混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)講稿

1、結(jié)構(gòu)混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是以聲、光、電、磁、力或變形等物理量，與混凝土組份及構(gòu)造的關(guān)系，或根據(jù)預(yù)先試驗(yàn)及數(shù)理統(tǒng)計(jì)建立的相關(guān)性，推定評(píng)判混凝土的強(qiáng)度和缺陷或損傷的方法。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)：1. 檢測(cè)過(guò)程無(wú)損于材料、結(jié)構(gòu)的組織和使用性能；2. 直接在構(gòu)筑物上檢測(cè)并推定混凝土強(qiáng)度、評(píng)判結(jié)構(gòu)混凝土的缺陷或損傷；3. 重測(cè)或復(fù)檢方便，重復(fù)性好；4. 方法簡(jiǎn)便，檢測(cè)隨機(jī)性強(qiáng)；5. 由于間接評(píng)判，存在著系統(tǒng)操作誤差和隨機(jī)抽樣誤差；6. 影響因素較多，專(zhuān)業(yè)性和檢測(cè)操作要求較高。一、 超聲波檢測(cè)技術(shù)基本知識(shí)超聲波是械機(jī)波 振動(dòng)是波動(dòng)產(chǎn)生的根源，波動(dòng)是振動(dòng)的傳播過(guò)程。聲頻 > 20000

2、HZ 稱(chēng)超聲，混凝土超聲檢測(cè)頻率范圍： 20200KHZ 一般用40100 KHZ1. 超聲波基本物理量： = （1） 波長(zhǎng)（cm） V 介質(zhì)的波速（km/s） f 超聲頻率（KHz） T 波的周期（µs）按（1）式，對(duì)一定波速的介質(zhì)，給定超聲波探測(cè)的頻率，可以確定波長(zhǎng)。探測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷線度大小往往以所用的超聲波長(zhǎng)來(lái)復(fù)核，超聲波長(zhǎng)與所測(cè)的缺陷線度大小相當(dāng)，或小于缺陷尺寸，檢測(cè)的靈敏度較高，波長(zhǎng)超過(guò)缺陷線度，探測(cè)的靈敏度則低。用高頻短波長(zhǎng)探測(cè)還要兼顧接收信號(hào)和首波幅度可鑒為基礎(chǔ)。因?yàn)樘綔y(cè)頻率過(guò)高。能量衰減較大，甚至接受不到信號(hào)。2. 超聲波型： （1） 縱波（代表符號(hào)P）介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振

3、動(dòng)方向與波傳播方向一致，稱(chēng)為縱波（見(jiàn)PP1），即介質(zhì)受拉伸壓縮的交變應(yīng)力。固體、液體、氣體具有容變彈性，所以縱波能在固、液、氣介質(zhì)中傳播。在塊體中縱波波速： （2）在板中縱波波速： （3）在桿中縱波波速： （4） E 動(dòng)彈模量（N/m2） 介質(zhì)密度（g/cm3） 泊松系數(shù)（2）橫波(代號(hào)S) 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直，稱(chēng)為橫波（見(jiàn)PP1）。橫波使介質(zhì)產(chǎn)生剪切變形，液體、氣體無(wú)一定形狀。形變時(shí)不產(chǎn)生切變應(yīng)力。故液、氣中不能傳播橫向。 橫波傳速： （5） G 剪切模量（N/m2） （3）表面波（代號(hào)R） 固體介質(zhì)表面受交變張力，使介質(zhì)表面發(fā)生相應(yīng)的縱向和橫向合成振動(dòng)，圍繞平衡位置作橢

4、圓振動(dòng)（見(jiàn)PP1），表面波只能在固體中傳播。表面波波速： （6） （當(dāng)=0.28） （當(dāng)=0.28） 所以： 當(dāng)混凝土的泊松比介于0.200.30之間，介于1.631.87之間。即在混凝土中，縱波速度為橫波速度的1.631.87倍。3. 超聲場(chǎng)的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)PP2）圓盤(pán)波源輻射的聲場(chǎng)，聲能按一定規(guī)律單向輻射聲波束。近場(chǎng)長(zhǎng)度為 D 晶片直徑 波長(zhǎng) 在緊貼晶片部分聲壓分布不均勻，區(qū)內(nèi)干涉最嚴(yán)重、影響探測(cè)結(jié)果，稱(chēng)為盲區(qū)。 聲束指向性：超聲波集中一定區(qū)域并向一個(gè)方向強(qiáng)烈輻射的現(xiàn)象，稱(chēng)為聲場(chǎng)的指向特性，又以半擴(kuò)散角表示： 圓晶片 方晶片 （波 D晶片直徑 晶片邊長(zhǎng)）指向特性由聲場(chǎng)中心線與主聲束邊緣之間的夾角

5、來(lái)描述 。越小，指向性越好，靈敏度和分辨率也越高。 混凝土超聲檢測(cè)的頻率低，半擴(kuò)散角大，除可以作對(duì)測(cè)之外，還可以作斜測(cè)，角測(cè)和平測(cè)。4. 超聲入射波的反射和折射：（1）垂直入射波時(shí)聲壓反射率和透射率：聲壓反射率 _（7） 聲壓透射率 _（8） _第一界質(zhì)的聲阻抗， _第二界質(zhì)的聲阻抗。當(dāng)Z1=Z2時(shí) 則R=0 D=1 即聲能全透射。當(dāng)Z2« Z1 即 時(shí) 則R=1 D=0 即聲能全反射（2）聲波斜射進(jìn)入介質(zhì)中波型轉(zhuǎn)換特性（見(jiàn)PP圖列）a. 反射折射定律： （9）b. 第一臨界角 Sin-1 （10）(即第二界質(zhì)中超聲縱波的折射角為900) 第二臨界角 Sin-1 (11) (即第二界

6、質(zhì)中超聲橫波的折射角為900) c. 傾斜入射波:不同介質(zhì)中波型轉(zhuǎn)換（見(jiàn)pp圖列）L縱波 ，T橫波，入射角，反射角， 折射角5. 超聲波的衰減（1） 衰減系數(shù)及衰減量： 聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程，其振幅隨過(guò)聲波傳播距離的增大而逐漸減小衰減。a.衰減系數(shù)聲波在任何介質(zhì)中傳播聲能均產(chǎn)生衰減，衰減大小變化與超聲頻率及傳播距離有關(guān)，也與材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有關(guān)。超聲傳播，其聲壓隨距離的增加而降低，其衰減按指數(shù)方式變化： 取自然對(duì)數(shù)： （奈培/cm） （分貝/cm） b. 衰減量： Np=ln (奈培) （ 傳播x距離的接收聲壓，P0 傳播距離為0的聲壓）dB=20lg=20lg （分貝）（A1 接收信號(hào)首

7、波幅度，A0基準(zhǔn)的首波幅度） 由于聲壓比是無(wú)量綱的，聲壓與接收信號(hào)的振幅成正比關(guān)系，也可以用振幅變化代替聲壓變化，因此，衰減量計(jì)算可用： （分貝） 分貝值為負(fù)稱(chēng)衰減；分貝值為正稱(chēng)增益。 （2）混凝土中聲波衰減的原因a 吸收衰減（）：材料的粘滯性吸收聲能；質(zhì)量振動(dòng)內(nèi)摩擦使聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，與探測(cè)頻率成正比。b. 散射衰減（）：混凝土中顆粒結(jié)構(gòu)、缺陷、夾雜等構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜的聲學(xué)界面，導(dǎo)致聲波雜亂的反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，微粒共振呈現(xiàn)新振源向四周發(fā)射等，是造成聲能散射的基本原因，散射是超聲波聲能衰減的主要因素，與探測(cè)頻 成正比。上述兩項(xiàng)總的聲能衰減 （A、B、C為常數(shù)）c. 擴(kuò)散衰減：發(fā)射換能器發(fā)出的聲波

8、束存在一定的擴(kuò)散角，使聲能逐漸擴(kuò)散，即單位面積的能量隨聲波傳播距離的增大而減弱，稱(chēng)擴(kuò)散衰減，它與輻射器的擴(kuò)散性能及波的幾何形狀有關(guān)，而與介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。計(jì)算時(shí)是個(gè)恒量，不影響衰減系數(shù)計(jì)稱(chēng)和比較分析。6.超聲波換能器電聲相互轉(zhuǎn)換的器具（見(jiàn)pp圖列）換能器核心元件是壓電陶瓷晶片，它具有壓電效應(yīng)，即有電聲或聲電轉(zhuǎn)換的性能，常用的壓電晶片材料有鋯鈦酸鉛，還有鈦酸鋇（BaTiO3）、鈦酸鉛（PbTiO3）、偏鈮酸鉛（PbNb2O6）等。 壓電效應(yīng)物理意義：?jiǎn)尉Ш投嗑沾刹牧显趹?yīng)力（壓、拉）作用下，產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，晶體產(chǎn)生極化或電場(chǎng)正壓電效應(yīng)，當(dāng)晶體處于電場(chǎng)中，由于極化作用，晶體產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力逆壓電效應(yīng)。壓電

9、陶瓷使用溫度不應(yīng)超過(guò)居里點(diǎn)，如PZT-4發(fā)射型的居里點(diǎn)為328，PZT-5接收型的居里點(diǎn)為365。PZT-A厚度縱向振動(dòng)的頻率常數(shù)為2000HZ·m，如陶瓷晶片取厚度4mm，則其厚度縱向諧振頻率為：超聲換能器的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)PP圖例。頻率200500KHZ的縱波換能器，采用厚度振動(dòng)的壓電陶瓷換能器，頻率100KHZ以下的縱波換能器大多采用夾心式或單片彎曲型和增壓式的?；炷翙z測(cè)用的換能器中壓電晶片有厚度振動(dòng)和徑向振動(dòng)之分。二、結(jié)構(gòu)混凝土、鋼管混凝土、鉆孔灌注樁質(zhì)量超聲檢測(cè) 1、超聲波檢測(cè)原理與質(zhì)量評(píng)判1）超聲脈沖法檢測(cè)混凝土缺陷裝置框圖2）接收波形超聲參量標(biāo)識(shí)T 超聲波在試件測(cè)距內(nèi)傳播的

10、聲時(shí)凈值（應(yīng)扣除t0）（us）A 接收信號(hào)首波幅度值（dB）f 接收信號(hào)的頻率（KHz）接收信號(hào)頻率計(jì)算式：波形判別波形包絡(luò)面積大小，脈沖波震蕩延續(xù)性或首波有無(wú)畸變等。3） 混凝土內(nèi)缺陷與超聲檢測(cè)參量的關(guān)系。波形示意 參數(shù)比較 t1、 A1、f1為參照量 t1< t2 ，A1>A2， f1> f2 t1< t3< t2，A2> A3， f3<f2 t4>t2，A4<A3，f4<f3 4）混凝土缺陷評(píng)判方法A. 超聲接收信號(hào)聲時(shí)、首波幅度、頻率和波形綜合分析評(píng)判。 聲 時(shí) 反映聲波直接傳播或繞射傳播過(guò)程中時(shí)間的差異，即在相同測(cè)距內(nèi)聲速差

11、異。 首波幅度 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，反映聲能衰減, 首波幅度下降。 混凝土水 聲能反射率為73% 混凝土空氣 聲能反射率為99.9% 信號(hào)頻率 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)，其結(jié)果頻率下降更甚。波 形因混凝土不密實(shí)、不均勻，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.B. 概率方法評(píng)判a) 概率分布概念b) 概率評(píng)判法l 按聲時(shí)數(shù)據(jù)由小至大排列。求檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值mt和標(biāo)準(zhǔn)查st再按式X0=mt+st逐步算得臨介值xt，用以判斷可疑值；若按聲速V，幅值A(chǔ)，或頻率f判斷，檢查數(shù)據(jù)可由大至小排列，計(jì)算檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值M

12、v、Ma、Mf及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差SV、SA、Sf按公式 X0=MX-St 逐步算得臨介值X0，用以判斷可疑值.l 直接取2的判據(jù)按XX=mx±2Sx計(jì)算。即小概率p=2.27%測(cè)點(diǎn)數(shù)量n×p<1 則 Xx為可疑的測(cè)點(diǎn)若n×p>1， 則Xx為正常的測(cè)點(diǎn)例如：30組超聲實(shí)測(cè)聲速平均值mv=4.3km/s，聲速最小值vmin=4.0km/s 均方差Sv=0.15km/s 由 vmin =mv則 =根據(jù) 的小概率p=2.27%. n=30 n×p=30×2.27%=0.68<1該 vmin 應(yīng)為可疑點(diǎn)5）鋼管混凝土質(zhì)量超聲檢測(cè)可行性鋼管混

13、凝土系在鋼管中澆灌混凝土并振搗密實(shí)，使鋼管與核心混凝土共同受力的一種新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，它具有強(qiáng)度高、塑性變形大、抗震性能好、施工快等優(yōu)點(diǎn)，同鋼筋混凝土的承載力相比，鋼管混凝土的承載力更為高，因而，可以節(jié)省6070%以上的混凝土用量，縮小了混凝土構(gòu)件的斷面尺寸，降低了構(gòu)件的自重，在施工中且可節(jié)省全部的模板用量，可見(jiàn)，推廣鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。 隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)、橋梁、臺(tái)基工程建筑中推廣應(yīng)用，關(guān)于核心混凝土的施工質(zhì)量、強(qiáng)度及其與鋼管結(jié)合整體性等問(wèn)題，已成為工程質(zhì)量檢查與控制迫切要解決的技術(shù)問(wèn)題。結(jié)合鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工部標(biāo)準(zhǔn)的編制，同濟(jì)大學(xué)材料系于1984年就鋼管

14、混凝土質(zhì)量和強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)，采用超聲脈沖方法進(jìn)行了系統(tǒng)的探測(cè)研究，確定了檢測(cè)方法的有效可行性，鋼管混凝土缺陷檢測(cè)已編入了CECS21:2000超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程中。 鋼管混凝土質(zhì)量超聲檢測(cè)方法如框圖所示。根據(jù)超聲儀接收信號(hào)的超聲聲時(shí)或聲速、初至波幅度、接收信號(hào)的波形和頻率的變化情況，作相對(duì)比較分析，判定鋼管混凝土各類(lèi)質(zhì)量問(wèn)題。 在鋼管混凝土超聲檢測(cè)工作中，超聲波沿鋼管壁傳播的信號(hào)對(duì)檢測(cè)信號(hào)是否有影響或影響程度，是檢測(cè)人員所關(guān)注的問(wèn)題，也是能否采用超聲脈沖法檢測(cè)鋼管混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題，根據(jù)聲波傳播的距離及實(shí)測(cè)的結(jié)果可以歸納如下： 以對(duì)穿檢測(cè)法而言，超聲波沿鋼管混凝土徑向傳播的時(shí)間t混與

15、鋼管壁半周長(zhǎng)的傳播時(shí)間t管的關(guān)系為： 或中：R 鋼管的半徑；V混超聲波在鋼管混凝土中傳播的速度； V管超聲波在鋼管中傳播的速度。 按設(shè)計(jì)規(guī)范要求鋼管混凝土的核心混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為，實(shí)測(cè)結(jié)果，其超聲聲速約為4400米/秒，而鋼管的超聲聲速約為5300米/秒，即按鋼管混凝土徑向傳播超聲聲時(shí)等于沿鋼管壁半周長(zhǎng)傳播的聲時(shí)，即 ，這在整個(gè)模擬各種缺陷試驗(yàn)過(guò)程所測(cè)得的超聲波速均>3400m/s，證明檢測(cè)時(shí)超聲波為直接穿透鋼管混凝土的，而按為4300m/s、4200m/s計(jì)算，則分別為1.27與1.24。 聲通路將主要取決于核心混凝土的探測(cè)距離，而超聲波收、發(fā)換能器接觸的兩層鋼管壁厚相對(duì)于鋼管混凝土直

16、徑的測(cè)距是很短的，對(duì)“聲時(shí)”檢測(cè)的影響不會(huì)比鋼筋混凝土中垂直聲通路排置鋼筋的影響大。通過(guò)核心混凝土和鋼管混凝土穿透對(duì)測(cè)的比較，鋼管壁對(duì)鋼管混凝土缺陷檢測(cè)的聲時(shí)影響很小，“測(cè)缺”時(shí)，聲時(shí)變化以相對(duì)比較，一般可以采用鋼管外徑作為超聲對(duì)測(cè)的傳播測(cè)距考慮。6）孔灌注樁完整性PSD判據(jù)法 (1)式中： ti 樁中第i點(diǎn)測(cè)距的超聲傳播聲時(shí)（s） Hi第i點(diǎn)檢測(cè)深度（cm）a) 缺陷為夾層或斷樁 所以 根據(jù)(1)式得 式中： L測(cè)距（cm） V1正?；炷恋穆曀伲╟m/s） V2砂，礫石混合物聲速（取0.32cm/s）b) 缺陷為空洞 由(1)式,得 式中：R空洞半徑C） 缺陷為“蜂窩”或填塞其他介質(zhì)的孔洞

17、。由(1)式,得 式中：V3孔中填塞物的聲速取0.85V1三、超聲參量與混凝土性質(zhì)的關(guān)系1、聲速與混凝土強(qiáng)度、缺陷的關(guān)系：1）.與混凝土抗壓強(qiáng)度的正相關(guān)，cuAB cu= ABRc 或 cu= AeBV cu= AeBV+CR2）.混凝土粗骨料品種、數(shù)量對(duì)超聲波速的影響關(guān)系；粗骨料提之不同巖石，具有不同的超聲速度；碎石.軟石，具有不同的超聲速度，混凝土中含石量多，具有較高的超聲速度。3）.鋼筋配置軸線與超聲波傳播方向關(guān)系相垂直：聲速比素混凝土聲速有所提高，一般避開(kāi)正對(duì)，聲速也不作修正。相平行：平行距離為測(cè)對(duì)直線（測(cè)距），聲速可受鋼筋的影響，測(cè)對(duì)直線距鋼筋近，混凝土的聲速受鋼筋聲速影響較甚?？砂?/p>

18、下式加以修正。 式中 t鋼筋混凝土中傳播速度（s）Vs超聲在鋼筋中傳播速度（km/s） Vc超聲在砼中直接傳播速度4）.溫度和濕度對(duì)波速的影響：溫度530（）聲速變化不大， 4060（）聲速下降5，0以下聲速提高（混凝土中自由水結(jié)冰，v水1.45km/s，v冰3.50km/s）?；炷翝穸雀?，聲速提高（水填充孔隙，空氣v為0.34 km/s）5）.波速與試體斷面尺寸的關(guān)系：無(wú)限介質(zhì) Vp 斷面尺寸d2薄板中 Vp 0.2<d< v下降67（）桿中 Vp d<0.2 用桿的V代入校準(zhǔn)曲線估算強(qiáng)度誤差可達(dá)3040（）2超聲能量衰減通常取接受信號(hào)首波幅度：1）.吸收衰減材料粘滯性吸收，質(zhì)量之間內(nèi)摩擦，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?）.散射衰減介質(zhì)中顆粒結(jié)構(gòu)，缺陷夾雜等構(gòu)成復(fù)雜的聲學(xué)界面，導(dǎo)致聲波雜亂反射折射和波型轉(zhuǎn)換，微粒共振干擾。吸收衰減和散射衰減二項(xiàng)與探測(cè)頻率的關(guān)系： 聲能反射率和透射率聲壓反射率R聲壓透