土木工程檢測工作技術應用-超聲法檢測工作混凝土缺陷

1、1 混凝土缺陷的特征波形聲時、幅度、頻率等，都是表征混凝土質(zhì)量的超聲參數(shù)檢測時主要測試參數(shù)是聲時，原因如下：相對幅度、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外，還與換能器與混凝土測試面之間的耦合狀況有關。另外測試時耦合作用力的細微變化都足以造成首波幅度的大大波動，而測試人員按壓換能器的壓力大小在測試過程難以保證統(tǒng)一。頻率那么與換能器頻率相關，同時存在檢測較繁瑣等原因，因此一般不單獨將頻率作為主要參數(shù)。但是，首波幅度、頻率與聲時綜合起來，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)?；炷敛ㄐ翁卣髡；炷恋奶卣鞑ㄐ?。圖中t1

2、、t2、t3、t4、t5分別是接收波第一個周期的聲時，t1為首波聲時，t2為1/4周期聲時，t3為半周期聲時，t4為3/4周期聲時，t5為一周期聲時，通過測量這些聲時差，可以初步估算接收信號的頻率(精確計算需要進行頻譜分析)。正?；炷撂卣鞑ㄐ蔚拇笾绿攸c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，后續(xù)波的幅度越來越大；頻率較高，接近于發(fā)射波頻率(一般為換能器頻率，混凝土檢測采用的超聲波頻率一般在50300kHz)；通過聲時計算得到的聲速一般在40005000m/s。混凝土波形特征正?；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、甚至淹沒在背景噪聲中；波形不飽滿，有時不能呈正弦波特征；頻率很低，大大低于發(fā)射波頻率；通過聲時計算得到的聲速通常大大低于4000m/s5000m/s。有的甚至低于1000m/s。混凝土波形實測圖正?；炷敛ㄐ萎惓；炷敛ㄐ紊蠄D的異?；炷敛ㄐ纬Ｒ娪诨炷林袏A雜(如夾泥)、孔洞、疏松、裂縫、分層(界面結合不良)等質(zhì)量缺陷中。但當換能器與混凝土之間耦合不良時(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)，也會出現(xiàn)類似的波形，需要根據(jù)經(jīng)驗判斷，及時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，需要在實踐中積累經(jīng)驗，不斷總結。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，由于砂漿相當于混凝土而言，缺少石子，因此對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，而砂漿的強度偏低，無法滿足承載能力要求，因此檢測中也應注意?？偟膩碚f，超聲檢測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，需要結合工程實際來判斷。2 超聲法檢測混凝土缺陷1根本原理超聲法檢測混凝土缺陷的根本原理就是，通過超聲波在混凝土中傳播后發(fā)生的波形變化、利用聲時、頻率、波幅等參數(shù)的特征，來綜

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，會產(chǎn)生散射、繞射等過程，致使其傳播方向改變(非直線傳播)，但由于測量時主要取首波，因此根本上還是認為在正常混凝土中，超聲波沿近似直線的路徑傳播。當遇到缺陷時那么繞射是主要的，因此導致了聲速及波幅、頻率均下降，波形產(chǎn)生畸變。在對缺陷進行定位時，也是以超聲在混凝土中的直線傳播為假設前提的。2檢測依據(jù)超聲波在混凝土缺陷檢測中的應用，主要依據(jù)是?超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程?(CECS 21:2000)，主要應用在：孔洞、疏松等內(nèi)部缺陷檢測、新舊混凝土結合面質(zhì)量檢測、裂縫深度檢測、外表損傷層深度檢測、鋼管混凝土質(zhì)量檢測、聲波

6、透射法檢測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，當存在不同介質(zhì)時，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，當超聲傳播路徑周圍存在鋼筋時，那么超聲波往往會從鋼筋“短路。為防止鋼筋的影響，一般應使傳播路徑不與鋼筋軸線平行或離開鋼筋約l/5l/6。同時，超聲波的這種特性也是用來檢測混凝土表層損傷深度、裂縫深度等的一個依據(jù)。當混凝土是均質(zhì)的時候，一般認為超聲波在混凝土中是直線傳播的。因此，當檢測混凝土結合質(zhì)量時，就必須讓超聲波穿過結合面，為此常常必須采用斜測法等。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點的主要依據(jù)。這種方法也叫“概率法，是混凝土缺陷檢測中最常用的判據(jù)，即混凝土的超聲聲速等各參數(shù)根本在其平均值附近，當出現(xiàn)偏離平均值較大的值時，那么可判斷其為異常值。異常值判定值的大小與測點數(shù)有關，也與被測混凝土本身的質(zhì)量波動(標準差)有關。必須指出的是，僅當測距可以準確測量的前提下這一假設才能成立，這就意味著對于預埋聲測管進行聲波透射法檢測的灌注樁，由于測距實際上是變化的(因為聲測管總是難免在埋設后產(chǎn)生扭曲)，因此一般不采用這種數(shù)理統(tǒng)計的方法判斷異常部位，其判據(jù)另外介紹。同時，進行數(shù)理統(tǒng)計的超聲參量一般是聲時或聲速，較少采用頻率、波幅等

8、參數(shù)。4根本方法根據(jù)構件的幾何外形、大小以及現(xiàn)場條件(所能布置的檢測面)、測試面狀況、缺陷類型等，選擇不同的測試方法。常用的有：采用平面換能器測試時(厚度振動換能器)優(yōu)先采用對測法：當被測部位具有相互平行的相對的測試面時，應優(yōu)先選擇對測法。此時收發(fā)換能器位于兩個相對測試面，超聲測線垂直于測試面，接收波的波前正對接收探頭，接收信號強度是所有方法中最大的，因此最容易進行結果判斷。其次選擇斜測法：斜測法有兩種，一種是指兩個檢測面相交(檢測面相鄰)，兩個探頭在丁角進行測試；一種是指兩個相對的測試面，但兩個探頭軸線與被測面形成不等于90的角度，如果測試面是垂直于地面的(這種情況是常見的)，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，目的是使得超聲波能穿過接縫。平測法：當被測部位僅有一個測試面時，采用此方法，即發(fā)射、接收探頭位于同一個測試面，此時一般必須將兩個探頭的間距進行等距離變化測得一組數(shù)據(jù)，根據(jù)測點間距與聲時的線性關系變化來進行判斷。一般用于混凝土外表損傷深度測試、裂縫深度測試等。鉆孔、預埋管檢測(采用徑向振動式換能器)管(孔)中對測：適用于灌注樁以及大體積混凝土。灌注樁中預埋2根以上聲測管，采用柱狀徑向振動式換能器進行檢測是目前常規(guī)檢測方法之一。除此之外，對于大體積混凝土，由于測距太大，無法直接在兩個相對面直接測試(比方大底板)，或者澆注側面均被遮擋、隱蔽無法布置測點(比方

10、大底板)，也可采用預埋聲測管或者鉆孔的方法進行檢測。測試時兩個探頭位于同一高度，同步提升。管(孔)中斜測：上述構件中，當存在水平缺陷，對測有可能漏測(比方水平裂縫)，此時可將兩個探頭取不同高度進行斜測，探頭同步提升。孔中平測：將一對徑向振動式探頭或者一發(fā)雙收探頭置于同一個測孔中(聲測管不用此法)，測試孔壁周邊混凝土狀況。較少采用?；旌蠙z測：同時采用柱狀徑向換能器和平面式換能器進行檢測，孔中放徑向換能器，側面布置平面換能器。比較少用。3 超聲檢測影響因素耦合狀態(tài)：所謂“耦合，是指讓超聲波探頭和被測混凝土外表密切接觸，盡量防止能量損失。對于平面探頭，雖然探頭面和混凝土測試面都是平的，但是實際上混凝

11、土和探頭外表都有無數(shù)肉眼無法觀察到的凹凸，里面存在空氣，如果直接進行測試會導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、凡士林等糊狀物來填補混凝土測試面與探頭接觸面之間的空隙，形成良好的耦合。對于柱狀徑向探頭，采用水進行耦合，因此柱狀徑向探頭具有水密性的指標要求，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，那么會有局部或者大局部超聲信號沿著鋼筋傳播而且比在混凝土中傳播的信號先到達接收探頭，從而導致檢測到的聲

12、時值偏小，這叫做“視聲時，即實驗觀察到的聲時，它是受到干擾的不準確的聲時。這樣會導致計算出來的聲速偏大，增加檢測方風險。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，將會造成超聲傳播的“水短路，導致缺陷判別的困難。4 混凝土裂縫深度檢測被測裂縫中不得有積水或泥漿1單面平測適用于結構只有一個外表可供測試時，如混凝土路面、地下室剪力墻、飛機跑道、大體積混凝土等。最大檢測深度為500mm。平測裂縫如上圖所示，基于以下的假設：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；超聲波繞過裂縫尖端傳播。根據(jù)上述假設，通過上圖的幾何關系，可以推導出裂縫深度的計算公式如下：測點布置如以下圖所示。注意測距是測量兩個換能器的內(nèi)邊緣距離。在跨縫和不跨縫處均布置等間距測點，跨縫檢測時測點應在裂縫兩側對稱分布，將不跨縫處測點聲時讀數(shù)作圖，取其斜率為不跨縫處聲速。在裂縫深度的平測法檢測中，跨縫檢測時常會遇到如以下圖所示的首波“反相現(xiàn)象。大量的實驗室研究和工程檢測說明，單面平測法檢測裂縫深度時，當測距從大變小的過程中，存在這樣一個臨界點，首波開始反相，低于這個測距后，首波根本上都是反相的。有個比較簡便的近似關系是，首波反相的臨界點測距l(xiāng)=2hc，也有觀點認為裂縫

14、較深的時候l=hc。標準CECS 21:2000是規(guī)定：在發(fā)現(xiàn)反相的臨界點，取該測距及其兩個相鄰測距的測量值計算裂縫深度后進行平均。當無法觀察到首波反相時，那么對每個測距計算裂縫深度，然后計算所有測點裂縫深度平均值，剔除其中小于平均值測距下的測試數(shù)據(jù)，以及大于3倍平均值的測試數(shù)據(jù)，然后重新計算平均值作為裂縫深度計算值。當檢測樓板、剪力墻等結構構件時，注意測點布置應保證超聲傳播路線和鋼筋分布盡量呈45夾角，以避開鋼筋影響。2裂縫雙面斜測單面平測法的前提條件是超聲波繞過裂縫尖端傳播。當裂縫尖端存在水分、塵土顆粒等雜質(zhì)時，或者裂縫局部被水分、塵土顆粒等填充時，會成為超聲傳播的通道，因此導致深度測試的

15、誤差(使裂縫深度偏小)。因此，當結構具有兩個相互平行的可測面時，優(yōu)先選擇雙面斜測法。如以下圖所示。根據(jù)波幅、聲時和主頻的突變來判定超聲波是否穿過裂縫傳播，可以判斷裂縫是否貫穿截面。3鉆孔檢測裂縫深度鉆孔對測法適用于大體積混凝土，預計深度在500mm以上的裂縫檢測，需要在被測混凝土上鉆孔。鉆孔有如下要求：孔徑應大于換能器直徑5mm10mm；孔深應超過預計裂縫深度700mm，可初測后補鉆；A、B兩個測孔必須始終位于裂縫兩側(對于斜裂縫要注意)，且測孔應保持平行；測孔間距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兩條連線上分別進行測試。C孔可淺些，

16、以便于將跨縫和不跨縫測試數(shù)據(jù)加以比照。 鉆孔檢測裂縫示意圖工程實例一般選擇20kHz60kHz的徑向振動式換能器，測試前先向測孔中注滿清水，徑向換能器以(100400)mm的測距同步移動，讀取各深度的聲時、波幅等讀數(shù)，繪制深度-波幅以及深度-聲時曲線，如圖25(C)所示。一般波幅對裂縫較為敏感，當波幅穩(wěn)定在較大的數(shù)值后，可認為已經(jīng)超過裂縫尖端了，通過圖25(C)的拐點可確定裂縫深度。5 不密實區(qū)和空洞檢測不密實區(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。不密實區(qū)和空洞檢測要求檢測部位必須具有一對或兩對相互平行的測試

17、面。檢測的時候，應在同條件的正?；炷辽线M行比照測試，比照測點數(shù)不得少于20點。根據(jù)被測構件的實際情況，選擇以下方法之一進行檢測：1對測法：適用于構件具有兩對相互平行的測試面。如以下圖所示。對測法示意圖(a)平面圖 (b)立面圖 2斜測法：當只有一對相互平行測試面時，可采用斜測、對測結合的方法，如以下圖所示。斜測的目的在于能發(fā)現(xiàn)水平走向的缺陷。3鉆孔法：當測距較大時，可采用鉆孔或預埋管法。一般測距大于2m3m以上時采用此方法，鉆孔內(nèi)采用徑向換能器，側壁采用平面換能器。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。可以用徑向換能器和平面換能器結合成收發(fā)換能器對進行檢測

18、。a平面圖 (b)立面圖測試中，必須在測試部位彈畫網(wǎng)格線，網(wǎng)格間距一般為(100300)mm，測試部位外表必須清理干凈、必要時打磨平整。如果存在缺陷，可以采用高強度快凝砂漿抹平，干后測試。測試前必須涂耦合劑，一般耦合劑為黃油或者凡士林。鉆孔測試時注滿清水耦合。測試前必須準確量測超聲測距，精確至1%。對于缺陷的判斷，主要是采用數(shù)理統(tǒng)計，認為超聲參數(shù)符合正態(tài)分布，將各測點的波幅、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Xn其前面的數(shù)據(jù)計算平均值、標準差，并按下式計算異常情況判斷值：X0=mx-1Sx 將X0同Xn進行比較，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X1 Xn1 再次進行計算和判別，直至比較的結果沒有異常值為止。當Xn X0時，那么應將Xn +1放進去重新進行計算和判別。例題采用超聲法進行構件混凝土密實性檢測，經(jīng)過計算得到的聲速數(shù)據(jù)如下表1所示，請根據(jù)表2所提供的1值分析判斷是否存在異常測點？如果有請將它們一一找出來。 測點 聲速(km/s) 測點聲速(km/s)測點聲速(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個測點聲速平均值、標準差： 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