無損檢測講座材料

鋼管混凝土質(zhì)量超聲檢測概述鋼管混凝土系在鋼管中澆灌混凝土并振搗密實，使鋼管與核心混凝土共同受力的一種新型的復合結(jié)構(gòu)材料，它具有強度高、塑性變形大、抗震性能好、施工快等優(yōu)點，同鋼筋混凝土的承載力相比，鋼管混凝土的承載力更為高，因而，可以節(jié)省60~70%以上的混凝土用量，縮小了混凝土構(gòu)件的斷面尺寸，降低了構(gòu)件的自重，在施工中且可節(jié)省全部的模板用量，可見，推廣鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的技術經(jīng)濟效果。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)、橋梁、臺基工程建筑中推廣應用，關于核心混凝土的施工質(zhì)量、強度及其與鋼管結(jié)合整體性等問題，已成為工程質(zhì)量檢查與控制迫切要解決的技術問題。結(jié)合鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工部標準的編制，同濟大學材料系于1984年就鋼管混凝土質(zhì)量和強度檢測技術，采用超聲脈沖方法進行了系統(tǒng)的探測研究，確定了檢測方法的有效可行性，鋼管混凝土缺陷檢測已編入了CECS21:2000超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程中。鋼管混凝土質(zhì)量超聲檢測方法如圖1框圖所示。圖1低頻超聲波檢測系統(tǒng)方塊圖根據(jù)超聲儀接收信號的超聲聲時或聲速、初至波幅度、接收信號的波形和頻率的變化情況，作相對比較分析，判定鋼管混凝土各類質(zhì)量問題。在鋼管混凝土超聲檢測工作中，超聲波沿鋼管壁傳播的信號對檢測信號是否有影響或影響程度，是檢測人員所關注的問題，也是能否采用超聲脈沖法檢測鋼管混凝土質(zhì)量的關鍵問題，根據(jù)聲波傳播的距離及實測的結(jié)果可以歸納如下：以對穿檢測法而言，超聲波沿鋼管混凝土徑向傳播的時間t混與鋼管壁半周長的傳播時間t管的關系為：或中：R——鋼管的半徑；V混——超聲波在鋼管混凝土中傳播的速度；V管——超聲波在鋼管中傳播的速度。按設計規(guī)范要求鋼管混凝土的核心混凝土的設計強度為，實測結(jié)果，其超聲聲速約為4400米/秒，而鋼管的超聲聲速約為5300米/秒，即按鋼管混凝土徑向傳播超聲聲時等于沿鋼管壁半周長傳播的聲時，即，這在整個模擬各種缺陷試驗過程所測得的超聲波速均>3400m/s，證明檢測時超聲波為直接穿透鋼管混凝土的，而按為4300m/s、4200m/s計算，則分別為1.27與1.24。聲通路將主要取決于核心混凝土的探測距離，而超聲波收、發(fā)換能器接觸的兩層鋼管壁厚相對于鋼管混凝土直徑的測距是很短的，對“聲時”檢測的影響不會比鋼筋混凝土中垂直聲通路排置鋼筋的影響大。通過核心混凝土和鋼管混凝土穿透對測的比較，鋼管壁對鋼管混凝土缺陷檢測的聲時影響很小，“測缺”時，聲時變化以相對比較，一般可以采用鋼管外徑作為超聲對測的傳播測距考慮。缺陷判斷硬化的鋼管混凝土中如果存在缺陷，超聲脈沖通過這種結(jié)構(gòu)材料傳播的聲速比相同材質(zhì)的無缺陷混凝土傳播的聲速為小，能量衰減大，接收信號的頻率下降，波形平緩甚至發(fā)生畸變，綜合這些聲學參量，評定混凝土的質(zhì)量狀況。超聲參量的變化與鋼管混凝土的質(zhì)量關系，實際上是核心混凝土的密實度、均勻性及其與鋼管內(nèi)壁結(jié)合脫粘或局部空殼有關，鋼管混凝土缺陷判斷的依據(jù)，從原理上可作如下解釋：一、“聲時”或聲速變化當混凝土或表層存在缺陷時，在超聲波發(fā)—收通路上形成了不連續(xù)的介質(zhì)，即缺陷的孔、縫或疏松的空間充有較低聲阻抗的氣體或水（空氣的聲阻抗，水，混凝土），超聲波傳播通路上迂有這些缺陷，將繞過缺陷向前傳播，在探測的距離內(nèi)，超聲縱波在復合介質(zhì)中傳播的平均“聲時”，或繞射到達所需要的時間將比超聲縱波在密致的混凝土中直接傳播所需要的“聲時”長，反映了存在缺陷的混凝土的超聲波傳播的聲速為小。對測法的換能器一旦順著密致→缺陷→密致區(qū)域的混凝土掃測，聲速則是從大→小→大過渡變化的。二、接收信號能量衰減：由于混凝土存在缺陷，不連續(xù)介質(zhì)則構(gòu)成固—氣、固—液的界面，使投射的聲波產(chǎn)生不規(guī)則的散射，相對于無缺陷密致的混凝土而言，接收到的超聲波能量損失較甚，即接收信號的首波幅度下降，反映了聲能的衰減。對于所有介質(zhì)的界面，聲波垂直入射時，聲壓或聲強的反射率分別以或來表示。式中——為第一介質(zhì)的聲阻抗；——為第二介質(zhì)的聲阻抗可見，當二個介質(zhì)的聲阻抗相等（=）時，由或均為0，即所謂全透射，而當時，則，即接近全反射。聲波在混凝土中傳播，垂直射到充氣缺陷的界面上，其能量近乎100%反射，也就是說超聲波繞射到達的信號是極其微弱的。三、信號頻率變化混凝土的組織構(gòu)造的非均質(zhì)性，加上內(nèi)存缺陷，使探測脈沖在傳播的過程發(fā)生反射、折射，高頻成分的能量衰減比低頻的快（理論上能量衰減與超聲頻率成正比，即），即在探測的過程高頻部分消失比較快，因此，混凝土超聲檢測接收信號的頻率總是比發(fā)射的探測頻率或通過相同測距的無缺陷混凝土收到的頻率低，故測定接收信號頻率的變化或作頻譜分析，藉以判斷混凝土質(zhì)量情況是個有效的參量。四、信號波形變化由于超聲波在缺陷的界面上復雜的反射、折射，使聲波傳播的相位產(chǎn)生差異，迭加的結(jié)果導致接收信號的波形發(fā)生畸變，同質(zhì)量正常的鋼管混凝土的探測波形的比較，不同程度變化的信號波形可比性很強，所以，根據(jù)探測波形的重現(xiàn)性，可以作為判斷的鋼管混凝土質(zhì)量的依據(jù)之一。綜上所述，采用諸超聲參量綜合評定鋼管混凝土的缺陷性質(zhì)和范圍，無疑比任一單指標的分析更為合理和有效。以上諸參量，除超聲聲速或聲時，接收信號頻率變化（采用游標測讀計算或作頻譜分析）可以作量化的檢測判斷，而聲能衰減和波形變化，由于受人為、耦合狀況以及檢測面平整度等隨機性的影響，在目前的技術條件下，尚只能作定性和經(jīng)驗性的判別，但其有效性是勿庸置疑的。鋼管混凝土的質(zhì)量主要針對混凝土的質(zhì)量及其與鋼管膠結(jié)緊密程度，尤其是后者，一旦二種介質(zhì)結(jié)合不良，而超聲諸參量均較敏感，往往有超聲波在鋼管壁傳播的混響為背景的接收波形發(fā)生嚴重畸變的圖象。適用方法依據(jù)低頻超聲波在鋼管混凝土復合材料中傳播的基本原理，以及判斷缺陷的方法，超聲脈沖可適用于圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和混凝土構(gòu)件粘鋼補強的結(jié)合質(zhì)量等檢測，檢測項目應根據(jù)材料結(jié)構(gòu)強度形成和施工條件可能造成的質(zhì)量問題，以及工程設計的要求確定的，模擬可能產(chǎn)生的缺陷和檢測結(jié)果分述如下：模擬試件采用525#普通硅酸鹽水泥配制C30混凝土，粗骨料的粒徑為5-30mm，鋼管的內(nèi)徑為Ф38cm、Ф25cm的兩種，管壁厚有6mm和10mm的兩種，采用CTS-25型非金屬超聲波檢測儀，換能器的頻率50KHz，鋼管混凝土的測試令期有7天、14天、36天、60天。一、混凝土內(nèi)部空洞的探測在混凝土施工過程中，由于混凝土的流動性降低，或在鋼板插件附近漏振架空可能形成的空洞缺陷。模擬鋼管混凝土試件的檢測位置、各令期檢測的聲速和相應的波形如圖2和表列所示圖2空洞缺陷與檢測波形不同部位不同令期超聲聲速的變化情況表1令令期（天）聲速（米/秒）檢測部位7143660密實區(qū)4236449145564703空洞區(qū)4121413041584236綜上可見：鋼管混凝土隨著養(yǎng)護令期的增長，超聲聲速逐漸提高，它反映了混凝土強度增大與聲速呈一致性關系，證明了混凝土與鋼管結(jié)合良好，接收信號初至波是沿著鋼管混凝土徑向傳播的超聲波信號。隨著鋼管混凝土養(yǎng)護令期的增長，繞過空洞缺陷的聲速變化比對穿密實混凝土的聲波速度小得多，14天令期之后探測缺陷比7天令期的檢測的辨別率要高。首波幅值和頻率變化：7天（分貝值/幅度）60天（分貝值/幅度）密度部位0dB/1.5cm5dB/4cm空洞部位0dB/0.8cm0dB/1cm頻率變化：密實部位的接收信號的頻率為32.9KHz空洞部位的接收信號的頻率為21.6KHz相對于密實區(qū)，空洞區(qū)的接收信號的頻率下降約34%二、混凝土局部不密實區(qū)的探測因施工過程混凝土假凝或水泥漿稀少砂石偏多，形成混凝土組織構(gòu)造局部松散缺陷。模擬試件、不同令期、不同部位檢測的超聲聲速及波形如圖3和表列所示圖3不密實區(qū)缺陷與檢測波形不同部位不同令期超聲聲波變化情況表2令令期（天）聲速（米/秒）檢測部位7143660密實4247436445404695疏松區(qū)（泡沫塑料料）39873942403340531）以60天令期掃測結(jié)果為例： 密實區(qū) → 密實松散交界區(qū) → 松散區(qū)超聲聲速變化為 4695M/S 4205M/S 4053M/S結(jié)合對應的接收信號波形，可以大體區(qū)分出混凝土內(nèi)部組織構(gòu)造的變化范圍。2）在松散區(qū)上超聲能量衰減和頻率下降比密實區(qū)的要大，以接收信號等幅度測讀，聲能變化為：密實區(qū)交界區(qū)松散區(qū)27dB/4cmm15dB/4cmm8dB/4cm而不密實區(qū)的超聲接收信號的頻率比密實區(qū)收到的信號頻率下降約15.5%。三、核心混凝土與鋼管壁膠結(jié)不良的探測模擬試件檢測位置，不同養(yǎng)護令期測得的超聲聲速，波形如圖4和表列所示。9膠結(jié)不良缺陷與檢測的波形不同部位不同令期超聲聲速變化情況表3令期（天）聲令期（天）聲速（米/秒）檢測部位7143660膠結(jié)良好區(qū)4247436445404695交界區(qū)4212未測未測4456鋼管與混凝土結(jié)合不良處，超聲聲速下降相當大，或初至波較難讀準，但波形變化明顯，但用以定性鑒別二種材料結(jié)合質(zhì)量是比較有效的。從膠結(jié)良好區(qū)→交界層→膠結(jié)不良位置測試比較，接收信號首波衰減量為：22dB/3cm→17dB/3cm→0dB/1cm的變化。缺陷區(qū)的接收信號頻率比質(zhì)量正常的下降約21%。四、漏振疏松缺陷的檢測施工中因振搗不充分或漏振，造成混凝土內(nèi)部疏松或表層的蜂窩麻面等缺陷，均削弱了鋼管混凝土承載力和耐久性。模擬試件，不同令期測得的超聲聲速、接收信號波形如圖5和表列所示。圖5漏振疏松缺陷與檢測波形不同部位不同令期超聲聲速變化情況表4令期（令期（天）聲速（米/秒）檢測部位7143660密實區(qū)4247436445404695漏振疏松區(qū)3910414142004234與密實層比較，疏松層的接收信號頻率下降了24%，根據(jù)超聲參量綜合分析，可鑒別鋼管混凝土內(nèi)混凝土密實度的狀況。五、鋼管混凝土的管壁與混凝土結(jié)合處收縮的檢測由于鋼管混凝土水泥用量較高，混凝土工作度較高，滲出的水份集聚于鋼管內(nèi)壁均可造成鋼管內(nèi)壁與混凝土脫粘裂縫。模擬收縮裂縫試件，不同令期檢測取得的超聲聲速、波形變化如圖6和表列所示。圖6收縮裂縫不同位置超聲檢測及波形不同部位不同令期超聲聲速變化情況表5令期令期（天）聲速（米/秒）檢測部位7143660密實區(qū)4333449245564703沿裂縫交界處4236428043084393垂直于裂縫3751371137703946在實際檢測時，正對于收縮縫和部分跨縫方向檢測的聲速、波形狀況均有差異，不同令期的信號衰減值為7天60天跨縫4dB/3cm10dB/3cmm正對縫3dB/波形畸變變0dB/2cm表明聲波傳播軸線方向與裂縫垂直于，阻隔聲通路所造成聲能衰減比較嚴重，對于鋼管內(nèi)壁與核心混凝土基本脫開，即使裂縫極為纖細，檢測儀示波屏上顯示的接收信號，總是出現(xiàn)混響的背景，或示波掃描不穩(wěn)定，波形畸變，可以推斷超聲投射波大量反射、散射，造成聲能的嚴重衰減，以及聲波沿鋼管壁傳播的混響的干擾，以致掃描線扭曲畸變現(xiàn)象。六、混凝土嚴重分層離析均勻性的檢測由于鋼管混凝土的流動性較大，或水灰比失控，施工中混凝土可能出現(xiàn)嚴重的分層離析，形成組織構(gòu)造的不均勻性。模擬試件，不同令期得到的超聲聲速、波形狀況如圖7和表列所示圖7分層離析與檢測波形不同部位不同令期超聲聲速變化情況表6令期令期（天）聲速（米/秒）檢測部位71436多砂漿層397041214141多骨料混凝土層438045054581實測表明，混凝土中粗骨料的影響較大，即混凝土聲速明顯高于砂漿中的聲速值，接收波形又表明在混凝土層超聲波能量衰減比在砂漿層中的大，而兩層檢測的波形均沒有畸變，首波幅度均較高，而砂漿層中的首波幅度更高?？梢?，波形正常，幅度高而各層聲速有明顯的差異，大多是混凝土分層離析的現(xiàn)象。七、“施工縫”的檢測模擬施工過程超時限的二次澆搗成型的混凝土，即后澆混凝土有可能破壞了先澆混凝土層的凝結(jié)硬化的強度，使交界層強度下降，形成“施工縫”，另一種是新舊混凝土結(jié)合不良也會產(chǎn)生整體性差的“施工縫”。模擬試件，不同令期測得的超聲聲速、波形變化狀況如圖8和表列所示圖8施工縫與檢測波形不同部位不同令期超聲聲速變化情況表7令期（令期（天）聲速（米/秒）檢測部位令檢測部位令令期（天）聲速米/秒）7143660接收頻率密實區(qū)斜測4269433344264429f=30.9KCC跨縫斜測3951391041804228f=21.1KCC采用等距離平行斜測施工縫具有良好的可比性和鑒別率。在初步確定施工縫位置后對施工縫長短范圍，可以采用相同的方法，并估計聲通路能穿越縫的左中右布置斜測測點，以聲速、首波幅度和波形諸參量與密實層中的相同測距斜測的各參量比較，估計施工縫貫穿的程度。八、鋼管混凝土中鋼板插件對超聲檢測的影響由于結(jié)構(gòu)的需要，鋼管混凝土可能焊置鋼板插件，成型后它的方向?qū)Τ暡煌较驒z測的影響程度，有必要加以模擬并作超聲探測。在鋼管混凝土成型時，埋入尺寸為的鋼塊，驗證超聲傳播平行和垂直于鋼塊長度方向，超聲檢測參量受到的影響。模擬試件，不同令期測犁超聲聲速、波形變化狀況如圖9和表列所示圖9超聲垂直和平行預埋件方向和檢測波形不同方位的各令期測得的超聲聲速變化情況表8令期（令期（天）聲速（米/秒）檢測部位令檢測部位令令期（天）聲速米/秒）檢測部位令檢測部位令7143660縱向（正對并沿鋼鋼塊長度）5087513549745013橫向（垂直鋼塊長長度）4299437344084513檢測結(jié)果表明：超聲脈沖沿鋼塊長度方向探測的聲速約5000M/S，且各令期的變化不大，說明這時超聲聲速主要決定鋼塊的聲速；而超聲檢測垂直于鋼塊長度方向的聲速則主要反映了密實混凝土強度增長一致性的變化。可見，超聲檢測沿鋼板插件長度方向傳播的聲速受影響較大，而聲波傳播垂直于鋼板長度方向的檢測，受到的影響則較小。數(shù)值處理混凝土質(zhì)量超聲檢測中，同一測距的聲速、波幅和頻率的統(tǒng)計計算及異常值判別應按下列公式計算。一、聲學參數(shù)的平均值和標準差的計算：（1）（2）式中——第i點的聲學參數(shù)測量值；n——參與統(tǒng)計的測點數(shù)。二、異常數(shù)據(jù)可按下列方法判別：將測位各測點的聲速、波幅或主頻值由大至小按順序分別排列，即，將排在后面明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑的數(shù)據(jù)中最大的一個（假定）連同其前面的數(shù)據(jù)按式1、2計算出和值，并按下式計算異常情況的判斷值（）：（3）式中按表9取值。統(tǒng)計數(shù)的個數(shù)n與對應的值表91416182022242628301.471.531.591.641.691.731.771.801.833234363840424446481.831.891.921.941.961.982.002.022.045052545658606264662.052.072.092.102.122.132.142.1552.176370747880848890952.182.192.212.232.242.262.282.292.311001051101151201251301351402.322.342.362.382.402.412.422.432.451451501551601701801902002102.462.482.492.502.522.542.562.572.59將判斷值（）與可疑數(shù)據(jù)的最大值（）相比較，當不大于時，則將及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉，再用進行計算和判別，直至判不出異常值為止；當大于時，應將放進去，重新計算和判別，直至判不出異常值為止。注：若不能保證超聲換能器耦合條件的一致性，則波幅值不能作為統(tǒng)計法的判據(jù)。鋼管混凝土強度的檢測（一）概述鋼管混凝土施工過程，混凝土的配合比如果有差錯或質(zhì)量失控，勢必造成管中澆搗的混凝土的強度達不到設計強度等級的要求，但與普通結(jié)構(gòu)混凝土相比，鋼管包容的硬化混凝土的強度難以直接取芯或采用回彈法檢測，如能建立超聲法的聲速與混凝土抗壓強度之間的相關性，藉超聲法檢測核心混凝土的強度，就不僅對擴大超聲技術的使用范圍，而且對鋼管混凝土強度的技術管理，均不失為一種良好的應對和簡便的檢測技術。為了配合“鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程”的制定，同濟大學材料學院對鋼管混凝土的強度檢測曾作過較系統(tǒng)的試驗研究，現(xiàn)以實例介紹于后。（二）實驗設計根據(jù)當時的要求，鋼管混凝土主要采用C30的核心混凝土，以內(nèi)徑φ38cm和φ25cm兩種鋼管成型試體，校核混凝土的強度采用15×15×15cm立方試塊的抗壓強度為標準，在常規(guī)檢驗方法的基礎上，我們采用超聲脈沖法檢測鋼管混凝土和立方試塊的超聲聲速，以立方試塊的超抗壓強度R與聲速V回歸分析，探討鋼管混凝土強度與超聲聲速之間的相關性，建立超聲測強的數(shù)學關系式，研究無損檢測混凝土強度的誤差范圍。為了擴大使用范圍，回歸分析的方便和分析混凝土組分變化的影響，本試驗混凝土的設計強度等級為、、、，混凝土的配合比及原材料品種規(guī)格見表10?；炷猎囼炘O計表10編號設計標號設計配合比粗骨料粒徑（mmm）水泥品種及標號外加劑（木鈣）鋼管直徑及壁厚養(yǎng)護制度及令期每M3混凝土用量水泥：砂：石：水水A組150#231:700::1257::1801:3.03:55.44:00.785~40普通525#不加φ380×10mmm自然7、14、28、60200#276:647::1265::1821:2.34:44.58:00.66300#362:582::1249::1841:1.61:33.45:00.51400#467:500::1230::1871:1.07:22.63:00.40B組150#231:700::1257::1801:3.03:55.44:00.785~40普通525#加水泥重量0.225%φ380×10mmm自然7、14、28、60200#276:647::1265::1821:2.34:44.58:00.66300#362:582::1249::1841:1.61:33.45:00.51400#467:500::1230::1871:1.07:22.63:00.40C組150#288:709::1207::1961:2.46:44.19:00.685~30礦渣425#加水泥重量0.225%φ250×6mm自然7、14、28、60200#335:655::1172::1941:1.96:33.50:00.58300#421:608::1135::1981:1.44:22.70:00.47400#585:540::1053::2001:0.92:11.80:00.34D組150#252:720::1231::1961:2.86:44.05:00.685~30普通525#加水泥重量0.225%φ250×6mm自然7、14、28、60200#293:639::1183::1991:2.36:44.05:00.68300#378:639::1146::1971:1.69:33.03:00.52400#499:584::1096::1951:1.17:22.20:00.39（三）、試驗數(shù)據(jù)回歸分析的結(jié)果各組分別以校核立方試塊的抗壓強度（R）與鋼管混凝土的超聲聲速（V1）、試塊的超聲聲速（V2）的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，通過擬合曲線，選擇相關性好的和誤差小的數(shù)學關系式，計算相關系數(shù)，各組回歸分析結(jié)果如表11所列?；貧w分析結(jié)果表11編號回歸方程相關系數(shù)（%）平均相對誤差（%%）均方根相對誤差（%）S=2備注A組R=1.34×110-5V111.277597.48.410.5R=1.38×110-5V15.3355V25.807799.25.06.5B組R=4.61×110-6V111.966994.411.915.2R=3.165××10-5V11.5400V29.084498.95.06.2C組R=3.72×110-3V17.746696.77.49.4R=3.45×110-3V17.2299V20.547796.87.49.4D組R=2.8×100-3V17.8500