超聲波測試混凝土的基本方法

1、超聲波測試混凝土的基本方法聲波在均勻的固體介質(zhì)中傳播時，特別是在金屬中定向傳播過程中，實際上并沒有什 么衰減，而在金屬與空氣界面上則幾乎全被反射回來。這就是利用聲波來檢測金屬零部件 均勻性和零件內(nèi)是否有氣孔、裂縫、鑄造等缺陷的物理基礎(chǔ)。而混凝土超聲探測亦是根據(jù) 這一原理來研究混凝土的結(jié)構(gòu)形態(tài)。目前比較成功的方法有以下幾種類型：（1）用超聲波通過混凝土來判斷混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法，叫透射法或穿透法；（2）用聲波所產(chǎn)生的回波信號來研究混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裂縫位置及波速叫反射法；（3）用聲波的界面滑行波來研究巖體的下伏界面速度及界面位置的方法叫折射法；（4）用鉆孔來了解混凝土內(nèi)波速及結(jié)構(gòu)特征隨深度的變化，

2、稱為孔中測定法。下面分別介紹各種方法工作的特點及使用條件.I透射波（直達波）法：混凝土超聲波透射法，是一種簡單而效果又是最好的探測方法采用透射法發(fā)收、換 能器機-電，電-機轉(zhuǎn)換效率高，因而在混凝土中的穿透能力相對較強，傳播距離相對較 長，可以擴大探測范圍。透射波法可以獲得較反射波法大幾倍，較折射波法大幾十倍的能 量，因而波形單純、清楚、干擾較小，初至清晰，各類波形易于辨認。透射波法要求發(fā)射 探頭和接受探頭之間的距離必須能夠準確丈量，否則計算出來的誤差值較大，反而影響了 測量的精度。當被測對象較破碎，或存在張裂縫時巖體對聲波的衰減系數(shù)較大，以及做大距離測試,可采用錘擊法。這時接收仍可采用單片彎曲

3、式換能器接收，其諧振頻率以10千赫左右為宜。因為在混凝土上加板的激發(fā)頻率主頻約在數(shù)千赫。鑒于這時所測聲時值較大，發(fā)射到 接收的系統(tǒng)延時值在數(shù)微秒，可忽略，故不再計較 to的值。U反射波（回波）法用發(fā)射、接收換能器檢測混凝土質(zhì)量。超聲波在混凝土中傳播時，所遇到的每個波阻 抗面上，都將發(fā)生反射、透射現(xiàn)象，在有幾個波阻抗面存在時，則在每個界面上都將發(fā)生 反射和透射。這樣我們在混凝土表面上可以觀測到一系列依次到達的反射波如圖1所示,反射波的強度不僅與入射波的強度有關(guān)外，而且決定界面的反射系數(shù)，即決定兩種介 質(zhì)的聲阻抗。聲波在介質(zhì)中傳播過程中，由于波前的發(fā)散作用和凝滯及阻尼等吸收作用， 波內(nèi)稀疏部分與壓

4、縮部分中間之熱傳導及輻射，以及反射波形成過程中都會使入射波的振 幅隨著傳播的距離增加而迅速衰減，在均勻同性介質(zhì)中，振幅隨距離按指數(shù)規(guī)律衰減。在 各向異性介質(zhì)中，振幅一方面要隨距離衰減外，而且隨著節(jié)理、層理、界面曲率、混凝土結(jié) 構(gòu)的破碎程度、裂縫的寬度和長度及與波傳播的方向等因素有關(guān)，無一定規(guī)律的衰減，在 計算時，這要看諸影響因素中起主導作用的是什么，抓住主要矛盾，再考慮其它因素。混凝土不均勻或者由界面破碎等波阻抗面的不同所造成的反射波，當波阻抗面距離小 于波形振動的延續(xù)面時，則往往造成兩個波形振動帶的干涉使之產(chǎn)生疊加，反射波多層薄 層分辯率最好的位置是在發(fā)射探頭附近，發(fā)射和接收探頭距離過大，則

5、往往使之淺層反射 波振動帶來嚴重干擾下層的反射波，這時超聲波形圖將是及其復雜而無法分辨的。因此， 在應用反射法時應注意以下幾個問題： 接收探頭應盡量靠近發(fā)射探頭，因為這時波具有穩(wěn)定的強度和一致的波形，這使得 反射波容易追蹤。 在發(fā)射探頭附近的測區(qū)內(nèi)，反射波法可以分辨界面相距較近的反射波。并且干擾最 小。 觀測點距離發(fā)射探頭不遠時，反射波射線在方向上接近于反射面的法線。因此上部混凝土中間分界面上折射的影響大大減少，這樣就便于認識波形和提高解釋的精度。川折射法 適用于表層混凝土有損傷W需要預先埋管或鉆孔混凝土聲波檢測的實例1. 混凝土試件的超聲波波速測試確定換能器的頻率，換能器選擇的主要指標是頻率

6、，以及由頻率計算出的波長入應滿足小于混凝土樣橫向垂直聲線方向尺寸D的2倍，考慮到接收信號的主頻率會低于發(fā)射 頻率，因此要求D（ 25）入，同時要求Xd（d為混凝土平均粒徑）。反過來確定換 能器的頻率f=V /入，f=（ 25）V /D?；炷翗悠返臏y試，在聲速可以穿透的情況 下盡量選用頻率高一些的換能器，因為這時會有好的指向性。例如45kHz的縱波換能器，在聲速為4000m/s的混凝土中，其波長入=0.09m,而混凝土試塊的尺寸為0.15mX 0.15m, 即波長入不滿足小于混凝土樣橫向垂直聲線方向尺寸D的2倍這個條件，需要進一步提高 換能器的頻率。此外，為保證換能器是良好的，有一定的電聲和聲

7、電轉(zhuǎn)換效率，其收發(fā)傳 輸效率大于 95%。系統(tǒng)的校零。在測試之前，必須測試發(fā)射換能器、電路、接收換能器的系統(tǒng)延時值 t 0,故每更換一次換能器需重復此項工作一次。t 0的測試方法最簡單的是對接法，即將 收發(fā)換能器的輻射面間加黃油或凡士林作為偶合劑，并相互緊貼，將發(fā)射能量調(diào)到最小， 讀取這時的聲時，即為t 0。此外尚有標準棒法，即一個一定長度的鋁棒或有機玻璃棒 （試 驗中心現(xiàn)有的標準棒的時間為25.6卩s）,事先在精密儀器上標定了它的聲波傳播時間t n 時，測試標準棒的聲波傳播時間t m,則t 0=t m t n，t n值已在棒上標出，故t 0可以 獲取，或直接調(diào)整聲波儀的旋鈕，使聲波穿過標準棒

8、的時間為tn。當然還有長短棒法，即取同一段有機玻璃棒其直徑應不小于 50mm，截取25、50、75、100、120mm數(shù)段，分 別用儀器依次測取其聲波傳播時間，如為t】、t2、t3、t4、t5，即可做時距曲線， 或進行一元線性回歸，即可測得t 0值，如果能夠做到每次的偶合狀態(tài)均達到最佳，那么 所測得的t 0值，基本上與對接法相一致，其相互間的誤差僅在 0.1卩s內(nèi)，即相當于一個 耦合油層的聲波傳波時間。測取混凝土樣品尺寸，一般可采用卡尺，其精度在 0.02mm可滿足要求，但對加工 面是否平行應加考慮，方法是采取對混凝土樣的兩測試面間，改換位置多次測量，以求得 兩被測面中心點至中心點間的距離。混

9、凝土超聲波的判讀與處理：我們主要通過波的到時，以及頻率、周期、振幅、相 位等定性定量數(shù)據(jù)，借以研究混凝土結(jié)構(gòu)和巖體的基本物理力學性質(zhì)。 詳細了解并掌握聲波檢查儀性能，充分利用儀器的某些特殊設(shè)計，如改變脈沖的寬 度和輸出發(fā)射電壓的大小等， 詳細了解并掌握換能器的聲波指向性，適當選擇并安放收發(fā)換能器的位置及傾斜角 度。 根據(jù)研究目的和波形特點，適當選取收、發(fā)探頭的頻率。 換能器的電-聲及聲-電轉(zhuǎn)換效率與換能器的輸出輸入阻抗匹配情況有很大影響。 應采用磨平探測點混凝土表面或加耦合劑的辦法來改善換能器與混凝土的耦合狀態(tài)。 選擇最佳的觀測系統(tǒng)。初至相也圖2 消除干擾波。通過實測取得一張 完整的波形剖面圖

10、后，就要對剖面進行 震相辨認，區(qū)分出直達縱波、直達橫波、 反射波、折射波及其它各種轉(zhuǎn)換波。初至點根據(jù)波的到時及波形特點，并計算 波速和研究各類波的所攜帶的有用信 息。圖1為透射法實測波形圖。從圖上 可以看出：由時標可分別計算發(fā)射脈沖到接收探頭之間縱波的初至點及時間間隔，從而計算波速。波形分析及震相的識別是在工作一開始就要考慮的問題，這一工作貫穿在整個 聲波測試工作的始終。如在選用探頭和探頭的安裝上就應考慮到突出被測震相，其次要了 解各類波的震相特點和利用各類波的對比才能加以識別。縱波初至時間的測定應盡量增大 放大器的增益，這樣找到的波形起跳點“干凈”。在增大放大器的增益時，噪聲也將隨之 放大，

11、測定起跳點時，應避免噪聲的干擾等產(chǎn)生的誤差。在有高頻成分干擾P波初至時，最好采用高頻包絡(luò)線與基準線（0線）的交點作為初至時刻。當縱波 P的初動不明顯或初 動反向時，需要根據(jù)震相特點及波速，波速比等諸因素認真研究。同時改變探頭的耦合條 件和傾斜方向，力爭使各測點初動方向一致。橫波初致時間的確定：由于S波的初致時間較晚，基本在P波的續(xù)至區(qū)及其它界面波的干擾區(qū)內(nèi)，因此 S波的初至的測定是比較困難 的。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗認為可采用如下措施：把放大器的增益盡量減少，使P波振幅幾乎小到與水平基線重合的程度，這時在波列圖上只能見到S波的振幅，這樣可以大體上確定 S波的起點。然后，再加大增益，細找S波的起始點。一般

12、情況下在S波大振幅前面去找周期、 振幅、相位與P波列不同的屬S波初至的震相。也可根據(jù)縱橫波速比值及理論時距曲線法 查找初至。儀器的聲時準確度檢查?？諝庵新曀俚臏y試取常用平面換能器一對，接于聲波儀 上，開機預熱30min，在空氣中將兩換能器輻射面對準，在變動兩輻射面彼此相隔距離的 情況下（女口 0.1m、0.15m、0.20m、0.25m、0.30m、0.35m、0.40m）,將接收信號盡可能放 大，測出相應于各間距的聲時tl, t2，t3.。測量時應注意：換能器間距的測量誤差應小 于或等于0.5%;換能器宜懸空相對，若置于地板及桌面上時，需在換能器下面墊以海綿塊 或泡沫。計算空氣的聲速：以換能

13、器距離為縱坐標，聲速讀數(shù)為橫坐標，將各組數(shù)據(jù)點繪 在直角坐標圖上，各點應在一直線上。在坐標紙上畫出該直線，并算出直線斜率；即為空 氣聲速實測值V1。空氣聲速的標準值按公式V2 = 331.4X 10.00367 T （T為測試時空氣的溫度）。要求：空氣聲速的實測值V1和標準值V2的相對誤差er不應大于土 0.5%，否則 儀器計時系統(tǒng)不正常。er =（V1-V2）/V2 X 100%2混凝土缺陷檢測在混凝土結(jié)構(gòu)物的施工及使用過程中，往往會構(gòu)成一些缺陷和損傷。形成這些缺陷和 損傷的原因是多種多樣的，一般而言，主要有4個方面：（1）施工原因，例如，振搗不足、鋼筋網(wǎng)過密而骨料最大粒徑選擇不當、模板漏漿

14、等所 造成的內(nèi)部孔洞、不密實區(qū)、蜂窩及保護層不足、鋼筋外露等；（2）由于混凝土非外力作用形成的裂縫，例如，在大體積混凝土中因水泥水化熱積蓄過 多，在凝固及散熱過程中的不均勻收縮而造成的溫度裂縫，混凝土干縮及碳化收縮所造成 的裂縫；（3）長期在腐蝕介質(zhì)或凍融作用下由表及里的層狀疏松；（4）受外力作用所產(chǎn)生的裂縫，例如因齡期不足即行吊裝而產(chǎn)生的吊裝裂縫等。雖然形成缺陷和損傷的原因很多，但是缺陷和損傷的形成不外乎圖3所示的幾種1.2.3裂縫；4孔洞；5蜂窩；6層狀破壞1928年，首先用于金屬材料及其零件。當這些缺陷和損傷往往會嚴重影響結(jié)構(gòu) 物的承載能力和耐久性，因此，是事故處 理、施工驗收、陳舊建筑

15、物安全性鑒定、 進行維修和補強設(shè)計的檢測項目。所謂混凝土探傷，就是以無損檢測的 手段，確定混凝土內(nèi)部缺陷的存在、大小、 位置和性質(zhì)的一項專門技術(shù)。超聲波技術(shù)用于材料內(nèi)部缺陷的探傷始于 時制成了第一臺連續(xù)超聲波探傷儀，它只能探測缺陷的有無，而無法確定缺陷的大小和位置。1934年提出了用超聲脈沖技術(shù)進行探傷。在第二次世界大戰(zhàn)中雷達技術(shù)迅速發(fā)展，采 用超聲脈沖技術(shù)的相應儀器也隨之日臻完善。目前，在金屬材料中已應用了超聲顯像、自 動報警等新技術(shù)，而且超聲波全息照相技術(shù)也得到應用。混凝土探傷技術(shù)的發(fā)展比金屬材 料探傷的發(fā)展要晚得多，在這方面的研究工作直到50年代才逐步開始。在我國，直到 60年代才受到工

16、程界的重視。1990年我國制定了超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程（CECS221： 90）。金屬材料的探傷主要是應用超聲波在內(nèi)部缺陷界面上的反射特征，以反射波作為判斷 缺陷狀態(tài)的基本依據(jù)。鑒于混凝土的非均質(zhì)特性，高頻超聲波在混凝土中傳播時，將受到 無數(shù)個界面的反射，若用金屬超聲探傷儀進行混凝土探傷，難以鑒別出缺陷。因此，混凝 土超聲探傷的基本原理與金屬探傷不同。混凝土超聲探傷采用以下4點作為判別缺陷的基本依據(jù)：（1）根據(jù)低頻超聲在混凝土中遇到缺陷時的繞射現(xiàn)象，按聲時及聲程的變化，判別和計 算缺陷的大?。唬?）根據(jù)超聲波在缺陷界面上產(chǎn)生散射，抵達接收探頭時能量顯著衰減的現(xiàn)象判斷缺陷 的存在及大小；（

17、3）根據(jù)超聲脈沖各頻率成分在遇到缺陷時衰減的程度不同，接收頻率明顯降低，或接 收波頻譜與反射波頻譜產(chǎn)生的差異，也可判別內(nèi)部缺陷；（4）根據(jù)超聲波在缺陷處的波形轉(zhuǎn)換和疊加，造成接收波形畸變的現(xiàn)象判別缺陷。以上4點可以單獨運用，也可綜合運用。根據(jù)以上原理，在進行混凝土探傷時所需測量的物理量是聲程、聲時、衰減量、接收 波形及其頻譜，所以，凡是有波形顯示的混凝十超聲檢測儀均可用于探傷。而無波形顯示 的數(shù)字顯示聲速儀，雖然也可用于探傷，但它只能提供聲時和聲速作為唯一的判別依據(jù)， 因而容易造成誤判。2.1混凝土內(nèi)部孔洞、裂縫及蜂窩狀缺陷的探測（一）缺陷大小的實際聲程計算法內(nèi)部缺陷的檢測應采用穿透法，其發(fā)射

18、及接收探頭的布置如圖4所示。在探測時首先在缺陷附近（圖4）的（a）位置，測出無缺陷混凝土的聲時值，并按厚度算出聲速C （取數(shù)點的平均值），然后將探頭移入缺陷區(qū)，并找到聲時最長的一點，該點即為缺陷垂直于 兩探頭連線平面的“中心”位置，然后測讀出聲時值。這時的聲時值應為聲波繞過缺陷所需的時間。假定空洞正好居于厚度L的中心，則在超聲 傳播方向上（即兩探頭連線方向上）的最小橫向 尺寸可按下式計算：d二D 辰22式中，d為缺陷最小橫向尺寸；D為探頭直 徑；L為混凝土厚度；C為混凝土聲速（C= L/ti）; tl為超聲過無混凝土時的聲時；t2為探頭在缺陷圖4混凝土內(nèi)部缺陷的探測中心位置時的聲時。顯然，當L

19、與d之比越小時，tl與t2之差越大，探測準確度越高，但當缺陷形狀為扁平狀或片狀的內(nèi)部裂縫，而且其走向與超聲傳播方向平行時（見圖 5中的a-a位置），L/d將變得很大，ti與t2基本相等，這 時，這種方法無效。克服的辦法是在條件可能的情況下將探頭移過一個角度（見圖 5中的 b-b及e-e位置）。探頭位置移動后，進行缺陷尺寸計算，在（2- 1）式中應改用新的參數(shù) 代入，例如探頭在e-e位置時，缺陷的尺寸d可近似計算如下：d =丄陸2 _L：（2）s i n式中：d為片狀缺陷平面內(nèi)的最小尺寸；Lc為探頭間的最短距離；tc為探頭在e-e位置 時，超聲繞過缺陷所需的聲時；C為無缺陷混凝土的聲速；a為兩探

20、頭連線與缺陷平面的 夾角。當缺陷小于探頭直徑時，聲時無明顯變化，但因缺陷界面的散射將使衰減值增加，接 收波的波高下降，這時應改用衰減值（波高變化）或接收波頻率的下降程度作為判別缺陷 是否存在的依據(jù)。當探頭在某一面積上移動時，發(fā)現(xiàn)其中某一點接收波高顯著下降，而聲 時無顯著變化，而且探頭連線轉(zhuǎn)過一個角度后有同樣現(xiàn)象，則可判為該點有小于探頭的缺 陷存在（見圖6）。（二）大面積掃測的缺陷判別所謂內(nèi)部缺陷，是指在混凝土表面無外露痕跡的缺陷。在實際結(jié)構(gòu)及構(gòu)件檢測中，不 可能在全部面積上進行全面探測，一般均選擇重要受力部位及對施工質(zhì)量有懷疑的部位進 行仔細探測。當需仔細探測的面積較大時，可用多級網(wǎng)絡(luò)法描出等

21、聲時線，并逐步縮小測區(qū) 的方法（見圖7），這樣可防止遺漏，同時又避免了大面積的細測。網(wǎng)絡(luò)的大小可視構(gòu)件大小而定，例如第一級網(wǎng)絡(luò)采 用30cm間距，然后在聲時變化的點上再劃出二級網(wǎng)絡(luò) (例如10cm)，將各等聲時點連接起來即成“等聲時 線”，在等聲時線的范圍中，聲時最長的點即為該缺陷 區(qū)的“中心”位置。為了定量地確定缺陷的存在，近年來普遍采用 統(tǒng)計方法。其具體方法是用被測構(gòu)件的各測點聲時 值t和超聲穿透距離L求出聲速C，然后根據(jù)已知 的R = f (C)關(guān)系，換算出各測點的估算強度 R。 假定所有測值總體呈正態(tài)分布，求出其平均強度R和標準差S，則判定某點存在缺陷的依據(jù)為Ri : R 2Sc(3)

22、圖7多級網(wǎng)格法探測缺陷區(qū)示意圖若第i點的強度值Ri符合上式，則該值出現(xiàn)的概度只有 2.27%，即出現(xiàn)的機率極少， 如果有，應是一異常點，可視為存在缺陷的可疑位置。當被測對象的R = f (C)關(guān)系不明確，難以將C值換算成R值時，可直接用C值的統(tǒng) 計結(jié)果作為判別依據(jù)G ：C - 2Sc式中，C為所有測點聲速平均值；Sc為聲速值的標準差；Ci為第i點的聲速值。當被測構(gòu)件的厚度不變(即聲程 L不變)時，也可直接用聲時值的統(tǒng)計結(jié)果作為判別 依據(jù)：ti v t + 2St(5)式中：t為所有測點聲時平均值；St為聲時值的標準差；ti為第i點的聲時值。以上判據(jù)中未反映測點的影響。為了更確切地判別缺陷，南京

23、水利科學研究院曾提出如下判別方法：首先計算出結(jié)構(gòu)物各測點估算強度的平均值R及標準差S,然后分兩種情況對各測點進行判斷。1 .孤立的低強度點計算出該點強度和平均強度之差與樣本標準差的倍數(shù)z,即(R 一 Rmin)/ S= Z( 6)式中：R為所有測點的平均強度值；Rmin為孤立低強度點的強度值；S為強度值的標準差。再從正態(tài)分布表上查得 Rmin= R ZS時出現(xiàn)的概率P,然后算出在N個測點中Rmin可 能出現(xiàn)的次數(shù)M = NP( 7)式中：M為Rmin在正態(tài)分布的數(shù)值樣本中可能出現(xiàn)的次數(shù)；N為測點總數(shù)；P為Rmin在正態(tài)分布的樣本中的概率。其判為缺陷的條件是M v 1(8)即在正常情況下，這樣的

24、強度值是不應當出現(xiàn)的，現(xiàn)在出現(xiàn)了一個點，說明是異常點， 應判為缺陷。2. 幾個相鄰點的強度都低于某一最小強度的區(qū)通常取最小強度 Rmin= R 2S，即Z = 2。這時Rmin出現(xiàn)的概率為P= 2.28%。若在網(wǎng)絡(luò)測點中，某點A的強度低于Rmin，其相鄰四點中的任一點也低于 Rmin，這種 情況出現(xiàn)的概率為：P=（ 2.28%） 2X 4= 0.208%同樣，當NPV 1時，則認為此相鄰兩點處有缺陷。當被測對象的R = f （C）關(guān)系不明確時，也可直接用聲速 C值的統(tǒng)計結(jié)果作為判別依 據(jù)。表1統(tǒng)計數(shù)的個數(shù)n與對應的入i值n141618202224262830入11.471.531.591.64

25、1.691.731.771.801.83n323436384042444648入11.861.891.921.941.961.982.002.022.04n5052 n5456586062 :64：68 :入12.052.072.092.102.122.132.142.1552.17n6870747880848890：95 :入12.182.192.212.232.242.262.282.292.31n100105110115120125130135140入12.322.342.362.382.402.412.422.432.45n145150155160170180190200210入12.

26、462.482.492.502.522.542.562.572.59中國工程建設(shè)標準化協(xié)會1990年公布的超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程（CECS21: 90）中推薦采用下述方法進行判別：首先將測區(qū)內(nèi)各測點的聲時值（ti）由小到大按順序排列，即t1 t2- tn X。，則將tn及排在其后的各聲 時值均為異常值；當tnV X0時，應再把tn+1放進去重新計算t和St，并算出新的異常情況 判斷值X0,再與tn+1作比較。如果在各測點同時測得波幅和頻率值，及按聲時算出的聲速值（以 X代之），則也可按 上述方法進行統(tǒng)計處理，把它們分別按次序由大到小排列，排成 X1 X2Xn Xn+1，將 排在后面明顯小

27、的數(shù)據(jù)視為可疑。然后再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個（假定為 Xn）連同 其前面的數(shù)據(jù)，算出平均值X和標準差Sx，并按下式求出判斷值X0。X0= X 入 1Sx（10）式中：X為各測點波幅、頻率或聲速的平均值；Sx為波幅、頻率或聲速的標準差；其余各項含義同前。再將判斷值X0與可疑數(shù)據(jù)的最大值Xn相比較，當XnX0時，則應再將Xn+1放進去重新計算X和SX，并求出新的判斷 值X。，把作比較。當測區(qū)中某些點聲時值（或聲速值）、波幅值（或頻率值）被判為異常值時，可結(jié)合異 常測點的分布及波形狀況，確定混凝土內(nèi)部缺陷的范圍。必須指出，波幅值和頻率值是與衰減密切相關(guān)的兩個參數(shù)，因此，它們必然受耦合條件的明顯影

28、響，若耦合條件保證不了波幅和頻率測值的穩(wěn)定，則該參數(shù)不能作為統(tǒng)計法的 判據(jù)。以上判據(jù)，改變了原來完全經(jīng)驗性的判別方法，使缺陷的判別數(shù)值化。但這一判別方 法尚待完善。其問題在于：上述判據(jù)均假定缺陷檢測時，所有的測值的總體滿足正態(tài)分布 規(guī)律。但事實上，在有缺陷存在的情況下，測值的分布與常用的混凝土強度分布規(guī)律不同， 缺陷越多，則偏離正態(tài)分布規(guī)律越遠。而且， S值隨著混凝土均一性的不同而變化，當混 凝土均勻性較差時，S值很大，這時很可能會掩蓋真正的缺陷。所以，一個構(gòu)件或結(jié)構(gòu)均勻 性很差或缺陷較多時，采用上述判據(jù)會產(chǎn)生漏判。（三）缺陷的聲時、振幅、波形綜合判斷在第一節(jié)中已闡明，缺陷的存在，除了反映在超

29、聲傳播時間延長外，還反映在接收波 幅度降低（衰減）和波形畸變。如能綜合運用這些因素進行判斷， 必能提高判斷的準確性。 若在探測時測得各測點的聲時值t （或聲速C）、接收波波幅A （或衰減系數(shù)a）的相對值, 則大體上可參考表2-2進行定性判斷。同時，也可參考接收波的波形。如果聲時偏大， 波幅偏小，而且波形畸變，則可以肯定混凝土質(zhì)量有缺陷。為了能定量地用聲時、波幅和接收波頻率來判斷缺陷的存在，南京水利科學研究院提 出了一個綜合質(zhì)量指標comAf -n)ti -m(11)式中：Kcom為判斷缺陷的綜合值；fi為某測點接收波頻率，kHz ； Ai為某測點接收波波幅,SASFStt(12)NP，dB或m

30、m； ti為某測點聲時值；卩s，m， n為常數(shù)。表2綜合定性判斷表衰減聲時t正常（C正常）t正常（C偏大）t正常（C偏?。〢正常（a正常）強度正常強度較高強度較低有局部缺陷A正常（a偏小）強度正?；蚱邚姸容^咼質(zhì)量較好強度正?；炷翝{多石少強度正常但表面層差強度正常強度偏低質(zhì)量不良A正常（a偏大）不良或有內(nèi)部缺陷混凝土石多漿少內(nèi)部有缺陷在綜合指標中，引入 m, n兩項常數(shù)項的原因是：由于混凝土質(zhì)量變化時， A、f、t的 變化幅度很不一致，其中A的變化幅度最大，t的變化幅度最小，因而三者對 Kcom的制約 權(quán)數(shù)不等。為了改善這種狀況，引入 m、n常項。m、n值的確定，以使A、f、t三者的變異系數(shù)

31、相等為原則，可按下式計算：式中：SA為各測點接收波波幅測值的標準值；A為各測點接收波波幅測值的平均值；SF為各測點接收波頻率減去n后的標準差；f為各測點接收頻率減去n后的平均值；ST為各測點聲時值減去m后的標準差；t為各測點聲時值減去m后的平均值。隨著超聲檢測儀器的迅速發(fā)展，在探傷中若能采用具有波形數(shù)字采集和處理功能的智 能型儀器，則可通過機內(nèi)自動判讀功能和頻譜分析功能， 迅速而準確地獲得各測點的聲時、 幅值、主頻率、頻譜畸變系數(shù)等許多參數(shù)。因此，多因素綜合判斷是缺陷判斷的必然趨勢。隨著可利用參數(shù)的增多，綜合判斷的模式也會不斷發(fā)展。近年來，聚類分析、模糊綜合評 判等模糊數(shù)學的多因素綜合判斷方法

32、都已被引用于探傷技術(shù)，這些進展必將使混凝土測缺 陷的數(shù)值判據(jù)更準確、更科學、更完善。2.2混凝土裂縫深度的探測混凝土開口垂直裂縫深度的探測，可視構(gòu)件的形狀及裂縫位置的不同，采用穿透法和 平測法。（1）當垂直于裂縫的構(gòu)件斷面不大時，可在平行于裂縫的兩側(cè)面上用穿透法進行探測。 探測時將探頭沿構(gòu)件側(cè)面逐點移動，當兩探頭連線未與裂縫平面相交時，聲時不變，兩者 相交后聲時逐漸拉長。AA圖8平測法探測裂縫深度的探頭布置在采用這一探測方法時，假定裂縫中沒有積水和其它能夠傳聲的夾雜物，事實上這是 不可能的。因此，用該法探測的裂縫深度往往小于實際深度。為了避免誤判，也可采用波 高法作為輔助判據(jù)。當接收信號的波高

33、顯著下降，而且越來越低，不再回升時，即使聲時 未明顯增大，也應將波高開始下降的那一點對應的高度判為裂縫的深度。此外，由于裂縫 中的某些夾雜物形成聲通路，聲時會突然減小，但波高不會完全恢復，因而據(jù)此還可排除 夾雜物的影響。如果裂縫中充滿水，則可采用橫波探頭消除 水的干擾。（2）當結(jié)構(gòu)物斷面很大，無法在側(cè)面用穿 透法測量時，可用開口垂直裂縫的深度平測法探 測，其探測與判斷方式可采用圖6的方式。 對于圖8所示的方式，首先將探頭在無裂縫處用平測法測出 混凝土的聲速。測量時，所選的區(qū)域中混凝土的各種 條件包括配比、濕度條件等均與裂縫區(qū)混凝土的相同。C值取多次測量的平均值，然后將探頭等距離地置于裂縫兩側(cè)，

34、讀出聲波繞過裂縫末 梢時的聲時值。根據(jù)幾何關(guān)系，有將（14）代入（13）得2 2 1 2DC2 二 AC2 AB241ACCt12DC 2 二罰厲)2 _AB2(13)(14)(15)式中：DC即為裂縫深度h; C為無缺陷處混凝土的聲速；t1為聲波繞過裂縫所需的聲時;AB即為探頭間距do（15）式又可改寫為:h = *J(Ct1)2 J(16)試驗證明，探頭與裂縫的距離 AD、DB與裂縫深度DC相接近為宜。若A、B相距太遠，則AB的長度與折線AC、DB的長度之差減少，這樣，由于混凝土的非均質(zhì)性，按（16）式計算時甚至會得出負值；若 A、B相距太近，繞行信號減弱，有可能被底面反射信號所 干擾，計

35、算結(jié)果會接近或超過結(jié)構(gòu)物的厚度。當有鋼筋穿過裂縫時，如探頭靠近鋼筋，則會影響測量結(jié)果，若鋼筋與換能器連線間 的距離D較小時，部分聲波將折射人鋼筋并沿鋼筋傳播且先于繞裂縫末端傳播的聲波到達 接收換能器。顯然，這時的鋼筋象一座搭在深谷（裂縫）上的“橋”，使聲波的傳播“短路”，結(jié)果是：計算得的裂縫深度變小，甚至為負數(shù)。此時探頭應避開鋼筋。應避開的最短距離可計算如下：如圖9所示情況，若無鋼筋影響，則可運用（16）式，所以繞過裂縫的聲時應為:1 :t14hC當存在鋼筋時，通過鋼筋所需的聲時2 2Cs -C 丄ts - 2D . 2 2 ,C：c2欲使鋼筋對裂縫深度的探測不造成影2 -i2圖9平測法測試裂

36、縫深度時鋼筋影響的消除(17)ts，2D c2c(18)響，必須使tst1,所以，化簡后得:(19)Cs . 4h212 - dlD 2jC；-C2a）圖10波形反相D就是為了避免鋼筋影響。D為鋼筋與探頭的最小距離； Cs為鋼筋聲速；C為混凝土聲速。對于一般估算，D可取1.5h左右。在平測法測裂縫中有一個有趣的現(xiàn)象，那就是波形反 相。當我們從短測距開始作跨縫測量時，隨著測距增大， 到某一測距時，會發(fā)現(xiàn)波形發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這就是波形反相。 例如，當換能器在裂縫兩側(cè)相距15cm時，波形如圖10 a）， 首波是向下的。當測距增加至20cm時，波形變成圖10 b）， 首波變成向上。跨縫測量中首波反相的原因有

37、待進一步探討，但有一點是明確的：首波反相是在換能器間距離大致為裂縫深度的1 1.5倍左右時發(fā)生。2.3斜裂縫的探測對于斜裂縫的探測，不僅要求測出其深度，而且還要求測出其走向，一般可采用三角 形定位法和雙橢圓定位法。圖11所示即為三角形定位法示意圖。測試時，首先在裂縫附近測出混凝土的平均聲速C,然后將其中一個探頭固定于 A位置，另一探頭移至E及D，測出聲波經(jīng)AB BE所需的聲時t1及經(jīng)AB - BD的聲時t2，即可得出以下方程:AB BE =t1C(20)AB BD =t2C(21)BE2 二 AB21； -2ABI2cos：(22)BD2 二 AB2 l12 -2ABl1 cos(23)將實測

38、的C、ti、t2、11、12等代入（20）、（21）、（22）、（23）式，并解出未知項，即 可由 ABEA或厶ABD確定裂縫的走向和深度。B2J圖11斜裂縫的三角形定位法示意圖圖12斜裂縫的橢圓判定法示意圖圖12為雙橢圓定位法示意圖，在測出混凝土的聲速 C后，將兩探頭分別置于 A、B 及A J B /位置，取AB二AB = 2J。若測出聲波沿AD、DB傳播的聲時t1及沿AD、DB 傳播的聲時t2。由于AD BD 丸匕=2a1ADBD 二 Ct? =2a2因此，分別以A、B及A，、b2 = a； - J 2b； =a； - J2B，為焦點，以、b1及&、b2作為長、短軸，即可得到兩個橢圓方程:

39、若取同一坐標系,22 2 x_ Il “ af b12則可得：- 22 2 a1 R2 2x_里胡2 2a2b2(24)(X1 M )2y；1bT12a2(25)顯然，裂縫的末端必在這兩個橢圓的交點上。所以，解（25）式即可求出裂縫末梢的座標位置，為簡化計算，也可用作圖法定位。2.4混凝土承載時微裂縫增生過程的測量近年來應用超聲探傷技術(shù)已成為研究混凝土力學性能的重要手段。II P圖13測量微裂縫開展 過程的探頭布置在進行微裂縫增生過程的測量時，仍然以聲速的變化作為特 征值。因為隨著微裂縫的增加，聲波需繞過裂縫傳播。因此，實 際聲程隨微裂縫數(shù)量和大小的增加而增加，聲時值也隨之增大， 若這時仍以探

40、頭間距作為聲程，貝U所求出的聲速明顯下降。造成 聲速下降的另一個原因，是由于聲波因微裂縫的散射而嚴重衰 減。這時由于接收波形起點誤判所引起的聲時延長也使表面聲速 下降。后者在無波形顯示的數(shù)字示聲速儀上更為明顯。所以，聲 速的變化相應地反映微裂縫的大小和數(shù)量。在壓應力的作用下， 混凝土中微裂縫的發(fā)展方向與壓力方向相近，所以布置探頭時， 兩探頭連線應垂直于壓力方向，這樣探頭較為敏感（見圖13），這 時超聲傳播方向與部分裂縫平面相垂直，因而超聲需繞行的聲程 較長，散射也較嚴重，聲速變化較為明顯，反之，根據(jù)這一原理， 若在不同的位置布置探頭，按各對探頭間聲速變化的不同，又能判斷出在外力作用下混凝 土微

41、裂縫的開展方向。圖14為混凝土應力應變過程中各個不同階段的聲速變化情況。從應力變?nèi)^程曲線及聲速變化曲線可以看出，整個過程大體上可分為4個階段：第一階段即應力與強度極限之比小于 0.4時，應力應變曲線接近于直線，超聲速度基本上不變。在 這一階段中，混凝土初始微裂縫尚未開展；第二階段，應力與強度極限之比約為0.40.7或0.40.9,應力應變曲線開始彎曲，聲速稍有下降。這時混凝土中的原始界面裂縫開始 擴展；第三階段，應力與強度極限之比約為0.81.0,這時界面微裂縫穿過砂漿形成貫穿裂縫，應力應變曲線明顯彎曲，達到峰值點，由于裂縫的迅速擴展和貫穿，使聲速急劇下 降。第四階段，已超過了極限應力，混凝

42、土嚴重開裂，只能依靠開裂面的機械嚙合作用承 受荷載。這時變形迅速增大，承載能力逐步下降，聲速也隨之下降。C - c/e 曲1.00. 4出金I段隈I圖14混凝土不同破壞階段時的聲速變化OF: EWO o o O I3-I2-L由以上試驗可知，當試件承受壓應力的作用時，聲速的變化能明確地反映試件內(nèi)部裂 縫的增生情況，并與應力應變曲線有著相應的關(guān)系。這就使我們能從微裂縫開展的角度， 解釋混凝土應力應變的種種現(xiàn)象。2.5兩次澆筑的混凝土之間結(jié)合質(zhì)量的檢測對于一些大體積混凝土和鋼筋混凝土框架等重要結(jié)構(gòu)物，為保證其整體性。應該連續(xù) 不間斷地一次澆筑完混凝土，但有時因施工工藝的需要或因停電、停水等意外原因

43、，在混 凝土澆筑的中途停頓間歇時間超過三個小時后再繼續(xù)澆筑；還有已澆筑好的混凝土結(jié)構(gòu) 物，有時因某些原因需要加固補強，進行第二次混凝土澆筑。在同一個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上兩次 澆筑的混凝土之間，應保持良好的結(jié)合，使其形成一個整體，共同承擔荷載，方能確保結(jié) 構(gòu)的安全使用。但是，在做第二次混凝土澆筑時，對已硬化混凝土表面的處理往往不能完 全滿足設(shè)計要求，澆筑工序上也難免出現(xiàn)這樣或那樣的問題。因此，人們對兩次澆筑的混 凝土之間結(jié)合質(zhì)量特別關(guān)心，希望能采用有效的方法進行檢驗。超聲脈沖技術(shù)的應用，為 兩次澆筑的混凝土結(jié)合質(zhì)量提供了較有效的途徑。2.5.1測試方法超聲脈沖波檢驗兩次澆筑的混凝土結(jié)合面質(zhì)量，一般采用穿

44、過與不穿過結(jié)合面的脈沖 波聲速、波幅和頻率等聲學參數(shù)相比較進行判斷方法。換能器的布置方法如圖15所示。為保證各測點具有一定可比性，每一對測點應保持其測線的傾斜度一致，測距相等。測點間距應根據(jù)被測結(jié)構(gòu)的尺寸的結(jié)合面的外觀質(zhì)量情況確定，一般為100mm-300mmm間距過大易造成缺陷漏檢的危險。圖15檢測結(jié)合面的換能器布置2.5.2數(shù)據(jù)處理及判定兩次澆筑的混凝土結(jié)合面質(zhì)量的判定方法基本相同。當結(jié)合面為施工縫時，因前后兩 次澆筑的混凝土原材料、強度等級、工藝條件等基本一致，如果兩次的混凝土結(jié)合的良好, 脈沖波通過與不通過施工縫的聲學參數(shù)應基本一致，可以認為這些數(shù)據(jù)來自同一個母體。 因此，可以把過縫與

45、不過縫的聲時（或聲速）、波幅或頻率測量值放在一起，分別進行排 列統(tǒng)計。當施工縫中局部地方存在疏松、孔隙或填進雜物時該部位混凝土失去連續(xù)性脈沖 波通過時，其波幅和頻率會明顯降低，聲時也有不同程度增大，據(jù)此凡被判為異常值的測 點，查明其他原因影響時，可以判定這些部位施工縫結(jié)合不良。對于結(jié)構(gòu)物進行修補加固所形成的混凝土結(jié)合面，因兩次澆筑混凝土的間隔時間較 長，而且加固補強用的混凝土往往比結(jié)構(gòu)物原來的混凝土高一個強度等級。骨料級配和施 工工藝條件也與原來混凝土不一樣。所以可以說兩次澆筑的混凝土不屬于同一母體，但如 果結(jié)合面兩側(cè)的混凝土厚度之比保持不變，通過結(jié)合面的脈沖波，其聲學參數(shù)反映了該兩 種混凝土

46、的平均質(zhì)量。因此，仍然可以將通過結(jié)合面各測點的聲時、波幅和頻率測量值按 本章第四節(jié)一、二所述的方法進行統(tǒng)計和判別。被判為異常值的測點，查明無其他原因影 響時，即判定這些部位的新老混凝土結(jié)合不良。在一般工業(yè)與民用建筑中，混凝土結(jié)合面質(zhì)量檢驗的機會相當多，大量實踐表明，采 用超聲脈沖檢測是相當有效的。2.5.3實例 某工程B 15#柱施工縫檢測。該柱斷面的尺寸為500mrK 500mm,距地面1.9m處有一施工縫，采用過縫與不過縫斜 測方法。聲時和波幅測量值見表3表3聲時和波幅測量值測 占 八、 號不過縫過縫聲時 t(us)波幅 A(dB)聲時 t(us)波幅 A(dB)1103.54.7109.

47、702106.66.0107.70.93104.513.2110.404106.52.0117.205105.62.0102.50.96108.56.0102.87.47105.110.4105.22.58106.18.4115.309109.74.4111.1010107.916.0104.711.011108.515.0107.57.012106.98.0176.6013108.45.7109.13.714108.220.0107.79.415108.411.0112.7016108.49.9用聲時統(tǒng)計的判別結(jié)果，過縫的t3、t4、t8、 t9、tl2、tl5為異常值。用波幅統(tǒng)計和判別結(jié)果

48、，過縫的 Al、A3、 A4、A8、Al2、A15 為異常值。從過縫測點的分布情況看，這些異常測點分 布在施工縫的四周，經(jīng)過鑿開檢查，四周的混凝土 確實差，尤其是西南角存在松散石子的蜂窩孔隙， 尺寸見圖16所示。2.6表面損傷層檢測#產(chǎn) A ； f1S r .i?* X -(圖17假設(shè)聲速分布圖18實際聲速分布混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，在施工和使 用過程中，其表面層會在物理和化學的因素作 用下受到損壞。物理因素大致有火焰和冰凍； 化學因素大致有酸、堿鹽類。結(jié)構(gòu)物受到這些 因素作用時其表層損壞程度除了作用時間的 長短及反復循環(huán)次數(shù)有關(guān)外，還與混凝土本身 的某些物質(zhì)有關(guān)系，例如體積比表面積大、齡

49、期、水泥用量、水灰比及搗實程度等。 在考察上述問題時，人們都假定混凝土的損傷 層與未損傷部份具有明顯的分界線。實際情況并非如此，國外一些研究人員曾用射線照相法觀察因化學作用對混凝土產(chǎn)生的腐蝕情況。發(fā)現(xiàn)損傷層與未損傷部份不存在明顯的界 限。從我們的工程實測結(jié)果來看，也反映了此種情況，總是最外層損傷嚴重，越向里深入, 損傷程度越輕，其強度和聲速的分布應該是連續(xù)圓滑的，如圖 方便，損傷層與未損傷部分簡單地分為兩層來考慮，計算模型如圖i8所示。但人們?yōu)榱擞嬎?i7所示。261測試方法超聲脈沖法檢測混凝土表面損傷層厚度的方法大致有兩 種：i、單面平測法此法可應用于僅有一個可測表面的結(jié)構(gòu)，也可就應用于損

50、傷層位于兩個對應面上的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。如圖 i9所示，將發(fā)射 換能器T置于測試面某一點保持不變，再將接收換能器J卜咅踏貴擊窗 蠢U：疚搭紀:圖19平測損傷層厚度R以測距Ii=i00、i50、200mm,依次置于各點，讀取相應的聲時值 ti。此法的基本原理是，當T、R換能器的間距較近時，脈沖波沿表面損傷層傳播的時間 最短，首先到達接收換能器，此時讀取的聲時值反映了損傷層混凝土的傳播速度。當 R換能器的間距較大時，脈沖波透過損傷層沿著未損傷混凝土傳播的時間短，此時讀取的T、聲時中大部分是反映未損傷混凝土的傳播速度。當T、R換能器的間距達到某一測距t0時, 沿損傷層傳播的脈沖波與經(jīng)過兩次角度沿未損傷混傳

51、播的脈沖波同時到達接收換能器，此 時便有下面的等式：l 0 _Vi-vd2 x2ViV2(26)式中d損傷厚度；Vi損傷層混凝土聲速；由于ti二h，所以(5-i8)式可改寫成x穿過損傷層傳播路徑的水平投影；V2未損傷混凝土聲速iti (d2 x2fI。2xV2(27)取蒼0dk _dxVii22、2x-V2Vi (d2ix2)?-0將( 28)二丄 V2 (d2x)v|式整理并取正值，得(28)d vix =- 2Vi.v；再將(29)式代入(27)式得22 iI02 2di2 i2 2 I0d- (d T 2)2一2 2Vi ViV2 -ViV2V2 V；-(29)Vi2Vi(30)V2 V

52、j圖20逐層穿透測損傷層厚度該方法不僅對結(jié)構(gòu)造成局部破損，而且鉆孔和鑿孔很費事，還必須將孔底處理平整才 能進行有效測試，操作相當麻煩。但局部鑿開不僅可以測量混凝土的聲速，還可以根據(jù)敲 鑿的難易程度給碎屑的外觀質(zhì)量情況，進行綜合判斷，在一般情況下，其檢測結(jié)果的可靠 性較高，因此仍不失為一種值得推廣應用的方法。262損傷層厚度判定當采用單面平測時，將各測點的聲時測值 t1的相應的測距 值11繪制“時-距”坐標圖。如圖21所示，兩條直線的交點B 所對應的測距定為I。，直線AB的斜率，便是損傷層混凝土的 聲速v1，直線BC的斜率，v1 =tg便是未損傷混凝土的聲速 V2，則有:(32)圖21平測法時距

53、圖V2 =tg(33)根據(jù)（31）式便可計算損傷層厚度d。為便于繪制“時-距”圖， 每一測區(qū)的測點數(shù)不得少測點數(shù)要大于5點，如果被測結(jié)構(gòu)各測區(qū)的損傷層厚度差異較 大，應適當增加測區(qū)數(shù)。當采用逐層穿透法檢測時，可將每次 測量的聲速值（vi）和測孔深度值（hi）繪制“ v-h”曲線，如圖19 所示，當聲速趨于基本穩(wěn)定的測孔深度，便是混凝土損傷層的 厚度h0圖22 V-h曲線(31)整理后得:v2 v1由于平面式換能器輻射聲場的擴散角與其頻率成反比，頻率越低，聲場的擴散越大， 平測時傳播到接收換能器的脈沖信號越強，所以平測法一般都采用3050kHz的低頻換能 器。這種方法還可以用來測量雙層結(jié)構(gòu)中不可

54、測層的脈沖傳播速度。但是必要的測試條件 是，要求內(nèi)層聲速（v2）大于面層的聲速（v1）。有時由于損傷程度較輕或損傷層厚度不大， 可能出現(xiàn)v1、v2的差值不大。因此，測量時必須準確測量 T、R換能器之間的距離。2、逐層穿透法事先在損傷結(jié)構(gòu)的一對平行表面上，分別鉆出一對對不同深度的測試孔，孔徑為50mm 左右，然后用直徑小于50mm的平面式換能器，分別在不同深度的一對測孔中進行測試， 讀取聲時值和測試距離，并計算其聲速值?；蛘咴诮Y(jié)構(gòu)同一位置先測一次聲速，然后鑿開 一定深度的測孔，在孔中測一次聲速，再將測孔增加一定深度，再測聲速，直至兩次測得 的聲速之差小于2%或接近于最大值時為止，如圖17所示。實例一 某招待所框架結(jié)構(gòu)，當澆筑好第三層柱的混凝土，正進行第四層樓板和大梁支模（木模）的綁扎鋼筋時，發(fā)生了火災，幾十根柱子遭受不同程度的燒傷，檢測時采用單面 平測與穿透對測相結(jié)合的方法，按單面平測法測得的“時距”曲線如圖5-24所示。由坐標圖上查得 vi=tg a =3.2-2.9km/s；V2=tg B =4.17km/s。再將局部表層鑿去50mm左右磨平后再進行平測，得到