土木工程檢測技術(shù)超聲法檢測混凝土缺陷

超聲法檢測混凝土缺陷超聲法檢測混凝土缺陷1混凝土缺陷的特征波形聲時、幅度、頻率等，都是表征混凝土質(zhì)量的超聲參數(shù)檢測時主要測試參數(shù)是聲時，原因如下：相對幅度、頻率而言，混凝土的聲速不易受換能器性質(zhì)、耦合狀態(tài)等因素的干擾。超聲幅度除了與超聲波在混凝土中的衰減有關(guān)外，還與換能器與混凝土測試面之間的耦合狀況有關(guān)。另外測試時耦合作用力的細微變化都足以造成首波幅度的大大波動，而測試人員按壓換能器的壓力大小在測試過程難以保證統(tǒng)一。頻率則與換能器頻率相關(guān)，同時存在檢測較繁瑣等原因，因此一般不單獨將頻率作為主要參數(shù)。但是，首波幅度、頻率與聲時綜合起來，則稱為超聲波的波形，又是判斷混凝土質(zhì)量的主要依據(jù)。1混凝土缺陷的特征波形聲時、幅度、頻率等，都是表征混凝土質(zhì)混凝土波形特征正?；炷恋奶卣鞑ㄐ巍D中t1、t2、t3、t4、t5分別是接收波第一個周期的聲時，t1為首波聲時，t2為1/4周期聲時，t3為半周期聲時，t4為3/4周期聲時，t5為一周期聲時，通過測量這些聲時差，可以初步估算接收信號的頻率(精確計算需要進行頻譜分析)。正?；炷撂卣鞑ㄐ蔚拇笾绿攸c為：①首波前沿較陡；②首波幅度較高；③波形比較飽滿，接近于正弦波，隨著繞射波的到達，后續(xù)波的幅度越來越大；④頻率較高，接近于發(fā)射波頻率(一般為換能器頻率，混凝土檢測采用的超聲波頻率一般在50～300kHz)；⑤通過聲時計算得到的聲速一般在4000～5000m/s?；炷敛ㄐ翁卣髡；炷恋奶卣鞑ㄐ?。圖中t1、t2、t3、t混凝土波形特征正?；炷恋奶卣鞑ㄐ萎惓；炷敛ㄐ纬霈F(xiàn)畸變，特征：①首波前沿平緩；②首波幅度較低，有的甚至淹沒在背景噪聲中；③波形不飽滿，有時不能呈正弦波特征；④頻率很低，大大低于發(fā)射波頻率；⑤通過聲時計算得到的聲速通常大大低于4000m/s～5000m/s。有的甚至低于1000m/s。混凝土波形特征正?；炷恋奶卣鞑ㄐ萎惓；炷敛ㄐ纬霈F(xiàn)畸變，特混凝土波形實測圖正?；炷敛ㄐ萎惓；炷敛ㄐ位炷敛ㄐ螌崪y圖正?；炷敛ㄐ萎惓；炷敛ㄐ紊蠄D的異?；炷敛ㄐ纬Ｒ娪诨炷林袏A雜(如夾泥)、孔洞、疏松、裂縫、分層(界面結(jié)合不良)等質(zhì)量缺陷中。但當換能器與混凝土之間耦合不良時(如混凝土表面不平整、混凝土與混凝土接觸面存在泥沙、耦合劑不正常等情況)，也會出現(xiàn)類似的波形，需要根據(jù)經(jīng)驗判斷，及時排除耦合不良造成的干擾。不同的缺陷有的波形也有一些差別，需要在實踐中積累經(jīng)驗，不斷總結(jié)。上圖的異?；炷敛ㄐ纬Ｒ娪诨炷林袏A雜(如夾泥)、孔洞、疏松還有一種異常情況即波形很正常，其基本特征與正?；炷敛ㄐ晤愃?，唯一的問題是聲速偏低，如在3000m/s～3500m/s左右，而波形甚至比混凝土中還飽滿，首波幅度很高。這種情況一般是超聲波在缺少石子的砂漿中傳播造成的，由于砂漿相當于混凝土而言，缺少石子，因此對超聲波的散射衰減大大降低。但砂漿的聲速一般只有3500m/s左右，而砂漿的強度偏低，無法滿足承載能力要求，因此檢測中也應注意?？偟膩碚f，超聲檢測混凝土缺陷目前基本上停留在半定性的階段，尚不能很好地區(qū)分缺陷類型，需要結(jié)合工程實際來判斷。還有一種異常情況即波形很正常，其基本特征與正?；炷敛ㄐ晤愃?超聲法檢測混凝土缺陷1）基本原理超聲法檢測混凝土缺陷的基本原理就是，通過超聲波在混凝土中傳播后發(fā)生的波形變化、利用聲時、頻率、波幅等參數(shù)的特征，來綜合分析判斷其內(nèi)部狀況。超聲波在混凝土中由于受到石子、氣孔、微裂縫、鋼筋等影響，會產(chǎn)生散射、繞射等過程，致使其傳播方向改變(非直線傳播)，但由于測量時主要取首波，因此基本上還是認為在正?；炷林?，超聲波沿近似直線的路徑傳播。當遇到缺陷時則繞射是主要的，因此導致了聲速及波幅、頻率均下降，波形產(chǎn)生畸變。在對缺陷進行定位時，也是以超聲在混凝土中的直線傳播為假設前提的。2超聲法檢測混凝土缺陷1）基本原理2）檢測依據(jù)超聲波在混凝土缺陷檢測中的應用，主要依據(jù)是《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS21:2000)，主要應用在：孔洞、疏松等內(nèi)部缺陷檢測、新舊混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測、裂縫深度檢測、表面損傷層深度檢測、鋼管混凝土質(zhì)量檢測、聲波透射法檢測混凝土灌注樁樁身完整性等。2）檢測依據(jù)3）基本原則超聲波優(yōu)先選擇最短路徑即在超聲傳播路徑周圍，當存在不同介質(zhì)時，根據(jù)不同介質(zhì)的聲速差異，超聲波總是優(yōu)先選擇最快到達的那一條路徑，由于鋼筋中的縱波聲速大大高于混凝土(5900m/s)，因此，當超聲傳播路徑周圍存在鋼筋時，則超聲波往往會從鋼筋“短路”。為避免鋼筋的影響，一般應使傳播路徑不與鋼筋軸線平行或離開鋼筋約l/5～l/6。同時，超聲波的這種特性也是用來檢測混凝土表層損傷深度、裂縫深度等的一個依據(jù)。當混凝土是均質(zhì)的時候，一般認為超聲波在混凝土中是直線傳播的。因此，當檢測混凝土結(jié)合質(zhì)量時，就必須讓超聲波穿過結(jié)合面，為此常常必須采用斜測法等。3）基本原則正?；炷恋某晠?shù)基本上符合正態(tài)分布：這是判斷混凝土中是否存在異常測點的主要依據(jù)。這種方法也叫“概率法”，是混凝土缺陷檢測中最常用的判據(jù)，即混凝土的超聲聲速等各參數(shù)基本在其平均值附近，當出現(xiàn)偏離平均值較大的值時，則可判斷其為異常值。異常值判定值的大小與測點數(shù)有關(guān)，也與被測混凝土本身的質(zhì)量波動(標準差)有關(guān)。必須指出的是，僅當測距可以準確測量的前提下這一假設才能成立，這就意味著對于預埋聲測管進行聲波透射法檢測的灌注樁，由于測距實際上是變化的(因為聲測管總是難免在埋設后產(chǎn)生扭曲)，因此一般不采用這種數(shù)理統(tǒng)計的方法判斷異常部位，其判據(jù)另外介紹。同時，進行數(shù)理統(tǒng)計的超聲參量一般是聲時或聲速，較少采用頻率、波幅等參數(shù)。正?；炷恋某晠?shù)基本上符合正態(tài)分布：4）基本方法根據(jù)構(gòu)件的幾何外形、大小以及現(xiàn)場條件(所能布置的檢測面)、測試面狀況、缺陷類型等，選擇不同的測試方法。常用的有：⑴采用平面換能器測試時(厚度振動換能器)①優(yōu)先采用對測法：當被測部位具有相互平行的相對的測試面時，應優(yōu)先選擇對測法。此時收發(fā)換能器位于兩個相對測試面，超聲測線垂直于測試面，接收波的波前正對接收探頭，接收信號強度是所有方法中最大的，因此最容易進行結(jié)果判斷。4）基本方法②其次選擇斜測法：斜測法有兩種，一種是指兩個檢測面相交(檢測面相鄰)，兩個探頭在丁角進行測試；一種是指兩個相對的測試面，但兩個探頭軸線與被測面形成不等于90°的角度，如果測試面是垂直于地面的(這種情況是常見的)，那么探頭軸線則非水平，常用于新舊混凝土接合面質(zhì)量檢測，目的是使得超聲波能穿過接縫。③平測法：當被測部位僅有一個測試面時，采用此方法，即發(fā)射、接收探頭位于同一個測試面，此時一般必須將兩個探頭的間距進行等距離變化測得一組數(shù)據(jù)，根據(jù)測點間距與聲時的線性關(guān)系變化來進行判斷。一般用于混凝土表面損傷深度測試、裂縫深度測試等。②其次選擇斜測法：斜測法有兩種，一種是指兩個檢測面相交(檢測⑵鉆孔、預埋管檢測(采用徑向振動式換能器)①管(孔)中對測：適用于灌注樁以及大體積混凝土。灌注樁中預埋2根以上聲測管，采用柱狀徑向振動式換能器進行檢測是目前常規(guī)檢測方法之一。除此之外，對于大體積混凝土，由于測距太大，無法直接在兩個相對面直接測試(比如大底板)，或者澆注側(cè)面均被遮擋、隱蔽無法布置測點(比如大底板)，也可采用預埋聲測管或者鉆孔的辦法進行檢測。測試時兩個探頭位于同一高度，同步提升。②管(孔)中斜測：上述構(gòu)件中，當存在水平缺陷，對測有可能漏測(比如水平裂縫)，此時可將兩個探頭取不同高度進行斜測，探頭同步提升。⑵鉆孔、預埋管檢測(采用徑向振動式換能器)③孔中平測：將一對徑向振動式探頭或者一發(fā)雙收探頭置于同一個測孔中(聲測管不用此法)，測試孔壁周邊混凝土狀況。較少采用。⑶混合檢測：同時采用柱狀徑向換能器和平面式換能器進行檢測，孔中放徑向換能器，側(cè)面布置平面換能器。比較少用。③孔中平測：將一對徑向振動式探頭或者一發(fā)雙收探頭置于同一個測3超聲檢測影響因素⑴耦合狀態(tài)：所謂“耦合”，是指讓超聲波探頭和被測混凝土表面密切接觸，盡量避免能量損失。對于平面探頭，雖然探頭面和混凝土測試面都是平的，但是實際上混凝土和探頭表面都有無數(shù)肉眼無法觀察到的凹凸，里面存在空氣，如果直接進行測試會導致超聲能量被這些表面的凹凸部位中的空氣吸收衰減，大大影響超聲穿透能力，因此必須采用黃油、凡士林等糊狀物來填補混凝土測試面與探頭接觸面之間的空隙，形成良好的耦合。對于柱狀徑向探頭，采用水進行耦合，因此柱狀徑向探頭具有水密性的指標要求，0.4MPa下不允許漏水。3超聲檢測影響因素⑴耦合狀態(tài)：所謂“耦合”，是指讓超聲波探⑵鋼筋：超聲波在鋼中的傳播速度(縱波聲速一般為5.9km/s左右)大大高于混凝土(縱波聲速一般為4.0km/s～5.0km/s)，如果在超聲傳播路徑上或其周圍存在鋼筋，則會有部分或者大部分超聲信號沿著鋼筋傳播而且比在混凝土中傳播的信號先到達接收探頭，從而導致檢測到的聲時值偏小，這叫做“視聲時”，即實驗觀察到的聲時，它是受到干擾的不準確的聲時。這樣會導致計算出來的聲速偏大，增加檢測方風險。⑶水分：水分填充了混凝土中的孔隙，混凝土孔隙中的空氣被水取代，由于水的超聲波速度和阻抗比空氣大得多，和空氣相比，超聲波在水中傳播的速度大，衰減小，因此如果混凝土中的缺陷被水分填充，將會造成超聲傳播的“水短路”，導致缺陷判別的困難。⑵鋼筋：超聲波在鋼中的傳播速度(縱波聲速一般為5.9km/s4混凝土裂縫深度檢測被測裂縫中不得有積水或泥漿1）單面平測適用于結(jié)構(gòu)只有一個表面可供測試時，如混凝土路面、地下室剪力墻、飛機跑道、大體積混凝土等。最大檢測深度為500mm。4混凝土裂縫深度檢測被測裂縫中不得有積水或泥漿平測裂縫如上圖所示，基于下列的假設：①裂縫附近混凝土質(zhì)量基本一致(聲速基本相等)；②跨縫聲速和不跨縫聲速一致；③超聲波繞過裂縫尖端傳播。根據(jù)上述假設，通過上圖的幾何關(guān)系，可以推導出裂縫深度的計算公式如下：平測裂縫如上圖所示，基于下列的假設：測點布置如下圖所示。注意測距是測量兩個換能器的內(nèi)邊緣距離。測點布置如下圖所示。注意測距是測量兩個換能器的內(nèi)邊緣距離。在跨縫和不跨縫處均布置等間距測點，跨縫檢測時測點應在裂縫兩側(cè)對稱分布，將不跨縫處測點聲時讀數(shù)作圖，取其斜率為不跨縫處聲速。在裂縫深度的平測法檢測中，跨縫檢測時常會遇到如下圖所示的首波“反相”現(xiàn)象。在跨縫和不跨縫處均布置等間距測點，跨縫檢測時測點應在裂縫兩側(cè)大量的實驗室研究和工程檢測表明，單面平測法檢測裂縫深度時，當測距從大變小的過程中，存在這樣一個臨界點，首波開始反相，低于這個測距后，首波基本上都是反相的。有個比較簡便的近似關(guān)系是，首波反相的臨界點測距l(xiāng)’=2hc，也有觀點認為裂縫較深的時候l’=hc。規(guī)范CECS21:2000是規(guī)定：在發(fā)現(xiàn)反相的臨界點，取該測距及其兩個相鄰測距的測量值計算裂縫深度后進行平均。當無法觀察到首波反相時，則對每個測距計算裂縫深度，然后計算所有測點裂縫深度平均值，剔除其中小于平均值測距下的測試數(shù)據(jù)，以及大于3倍平均值的測試數(shù)據(jù)，然后重新計算平均值作為裂縫深度計算值。當檢測樓板、剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，注意測點布置應保證超聲傳播路線和鋼筋分布盡量呈45°夾角，以避開鋼筋影響。大量的實驗室研究和工程檢測表明，單面平測法檢測裂縫深度時，當2）裂縫雙面斜測單面平測法的前提條件是超聲波繞過裂縫尖端傳播。當裂縫尖端存在水分、塵土顆粒等雜質(zhì)時，或者裂縫局部被水分、塵土顆粒等填充時，會成為超聲傳播的通道，因此導致深度測試的誤差(使裂縫深度偏小)。因此，當結(jié)構(gòu)具有兩個相互平行的可測面時，優(yōu)先選擇雙面斜測法。如下圖所示。2）裂縫雙面斜測根據(jù)波幅、聲時和主頻的突變來判定超聲波是否穿過裂縫傳播，可以判斷裂縫是否貫通截面。根據(jù)波幅、聲時和主頻的突變來判定超聲波是否穿過裂縫傳播，可以3）鉆孔檢測裂縫深度鉆孔對測法適用于大體積混凝土，預計深度在500mm以上的裂縫檢測，需要在被測混凝土上鉆孔。鉆孔有如下要求：①孔徑應大于換能器直徑5mm～10mm；②孔深應超過預計裂縫深度700mm，可初測后補鉆；③A、B兩個測孔必須始終位于裂縫兩側(cè)(對于斜裂縫要注意)，且測孔應保持平行；④測孔間距AB、BC宜為2m左右，且AB=BC；⑤孔中粉末碎屑必須清除干凈；⑥必須在跨縫的AB和不跨縫的BC兩條連線上分別進行測試。C孔可淺些，以便于將跨縫和不跨縫測試數(shù)據(jù)加以對比。3）鉆孔檢測裂縫深度鉆孔檢測裂縫示意圖工程實例鉆孔檢測裂縫示意圖工程實例一般選擇20kHz～60kHz的徑向振動式換能器，測試前先向測孔中注滿清水，徑向換能器以(100～400)mm的測距同步移動，讀取各深度的聲時、波幅等讀數(shù)，繪制深度-波幅以及深度-聲時曲線，如圖25(C)所示。一般波幅對裂縫較為敏感，當波幅穩(wěn)定在較大的數(shù)值后，可認為已經(jīng)超過裂縫尖端了，通過圖25(C)的拐點可確定裂縫深度。一般選擇20kHz～60kHz的徑向振動式換能器，測試前先向5不密實區(qū)和空洞檢測不密實區(qū)是指因振搗不足、漏漿、石子架空等原因造成的蜂窩狀缺陷，或者因水泥缺少而形成的松散狀以及遭受意外損傷造成的疏松狀混凝土區(qū)域。不密實區(qū)和空洞檢測要求檢測部位必須具有一對或兩對相互平行的測試面。檢測的時候，應在同條件的正?；炷辽线M行對比測試，對比測點數(shù)不得少于20點。根據(jù)被測構(gòu)件的實際情況，選擇下列方法之一進行檢測：1）對測法：適用于構(gòu)件具有兩對相互平行的測試面。如下圖所示。5不密實區(qū)和空洞檢測不密實區(qū)是指因振搗不足、漏漿、石子架空對測法示意圖(a)平面圖(b)立面圖

對測法示意圖(a)平面圖2）斜測法：當只有一對相互平行測試面時，可采用斜測、對測結(jié)合的方法，如下圖所示。斜測的目的在于能發(fā)現(xiàn)水平走向的缺陷。2）斜測法：3）鉆孔法：當測距較大時，可采用鉆孔或預埋管法。一般測距大于2m～3m以上時采用此方法，鉆孔內(nèi)采用徑向換能器，側(cè)壁采用平面換能器。鉆孔間距也不得大于3m，孔徑要比換能器直徑大5mm～10mm，孔中注滿清水?？梢杂脧较驌Q能器和平面換能器結(jié)合成收發(fā)換能器對進行檢測。（a）平面圖(b)立面圖3）鉆孔法：（a）平面圖測試中，必須在測試部位彈畫網(wǎng)格線，網(wǎng)格間距一般為(100～300)mm，測試部位表面必須清理干凈、必要時打磨平整。如果存在缺陷，可以采用高強度快凝砂漿抹平，干后測試。測試前必須涂耦合劑，一般耦合劑為黃油或者凡士林。鉆孔測試時注滿清水耦合。測試前必須準確量測超聲測距，精確至±1%。測試中，必須在測試部位彈畫網(wǎng)格線，網(wǎng)格間距一般為(100～3對于缺陷的判斷，主要是采用數(shù)理統(tǒng)計，認為超聲參數(shù)符合正態(tài)分布，將各測點的波幅、聲速或主頻值等超聲參數(shù)Xi由大到小按順序排列，將排在后面的明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個Xn其前面的數(shù)據(jù)計算平均值、標準差，并按下式計算異常情況判斷值：X0=mx-λ1·Sx

將X0同Xn進行比較，如果Xn≤X0，則Xn及排列其后的數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉Xn，對X1~Xn－1

再次進行計算和判別，直至比較的結(jié)果沒有異常值為止。當Xn>X0時，則應將Xn+1放進去重新進行計算和判別。對于缺陷的判斷，主要是采用數(shù)理統(tǒng)計，認為超聲參數(shù)符合正態(tài)分布例題采用超聲法進行構(gòu)件混凝土密實性檢測，經(jīng)過計算得到的聲速數(shù)據(jù)如下表1所示，請根據(jù)表2所提供的λ1值分析判斷是否存在異常測點？如果有請將它們一一找出來。測點

聲速(km/s)測點聲速(km/s)測點聲速(km/s)14.5694.55174.5324.47104.49184.6234.45114.46194.5244.49124.23204.2554.63134.32214.3264.54144.49224.5674.57154.48234.4784.48164.51244.45例題采用超聲法進行構(gòu)件混凝土密實性檢測，經(jīng)過計算得到的聲速數(shù)例題表2解：(1)24個測點聲速平均值、標準差：

n20222426λ11.651.691.731.77例題表2解：n20222426λ11.651.691.731例題N=24，查表2得λ1=1.73∴聲速異常值判定值v0=mv-λ1Sv=4.48-1.73×0.10=4.31km/s比較得v12=4.23km/s<v0=4.31km/s，v20=4.25km/s<v0=4.31km/s，故測點12和測點20為異常測點。(2)剔除該2個測點后，繼續(xù)計算剩余22個測點的聲速平均值、標準差：例題N=24，查表2得λ1=1.73例題N=22，查表2得λ1=1.69∴聲速異常值判定值v0=mv-λ1Sv=4.50-1.69×0.08=4.36km/s比較得v13=4.32km/s<v0=4.36km/s，v21=4.32km/s<v0=4.36km/s，故測點13和測點21為異常測點。(3)剔除該2個測點后，繼續(xù)計算剩余20個測點的聲速平均值、標準差：例題N=22，查表2得λ1=1.69例題N=20，查表2得λ1=1.65∴聲速異常值判定值v0=mv-λ1Sv=4.52-1.65×0.05=4.44km/s經(jīng)比較，剩余20個測點的最小聲速值vmin=4.45km/s>v0=4.44km/s，故再無異常值。例題N=20，查表2得λ1=1.65混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測所謂混凝土結(jié)合面系指前后兩次澆注的混凝土之間形成的接觸面，常見的有：梁柱節(jié)點施工縫、混凝土修補部位、混凝土加大截面法加固部位等?？梢愿鶕?jù)結(jié)合面形狀選擇對測法和斜測法，如下圖所示。檢測中超聲信號必須穿過結(jié)合面?zhèn)鞑?，同時必須有在完好混凝土中傳播的數(shù)據(jù)作為對比。檢測數(shù)據(jù)可以按照“㈢不密實區(qū)和空洞檢測”的方法進行處理、判斷?；炷两Y(jié)合面質(zhì)量檢測所謂混凝土結(jié)合面系指前后兩次澆注的混凝土混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測示意圖混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測示意圖6表面損傷層檢測混凝土表面損傷層主要指凍害、化學侵蝕、高溫損傷(如火災)等造成的混凝土表層出現(xiàn)疏松、開裂、剝落等現(xiàn)象。

混凝土表面損傷層厚度檢測損傷層檢測“時-距”圖6表面損傷層檢測混凝土表面損傷層主要指凍害、化學侵蝕、高溫將發(fā)射、接收換能器置于被測的混凝土損傷表面同一側(cè)，發(fā)射換能器不動，接收換能器逐漸遠離(測距增大)，測距以兩換能器之間的內(nèi)邊距計算。由于混凝土損傷后聲速下降，同時假設損傷層聲速是不變的，則當測距較小時，超聲波從損傷層傳播的時間比繞過損傷層而從下部正常混凝土傳播的時間短，則超聲波主要從損傷層傳播；隨著測距的增大，則由于損傷層聲速比正常混凝土大大降低，則超聲波從正?；炷羵鞑サ臅r間比從表層損傷層傳播的時間短。將發(fā)射、接收換能器置于被測的混凝土損傷表面同一側(cè)，發(fā)射換能器將檢測得到