超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用實(shí)例分析

1、超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用實(shí)例分析第8卷第4期2009年12月寧夏工程技術(shù)NingxiaEngineeringTechnologyV01.8No.4Dec.2009文章編號(hào):16717244(2009)04039205超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用實(shí)例分析孫慶合,(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏銀川高平z750021;2.寧夏建設(shè)集團(tuán),寧夏銀川750004)摘要:介紹了超聲無(wú)損檢測(cè)的基本原理,具體闡述了混凝土構(gòu)件缺陷與超聲參數(shù)之間的關(guān)系,并以此建立了兩種判據(jù),結(jié)合工程實(shí)例對(duì)兩種判據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析,得出PSD判據(jù)法可用于混凝土構(gòu)件缺陷定性和定量的分析,并建議使用該法時(shí)結(jié)合超聲成像法

2、作為最終判據(jù).關(guān)鍵詞:無(wú)損檢測(cè);超聲參數(shù);混凝土缺陷;PSD判據(jù)法中圖分類號(hào):TU317.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A無(wú)損檢測(cè)(NonDestructiveTesting,簡(jiǎn)稱NDT)是在不破壞被檢測(cè)材料,零部件或設(shè)備的情況下,應(yīng)用以聲,光,電,磁,力或變形為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)和分析方法,對(duì)原材料,半成品,成品零部件,設(shè)備中的零部件,在役設(shè)備等的結(jié)構(gòu),幾何關(guān)系,物理性能,狀態(tài)特性以及各種工藝參數(shù)等加以測(cè)定,并按一定的準(zhǔn)則對(duì)其做出評(píng)價(jià)的過(guò)程【11.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包含多種方法,目前被廣泛應(yīng)用于實(shí)際混凝土工程的有回彈法,聲波法,探地雷達(dá)法,紅外線法和綜合法等.而將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于混凝土的質(zhì)量檢測(cè)中,就必須結(jié)合混凝土

3、材料自身的性質(zhì).因此本文將著重結(jié)合混凝土的缺陷,介紹無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中最常用的方法之一超聲法,在混凝土構(gòu)件檢測(cè)中的應(yīng)用,并結(jié)合工程實(shí)例予以分析.1超聲無(wú)損檢測(cè)的基本原理混凝土超聲檢測(cè)是用超聲波探頭中的壓電陶瓷或其他類型的壓電晶體加載某頻率的交流電壓后激發(fā)出固定頻率的彈性波,在材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播后圖1超聲無(wú)損檢測(cè)原理示意圖再由超聲波換能器接收,即壓電逆效應(yīng),原理示意如圖1所示.通過(guò)對(duì)采集的超聲波信號(hào)的聲速,振幅,頻率以及波形等聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析,以此推斷混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成情況21.超聲波檢測(cè)可用于混凝土結(jié)構(gòu)的測(cè)厚,探傷,混凝土的彈性模量測(cè)定以及混凝土力學(xué)強(qiáng)度評(píng)定等方面.2混凝土缺陷

4、與超聲參量之間的關(guān)系2.1超聲參量超聲參量如圖2所示,其中,為超聲波在試件測(cè)距內(nèi)傳播的聲時(shí)凈值(應(yīng)扣除t.)(s);為接收信號(hào)首波幅度值(dB);廠為接收信號(hào)的頻率(kHz),其計(jì)算式為或或?(1)波形判別包絡(luò)面積大小,脈沖波震蕩延續(xù)性或首波有無(wú)畸變等.2.2混凝土缺陷與超聲參量之間的關(guān)系2.2.1混凝土缺陷與聲時(shí)或聲速之間的關(guān)系聲收稿日期:20090830作者簡(jiǎn)介:孫慶合(1956一),男,副教授,主要從事水工結(jié)構(gòu)材料的研究d圖2接收波形超聲參量標(biāo)示第4期孫慶合等:超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用實(shí)例分析393時(shí),即超聲脈沖穿過(guò)混凝土所需的時(shí)間.它反映聲波直接傳播或繞射傳播過(guò)程中時(shí)間的差異,

5、即在相同測(cè)距內(nèi)聲速差異.如果混凝土構(gòu)件兩聲測(cè)管基本平行,則當(dāng)混凝土質(zhì)量均勻,沒(méi)有內(nèi)部缺陷時(shí),在各橫截面所測(cè)得的聲時(shí)值基本相同;但當(dāng)存在缺陷時(shí),由于缺陷區(qū)的泥,水,空氣等內(nèi)含物的聲速遠(yuǎn)小于完好混凝土的聲速,所以穿越時(shí)間明顯增大.超聲脈沖傳播單位聲程所需要的聲時(shí)即為聲速,因此,也可將聲時(shí)值變換成聲速值作為判斷的依據(jù).2.2.2混凝土缺陷與接收信號(hào)的幅值之間的關(guān)系接收信號(hào)的幅值,是超聲脈沖穿過(guò)混凝土后衰減程度的指標(biāo)之一.聲波在不同的聲學(xué)界面,因介質(zhì)聲阻抗不同,引起聲能反射或透射差異,反映為聲能衰減,首波幅度下降.幅值的衰減與混凝土質(zhì)量緊密相關(guān),它對(duì)缺陷區(qū)的反應(yīng)比聲時(shí)值更為敏感,所以它也是缺陷判斷的重

6、要參數(shù)之一.2.2-3混凝土缺陷與頻率的關(guān)系聲波隨著在混凝土測(cè)距內(nèi)傳播,頻率逐漸下降,遇不密實(shí)或缺陷區(qū),其下降更甚.接收頻率的'?貝4量一般以首波的第一個(gè)周期為準(zhǔn),可直接在接收波的示波圖形上作簡(jiǎn)易測(cè)量.密實(shí)混凝土中超聲頻率隨著傳播距離增大而下降,在缺陷的混凝土中傳播,由于傳播的路徑增加和不同聲阻抗界面的散射,其頻率將加劇下降.因此,發(fā)射換能器接收波的頻率也可作為判斷的依據(jù).2.2.4混凝土缺陷與超聲波形的關(guān)系因混凝土不密實(shí),不均勻或缺陷等,聲波傳播產(chǎn)生反射,折射,繞射,疊加結(jié)果導(dǎo)致波形畸變,所以,波形畸變可作為判斷缺陷的參考依據(jù).必須指出,波形畸變的原因很多,某些非缺陷因素也會(huì)導(dǎo)致波形

7、畸變,運(yùn)用時(shí)應(yīng)慎重分析.目前波形畸變尚無(wú)定量指標(biāo),只是經(jīng)驗(yàn)性的.關(guān)于波形畸變后采取怎樣的分析技術(shù),還有待進(jìn)一步研究.3混凝土構(gòu)件缺陷評(píng)判方法基于以上參數(shù)的檢測(cè)和分析,可針對(duì)不同的混凝土構(gòu)件進(jìn)行評(píng)判,評(píng)判的方法主要有超聲參數(shù)直觀評(píng)判法,概率評(píng)判法和PSD法(即斜率法),本文結(jié)合混凝土孔灌注樁利用直觀評(píng)判法和PSD判據(jù)法對(duì)混凝土構(gòu)件缺陷進(jìn)行評(píng)判和對(duì)比分析.3.1超聲參數(shù)綜合評(píng)判法混凝土構(gòu)件缺陷與各超聲參量有著上述的關(guān)系,因此可以根據(jù)接收信號(hào)聲時(shí),首波幅度,頻率和波形對(duì)混凝土構(gòu)件缺陷進(jìn)行綜合分析評(píng)判.其具體的可操作評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)或方法可參考圖3.綜上參數(shù)比較:tl<t3<2&a

8、mp;lt;4,A4<A32<A1<.由此可見,當(dāng)超聲波遇到缺陷時(shí),其無(wú)論是首波幅度還是頻率都會(huì)出現(xiàn)衰減,衰減程度依據(jù)缺陷類混凝土試件波形示意參數(shù)比較接收換能器44裂縫區(qū)的波形圖3混凝土內(nèi)缺陷與超聲參量之間的圖示關(guān)系-,A為參照量h<t2,Al>A2t<t3<h,A2>A3t4>t2,A4<A3皿一皿一圈一圈394寧夏工程技術(shù)第8卷別不同而有所差異,大/NI,序?yàn)?裂縫>疏松區(qū)>空洞區(qū);聲時(shí)會(huì)延長(zhǎng),長(zhǎng)短順序?yàn)?裂縫&gt

9、;空洞區(qū)>疏松區(qū).3.2PsD判據(jù)法(斜率法)PSD(ProductofSlopeandDifference)1據(jù)法,即用"聲參數(shù)一深度曲線相鄰兩點(diǎn)之間的斜率(5)與差值(t¨)之積"作為判據(jù),簡(jiǎn)稱PSD判據(jù).PSD判據(jù)的形式以聲時(shí)值t為例.各點(diǎn)的斜率可用下式求得ti-ti一1,'一日一日1.,式中:S為笫一1測(cè)點(diǎn)與第i測(cè)點(diǎn)之間"聲時(shí)一深度"曲線的斜率;,t為相鄰兩測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)值;日,為相鄰兩測(cè)點(diǎn)的深度.由于斜率只能反映該點(diǎn)缺陷的有無(wú),要進(jìn)一步反映缺陷的大小就必須引入聲時(shí)差值這一參數(shù),因此,判據(jù)式定義為Ki=S)=.(3)式

10、中:為第i點(diǎn)的判據(jù)值,簡(jiǎn)稱PSD判據(jù).顯然,當(dāng)?shù)趇點(diǎn)處相鄰兩點(diǎn)的聲時(shí)值沒(méi)有變化或變化很小時(shí),等于或接近于零.當(dāng)聲時(shí)值有明顯變化或突變時(shí),K與(ti-t)成正比,因而K將大幅度變化.為了對(duì)全樁各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行判別,首先應(yīng)將各測(cè)點(diǎn)的K值求出,也可繪成"判據(jù)一深度"曲線,凡是在K值較大的地方,均可列為缺陷可疑點(diǎn).3.3缺陷類型的評(píng)判(11缺陷為夾層或斷樁(圖4).KV1?(4).,.'l式中:L為測(cè)距cm);為正常混凝土的聲速(cm/s);:為砂,礫石混合物聲速(取0.32cm/s).判定:由公式(4)算出的值為斷樁臨界判據(jù)值,即K,當(dāng)可疑點(diǎn)的判據(jù)值K>Kco,可

11、判定該深度處為斷樁或夾層.f2)缺陷為空洞(圖5).Ii甓!憊1IIll】l-lI暑1霄m.''l器哪一.K4RZ+2L2-2L廠2.(5)廣一?3式中:為空洞半徑.(313缺陷為"蜂窩"或填塞其他介質(zhì)的孑L洞(圖6).K.(6)式中:.為孔中填塞物的聲速,取0.85v.判定:當(dāng)可疑點(diǎn)的判據(jù)值K<K(斷樁臨界判據(jù)值),可判定該深度為空洞或蜂窩,此時(shí)可令可疑點(diǎn)的判據(jù)值K=Kcx或K=KcF反求出空洞或蜂窩半徑.4工程實(shí)例為了說(shuō)明上述數(shù)值判據(jù)的使用方法,下面以一根長(zhǎng)20m,樁徑lIn,檢測(cè)管間距為0.82m的灌注樁的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析.表1為該樁

12、的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),表中H為深度,為聲時(shí)(已扣除如和t),A為波幅衰減值.4.1缺陷位置的評(píng)判根據(jù)表1中數(shù)據(jù)描繪的"聲時(shí)一深度"曲線(圖7)和"幅值一深度"曲線(圖8).將表1中聲時(shí)值代人式(3)可求出各相鄰測(cè)點(diǎn)的PSD判據(jù)值(列于表2中),由各點(diǎn)判據(jù)可描出"K一深度"曲線(圖9).1根據(jù)超聲參數(shù)綜合評(píng)判法,結(jié)合圖7和圖8,發(fā)現(xiàn)在8m,10m,17.718.1m處出現(xiàn)波動(dòng),聲時(shí)均大于正常值,幅值出現(xiàn)明顯衰減,均小于正常值,所以可判定8In,10ITI,17.718.1m處存在可疑缺陷,如圖7和圖8中的標(biāo)示.f2)根據(jù)PSD判據(jù)法,結(jié)合表2和圖

13、9,發(fā)現(xiàn)該樁在8m,10m,17.718.1in的判據(jù)值均大于1,出現(xiàn)較大幅度的變化,說(shuō)明該樁在8m,10m,17.718.1m處均出現(xiàn)可疑缺陷,如圖9中的標(biāo)示.4.2缺陷類型的評(píng)判f1)根據(jù)超聲參數(shù)綜合評(píng)判法,結(jié)合圖7和圖8,很快發(fā)現(xiàn)盡管我們能相互比較聲時(shí)的長(zhǎng)短和幅值衰減的大小,但卻無(wú)法根據(jù)圖3所示的關(guān)系具體說(shuō)明這些可疑缺陷的類型.這是由于圖3只是根據(jù)缺饔-一1'矗l屯;4盥.1毫疊_圈/I'圖4缺陷為夾層或斷樁圖5缺陷為空洞m一砌I,.IL.'蟄一工圖6缺陷為蜂窩第4期孫慶合等:超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用實(shí)例分析395表1某一混凝土樁的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);/m/sAJd

14、BH,/mtxsA/dBHimTJIxsA,/dBO.5183238.51832316.5l78251.0183239.Ol822317.0179251.5183239.518218l7.5177242.O1832310.02041617.6175242.518423lO.5l802317.718O233.O1842311.O18O2317.8179l83.518124l1.518123l7.926064.018l23l2.0l8223l8.0255104.51822312.51812318.123085.O1812313.0l8O2318.218O2O5.518l2313.5l772518.

15、3181226.01812314.01752518.4181236.51832314.51752418.518O237.O18123l5.0l752419.O178237.518320l5.5l742519.51792O8.O19517l6.0l752520.0l822320.019.5l9.018.5l8.017.517.O16.516.O15.5l5.O14.514.013.513.O12.512.011.5l1.O10.510.O9.59.08.58.07.57.06.56.05.55.O4.54.O3.53.O2.52.O1.51.O0.5O.010015O200250300T/ls圖

16、7聲時(shí)一深度曲線表2各測(cè)點(diǎn)的PSD判據(jù)值HTKHTK0.5l83O8.51833l6.517801.O18309.0l82Ol7.017901.5183O9.5182O17.517702.0183010.02041Ol7.617502.5184010.5l8012l7.7l8O33.0184011.O1800l7.817903.518lO11.518JO17.92606564.0181012.Ol82018.025534.5182O12.5l8lO18.1230635.Ol8l0l3.O18OO18.2l802505.5l8l0l3.5l77O18_3l8lO6.0181O14.0175018

17、.4l81O6.5183014.51750l8.518OO7.O181015.Ol750l9.917807.51830l5.5l740l9.517908.0195316.0175020.O1820A/dB圖8幅度一深度曲線(m2/cm)圖9判據(jù)值一深度曲線396寧夏工程技術(shù)第8卷陷的類型分析比較了和A值的相對(duì)大小,但反之卻不能成立.f2)根據(jù)PSD判據(jù)法,結(jié)合表2和圖9,再將可疑區(qū)段的各項(xiàng)參數(shù)代人式(4),求出相應(yīng)的夾層斷樁時(shí)的臨界判據(jù)值KcD,以判斷可疑區(qū)缺陷的嚴(yán)重程度.在式(4)中,.取該樁非可疑區(qū)段聲速的平均值,本例中Vl=0.455cm/IxS;為夾層中夾雜物的聲速,根據(jù)地質(zhì)條件及成因

18、分析,若在該深度存在夾層,很可能是砂,石,泥的混合物,本例中u2=O.32cm/IxS;該樁檢測(cè)管間距L=82cm;在K值最大點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)間距已加密,AH=10CITI,所以K為_578.03ts2/em.A."'將可疑點(diǎn)的判據(jù)值K與斷樁臨界判據(jù)值比較,若K>Kco者為斷樁.本例中,17.9ITI的判據(jù)值為656大于臨界判據(jù)(578),所以17.9ITI處可判為斷樁.其余8m,10m處K<的可判為空洞,蜂窩狀或孔洞狀小缺陷,其中K:3,K=10,可先假設(shè)為空洞,并令其半徑為月,此時(shí)將=3,K0m=10分別代入公式(5)可求得Rsm-15.4cm,R,2

19、lClTI,顯然偏大,因?yàn)樵谒鼗炷翗豆嘧r(shí)一般不可能出現(xiàn)如此大的空洞;因此8nl,10m處可判為蜂窩狀或孔洞狀小缺陷,假設(shè)為蜂窩或小空洞,將K.:3,K.m=10分別代入公式(6)可求得R=1.4cm,R2.6cin.5結(jié)論(1)無(wú)論是超聲參數(shù)綜合評(píng)判法還是PSDII據(jù)法都能較準(zhǔn)精確地判定混凝土構(gòu)件中是否存在可疑缺陷,并且能判定可疑缺陷的大致位置.f2)超聲參數(shù)評(píng)判法不能判定可疑缺陷的類型,只能做簡(jiǎn)單的定性比較.f3)PSD判據(jù)法基本可以判定可疑缺陷的類型,尤其是對(duì)于斷樁判斷較為準(zhǔn)確,也可以對(duì)缺陷的大小做出一定的定量分析,但判斷力不夠強(qiáng).f4)在利用PSD判據(jù)法對(duì)混凝土缺陷進(jìn)行定性和定量分析

20、時(shí),不宜過(guò)于絕對(duì)化.由于超聲成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷的自動(dòng)定量l3l,所以建議適當(dāng)結(jié)合超聲成像法作為最終判據(jù).參考文獻(xiàn):1】盧杉.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其進(jìn)展們.焦作大學(xué),2004(1):7374.【2】焦登文.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)【J】.商品混凝土,2oo9(2):5860.3王云平.超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及其解決方案J.煤礦機(jī)械,2009(9):194196.Applicationcaseanalysisofultrasonicnon-destructivetestingtechniqueonconcrereSUNQ魄e,GA0P/(1.SchoolofCivilEngineeringandWaterConservancy,NingxiaUniversity,Yinc