超聲法檢測混凝土缺陷

超聲法檢測砼缺陷2011-092/5/20231一、概述混凝土缺陷：內(nèi)部不密實(shí)或空洞，外部蜂窩麻面、裂縫或損傷層檢測目的：查明混凝土缺陷的性質(zhì)、范圍及尺寸檢測方法：機(jī)械波法：超聲脈沖波、沖擊脈沖波、聲發(fā)射穿透幅射法：x射線、γ射線、中子流超聲波介紹在彈性介質(zhì)中傳播的振動叫彈性波，人耳可聞范圍的彈性波為20-20000Hz，叫聲波，低于此范圍叫次聲波，頻率超過2萬Hz,并不能引起聽覺的彈性波叫超聲波。2/5/20232一、概述超聲法定義

指采用帶波形顯示的低頻超聲波檢測儀和頻率為20～250kHz的聲波換能器，測量混凝土的聲速、波幅和主頻等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及其相對變化分析判斷混凝土缺陷的方法在混凝土檢測中的應(yīng)用非破損檢測混凝土內(nèi)部的空洞、離析檢測混凝土裂縫的深度檢測混凝土接觸面的結(jié)合質(zhì)量檢測混凝土表面的損傷層厚度2/5/20233二、超聲法檢測的基本原理

（一）基本原理利用脈沖波在技術(shù)條件相同的混凝土中傳播的時間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的相對變化，來判定混凝土的缺陷。（注：技術(shù)條件相同：指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致）2/5/20234一、超聲波法缺陷檢測原理假設(shè)混凝土中有一處缺陷，用超聲法檢測時，由于正常混凝土是連續(xù)體，超聲波在其中正常傳播。當(dāng)換能器正對著缺陷時，由于混凝土連續(xù)性中斷，缺陷區(qū)與混凝土之間出現(xiàn)界面（空氣與混凝土）。在界面上超聲波傳播發(fā)生反射、散射與繞射。超聲波用于混凝土缺陷評估的4個聲學(xué)參數(shù)——聲時（或波速）、振幅、頻率和波形將發(fā)生變化。2/5/20235二、超聲波法聲學(xué)參數(shù)的變化聲時（波速）當(dāng)超聲波在傳播路徑上遇到缺陷時，超聲波的傳播有兩種可能：一是直接穿過缺陷介質(zhì)，缺陷介質(zhì)可能是空氣、水或夾雜雜質(zhì)的非正?；炷?，這些介質(zhì)的共同特點(diǎn)是聲速低；二是超聲波繞過缺陷與正常混凝土的界面?zhèn)鞑?。?dāng)超聲波直接穿過缺陷，由于缺陷速度較混凝土低，在同樣測距下傳播時間要長，而繞過缺陷的傳播路徑比直線傳播的路徑長。2/5/20236上述兩種情況測得的聲時都將比正常部位長。在計(jì)算測點(diǎn)聲速時，總是以換能器間的直線距離L作為傳播距離，因此有缺陷處的計(jì)算聲速就減小。2/5/20237波幅由于缺陷對聲波的反射或吸收比正常混凝土大，所以當(dāng)超聲波通過缺陷后，衰減比正?；炷链螅唇邮詹ǖ恼穹鶎p少。根據(jù)接收波首波振幅的異常變化也可以發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。振幅值雖然與混凝土質(zhì)量有相關(guān)性，但也取決于測試距離和換能器的聲學(xué)性能（儀器和換能器靈敏度、自振頻率、頻譜特性等），因此難以定出一種統(tǒng)一的指標(biāo)，只能在同一儀器設(shè)備和測距情況下作相對比較用。2/5/20238主頻（頻譜）對接收波信號的頻譜分析表明，不同質(zhì)量的混凝土對超聲波中高頻分量的吸收、衰減不同。因此，當(dāng)超聲波通過不同質(zhì)量的混凝土后，接收波的頻譜也不同。有內(nèi)部缺陷的混凝土，其接收波中高頻分量相對減少而低頻分量相對增大，接收波的主頻率值下降。頻率值也只能在同一儀器設(shè)備和測距情況下作相對比較用。2/5/20239波形當(dāng)超聲波通過混凝土內(nèi)部缺陷時，由于混凝土的連續(xù)性已被破壞，使超聲波的傳播路徑復(fù)雜化，直達(dá)波、繞射波等各類波相繼到達(dá)接收換能器。它們各有不同的頻率和相位。這些波的疊加有時會造成波形的崎變。目前，對波形的研究還不夠，只能是半定性的參數(shù)，作為判斷缺陷的參考。

2/5/202310二、超聲法檢測的基本原理（二）聲學(xué)參數(shù)1.聲速彈性模量↑,孔隙率↓,密實(shí)度↑,聲速↑強(qiáng)度↑，聲速↑混凝土內(nèi)部有缺陷(孔洞、蜂窩)，聲速↘超聲波穿過裂縫傳播，聲速↘聲速可以反映混凝土的性能與內(nèi)部情況2/5/202311二、超聲法檢測的基本原理2.振幅指首波，即第一個波前半周的幅值，反映了接收到聲波的強(qiáng)弱強(qiáng)度↑，振幅↑內(nèi)部有缺陷、裂縫，振幅↓振幅與儀器性能、耦合狀況、測距大小均有關(guān)系，沒有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，目前只作為同條件（同一儀器、同一狀態(tài)、同一測距）下相對比較用2/5/202312二、超聲法檢測的基本原理3.頻率超聲波檢測中，電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號是復(fù)頻超聲脈沖波，包含了一系列不同頻率成分測距越遠(yuǎn)，高頻成分衰減越多混凝土內(nèi)部缺陷及裂縫使主頻下降頻率與儀器性能、耦合狀況、測距大小均有關(guān)系，沒有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，目前只作為同條件(同一儀器、同一狀態(tài)、同一測距)下相對比較用各頻率成分通過頻譜分析取得2/5/202313二、超聲法檢測的基本原理4.波形顯示屏上顯示的接收波波形直達(dá)波、反射波、繞射波、縱波、橫波、表面波等的綜合反映波形分析常集中于波前部的縱波目前對波形的研究只能作一般的觀察、記錄2/5/202314二、超聲法檢測的基本原理5.聲速的測量方法v=l/t,l為測距，t為聲時5.1測距的測量方法對測時，鋼卷尺測量T、R間距離平測時，鋼卷尺測量T、R間凈距離5.2聲時的測讀方法游標(biāo)測讀自動關(guān)門,適用于信號較強(qiáng)時測量計(jì)算機(jī)自動尋找2/5/202315二、超聲法檢測的基本原理5.3零讀數(shù)t0的標(biāo)定方法儀器顯示時間t1包含超聲波在被測物體中傳播時間t、延遲時間（電延遲、電聲轉(zhuǎn)換、聲延遲）t0，t=t1-t0直接相對法，適用于作為精度要求不高或測距較大情況下，夾心式換能器的t0標(biāo)定長短測距法，適用各類平面換能器t0標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)棒法2/5/202316二、超聲法檢測的基本原理6.振幅的測量方法直讀法：固定發(fā)射電壓、衰減器刻度及增益值，直接讀取首波波谷（峰）距水平刻線的高度衰減器法：固定發(fā)射電壓、增益刻度，將首波高度衰減至某預(yù)定高度，此時從衰減器讀得的dB值即為首波幅度的指標(biāo)2/5/202317二、超聲法檢測的基本原理7.頻率的測量方法測量周期法f=1/4(t2-t1)=1/2(t3-t2)=1/(t4-t2)一般取前一、二個周期的波形2/5/202318三、超聲波法檢測混凝土缺陷（一）混凝土裂縫深度檢測1.平測法1.1適用范圍只有一個表面可供超聲檢測裂縫深度不大于500mm2/5/202319三、超聲波法檢測混凝土缺陷1.2檢測步驟：第一步，不跨縫聲時測量：將T和R置于裂縫同一側(cè)，以兩個換能器內(nèi)邊緣距離li’為100、150、200mm…，分別讀取聲時值ti，繪制“時-距”坐標(biāo)圖，或用回歸分析求出：li’=a+bti，則每測點(diǎn)超聲波實(shí)際傳播距離：li=li’+|a|，得出超聲波傳播速度：

v=(ln’-l1’)/(tn-t1)或v=b2/5/202320三、超聲波法檢測混凝土缺陷第二步，跨縫聲時測量：將T和R置于裂縫對稱的兩側(cè)，li’取100、150、200mm…，分別讀取聲時值tci，同時觀測首波相位的變化第三步，計(jì)算：裂縫深度按下式計(jì)算2/5/202321三、超聲波法檢測混凝土缺陷1.3裂縫深度的確定跨縫測量中，當(dāng)在某測距發(fā)現(xiàn)首波反相時，取該測距及兩個相鄰測距的裂縫深度平均值無反相，則將剔除li’<mhc和li’>3mhc數(shù)據(jù)，取余下的hci的平均值當(dāng)有鋼筋穿過裂縫時，換能器須離開鋼筋一定距離或?qū)、R連線與鋼筋軸線形成一定角度（40～50°）裂縫中不得有水或泥漿充填2/5/202322三、超聲波法檢測混凝土缺陷2.斜測法2.1適用范圍結(jié)構(gòu)裂縫部位有一對相互平行的表面時，優(yōu)先選用2.2測量方法保持T、R換能器連線的距離相等、傾斜角一致，進(jìn)行過縫與不過縫檢測，分別讀取相應(yīng)的聲時、波幅和頻率值。T、R連線通過裂縫時的波幅與頻率比不過縫測點(diǎn)比較，存在顯著差異2/5/202323三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.鉆孔測法3.1適用范圍大體積混凝土，裂縫深度大于500mm被測混凝土允許在裂縫兩側(cè)鉆測試孔2/5/202324三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.2鉆孔要求孔徑大于換能器直徑5～10mm測孔深度應(yīng)大于裂縫深度600～800mm對應(yīng)的兩個測孔應(yīng)始終位于裂縫兩側(cè)，且平行對應(yīng)測孔間距宜2m左右，同一結(jié)構(gòu)各對應(yīng)測孔的間距應(yīng)相同孔中粉末碎屑應(yīng)清理干凈橫向測孔的軸線應(yīng)具在一定的傾斜角宜在裂縫一側(cè)多鉆一個孔距相同但較淺的孔2/5/202325三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.3測試方法測試孔注滿清水，將T、R置于裂縫同側(cè)的B、C孔中以200～300mm的相同步距向下移動T、R，并讀取相應(yīng)的聲時與波幅值將T、R置于裂縫兩側(cè)對應(yīng)的A、B測孔中，同步向下移動，逐點(diǎn)讀取聲時、波幅和換能器所處深度2/5/202326三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.4裂縫深度判定主要以波幅測值作為判據(jù)繪制深度-波幅坐標(biāo)圖波幅最大并基本保持穩(wěn)定位置即對應(yīng)裂縫深度2/5/202327三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.5裂縫末端位置的判定采用斜測法當(dāng)兩個換能器的連線超過裂縫末端后，波幅測值保持最大值，判定測線AB、CD的位置通過裂縫的末端AB、CD兩條測線的連線交點(diǎn)便是裂縫的末端位置2/5/202328三、超聲波法檢測混凝土缺陷（二）混凝土不密實(shí)區(qū)和空洞檢測1.測試方法1.1平面對測結(jié)構(gòu)被測部位有兩對互相平行表面在測區(qū)的兩對平行表面上，畫100～300mm網(wǎng)格并逐點(diǎn)編號測量對應(yīng)測點(diǎn)的聲時、波幅和頻率2/5/202329三、超聲波法檢測混凝土缺陷1.2平面斜測被測部位只在一對平行表面可供測試，或被測部位處于結(jié)構(gòu)的特殊位置2/5/202330三、超聲波法檢測混凝土缺陷1.3鉆孔測法適用于大體積混凝土鉆一個或多個平行于側(cè)面的測孔，直徑38～45mm，孔深根據(jù)測試要求確定耦合：測孔用清水，側(cè)面用黃油測量同一高度或同步高度差的聲時、波幅或頻率2/5/202331三、超聲波法檢測混凝土缺陷2.不密實(shí)區(qū)和空洞的判定基本原理：超聲波遇不密實(shí)區(qū)或空洞時，其測得的聲時、振幅、頻率必將與正?；炷劣胁顒e異常值的判別方法：根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)理論確定，即置信范圍（mx±λ1·Sx)以外的觀測值為異常值，同時應(yīng)避免觀測失誤造成數(shù)據(jù)異常（檢查表面是否平整、干凈或是否存在別的干擾因素，必要時加密測點(diǎn)重復(fù)測試）2/5/202332三、超聲波法檢測混凝土缺陷2.1混凝土聲學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算2/5/202333三、超聲波法檢測混凝土缺陷2.2異常值的判別當(dāng)測區(qū)各測點(diǎn)的測距相同時，可直接用聲時進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷。將各測點(diǎn)聲時值ti按大小順序排列，t1≤t2≤t3…tn，視排在后面明顯偏大的聲時為可疑值，將可疑值中最小的一個數(shù)同其前面的聲時值進(jìn)行平均值（mt）和標(biāo)準(zhǔn)差（St）的統(tǒng)計(jì)以x0=mt+λ1·St為異常值的臨界值，當(dāng)參與統(tǒng)計(jì)的可疑值tn≥x0時，則tn及排列于其后的聲時值為異常值，再將t1～tn-1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷，直至判不出異常值為止。若tn<x0時，再將tn+1放進(jìn)去統(tǒng)計(jì)和判別，其余類推2/5/202334三、超聲波法檢測混凝土缺陷用聲速、波幅或頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷。將測區(qū)各測點(diǎn)的聲速、波幅或主頻值按大小順序排列，x1≥x2≥x3…xn，視排在后面明顯小的數(shù)為可疑值，將可疑值中最大的一個數(shù)同其前面的數(shù)進(jìn)行平均值（mx）和標(biāo)準(zhǔn)差（Sx）的統(tǒng)計(jì)。以X0=mx-λ1·Sx為異常值的臨界值,當(dāng)參與統(tǒng)計(jì)的可疑值xn≤X0時，則xn及排列于其后的數(shù)均為異常值，再將x1~xn-1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷，直至判不出異常值為止。若xn>X0時，再將xn+1放進(jìn)去統(tǒng)計(jì)和判別，其余類推2/5/202335三、超聲波法檢測混凝土缺陷相鄰測點(diǎn)異常的臨界值，按下式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷。

X0=mx-λ2·Sx

或

X0=mx-λ3·Sx

λ1、λ2、λ3與測點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，查規(guī)范表可得。2.3不密實(shí)混凝土和空洞范圍的判定根據(jù)異常測點(diǎn)的分布及波形狀況判定混凝土內(nèi)部存在不密實(shí)區(qū)和空洞的范圍注意：波幅測量值雖然對缺陷的反映很敏感，但由于受聲耦合狀態(tài)的影響較大，容易產(chǎn)生誤判和漏判2/5/202336三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.混凝土內(nèi)部空洞尺寸的估算3.1設(shè)空洞位于發(fā)射和接收換能器的正中央適用于只有一對可供測試的表面時，按下式估算空洞半徑：2/5/202337三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.2設(shè)空洞位于發(fā)射和接收換能器連線的任意位置適用于有兩對可供測試的表面時。設(shè)X=(th-tm)/tm，Y=lh/l，Z=r/l，則可根據(jù)X、Y值，由表C.0.1查得Z值，再計(jì)算空洞的大致半徑r2/5/202338三、超聲波法檢測混凝土缺陷（三）混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢測1.測試方法有對測法和斜測法兩種，測點(diǎn)布置要求：使測試范圍覆蓋全部結(jié)合面或有懷疑的部位各對換能器連線應(yīng)采用穿過和不穿過結(jié)合面布置各對換能器連線的傾斜角、測距應(yīng)相等測點(diǎn)間距100~300mm測試各對測點(diǎn)的聲時、波幅、主頻值2/5/202339三、超聲波法檢測混凝土缺陷2.數(shù)據(jù)處理及判定測點(diǎn)數(shù)足夠，仍用統(tǒng)計(jì)方法判定測點(diǎn)數(shù)不足，或數(shù)據(jù)較離散，可用通過結(jié)合面的聲速、波幅值與不通過結(jié)合面的聲速、波幅值比較，顯著低者，可判為異常測點(diǎn)被判為異常值的測點(diǎn)，查明無其他原因影響時，可判定這些部位的新老混凝土結(jié)合不良2/5/202340三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.實(shí)例根據(jù)聲時判別結(jié)果，t3、t4、t8、t9、t12、t15為異常值根據(jù)波幅統(tǒng)計(jì)和判別結(jié)果，A1、A3、A4、A8、A9、A12、A15為異常值2/5/202341三、超聲波法檢測混凝土缺陷（四）表層損傷層檢測1.測試原理當(dāng)T、R換能器間距較近時，脈沖波首先沿?fù)p傷層到達(dá)R，此時測得的為損傷層混凝土聲速。當(dāng)T、R換能器間距較大時，脈沖波透過損傷層沿未損傷層到達(dá)R，此時測得的為未損傷層混凝土聲速。必有一測距l(xiāng)0，脈沖波穿過損傷層與未損傷層到達(dá)R的時間相同。據(jù)此建立方程求得hf2/5/202342三、超聲波法檢測混凝土缺陷2.測試方法T耦合好保持不動，然后將R依次耦合在間距為30mm的測點(diǎn)1、2、3、…位置上，讀取相應(yīng)的聲時值t1、t2、t3、…，并測量每次T、R內(nèi)邊緣之間的距離l1、l2、l3、…，每一測位的測點(diǎn)數(shù)不得少于6點(diǎn)，當(dāng)損傷層較厚或不均勻時，應(yīng)增加測點(diǎn)數(shù)量2/5/202343三、超聲波法檢測混凝土缺陷3.損傷層厚度的判定用各測點(diǎn)的聲時值和相應(yīng)的測距繪制“時-距”坐標(biāo)圖，轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后分別代表損傷和未損傷混凝土的l和t相關(guān)直線建立回歸直線方程2/5/202344三、超聲波法檢測混凝土缺陷損傷層厚度的計(jì)算4.注意事項(xiàng)為增強(qiáng)接收信號，宜選擇低頻換能器（30～50kHz）有時因損傷程度輕或損傷層厚度不大，可能出現(xiàn)兩者速度差別不大，因此，測量時必須準(zhǔn)確測量T、R之間距離檢測完成后，宜作局部破損驗(yàn)證檢測結(jié)果2/5/202345三、超聲波法檢測混凝土缺陷（五）超聲法檢測混凝土缺陷的主要影響因素

1.耦合狀態(tài)的影響測面平整耦合劑厚度均一無泥砂粘附2.鋼筋換能器離開鋼筋一定距離或與鋼筋軸線形成一定夾角3.水分力求混凝土處于干燥狀態(tài)，缺陷內(nèi)的空氣不能被水充填2/5/202346四、超聲波檢測的儀器設(shè)備（一）超聲波檢測儀的技術(shù)要求

1.分類模擬式，由時域波形信號測讀聲學(xué)參數(shù)。如CTS-25、SYC-2等數(shù)字式，接收信號轉(zhuǎn)化為離散數(shù)字量，具有采集、儲存數(shù)字信號、測讀聲學(xué)參數(shù)和對數(shù)字信號處理的智能化功能。如RS型超聲儀、SY型超聲儀2/5/202347四、超聲波檢測的儀器設(shè)備2.技術(shù)要求具有波形清晰，顯示穩(wěn)定的示波裝置聲時最小分度為0.1μs具有最小分度為1dB的衰減系統(tǒng)儀器應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性接收放大器頻