土木工程材料原理與方法13超聲法測缺解讀

土木工程材料試驗(yàn)原理與方法1內(nèi)容回顧超聲法：重點(diǎn)原理、方法、定義聲波的衰減分貝混凝土中的超聲波特征參數(shù)影響因素測強(qiáng)測試方法綜合法土木工程材料試驗(yàn)原理與方法2土木工程材料試驗(yàn)原理與方法超聲法測試混凝土強(qiáng)度定義：采用能量轉(zhuǎn)換的方法，運(yùn)用電能轉(zhuǎn)換為超聲能量，在材料中傳播后，將其放大處理后又轉(zhuǎn)換為電能，用來測試材料性能的一種測試方法。超聲脈沖波速與材料的彈性性質(zhì)有關(guān)，以最短距離傳遞。超聲波:頻率>2×104Hz的一種彈性介質(zhì)的機(jī)械波，是聲波的一種。參數(shù)：聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗3土木工程材料試驗(yàn)原理與方法(二)聲波的衰減衰減：振幅隨傳播距離的增大而逐漸減小。聲波衰減的大小取決：超聲波頻率及其傳播距離，被測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。固體材料中三個(gè)原因：吸收衰減，散射衰減：α＝af＋bf2＋cf4；擴(kuò)散衰減：取決于聲輻射器的擴(kuò)散性能及波的幾何形狀，與傳播介質(zhì)無關(guān)分貝(dB)：聲學(xué)、電學(xué)中，兩個(gè)量綱相同的量的比。20lg（A/A0）或10lg（J/J0）4土木工程材料試驗(yàn)原理與方法混凝土測試中超聲波的特點(diǎn)重復(fù)間斷發(fā)射，非持續(xù)、一定頻率(100Hz或50Hz)間斷發(fā)射。脈沖超聲波不具有單一頻率，而是由許多不同頻率的余弦波組成的復(fù)頻波，有固定主頻率。頻散現(xiàn)象：不同頻率的余弦波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，波速不同，波形將隨距離的增大而發(fā)生畸變：脈沖開始部分的頻率比后面的頻率要高，越來越平、寬。頻漂：頻率越高，衰減越大，引起主頻率向低頻側(cè)的漂移52023/9/2常用的聲學(xué)參數(shù)聲速：聲速即超聲波在砼中的傳播速度。振幅：首波振幅與接受換能器處被測介質(zhì)超聲聲壓成正比，大小反映衰減情況；繞過裂縫和缺陷而傳播，振幅減小。振幅的大小還取決于儀器設(shè)備的性能、所處的狀態(tài)、耦合狀況及測距大小等。頻率：高頻成分首先被吸收和散射波形：直達(dá)波，反射波和繞射波相繼達(dá)到接受換能器，由于頻率和相位的不同，不同波的疊加有時(shí)也會使波形發(fā)畸變。2023/9/2

影響測強(qiáng)的主要因素1．橫向尺寸效應(yīng)2．溫度和濕度3．鋼筋4．粗骨料品種、粒徑和含量5．水灰比和水泥用量6．齡期和養(yǎng)護(hù)方法7．砼的缺陷和損傷2023/9/2超聲測強(qiáng)曲線分為統(tǒng)一曲線、地區(qū)性曲線和校準(zhǔn)曲線。測強(qiáng)曲線的建立——與回彈法相似常用砼測強(qiáng)曲線f-V的關(guān)系曲線形式：

(二次函數(shù))(指數(shù)函數(shù))(冪函數(shù))2023/9/2

超聲－回彈綜合法綜合法特點(diǎn)：減少齡期和含水率的影響；彌補(bǔ)相互不足，提高測試精度主要影響因素石子品種、用量及粒徑含水率/測試面其他因素的分析水泥品種PO、PS、PF，水泥用量200～450㎏/m3:無顯著影響粗砂、中砂及細(xì)砂、砂率在28～44％無顯著影響。碳化深度每＋1㎜，高0.6％左右；僅影響回彈值，碳化深度較大，含水量低，聲速下降。內(nèi)容提要超聲法測缺：重點(diǎn)裂縫缺陷其他無損檢測法電磁法紅外技術(shù)共振法沖擊回波法聲發(fā)射土木工程材料試驗(yàn)原理與方法102023/9/2超聲法測量砼裂縫原理：最短距離、最快速度傳輸砼：裂縫中含水或空氣,兩種阻抗差別很大的物質(zhì)，能量幾乎全部被反射，接收信號極其微弱。采用較低頻率，當(dāng)探頭置于裂縫兩側(cè)時(shí)，低頻的超聲波又可以從裂縫尾端繞過而傳到接受換能器，傳播時(shí)間變長、聲時(shí)計(jì)算值變小來判斷裂縫。2023/9/2深度≤500mm的裂縫要求：需檢測的裂縫中，不得充水或泥漿；裂縫中存在水分時(shí)，絕大部分超聲波經(jīng)水穿過裂縫傳播到接受換能器，使得無裂縫的波幅值無明顯差異，但可使用橫波換能器如有主筋穿過裂縫且于兩探頭的位置大致平行，布置測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)注意使兩探頭所在位置的連線至少與該主筋軸線相距1.5倍的裂縫隙預(yù)計(jì)深度。②測試方法：平測法或斜測法等。當(dāng)只有一個(gè)可測面，可采用平測法檢測。2023/9/2平測法以不同測距同時(shí)測跨縫和不跨縫聲時(shí)。步驟：1.不跨縫隙聲時(shí)測量，間距分別為50、100、150、200、250mm等，分別讀取聲時(shí)值tm。2．跨縫聲時(shí)測量，換能器中心連線垂直于裂縫方向，裂縫兩側(cè)間距分別為50、100、150、200、250mm等，讀取聲時(shí)值tf。3．計(jì)算裂縫隙深度hf∵聲波傳播速度一致，則

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λi1.941.961.982.002.022.042.052.072.092.102.12

n6062646668707274767880

λi2.132.142.162.172.182.192.202.212.222.232.23

n828486889092949698100102

λi2.252.262.272.282.292.302.302.312.322.322.33

2023/9/2例：20個(gè)聲時(shí)值，從大到小排列序號1234567聲時(shí)值106.4107.2107.9109.2109.4109.6109.6序號891011121314聲時(shí)值109.6110.4110.4111.2111.4111.6111.8序號151617181920

聲時(shí)值112.2112.4114.3114.6115.1115.8

2023/9/2判斷假設(shè)t15為可疑，則計(jì)算t1～t15的平均值mt和標(biāo)準(zhǔn)差Stn＝15時(shí)，

mt＝109.9，St＝1.71t01=mt＋λiSt

＝109.9＋1.56×1.71＝112.6，t15=112.2

<t01，t15正常因t15和t16相近，故假設(shè)t17為可疑，則計(jì)算t1～t17的平均值mt和標(biāo)準(zhǔn)差Stn＝17時(shí)，mt＝110.3，St＝2.00t02=mt＋λiSt=110.3＋1.60×2.00＝113.5，t17=114.3

>t02

，t17～t20為異常數(shù)據(jù)，故舍去。2023/9/2用波幅判斷則按從大到小的順序排列，x1≥x2≥x3≥x4≥……≥xn。視某xi為可疑數(shù)據(jù)，將可疑數(shù)據(jù)中最大的連同前面的計(jì)算平均值mx、標(biāo)準(zhǔn)差Sx，以x0＝mx－λiSx為臨界值，若可疑數(shù)據(jù)xi≤x0，則xi及排在其后的參數(shù)值異常，反之若xi≥x0，則再將xi+1的放進(jìn)去，重新進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判別。2023/9/2空洞檢測當(dāng)砼內(nèi)部存在空洞時(shí),采用100KHZ換能器超聲檢測,則在缺陷區(qū)的聲時(shí)明顯偏長,其波幅度和信號頻率均有明顯下下降當(dāng)空洞位于發(fā)射器和接收器的中間位置時(shí),且空洞的范圍大于換能器直徑時(shí),缺陷的最小橫向尺寸(垂直于超聲傳播方向)為

haDdl2023/9/2結(jié)果計(jì)算tD—缺陷處最大傳播時(shí)間tC—無缺陷處砼中平均聲時(shí)d—

缺陷的最小尺寸D—

換能器直徑L—

試件寬度2023/9/2疏松層測試砼表面疏松層厚度：多用于砼路面、機(jī)場跑道、表面受損狀況檢測。發(fā)射A固定，接收換能器置于Bj，沿表面以100㎜間距測量，當(dāng)接收換能器置于B0時(shí)，縱波按一定角度入射時(shí)，以折線傳播再經(jīng)過破壞層到達(dá)接收換能器，則超聲波傳播時(shí)間與測距t－L的關(guān)系曲線B2B3B0B4B5B1AaxxL0L2L3L4L1t1t0t4t5t3t22023/9/2疏松層計(jì)算x為水平投影距離，v1為損傷層中傳播速度，V2為密實(shí)層中傳播距離聲時(shí)傳播最短，對x求導(dǎo)∴得疏松層厚度土木工程材料試驗(yàn)原理與方法30土木工程材料試驗(yàn)原理與方法(三)共振法測量原理：通過用周期力或脈沖力激勵(lì)砼試件或構(gòu)件時(shí)的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)振動，記錄振動參數(shù)，根據(jù)基振頻率的衰減系數(shù)推算來反映材料的彈性與非彈性性質(zhì)。用途：測定材料的動彈性模量，利用聲源射出非衰減波，當(dāng)聲頻與待測試體的固有振動頻率成倍數(shù)關(guān)系時(shí),使振動在被測試體內(nèi)發(fā)生共振,在砼耐久性中抗凍性測試中使用,顯示出砼抗凍融性能。31土木工程材料試驗(yàn)原理與方法(四)輻射法用X、γ射線來測試砼的有關(guān)性能，兩種方法：①穿透輻射法：根據(jù)射線的穿透衰減或散射程度來推定。多用來測定材料密實(shí)度、腐蝕程度、鋼筋位置、直徑、保護(hù)層、厚度、灌漿質(zhì)量等②中子法，利用砼中的氫原子H對中子能量的衰減作用來測定含水率。，式中μ為衰減系數(shù)常用的中子源有：镅、鐳、钚、釙等衰減成鈹。32土木工程材料試驗(yàn)原理與方法(五)電磁法應(yīng)用頻率在90～1000MHz微波頻段的電磁波作為探測媒介，根據(jù)鋼筋及預(yù)埋鐵件會影響磁場現(xiàn)象而設(shè)計(jì)，主要用于測定砼中鋼筋位置、含水量和保護(hù)層厚度，常用的方法有：電磁波吸收法：根據(jù)電磁波通過砼后被吸收的能量的大小求得砼中的游離水分。游離水越多，衰減量愈少。電磁感應(yīng)法:用于測定鋼筋結(jié)構(gòu)中鋼筋的位置和直徑,砼是弱磁性,而鋼筋具有強(qiáng)磁性,磁力線通過時(shí)使磁力線集中于沿鋼筋方向。地面穿透雷達(dá)(GPR)：利用被測物體電磁特性敏感，向被檢測物體發(fā)射高頻電磁波，通過電磁波的反射或透射對被檢測物體內(nèi)部的異質(zhì)如鋼筋、孔洞以及密實(shí)度進(jìn)行成像33土木工程材料試驗(yàn)原理與方法(六)綜合法采用兩種(或兩種以上)的測試方法。單一的非破損試驗(yàn)方法，由于對各種因素影響的反應(yīng)敏感程度不同而使測試結(jié)果誤差較大，而采用幾種方法，綜合評定可消除片面性，較大的提高檢測結(jié)果的精度和可靠性。常用的有超聲—回彈綜合法：超聲法主要反映砼的內(nèi)部性質(zhì)；回彈法主要反映砼表面硬度。采用綜合法，可以部分抵消砼含水量對測試結(jié)果的影響，且較全面的反映了砼的整體性能。目前采用的綜合法還有超聲鉆芯綜合法，回彈鉆芯綜合法、聲速衰減綜合法等。34土木工程材料試驗(yàn)原理與方法紅外成像檢測技術(shù)是運(yùn)用紅外熱像儀探測物體各部分輻射紅外線能量，根據(jù)物體表面的溫度場分布狀況所形成的熱像圖，直觀的顯示材料、結(jié)構(gòu)物及其結(jié)合上存在不連續(xù)缺陷的檢測技術(shù)。它是非接觸的無損檢測技術(shù)，可以對被測物體上下、左右進(jìn)行非接觸的連續(xù)掃描成像，已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備、高壓電網(wǎng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的檢查，石化管道泄漏，山體滑坡檢查，冶煉溫度和爐襯損傷，航空膠結(jié)材料質(zhì)量的檢