土木工程材料原理與方法12-無損檢測方法簡介共振法、超聲法-2010

土木工程材料試驗原理與方法(設計)東南大學材料學院龐超明Email:pangchao@辦公電話：52090638手機木工程材料試驗原理與方法2一杯子，一輩子......

如果人生是杯水，那自己的人生是什么？

是如紅茶般醇厚，還是如綠茶般清香；

是如白酒的濃烈，還是如咖啡的香醇；抑或只是白開水，沒有色彩，平淡無奇？

內容回顧無損檢測法——表面硬度法測試方法、體系無損檢測原因、定義、特點表面硬度法回彈法——重點貫入阻力法拔出法土木工程材料試驗原理與方法3測試方法：有損、無損檢測宏觀、細觀(介觀)、微觀、納觀

(Macro,mesoandmicro、nano)無損檢測：不影響結構或構件使用功能，以電子學、物理學為基礎，直接測定某些適當?shù)奈锢砹?，并通過預先建立的相關性，推定強度、均勻性、連續(xù)性、密實度、缺陷、裂縫等性能和性能變化過程測試方法。土木工程材料試驗原理與方法4表面硬度法建筑材料回彈法：重點，詳細介紹原理、影響因素、曲線形式、方法等貫入阻力法：射入法、氣壓射釘槍拔出法：預埋、后裝金屬材料：硬度：抵抗局部塑性變形的能力——刻劃法、彈性回跳法、壓入法壓入法---布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。土木工程材料試驗原理與方法5內容提要超聲法：重點原理、方法、定義聲波的衰減分貝混凝土中的超聲波特征參數(shù)影響因素測強測試方法綜合法土木工程材料試驗原理與方法6土木工程材料試驗原理與方法超聲法超聲脈沖波速與材料的彈性性質有關測定傳播時間和脈沖在砼中的衰減值，探測砼中的缺陷、裂縫、動彈模及強度。波通過破損以最短距離傳遞，砼越密實，傳播速度越快?！ㄐ耘袛囗艔姸?。廣泛應用——砼性能、金屬材料的超聲探傷等。7土木工程材料試驗原理與方法超聲法測試混凝土強度定義：采用能量轉換的方法，運用電能轉換為超聲能量，即產生超聲波，當超聲波在材料中傳播后，將其放大處理后又轉換為電能，用來測試材料性能的一種測試方法。超聲波:頻率>2×104Hz的一種彈性介質的機械波，是聲波的一種。參數(shù)：聲壓、聲強和聲阻抗8土木工程材料試驗原理與方法(二)聲波的衰減衰減：聲波在介質傳播過程中其振幅將隨傳播距離的增大而逐漸減小的現(xiàn)象。聲波衰減的大小取決：超聲波頻率及其傳播距離，被測材料的內部結構及性能。固體材料中三個原因：吸收衰減散射衰減擴散衰減9土木工程材料試驗原理與方法1．吸收衰減是由于介質的粘滯性而造成質點之間的內摩擦，使部分聲能轉變?yōu)闊崮?，同時由于介質的熱傳導，介質的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗。通常認為，吸收衰減系數(shù)αa與頻率拋物線。10土木工程材料試驗原理與方法2．散射衰減αs是指當介質中存在顆粒結構時(如懸浮粒子、氣泡、缺陷、摻雜物等)而導致的聲波的衰減。通常，當顆粒尺寸遠小于波長時，散射衰減系數(shù)αs~頻率4次方；當尺寸與波長相近時，αs與頻率2次方。吸收衰減與散射衰減均取決于介質本身的性質，衰減系數(shù)α是兩者的和，其與頻率f的關系式可表達為α＝af＋bf2＋cf411土木工程材料試驗原理與方法3．擴散衰減因聲波的擴散而引起的衰減聲波輻射器(發(fā)射換能器)發(fā)出的超聲波束都有一定的擴散角，因波束的擴散，聲波的能量逐漸分散，使單位面積的能量隨傳播距離的增加而減弱。僅取決于聲輻射器的擴散性能及波的幾何形狀，而與傳播介質無關。選取相同的測試距離，使擴散衰減成為一恒量12土木工程材料試驗原理與方法(三)分貝分貝(dB)：聲學、電學中，兩個量綱相同的量的比。電流比，電壓比，功率比，聲壓比，聲強比等。若P—聲壓，P0—基準聲壓，聲壓比p/p0，無量綱比值，分貝數(shù)＝20lg(p/p0)(dB)。由于接受波的振幅(A)與接受換能器的聲壓幅值成正比，聲壓也可用幅值比。分貝數(shù)＝20lg(A/A0)(dB)。13土木工程材料試驗原理與方法聲強(J)與聲壓(P)，功率(W)與電流或電流的平方成正比，故聲強(J/J0)或功率比(W/W0)：分貝數(shù)＝10lg(J/J0)(dB)。分貝數(shù)為正——增益或放大；分貝數(shù)為負——表示衰減。計算方便，如某超聲儀第一級放大10倍，二級放大100倍，三級也放大100倍，則總放大倍數(shù)為10×100×100，若用分貝20(dB)+40(dB)+40(dB)=100(dB)14土木工程材料試驗原理與方法混凝土測試中超聲波的特點重復間斷發(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頻波，有固定主頻率。頻散現(xiàn)象：不同頻率的余弦波在媒質中傳播時，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的漂移152023/2/2(1)

換能器種類的選擇縱波換能器有平面換能器(聲輻射面是平面)和徑向換能器(聲輻射面是曲面)。平面換能器使用于一般的構件的表面的對測和平測，是必備的換能器。徑向換能器則用在需鉆孔檢測、灌注樁聲測管中檢測、水下檢測等。2023/2/2(2)

頻率選擇由于衰減較大，一般使用200kHz以下低頻超聲波。頻率選擇主要取決于兩個因素：結構或試件的尺寸和被測砼對超聲波的衰減情況。結構尺寸包括穿透距離和構件的橫截面尺寸。測距越大，超聲波衰減也越大，接受波振幅也越小。接受波應具有一定的幅值對于大構件，使用低頻超聲波，當測距達10m以上時，通常使用20kHz或以下頻率的換能器當測距較小時，為保證測度精確以及對內部缺陷和裂縫具有較高的分辨力，則盡量使用較高頻率。2023/2/2結構尺寸－橫截面尺寸考慮超聲波傳播的邊界條件。常說聲速，是指超聲波在半無限大的介質中的傳播速度，若橫截面小到某種尺寸時，聲速將出現(xiàn)明顯的頻散現(xiàn)象，表觀聲速明顯降低。通常認為，橫截面的最小尺寸應大于超聲波波長的兩倍以上。小截面尺寸的構件，較高頻率。頻率不宜太高，否則被測體將呈明顯的非均質性，不利于反映總體性能。砼質量差，強度低，接受信號很微弱，應選較低頻率，以期獲得足夠的幅度2023/2/2(3)

換能器的耦合由于固體和空氣的特性阻抗相差較懸殊，當超聲波由換能器傳到空氣的夾層時，超聲能量絕大部分被反射而難以進入砼中，因此需要在砼和空氣中加入一層耦合劑，耦合劑一般是液體或者膏狀，充填于砼和換能器之間，排掉空氣，形成耦合層，雖然該耦合層的阻抗與砼相比仍然很小，可是卻比空氣大的多。耦合劑一般采用廉價的黃油、凡士林和石膏漿等。也可用漿糊，但是漿糊是由懸浮液濃縮的，對聲波的衰減較大。當砼表面潮濕時，由于油和水的分離，聲波的衰減較大，用黃油做耦合劑的效果較差，應改用水溶性的膏狀物做耦合劑。2023/2/22.

超聲儀主要有同步分頻、發(fā)射、接收、掃描、示波，計時顯示及電源、換能器等零部件。換能器發(fā)射頻率：50kHZ、100kHZ、250kHZ，測定時間有0.1～9999.9μs，測讀精度為0.1μs;穿透距離根據(jù)所用換能器頻率和砼強度等級的不同而不同。2023/2/23.

超聲儀的檢驗測量空氣聲速的方法來檢驗聲時的準確性。改變測距，測試一系列的間距與相應的聲時，通過直線回歸得出空氣的聲速va?？諝饴曀俚臏蚀_計算公式：式中t為空氣溫度(℃)δ≤0.5%，正常。2023/2/2三、常用的聲學參數(shù)1．聲速聲速即超聲波在砼中的傳播速度。砼的聲速與砼的彈塑性有關，也與砼的內部結構如孔隙、組成材料有關。一般說來，砼的彈性模量越高，密實程度越大，強度越高，其聲速也越高。若砼內部存在缺陷如空洞、蜂窩、裂縫等，則該處的砼聲速較低。2023/2/22．振幅接受波振幅通常指首波，即第一個波前半周的幅值，接受波的振幅與接受換能器處被測介質超聲聲壓成正比，所以反映了接受到聲波的強弱。在發(fā)射波強度一定時，振幅值的大小反映了超聲波在砼中的衰減情況，而超聲波的衰減情況又反映了砼的粘塑性性能。砼是彈－塑性體，其強度不僅和彈性性能有關，也和其粘塑性性能有關，因此衰減的大小，即振幅高低也能在一定程度上反映砼的強度。2023/2/2超聲波繞過裂縫和缺陷而傳播，振幅也會明顯減小。振幅的大小還取決于儀器設備的性能、所處的狀態(tài)、耦合狀況以及測距大小等，所以很難有統(tǒng)一的度量標準，故目前只是在同條件(同一儀器、同一狀態(tài)和同一測距)下相對比較用。2023/2/23．頻率高頻成分首先被吸收和散射傳播越遠，其包含的高頻成分也越少，主頻率也逐漸下降。主頻率的下降，還取決于砼本身的性質和內部的結構?！^察頻率的變化可以判斷砼質量和內部缺陷裂縫等。接受波主頻率的絕對值大小同時還與儀器設備、傳播距離等有關，故也僅作為比較用。2023/2/24．波形由于超聲波的繞射、反射和傳播路徑的復雜化，直達波，反射波和繞射波相繼達到接受換能器，由于頻率和相位的不同，不同波的疊加有時也會使波形發(fā)畸變。因此對波形的分析，有助于判斷砼的內部質量和缺陷的存在。鑒于波形的變化影響因素較多，故對波形的研究只是作一般的觀察和記錄。2023/2/2四、超聲法測試砼強度由于超聲縱波在砼中的傳播速度和砼的彈性性質有較好的相關性，而砼的彈性性質與力學強度存在內在聯(lián)系，從而可用超聲法推定砼的強度。知道強度和波速之間的定量關系后，即可通過波速而知道砼強度，一般強度f越高，波速V越大；由于砼的非勻質性，f－V之間的關系一般不能確定，它與砼本身的技術條件有關，如水泥品種、水泥用量、W/C、骨料品種、粒徑、養(yǎng)護條件、含水率等有關，必須先確定發(fā)f－V曲線，然后再用于實際工程中的測定，并進行有關因素的修正，如鋼筋、含水率等對波速的修正。2023/2/2(一)影響測強的主要因素1．橫向尺寸效應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)護方法7．砼的缺陷和損傷2023/2/21．橫向尺寸效應通?？v波聲速指聲波在無限大的介質中的傳播速度，而隨著構件橫向尺寸的減小，縱波速度可能向桿、板波的速度轉變，即聲速可能會變小。當橫向尺寸d≥2λ(λ為波長)時傳播速度與大塊體中縱波速度之相當；當λ<d<2λ，可使傳播速度降低2.5～3％；當0.2λ<d<λ時，傳播速度變化較大，約降低6～7％，在這個區(qū)間里測量時，估計強度地誤差可能達到30～40％；當d<0.2λ時，屬于波在桿件中傳播。Jones等對不同測距、最小斷面尺寸和換能器固有頻率的選擇見表6-4。2023/2/22．溫度和濕度溫度：當環(huán)境溫度為5～30℃時，影響不大；40～60℃時，脈沖速度約降低5％，可能由于砼內部的微裂縫增加；<0℃，水結冰，脈沖速度增加(v水＝1.45km/s，v冰＝3.50km/s)。養(yǎng)護：水中養(yǎng)護，一方面水化程度更高，另一方面，水分充分滲透并填充了孔隙，而超聲波在水中傳播速度高于空氣中(v空氣＝0.34km/s)，故砼試件的含水率增加，超聲波的傳播速度增加。速度的變化特性取決于砼的結構，隨著砼的孔隙率的增大，干砼中超聲波傳播差異也很大。2023/2/23．鋼筋鋼筋中的波速是普通砼的1.2～1.9鋼筋配置軸向垂直于傳播方向時的影響較小平行于傳播方向時，影響較大。一般離開鋼筋軸線約1/8～1/6測距。2023/2/24．粗骨料品種、粒徑和含量脈沖速度：砼>砂漿>水泥石超聲脈沖在骨料中的傳播速度快。骨料比例高達75％左右。砼的聲速隨骨料最大粒徑、含量的增加而增加。實際上，砂率變化、集灰比的大小起主導作用。忽視集灰比的影響，采用聲速直接估算砼的強度的誤差很大。不同粗骨料品種的超聲傳播速度也不一樣，如表6-5所示，一般石英巖>石灰?guī)r>玄武巖>花崗巖>陶粒。2023/2/25．水灰比和水泥用量實質：影響強度，密實度以及彈性性質水灰比降低，水泥用量提高，則相應的砼的強度、密實度以及彈性性質提高，超聲脈沖的傳播速度相應的加快。2023/2/26．齡期和養(yǎng)護方法在硬化早期或低強度的砼強度fcu的增長小于聲速v的增長；隨著硬化的進行，或對高強砼，砼強度fcu對聲速v的比例迅速增大，甚至在砼強度達到一定值后，超聲波的傳播速度增長極慢。2023/2/27．砼的缺陷和損傷符合正態(tài)分布砼內部不應存在面向的缺陷和損傷。砼缺陷和損傷的超聲參數(shù)參與強度的評定，有可能使檢測結果不真實。2023/2/2(二)超聲測強曲線分為統(tǒng)一曲線、地區(qū)性曲線和校準曲線。測強曲線的建立——與回彈法相似選取有代表性的原材料，按最佳配比制作立方體試件?；旌狭献詈檬窃谑┕み^程中隨機抽樣，也可采用符合工程的配料和工藝條件在實驗室成型制作。按7、14、28、60、90、180、365(d)等齡期制備試塊，每一齡期由3到6個試塊，每種強度等級的試塊不少于30塊。聲速測試，應取試塊的側面，采用對測方法，測點沿對角線布置，取3或5點，取試塊的平均聲時。2023/2/24．

測試試塊的抗壓強度fcu。5．回歸分析，建立模型，并確定回歸效果和誤差范圍。常用的砼測強曲線f-V的關系曲線有如下三種形式：

(二次函數(shù))(指數(shù)函數(shù))(冪函數(shù))2023/2/2適應性測強精度受很多因素的影響，適應范圍有限——修正還可以采用水泥凈漿或水泥砂漿聲速換算法，以便消除骨料的影響，擴大適用范圍，提高測試精度。聲速換算法就是將原來砼測得的聲速，通過砼中粗細骨料和水泥凈漿所占的體積分數(shù)的關系，換算為該砼中相應的水泥石和水泥砂漿的聲速。再根據(jù)換算后得到的水泥凈漿或水泥砂漿的聲速來推算砼的強度。2023/2/2兩個砼強度fcu——v換算關系式：普通硅酸鹽水泥、控制拌合物坍落度為70mm以上的砼fcuc＝0.637v3.04，該公式計算值與實測值的平均相對誤差為10.23％；礦渣硅酸鹽水泥、控制拌合物坍落度為70mm以上的砼fcuc＝0.218v3.64，該公式計算值與實測值的平均相對誤差為10.35％。2023/2/2陜西省建科院：強度和砂漿換算聲速的回歸方程r=0.91，相對誤差為±15.49%。2023/2/2

平測法、角測法及聲速計算對砼柱、梁和剪力墻等構件可以進行超聲波的對測，但是對于有些構件，如擋土墻、地下室外墻、樓板等，無法提供對測面，只能采用平測法或角測法的方法，此時可將超聲波聲速修正成對測聲速，然后進行計算。2023/2/21．

平測法及聲速計算將收、發(fā)換能器放在同一測試面上。因構件一般都是正交排列鋼筋，需注意的是收、發(fā)換能器的通路連線與鋼筋排列方向垂直或具有一定的角度，以減少對超聲波傳播的影響。一般單面平測聲速比對測聲速要慢，如表面光潔、平整、未受任何破壞，則1.00～1.03；如果表面粗糙、疏松，則1.04～1.10；采用變動測距L(200㎜，300㎜，400㎜……)求出平測時基本穩(wěn)定的聲速，然后計算v對/v平比值，最后修正平測聲速。2023/2/22．

角測法及聲速計算就是將收、發(fā)換能器放在相鄰的測試面上進行測試。宜布置成等腰三角性，注意箍筋變動測距L（斜邊）長度，計算v對/v角比值，最后修正角測聲速。2023/2/2

超聲－回彈綜合法綜合法是指采用超聲儀和回彈儀，在混凝土中同一測區(qū)分別測量聲速值vi及回彈值Ni，然后通過測得公式或表格推算該測混凝土的強度值Ri的一種測試方法。綜合法的特點：1．減少齡期和含水率的影響。濕度高，超聲速度偏高，而回彈值偏低。齡期長，超聲速度的增長率下降，強度小，碳化深度提高，回彈值高，強度大，因此采用超聲—回彈法可以部分的減少齡期和含水率的影響。2．彌補相互不足，提高測試精度一個物理參數(shù)只能從一方面，在一定范圍內反映性能，超過一定范圍，它可能就不敏感甚至不起作用。2023/2/2超聲法與回彈法是反映不同方面的混凝土性能?；貜椃ǜ鶕?jù)表面硬度回彈值，以表層砂漿的彈性性能來推算，反映混凝土表層2～3㎝深度的強度，當強度較低，塑性變形比較大，且當構件截面尺寸和內外質量差異較大時，很難反應構件的實際情況。超聲法以整個斷面的動彈性來反映內部密實度和彈性性質。當混凝土強度較高的時，彈性指標變化幅度小，相應聲速隨強度變化的幅度也不大，微小變化往往被測試誤差所掩蓋。由于綜合法內外結合，在較低和較高強度區(qū)間相互彌補各自不足，能減小一些因素的影響程度，較全面的反映整體混凝土的質量情況，從而提高檢測精度。2023/2/2主要影響因素-石子品種、用量及粒徑碎石比卵石混凝土平均偏高25％左右，這是由于卵石和碎石的表面狀態(tài)完全不同，碎石表面粗糙，與砂漿的界面粘結較好，因而混凝土強度較高，卵石因表面光潔而影響粘結，混凝土強度低。不同品種、不同產地聲速有差別。當石子用量變化時，聲速和回彈值均隨石子含量的增加而增加。粒徑在20～40㎜影響不明顯。2023/2/2主要影響因素-含水率/測試面含水量:影響顯著一般說來，濕度越大，回彈值越低，而對超聲來說，聲波在水中的傳播速度要比在空氣中的傳播速度快，因此可部分抵消。影響隨強度提高而變小，但是由于混凝土的濕度與氣候條件、齡期均有關系，各地所測得的影響程度區(qū)別較大，因此在現(xiàn)場測試中盡量采用干燥狀態(tài)進行測試。3．測試面:混凝土澆注的上表面和下底面時，由于石子的離析下沉及表面水、浮漿等因素的影響，其回彈值與聲速值均與澆注側面時不同。2023/2/2其他因素的分析水泥品種和水泥用量:PO、PS、PF的C10～C50級的砼無顯著影響；水泥用量在200～450㎏/m3，無顯著影響；超出則影響較大。細骨料品種及砂率:粗砂、中砂及細砂的C10～C40砼無顯著影響；砂率在28～44％無顯著影響；>44％或<28％，有影響。碳化深度的影響：碳化深度每＋1㎜，推算強度僅比實際強度高0.6％左右；僅影響回彈值，碳化深度較大，含水量低，聲速下降。外加劑的影響：木鈣減水劑、硫酸鈉及三乙醇胺早強復合性，無顯著影響。2023/2/2強度關系砼強度Ri同聲速Vi和回彈值Ni相關關系較好，粗骨料為卵石時粗骨料為碎石時運用于P·I