超聲法檢測混凝土內(nèi)部缺陷

1、超聲法檢測混凝土內(nèi)部缺陷*沈陽*學(xué)院，沈陽，110161摘要： 在實際工程中，混凝土存在內(nèi)部缺陷是不可避免的，而混凝土的質(zhì)量則直接影響工程質(zhì)量，因此檢測混凝土內(nèi)部缺陷具有重大的意義。通過具體實驗得到數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算分析，可以檢測出混凝土裂縫深度。為了減小實驗過程中存在的各種誤差，經(jīng)過多次檢測，可以得到相當(dāng)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為評價工程質(zhì)量提供一定的借鑒。關(guān)鍵詞：超聲波檢測法；混凝土，內(nèi)部缺陷，平測法0引言混凝土超聲法非破損檢測是近年來在國內(nèi)外推廣應(yīng)用的一種新型的非破損檢測方法。由于超聲波通過混凝土?xí)r的聲速、振幅和波形等超聲參數(shù)的變化與混凝土的密實度、均勻性和局部缺陷的狀況密切相關(guān),因而可以運(yùn)用超聲法來檢

2、測混凝土的缺陷。經(jīng)過近些年的研究、探索和實踐,在許多國家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用,成為混凝土無損檢測的重要手段。 由于混凝土在施工中往往因技術(shù)管理不善和施工疏忽,使混凝土材料內(nèi)部存在空洞、疏松、施工縫,以及混凝土膠結(jié)不良等缺陷,從而不同程度地影響工程的整體性和力學(xué)性能。所以對混凝土施工質(zhì)量的監(jiān)控和檢測極為重要。1超聲波檢測法超聲波檢測也叫超聲檢測、超聲波探傷，是無損檢測的一種。也就是說超聲檢測是指用超聲波來檢測材料和工件、并以 超聲檢測儀作為顯示方式的一種無損檢測方法。超聲檢測是利用超聲波的眾多特性（如反射和衍射），通過觀察顯示在超聲檢測儀上的有關(guān)超聲波在被檢材料或工件中發(fā)生的傳播變化，來判定被

3、檢材料和工件的內(nèi)部和表面是否存在缺陷，從而在不破壞或不損害被檢材料和工件的情況下，評估其質(zhì)量和使用價值。 超聲波是頻率大于20kHz的一種機(jī)械波（相對于頻率范圍在20Hz20kHz的聲波而言）。超聲檢測用的超聲波，其頻率范圍一般在0.25MHz15MHz之間。用于金屬材料超聲檢測的超聲波，其頻率范圍通常在0.5MHz10MHz之間；而用于普通鋼鐵材料超聲檢測的超聲波，其頻率范圍通常為1MHz5MHz。 通常，超聲檢測采用了不同的技術(shù)： 按波源不同可分為：連續(xù)波、脈沖波；按波型不同可分為：縱波、橫波、表面波、板波、爬波；按接收方式不同可分為：回波（反射）、穿透；按耦

4、合方式不同可分為：接觸式、液浸式；按探頭數(shù)不同可分為：單探頭、雙探頭、多探頭。脈沖回波（脈沖反射）技術(shù)是超聲檢測中最常用的一種技術(shù)，其所用的超聲波是一種脈沖波，即波源振動持續(xù)時間很短（通常是微秒數(shù)量級）、僅在很短一段時間內(nèi)有振幅（間歇發(fā)射）的一種機(jī)械波動。 通常，脈沖回波超聲檢測的過程是：由超聲檢測儀（亦稱超聲波探傷儀）產(chǎn)生脈沖電信號，輸入到換能器（或探頭）上，激勵換能器的壓電晶片發(fā)射脈沖超聲波；超聲波透射（或折射）進(jìn)入被檢材料或工件中，經(jīng)過反射或衍射等傳播變化，最終又被換能器的壓電晶片所接收，再轉(zhuǎn)換成電信號，輸送回超聲檢測儀顯示出來；最后，通過對顯示屏進(jìn)行觀察，來分析和評價被檢材料

5、或工件的內(nèi)部或表面質(zhì)量。  超聲檢測儀的顯示方式通常有三種：A掃描顯示、B掃描顯示、C掃描顯示。2.基本原理2.1超聲法檢測混凝土內(nèi)部缺陷的基本原理超聲脈沖波法檢測混凝土內(nèi)部缺陷的基本原理有以下幾個方面:1.超聲脈沖波在混凝土中遇到缺陷時會發(fā)生繞射,可根據(jù)聲時及聲程的變化,判斷和計算缺陷的大小；2.超聲脈沖波在缺陷界面發(fā)生散射和反射,到達(dá)接收換能器的聲波能量(波幅顯著減小,可根據(jù)波幅變化的程度判斷缺陷的性質(zhì)和大??；3.超聲脈沖波中各頻率成分在缺陷界面衰減程度不同,接收信號的頻率明顯降低,可根據(jù)接收信號主頻或頻率譜的變化分析判斷缺陷情況；4.超聲脈沖波通過缺陷時,部分聲波會產(chǎn)

6、生路徑和相位的變化,不同路徑或不同相位的聲波疊加后,造成接收信號波形畸變,可參考畸變波形分析判斷缺陷。2.2平測法 在實際工程中，由于混凝土強(qiáng)度的無損檢測受外界環(huán)境條件的限制，超聲換能器的布置大致有兩種方式，相應(yīng)的方法有直接穿透對測法和單面平測法。其中對測法靈敏度高、測距明確且精度，是常用方法，并且前人已經(jīng)回歸總結(jié)出一套可靠的混凝土測強(qiáng)經(jīng)驗公式，可利用對測聲速值推斷出混凝土的強(qiáng)度。但是在建筑物結(jié)構(gòu)混凝土只有一個可測平面的情況下(如水池壁、底板、飛機(jī)跑道、路面、地下室及沉井井壁等只能采用單面平測法布置。盡管是在同一混凝土構(gòu)件上，平測法與對測法所測得的聲速值并不相同，平測法簡單采用換能器邊一邊或中

7、一中間距使計算的聲速值產(chǎn)生偏差，不能準(zhǔn)確確定超聲路徑的距離，因此平測法測得的聲速不能直接用于現(xiàn)有的對測法聲速測強(qiáng)公式來推定混凝土強(qiáng)度。在工程中有些檢測單位直接用平測法聲速代替對測法的聲速，缺乏科學(xué)依據(jù)。2.3試驗原理本試驗測試方法是分別檢測跨縫和不跨縫的聲時和測距后，計算出裂縫深度。其基本原理是根據(jù)在同一測距下跨縫與不跨縫聲波的傳播路徑不同來推斷裂縫深度。不跨縫聲波是直線傳播，而跨縫聲波需繞過裂縫末端形成折線傳播，傳播聲時延長，在假定跨縫與不跨縫測試的混凝土聲速基本一致的條件下，根據(jù)其傳播聲時的差別來計算出裂縫的深度。3試驗 3.1超聲波儀器介紹3.1.1簡介目前國內(nèi)智能型超聲儀的主要型號為N

8、M系列(NM-3B、NM-3C、NM-4A、NM-4B型、RS-ST01C型、RSM-SY5型、CUT型等等。以NM-3C為例，NM-3C非金屬超聲檢測分析儀，是具有超聲波發(fā)射、接收、信號數(shù)字采集、聲參量自動檢測、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果存貯與輸出等功能的智能化超聲檢測分析儀。本儀器主要用混凝土、水泥制品、巖石、陶瓷、石墨、塑料等非金屬材料與結(jié)構(gòu)的超聲波無損檢測；可用于混凝土強(qiáng)度檢測，結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷與裂縫檢測、勻質(zhì)性、厚度檢測、混凝土樁基完整性檢測及材料物理、力學(xué)性能檢測等。表1超聲波檢測儀主要技術(shù)指標(biāo)聲時測讀精度01s發(fā)射電壓250V、500V、1000V可選聲時測讀范圍01s21000s工業(yè)電腦

9、386/486/586CPU幅度測讀范圍0183dB顯示方式640×480TFT液晶顯示幅度分辨率39存儲方式大容量HDD，3.5”FDD放大器帶寬5hz500Khz輸出設(shè)備Canon/EPSON 噴墨打印機(jī)接收靈敏度30v適用接口兩串、一并采樣周期0056.4s工作電源AC:220V±10%,DC:12V最大采樣長度32K工作溫度040觸方式發(fā)信號觸發(fā)、外觸發(fā)工作濕度80%信號采集方式連續(xù)、瞬態(tài)信號整機(jī)重量10Kg混凝土或巖土穿透距離10m整機(jī)體積250mm×400mm×200mm3.1.2工作原理NM-3C由高壓發(fā)射與控制、程控放大與衰減、A/D轉(zhuǎn)換

10、與采集、工業(yè)級計算機(jī)四大部分組成。高壓發(fā)射電路受主機(jī)同步信號控制產(chǎn)生受控高壓脈沖，激勵發(fā)射換能器，將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波傳入被測介質(zhì)，接收換能器在接收由被測介質(zhì)傳播的聲波信號后轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)程控放大與衰減對信號做自動調(diào)整，將接收換能器的電信號調(diào)節(jié)到最佳電平，輸送給高速A/D采集板，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號以DMA方式送入主機(jī)。在豐富的軟件支持下，充分發(fā)揮計算機(jī)的運(yùn)算、分析與控制功能，使之成為集發(fā)射激勵、信號接收、數(shù)據(jù)采集、自動檢測、結(jié)果分析、顯示打印、數(shù)據(jù)輸入輸出于一體的高智能化儀器?；炷脸暀z測儀器的基本任務(wù),是向待測的結(jié)構(gòu)混凝土發(fā)射超聲脈沖波,然后接收穿國混凝土的脈沖信號,儀器顯示超聲脈

11、沖波穿過混凝土所需的時間、接收信號的波形、波幅等。根據(jù)超聲脈沖波穿越混凝土的時間(稱為聲時和距離(稱為聲距,即可計算聲速,根據(jù)波幅的變化可求得超聲脈沖波穿越混凝土的能量衰減；根據(jù)所顯示的波形，經(jīng)適當(dāng)處理后可得到接收信號的頻譜等信息。3.2試驗過程3.2.1測試前的準(zhǔn)備：混凝土裂縫用無損檢測儀對試件進(jìn)行超聲檢測前，首先要確定測試面，對測點應(yīng)做工程處理，如果混凝土表面比較光滑，無須專門打磨；如果混凝土表面不光滑，則需打磨處理，最后用細(xì)砂紙打磨平，磨光滑。在測試面上按照尺寸布置好測點，并用墨跡做好標(biāo)記。耦合劑采用黃油。發(fā)射和接受換能器測試時應(yīng)在一條直線上。對儀器手動調(diào)零：先用換能器直接耦合(或用標(biāo)準(zhǔn)

12、聲時棒,測試聲時后通過人工計算手動輸入零聲時。T0=T0tt式中T0是待輸入的零聲時；T0是原來的零聲時；T是測試所得的聲時值；t是標(biāo)準(zhǔn)棒的標(biāo)準(zhǔn)聲時，如果沒有使用標(biāo)準(zhǔn)棒則為0。調(diào)零操作后，每次采樣后的聲時值都會自動減去零聲時。調(diào)零操作的目的：是消除聲時測試值中的儀器系統(tǒng)誤差（零聲時）。3.2.2測試方法：采用平測法檢測。檢測時，先將T、R換能器分別置于其中一對相互平行測試面的對應(yīng)測點上，逐點測讀聲時、波幅、頻率值。當(dāng)某些測點的數(shù)據(jù)存在異常時，除了清理表面進(jìn)行復(fù)測外，再將T、R換能器分別置于另一對相互平行的測試面上，逐點進(jìn)行檢測，以便判斷缺陷的位置。3.2.3測試步驟：表面處理。超聲測點處混凝土

13、表面必須平整干凈。對不平整或粘附泥沙等雜物的測點表面，應(yīng)采用砂紙進(jìn)行打磨處理，以保證換能器輻射面與混凝土表面耦合良好。涂耦合劑。涂耦合劑是為了保證換能器輻射面與混凝土表面達(dá)到完全接觸，以確保超聲脈沖波在此接觸面上最大限度地減少損耗。本實驗耦合劑采用黃油。對裂縫進(jìn)行聲時的測量。對于不跨縫聲時的測量將T和R換能器置于裂縫附近同一側(cè)，以兩個換能器內(nèi)邊緣間距(r等于10、20mm分別讀取聲時值(ti ；對于跨縫時聲時的測量，如下圖所示，將T、R換能器分別置于以裂縫為對稱的兩側(cè)， 以l=14、24mm分別讀取聲時值t ，同時觀察首波相位的變化。繞過裂縫測試圖平測法檢測，裂縫深度按下式計算： （1）式中l(wèi)

14、i 不跨縫平測時第i點的超聲波實際傳播距離(mm；hc 第i點計算的裂縫深度值(mmtio第i點跨縫平測的聲時值(s；裂縫深度的確定方法?？缈p測量中，當(dāng)在某測距發(fā)現(xiàn)首波反相時，可用該測距及兩個相鄰測距的測量值按式(1計算hci 值，此三點hci的平均值作為該裂縫的深度值(hc ；跨縫測量中如難于發(fā)現(xiàn)首波反相，則以不同測距按式(1、計算hci 及其平均值(mhc。將各測距ti 與mhc相比較，凡測距ti 小于mhc和大于3mhc的，應(yīng)將其剔除，然后取余下hci的平均值，作為該裂縫的深度值(hci 分析處理數(shù)據(jù)表2第一條裂縫l=24cm縫深（f）跨縫聲時(t不跨縫聲時(t儀器測值ff=16cm10

15、1.6s54s19.12 cmf=12 cm 82s54.8s13.36 cmf=15.5cm 112.8s 63.6s17.58cmf=14cm168.8s93.6s18cmf=28cm222.4s 76s33cmf=8cm133.2s96.4s 11.44cm表3第二條裂縫l=14cm縫深（f）跨縫聲時(t不跨縫聲時(t儀器測值ff=6cm56.8s36.4s8.36cmf=10 cm70s54.8s12.22 cmf=15.5cm55.2s32s18.84cm表4第三條裂縫l=14cm縫深（f）跨縫聲時(t不跨縫聲時(t儀器測值ff=7cm54s38s7.06cmf=22 cm132.4

16、s34s26.34 cmf=5cm90s56s8.81cmf=7cm101.6s60s9.57cmf=32cm180s35s35.31cmf=12cm96.8s41.2s14.88cm表5第四條裂縫l=10cm縫深（f）跨縫聲時(t不跨縫聲時(t儀器測值ff=33.5cm246.8s32.8s37.29cmf=42cm200.2s20.4s46.34 cmf=13cm88s28.4s14.66cmf=35cm225.2s27.2s41.09cm表6第五條裂縫l=10cm縫深（f）跨縫聲時(t不跨縫聲時(t儀器測值ff=32cm239.2s30.8s38.5 cmf=37cm224.8s26.4

17、s42.28cmf=24cm203.2s38.4s25.98cmf=33cm202s26.4s37.93cmf=35cm197.6s27.2s35.98cm表7第六條裂縫l=10cm縫深（f）跨縫聲時(t不跨縫聲時(t儀器測值ff=43.5cm200.6s23.6s47.03cmf=45 cm198.2s20.4s48.63cmf=24.5cm227s39.6s28.22cmf=26cm200.8s35.2s28.0cmf=28cm227.2s39.2s28.54cm3.3結(jié)果分析3.3.1數(shù)據(jù)分析通過以上數(shù)據(jù)可以看出：儀器測得縫深在實際縫深的30%以內(nèi)。但是,如果在工程上應(yīng)用這樣的實驗的話,

18、我們的檢測就是失敗的,所以我們還應(yīng)該改進(jìn)我們的試驗方式、方法和檢測手段等。3.3.2試驗中存在的問題：在實際測試中，經(jīng)常碰到在同一個裂縫深度部位，用不同的測距，由所測聲時計算出的裂縫深度差異較大，造成這種(裂縫測試離散大的主要原因有以下幾方面：(1平測法計算裂縫深度時采用的聲速是測量不跨縫條件下不同測距的聲時，再以 時一距 法計算混凝土的平均聲速，但由于混凝土是一種非均勻的彈塑性材料，即使是正?；炷粮鼽c的聲速值也必然存在差異。(2平測時如果發(fā)、收換能器被鄰近的鋼筋“短路”。那么讀取的聲時就不對應(yīng)裂縫部位混時，造成聲時誤差；尤其當(dāng)裂縫較深時，首波信號微弱，更容易造成首波讀數(shù)誤差甚至丟波。(3混

19、凝土由骨料、水泥和內(nèi)部微小氣泡組成，混凝土在形成時內(nèi)部就存在很多微細(xì)裂縫，這些裂縫是混凝土材料本身所固有的，屬于無害裂縫， 當(dāng)由于各種原因在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)變，會造成有害裂縫。3.3.3改進(jìn)方法混凝土裂縫深度“平測聲時法”格測要點：換能器之間的距離連線與鄰近的鋼筋應(yīng)保持45。左右的夾角；被測裂縫部位混凝土表面應(yīng)平整、無龜裂；測距應(yīng)與縫深相近，計算裂縫深度平均值要根據(jù)測試情況合棄可能造成歷史誤差的測量值。為了提高測試的準(zhǔn)確度，在提高測試參量的測試精度的同時，要有正確的測試方法和數(shù)據(jù)處理方法，以減少測試誤差。為此應(yīng)注意以下幾點：(1布置測點時應(yīng)避免換能器連線與鄰近的鋼筋平行，如能保持45度左右的

20、夾角最好，以避免鋼筋對首波的“短路”；(2選擇被測裂縫部位時，應(yīng)選擇測距范圍內(nèi)混凝土表面平整，無表面龜裂的部位；(3與裂縫深度相比測距過小或過大時，聲時的測試誤差較大；當(dāng)測距與縫深相近時，測試較準(zhǔn)，因此技術(shù)規(guī)程做出舍棄小于平均縫深的測距點和舍棄大于3倍平均縫深的測距點的測距限制，并以首波反相作為判斷距與縫深相接近的判據(jù)。在計算裂縫深度平均值時，要根據(jù)測試情況舍棄可能造成較大誤差的測量值，糾正測點越多其平均值越準(zhǔn)確的認(rèn)識誤區(qū)。超聲波檢測法對其在澆注和養(yǎng)護(hù)過程中形成的蜂窩空洞、裂縫等缺陷作出了較為準(zhǔn)確和快速的檢測,通過科學(xué)的方法對其內(nèi)部質(zhì)量作出了判斷。并且超聲波法檢測混凝土質(zhì)量可以在原位混凝土上進(jìn)行,能真實反映原位混凝土的質(zhì)量狀態(tài),不但操作簡便并且節(jié)省人力、物力十分適合現(xiàn)代工程發(fā)展的需要?？梢灶A(yù)言混凝土的超聲檢測法將是未來世界混凝土質(zhì)量檢測的主流檢測法。參考文獻(xiàn)1溫振濤.混凝土施工溫度與裂縫的預(yù)防與處理J.水利天地.2007，12魏劍波.水利工程中混凝土裂縫的預(yù)防.科技資訊3唐福亮.混凝土裂縫的主要成因與控制處理.2006年第6卷.第3期4鐘堅.淺談施工中混凝土裂縫的產(chǎn)生原因與控制措施.550-C80高性能混凝土的配制