我国研制成冲击回波法仪器IES系统，并在工程检测中成功应用；19902000年，我国相继颁布了超声波检测混凝土缺陷技术规程及其修订版本，成为超声波检测混凝土缺陷的重要技术依据；90年代中期以来，我国智能型数字化超声仪相继问世，它不仅可以自动测读声参数，并可进行相应的数据处理，为该项技术的推广应用提供了良好的硬件基础。这些研究主要针对超声波检测方法的改进以及骨料含量和含水率等对超声波检测的影响。混凝土是一个集粗骨料、细骨料、粘结料、水和外加剂为一体的复合物，特有的黏塑性、多孔性等特征对超声波无损检测有特殊的影响，随着计算机模拟技术和成像技术的发展，超

5、声波无损检测技术将取得更大进步，并在最大程度上满足工程的需要。2 超声波探测损伤原理分析声波的频率范围为2020000Hz，高于20kHz的机械波为超声波。金属材料工件超声检测的频率在0.1520MHz以上，而混凝土等非金属材料的超声检测应选用较低频率的超声波，常用频率为20500kHz，这主要是因为混凝土为非均匀材料，散射作用使材料对声波的衰减较大，方向性差，频率越高，传播距离越小，绕过颗粒的能力越差。混凝土是多组分的集合体，各组分有不同的物理特性，当混凝土中出现损伤时，超声波在各组分界面和损伤处发生杂乱无章的反射、折射、透射、绕射等，使得能量不断损失，导致接收声学参数异常，正是这些异常声学

6、参数为混凝土损伤检测提供了依据。2.1 波速的判别混凝土的超声波速主要决定于其弹性参数。将混凝土视为宏观裂纹、分散微裂区和具有稳定缺陷的基体组成的复合材料，在混凝土承受荷载前后，具有稳定缺陷的基体的变形是线弹性的，其弹性常数保持不变，因而对混凝土的声学特性没有影响；而微裂缝在单轴受荷后的变形（闭合、张开、扩展等）会引起混凝土的弹性常数改变，因而是改变混凝土声学特性的主要因素；宏观裂纹是在承受荷载之后出现的，也是影响混凝土材料超声波速的一个重要因素。混凝土的整体超声波速是三个因素的耦合作用的结果。对于在受载条件下的脆性固体材料，声学特性研究结果表明：若假定其母质具有线弹性，在其内部随机分布了大量

7、微裂纹，其声速随单轴应力呈非线性变化关系。这种关系可以简略的表示为Vp=g(m，1)，其中Vp为超声波传播速度；1为单轴应力；m=(E0，v，KIC，a0，)，其中E0，v分别为母体的弹性模量和泊松比，KIC，分别为材料的断裂韧度和内摩擦角，a0，分别为微裂纹半长度、形状比和裂纹密度。         实验过程中混凝土的超声波速可以仅限于受载前后和自愈合之后，可以不考虑受载时应力对波速的影响。这样，超声波速的变化与材料母体的弹性模量、泊松比、断裂韧度、内摩擦角、微裂纹半长度、形状比和裂纹密度等细观参数有关。混凝土超

8、声波应为超声在基体，微裂区，宏观裂纹三相中传播的组合效应，可以表示为：Vc=1/(i1/V1 i2/V2 i3/V3)其中，Vc为超声波在混凝土中的传播速度，i1，i2，i3和V1，V2，V3分别为基体、微裂区和宏观裂纹在混凝土中的体积分数以及超声波在三者中的传播速度。其中，V3即为超声波在空气中的速度340m/s；V1=m1(E0，v，KIC，)，V2=m2(a0，)，其中E0、KIC的增大将导致V1的增大，a0，的增大则导致V2的减小。在混凝土加载之前，超声波在混凝土中的传播速度主要取决于V1，基体的弹性参数影响超声波在混凝土中的传播速度，混凝土的强度越高，其弹性模量较大，超声波速也越大。

9、但是声速还与V2有关（完好混凝土试件i3=0），并非完全随强度线性变化。当混凝土受载损伤后，内部的一些初始微裂纹发展成宏观裂纹，完好基体所占比例i1急剧减少，i2，i3则相应增加；同时微裂区内的a0，和增大，导致超声波在微裂区传播素的减小，受损后材料的超声波速急剧下降。超声波波速比较稳定，可重复性比较好，是评价混凝土质量的重要指标。2.2波幅的判别当超声波穿过非均匀的混凝土，遇到空洞、裂纹等损伤时会发生绕射、透射、反射等现象，导致波速下降，波时延长，超声波能量损失，从而导致超声波波幅大大减弱，因此可以根据波幅的变化来判断混凝土的损伤情况。在工程应用中主要是依据首波波幅的变化情况来判断混凝土损伤

10、情况，因为首波能够真切反应混凝土损伤，而后续波与折射、反射后的波叠加，而不能反应混凝土损伤的真实情况。2.3主频的判别对接收信号的频谱分析证明，不同质量的混凝土对超声脉冲波中的高频分量的吸收、衰减不同。因此，当超声波通过不同质量的混凝土后，接收波的频谱（即各频率分量的幅度）也不尽相同，质量差或有缺陷的混凝土，其接收波中高频分量相对减少，而低频分量相对增大，所以接收波的主频率下降。和波幅一样，频率测值也没有统一的标准，只能在同一剖面内测点间进行相对比较，测试值没有波速值稳定，目前只用于辅助判别。2.4波形的判别当混凝土有质量缺陷时，超声波在传播过程中能量损失，使得接收波波形发生变化，当混凝土损伤

11、严重时，波形会发生畸变，如图1所示。                      （a）正常波形 （b）缺陷波形（c）严重缺陷波形图1 超声波波形如图1所示，(a)为正常波形，是超声波传播比较理想的情况，混凝土中没有损伤或损伤很少；(b)为混凝土存在少量缺陷时的波形，在实际工程中，混凝土都是存在一定量缺陷的，我们测得的波形也大体与此波形相似；(c)超声波在存在严重损伤的混凝土中传播，损伤破环了混凝土的连续性，使传播过程复杂化，经过混凝土的直达波、绕射波、投射波等相叠加使接收波形发生畸变，这也使得波形的判别一般限于第1、2个周波范围。超声波波形的敏感性和稳定性都很高，是检测混凝土质量的重要参数。3