土木工程檢測(cè)工作技術(shù)應(yīng)用-超聲法檢測(cè)工作混凝土缺陷

1、1 混凝土缺陷的特征波形聲時(shí)、幅度、頻率等，都是表征混凝土質(zhì)量的超聲參數(shù)檢測(cè)時(shí)主要測(cè)試參數(shù)是聲時(shí)，原因如下：相對(duì)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(cè)試面之間的耦合狀況有關(guān)。另外測(cè)試時(shí)耦合作用力的細(xì)微變化都足以造成首波幅度的大大波動(dòng)，而測(cè)試人員按壓換能器的壓力大小在測(cè)試過(guò)程難以保證統(tǒng)一。頻率那么與換能器頻率相關(guān)，同時(shí)存在檢測(cè)較繁瑣等原因，因此一般不單獨(dú)將頻率作為主要參數(shù)。但是，首波幅度、頻率與聲時(shí)綜合起來(lái)，那么稱為超聲波的波形，又是判斷混凝土質(zhì)量的主要依據(jù)。混凝土波形特征正?；炷恋奶卣鞑ㄐ?。圖中t1

2、、t2、t3、t4、t5分別是接收波第一個(gè)周期的聲時(shí)，t1為首波聲時(shí)，t2為1/4周期聲時(shí)，t3為半周期聲時(shí)，t4為3/4周期聲時(shí)，t5為一周期聲時(shí)，通過(guò)測(cè)量這些聲時(shí)差，可以初步估算接收信號(hào)的頻率(精確計(jì)算需要進(jìn)行頻譜分析)。正?；炷撂卣鞑ㄐ蔚拇笾绿攸c(diǎn)為：首波前沿較陡；首波幅度較高；波形比較飽滿，接近于正弦波，隨著繞射波的到達(dá)，后續(xù)波的幅度越來(lái)越大；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(cè)采用的超聲波頻率一般在50300kHz)；通過(guò)聲時(shí)計(jì)算得到的聲速一般在40005000m/s?；炷敛ㄐ翁卣髡；炷恋奶卣鞑ㄐ萎惓；炷敛ㄐ纬霈F(xiàn)畸變，特征：首波前沿平緩；首波幅度較低，有的

3、甚至淹沒(méi)在背景噪聲中；波形不飽滿，有時(shí)不能呈正弦波特征；頻率很低，大大低于發(fā)射波頻率；通過(guò)聲時(shí)計(jì)算得到的聲速通常大大低于4000m/s5000m/s。有的甚至低于1000m/s?；炷敛ㄐ螌?shí)測(cè)圖正常混凝土波形異?；炷敛ㄐ紊蠄D的異?；炷敛ㄐ纬Ｒ?jiàn)于混凝土中夾雜(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(dāng)換能器與混凝土之間耦合不良時(shí)(如混凝土外表不平整、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(huì)出現(xiàn)類似的波形，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，及時(shí)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異，需要在實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，不斷總結(jié)。還有一種異常情況即波形很正常，其根本特征

4、與正?；炷敛ㄐ晤愃?，唯一的問(wèn)題是聲速偏低，如在3000m/s3500m/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(dāng)于混凝土而言，缺少石子，因此對(duì)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(qiáng)度偏低，無(wú)法滿足承載能力要求，因此檢測(cè)中也應(yīng)注意?？偟膩?lái)說(shuō)，超聲檢測(cè)混凝土缺陷目前根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(shí)際來(lái)判斷。2 超聲法檢測(cè)混凝土缺陷1根本原理超聲法檢測(cè)混凝土缺陷的根本原理就是，通過(guò)超聲波在混凝土中傳播后發(fā)生的波形變化、利用聲時(shí)、頻率、波幅等參數(shù)的特征，來(lái)綜

5、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(huì)產(chǎn)生散射、繞射等過(guò)程，致使其傳播方向改變(非直線傳播)，但由于測(cè)量時(shí)主要取首波，因此根本上還是認(rèn)為在正?；炷林校暡ㄑ亟浦本€的路徑傳播。當(dāng)遇到缺陷時(shí)那么繞射是主要的，因此導(dǎo)致了聲速及波幅、頻率均下降，波形產(chǎn)生畸變。在對(duì)缺陷進(jìn)行定位時(shí)，也是以超聲在混凝土中的直線傳播為假設(shè)前提的。2檢測(cè)依據(jù)超聲波在混凝土缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，主要依據(jù)是?超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程?(CECS 21:2000)，主要應(yīng)用在：孔洞、疏松等內(nèi)部缺陷檢測(cè)、新舊混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測(cè)、裂縫深度檢測(cè)、外表?yè)p傷層深度檢測(cè)、鋼管混凝土質(zhì)量檢測(cè)、聲波

6、透射法檢測(cè)混凝土灌注樁樁身完整性等。3根本原那么超聲波優(yōu)先選擇最短路徑即在超聲傳播路徑周圍，當(dāng)存在不同介質(zhì)時(shí)，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(dá)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(dāng)超聲傳播路徑周圍存在鋼筋時(shí)，那么超聲波往往會(huì)從鋼筋“短路。為防止鋼筋的影響，一般應(yīng)使傳播路徑不與鋼筋軸線平行或離開(kāi)鋼筋約l/5l/6。同時(shí)，超聲波的這種特性也是用來(lái)檢測(cè)混凝土表層損傷深度、裂縫深度等的一個(gè)依據(jù)。當(dāng)混凝土是均質(zhì)的時(shí)候，一般認(rèn)為超聲波在混凝土中是直線傳播的。因此，當(dāng)檢測(cè)混凝土結(jié)合質(zhì)量時(shí)，就必須讓超聲波穿過(guò)結(jié)合面，為此常常必須采用斜測(cè)法等。正?；炷恋?/p>

7、超聲參數(shù)根本上符合正態(tài)分布：這是判斷混凝土中是否存在異常測(cè)點(diǎn)的主要依據(jù)。這種方法也叫“概率法，是混凝土缺陷檢測(cè)中最常用的判據(jù)，即混凝土的超聲聲速等各參數(shù)根本在其平均值附近，當(dāng)出現(xiàn)偏離平均值較大的值時(shí)，那么可判斷其為異常值。異常值判定值的大小與測(cè)點(diǎn)數(shù)有關(guān)，也與被測(cè)混凝土本身的質(zhì)量波動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)差)有關(guān)。必須指出的是，僅當(dāng)測(cè)距可以準(zhǔn)確測(cè)量的前提下這一假設(shè)才能成立，這就意味著對(duì)于預(yù)埋聲測(cè)管進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)的灌注樁，由于測(cè)距實(shí)際上是變化的(因?yàn)槁暅y(cè)管總是難免在埋設(shè)后產(chǎn)生扭曲)，因此一般不采用這種數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法判斷異常部位，其判據(jù)另外介紹。同時(shí)，進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)的超聲參量一般是聲時(shí)或聲速，較少采用頻率、波幅等

8、參數(shù)。4根本方法根據(jù)構(gòu)件的幾何外形、大小以及現(xiàn)場(chǎng)條件(所能布置的檢測(cè)面)、測(cè)試面狀況、缺陷類型等，選擇不同的測(cè)試方法。常用的有：采用平面換能器測(cè)試時(shí)(厚度振動(dòng)換能器)優(yōu)先采用對(duì)測(cè)法：當(dāng)被測(cè)部位具有相互平行的相對(duì)的測(cè)試面時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)測(cè)法。此時(shí)收發(fā)換能器位于兩個(gè)相對(duì)測(cè)試面，超聲測(cè)線垂直于測(cè)試面，接收波的波前正對(duì)接收探頭，接收信號(hào)強(qiáng)度是所有方法中最大的，因此最容易進(jìn)行結(jié)果判斷。其次選擇斜測(cè)法：斜測(cè)法有兩種，一種是指兩個(gè)檢測(cè)面相交(檢測(cè)面相鄰)，兩個(gè)探頭在丁角進(jìn)行測(cè)試；一種是指兩個(gè)相對(duì)的測(cè)試面，但兩個(gè)探頭軸線與被測(cè)面形成不等于90的角度，如果測(cè)試面是垂直于地面的(這種情況是常見(jiàn)的)，那么探頭軸線那

9、么非水平，常用于新舊混凝土接合面質(zhì)量檢測(cè)，目的是使得超聲波能穿過(guò)接縫。平測(cè)法：當(dāng)被測(cè)部位僅有一個(gè)測(cè)試面時(shí)，采用此方法，即發(fā)射、接收探頭位于同一個(gè)測(cè)試面，此時(shí)一般必須將兩個(gè)探頭的間距進(jìn)行等距離變化測(cè)得一組數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)間距與聲時(shí)的線性關(guān)系變化來(lái)進(jìn)行判斷。一般用于混凝土外表?yè)p傷深度測(cè)試、裂縫深度測(cè)試等。鉆孔、預(yù)埋管檢測(cè)(采用徑向振動(dòng)式換能器)管(孔)中對(duì)測(cè)：適用于灌注樁以及大體積混凝土。灌注樁中預(yù)埋2根以上聲測(cè)管，采用柱狀徑向振動(dòng)式換能器進(jìn)行檢測(cè)是目前常規(guī)檢測(cè)方法之一。除此之外，對(duì)于大體積混凝土，由于測(cè)距太大，無(wú)法直接在兩個(gè)相對(duì)面直接測(cè)試(比方大底板)，或者澆注側(cè)面均被遮擋、隱蔽無(wú)法布置測(cè)點(diǎn)(比方

10、大底板)，也可采用預(yù)埋聲測(cè)管或者鉆孔的方法進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試時(shí)兩個(gè)探頭位于同一高度，同步提升。管(孔)中斜測(cè)：上述構(gòu)件中，當(dāng)存在水平缺陷，對(duì)測(cè)有可能漏測(cè)(比方水平裂縫)，此時(shí)可將兩個(gè)探頭取不同高度進(jìn)行斜測(cè)，探頭同步提升?？字衅綔y(cè)：將一對(duì)徑向振動(dòng)式探頭或者一發(fā)雙收探頭置于同一個(gè)測(cè)孔中(聲測(cè)管不用此法)，測(cè)試孔壁周邊混凝土狀況。較少采用?；旌蠙z測(cè)：同時(shí)采用柱狀徑向換能器和平面式換能器進(jìn)行檢測(cè)，孔中放徑向換能器，側(cè)面布置平面換能器。比較少用。3 超聲檢測(cè)影響因素耦合狀態(tài)：所謂“耦合，是指讓超聲波探頭和被測(cè)混凝土外表密切接觸，盡量防止能量損失。對(duì)于平面探頭，雖然探頭面和混凝土測(cè)試面都是平的，但是實(shí)際上混凝

11、土和探頭外表都有無(wú)數(shù)肉眼無(wú)法觀察到的凹凸，里面存在空氣，如果直接進(jìn)行測(cè)試會(huì)導(dǎo)致超聲能量被這些外表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(lái)填補(bǔ)混凝土測(cè)試面與探頭接觸面之間的空隙，形成良好的耦合。對(duì)于柱狀徑向探頭，采用水進(jìn)行耦合，因此柱狀徑向探頭具有水密性的指標(biāo)要求，0.4MPa下不允許漏水。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/s5.0km/s)，如果在超聲傳播路徑上或其周圍存在鋼筋，那么會(huì)有局部或者大局部超聲信號(hào)沿著鋼筋傳播而且比在混凝土中傳播的信號(hào)先到達(dá)接收探頭，從而導(dǎo)致檢測(cè)到的聲

12、時(shí)值偏小，這叫做“視聲時(shí)，即實(shí)驗(yàn)觀察到的聲時(shí)，它是受到干擾的不準(zhǔn)確的聲時(shí)。這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的聲速偏大，增加檢測(cè)方風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)造成超聲傳播的“水短路，導(dǎo)致缺陷判別的困難。4 混凝土裂縫深度檢測(cè)被測(cè)裂縫中不得有積水或泥漿1單面平測(cè)適用于結(jié)構(gòu)只有一個(gè)外表可供測(cè)試時(shí)，如混凝土路面、地下室剪力墻、飛機(jī)跑道、大體積混凝土等。最大檢測(cè)深度為500mm。平測(cè)裂縫如上圖所示，基于以下的假設(shè)：裂縫附近混凝土質(zhì)量根本一致(聲速根本相等)；跨

13、縫聲速和不跨縫聲速一致；超聲波繞過(guò)裂縫尖端傳播。根據(jù)上述假設(shè)，通過(guò)上圖的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出裂縫深度的計(jì)算公式如下：測(cè)點(diǎn)布置如以下圖所示。注意測(cè)距是測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(cè)點(diǎn)，跨縫檢測(cè)時(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在裂縫兩側(cè)對(duì)稱分布，將不跨縫處測(cè)點(diǎn)聲時(shí)讀數(shù)作圖，取其斜率為不跨縫處聲速。在裂縫深度的平測(cè)法檢測(cè)中，跨縫檢測(cè)時(shí)常會(huì)遇到如以下圖所示的首波“反相現(xiàn)象。大量的實(shí)驗(yàn)室研究和工程檢測(cè)說(shuō)明，單面平測(cè)法檢測(cè)裂縫深度時(shí)，當(dāng)測(cè)距從大變小的過(guò)程中，存在這樣一個(gè)臨界點(diǎn)，首波開(kāi)始反相，低于這個(gè)測(cè)距后，首波根本上都是反相的。有個(gè)比較簡(jiǎn)便的近似關(guān)系是，首波反相的臨界點(diǎn)測(cè)距l(xiāng)=2hc，也有觀點(diǎn)認(rèn)為裂縫

14、較深的時(shí)候l=hc。標(biāo)準(zhǔn)CECS 21:2000是規(guī)定：在發(fā)現(xiàn)反相的臨界點(diǎn)，取該測(cè)距及其兩個(gè)相鄰測(cè)距的測(cè)量值計(jì)算裂縫深度后進(jìn)行平均。當(dāng)無(wú)法觀察到首波反相時(shí)，那么對(duì)每個(gè)測(cè)距計(jì)算裂縫深度，然后計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)裂縫深度平均值，剔除其中小于平均值測(cè)距下的測(cè)試數(shù)據(jù)，以及大于3倍平均值的測(cè)試數(shù)據(jù)，然后重新計(jì)算平均值作為裂縫深度計(jì)算值。當(dāng)檢測(cè)樓板、剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，注意測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)保證超聲傳播路線和鋼筋分布盡量呈45夾角，以避開(kāi)鋼筋影響。2裂縫雙面斜測(cè)單面平測(cè)法的前提條件是超聲波繞過(guò)裂縫尖端傳播。當(dāng)裂縫尖端存在水分、塵土顆粒等雜質(zhì)時(shí)，或者裂縫局部被水分、塵土顆粒等填充時(shí)，會(huì)成為超聲傳播的通道，因此導(dǎo)致深度測(cè)試的

15、誤差(使裂縫深度偏小)。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)相互平行的可測(cè)面時(shí)，優(yōu)先選擇雙面斜測(cè)法。如以下圖所示。根據(jù)波幅、聲時(shí)和主頻的突變來(lái)判定超聲波是否穿過(guò)裂縫傳播，可以判斷裂縫是否貫穿截面。3鉆孔檢測(cè)裂縫深度鉆孔對(duì)測(cè)法適用于大體積混凝土，預(yù)計(jì)深度在500mm以上的裂縫檢測(cè)，需要在被測(cè)混凝土上鉆孔。鉆孔有如下要求：孔徑應(yīng)大于換能器直徑5mm10mm；孔深應(yīng)超過(guò)預(yù)計(jì)裂縫深度700mm，可初測(cè)后補(bǔ)鉆；A、B兩個(gè)測(cè)孔必須始終位于裂縫兩側(cè)(對(duì)于斜裂縫要注意)，且測(cè)孔應(yīng)保持平行；測(cè)孔間距AB、BC宜為2m左右，且AB=BC；孔中粉末碎屑必須去除干凈；必須在跨縫的AB和不跨縫的BC兩條連線上分別進(jìn)行測(cè)試。C孔可淺些，

16、以便于將跨縫和不跨縫測(cè)試數(shù)據(jù)加以比照。 鉆孔檢測(cè)裂縫示意圖工程實(shí)例一般選擇20kHz60kHz的徑向振動(dòng)式換能器，測(cè)試前先向測(cè)孔中注滿清水，徑向換能器以(100400)mm的測(cè)距同步移動(dòng)，讀取各深度的聲時(shí)、波幅等讀數(shù)，繪制深度-波幅以及深度-聲時(shí)曲線，如圖25(C)所示。一般波幅對(duì)裂縫較為敏感，當(dāng)波幅穩(wěn)定在較大的數(shù)值后，可認(rèn)為已經(jīng)超過(guò)裂縫尖端了，通過(guò)圖25(C)的拐點(diǎn)可確定裂縫深度。5 不密實(shí)區(qū)和空洞檢測(cè)不密實(shí)區(qū)是指因振搗缺乏、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(shí)區(qū)和空洞檢測(cè)要求檢測(cè)部位必須具有一對(duì)或兩對(duì)相互平行的測(cè)試

17、面。檢測(cè)的時(shí)候，應(yīng)在同條件的正?；炷辽线M(jìn)行比照測(cè)試，比照測(cè)點(diǎn)數(shù)不得少于20點(diǎn)。根據(jù)被測(cè)構(gòu)件的實(shí)際情況，選擇以下方法之一進(jìn)行檢測(cè)：1對(duì)測(cè)法：適用于構(gòu)件具有兩對(duì)相互平行的測(cè)試面。如以下圖所示。對(duì)測(cè)法示意圖(a)平面圖 (b)立面圖 2斜測(cè)法：當(dāng)只有一對(duì)相互平行測(cè)試面時(shí)，可采用斜測(cè)、對(duì)測(cè)結(jié)合的方法，如以下圖所示。斜測(cè)的目的在于能發(fā)現(xiàn)水平走向的缺陷。3鉆孔法：當(dāng)測(cè)距較大時(shí)，可采用鉆孔或預(yù)埋管法。一般測(cè)距大于2m3m以上時(shí)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5mm10mm，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(duì)進(jìn)行檢測(cè)

18、。a平面圖 (b)立面圖測(cè)試中，必須在測(cè)試部位彈畫(huà)網(wǎng)格線，網(wǎng)格間距一般為(100300)mm，測(cè)試部位外表必須清理干凈、必要時(shí)打磨平整。如果存在缺陷，可以采用高強(qiáng)度快凝砂漿抹平，干后測(cè)試。測(cè)試前必須涂耦合劑，一般耦合劑為黃油或者凡士林。鉆孔測(cè)試時(shí)注滿清水耦合。測(cè)試前必須準(zhǔn)確量測(cè)超聲測(cè)距，精確至1%。對(duì)于缺陷的判斷，主要是采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為超聲參數(shù)符合正態(tài)分布，將各測(cè)點(diǎn)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(gè)Xn其前面的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，并按下式計(jì)算異常情況判斷值：X0=mx-1Sx 將X0同Xn進(jìn)行比較，如果Xn

19、X0，那么Xn及排列其后的數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉Xn ，對(duì)X1 Xn1 再次進(jìn)行計(jì)算和判別，直至比較的結(jié)果沒(méi)有異常值為止。當(dāng)Xn X0時(shí)，那么應(yīng)將Xn +1放進(jìn)去重新進(jìn)行計(jì)算和判別。例題采用超聲法進(jìn)行構(gòu)件混凝土密實(shí)性檢測(cè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的聲速數(shù)據(jù)如下表1所示，請(qǐng)根據(jù)表2所提供的1值分析判斷是否存在異常測(cè)點(diǎn)？如果有請(qǐng)將它們一一找出來(lái)。 測(cè)點(diǎn) 聲速(km/s) 測(cè)點(diǎn)聲速(km/s)測(cè)點(diǎn)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例題表2解：(1)24個(gè)測(cè)點(diǎn)聲速平均值、標(biāo)準(zhǔn)差： n2022242611.651.691.731.77例題N=24，查表2得1=1.73聲速異常值判定值v0=mv-1Sv=4.48-1.730.10=4.31km/s比較得v12=4.23km/sv0=4.31km/s，v20=4.25