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超聲波在水利工程質(zhì)量檢測的作用超聲波是一種人類聽不到的機械波,人類能聽到的聲波頻率在20Hz~20kHz之間,超過20kHz的聲波稱之為超聲波。目前,超聲波已運用到工作和生活的方方面面,如醫(yī)學(xué)B超檢查、通信、超聲波缺陷檢測等。這些運用正是利用了超聲波的穿透性、指向性好、能量集中、對周圍環(huán)境影響小等特點,同時對被超聲波穿透的物體沒有物理性損傷,可做到“隔空透視”。1超聲波檢測原理及方法超聲檢測是利用超聲波在被檢測物體內(nèi)部傳播時,遇到材料密度發(fā)生變化的界面(如空洞、其他雜質(zhì))發(fā)生反射或透射接收的聲波訊號特征變化,來檢測物體內(nèi)部的缺陷情況。超聲波檢測,依據(jù)發(fā)射和接收方式及時間的不同可分為脈沖反射法、脈沖透射法、共振法和衍射時差法。1.1脈沖反射法脈沖反射法是利用超聲探頭產(chǎn)生的超聲脈沖波,入射到兩種不同密度或材質(zhì)的界面上發(fā)生反射的原理進(jìn)行檢測,這種檢測方法常采用同一超聲探頭(一般使用壓電陶瓷轉(zhuǎn)換器)作為發(fā)射和接收裝置。1.2脈沖透射法脈沖透射法的原理與X射線的原理基本相似,即利用兩個超聲探頭置于被檢測物體的兩側(cè),分別作為發(fā)射和接收裝置,通過緩慢移動兩個超聲探頭,觀察接收能量的變化,來判定被檢測物體內(nèi)部的缺陷情況。1.3共振法利用可調(diào)頻率的超聲波檢測物體內(nèi)部情況,當(dāng)超聲波的半波長與被測物體的厚度成整數(shù)倍關(guān)系時,會引起共振現(xiàn)象,儀器會顯示出共振頻率。當(dāng)被檢測物體厚度發(fā)生變化,共振頻率也會相應(yīng)發(fā)生變化,通過儀器顯示的不同頻率,可以判定被檢測物體的厚度變化,來確定質(zhì)量情況,稱為共振法。1.4衍射時差法利用一對或多對縱波斜探頭在被檢測區(qū)域?qū)ΨQ放置,接收信號的探頭同時接收反身波和衍射波,當(dāng)檢測區(qū)域內(nèi)部有缺陷時,反射波和衍射波會發(fā)生變化,通過測量反射波發(fā)生變化時衍射波在檢測區(qū)域內(nèi)傳播時間,利用三角關(guān)系方程式計算,確定檢測區(qū)域內(nèi)部缺陷的位置和尺寸。2超聲波質(zhì)量檢測影響因素超聲波檢測精確度的影響因素眾多,從主、客觀兩方面分析:①主觀方面主要是人的影響因素,如現(xiàn)場超聲波檢測人員的熟練程度、檢測人員的培訓(xùn)教育情況及專業(yè)技術(shù)水平等;②客觀影響因素主要是設(shè)備、耦合劑選擇、方法、環(huán)境等。2.1設(shè)備影響因素設(shè)備的影響因素主要是掃查速度及探頭選定的頻率。2.1.1掃查速度所謂掃查,即在進(jìn)行超聲檢測時,探頭與被檢測工件的相對運動。對于混凝土檢測而言,掃查應(yīng)滿足兩個條件:①掃查過程中聲束入射方向始終與混凝土面保持垂直;②保證混凝土檢測區(qū)域有足夠的聲束覆蓋,以避免漏檢。聲束入射方向保持垂直是為了保證被測混凝土內(nèi)部缺陷大小正確的判定,而保證混凝土檢測區(qū)域足夠的聲束覆蓋、不漏檢,要求在檢測探頭的有效輻射面積內(nèi)必須有脈沖重復(fù)頻率,即檢測探頭在檢測面的掃查速度或移動速度不能過快。如果設(shè)待檢測物體厚度為H,超聲波在檢測物體內(nèi)的傳播速度為C1,檢測探頭的掃查速度為V,檢測探頭的有效輻射直徑為ψ,超聲波在檢測物體內(nèi)的傳播時間T1=2H/C2,檢測探頭的掃查時間T2=ψ/V。要使掃查檢測物體內(nèi)部達(dá)到不漏檢,必須滿足T1≤T2。則檢測探頭的掃查速度V應(yīng)滿足V≤C2ψ/2H,即相同的時間內(nèi)檢測探頭移動距離應(yīng)遠(yuǎn)小于檢測探頭掃查的有效距離。2.1.2檢測探頭頻率的選擇理論上,超聲波能夠發(fā)現(xiàn)檢測物體區(qū)域內(nèi)部的最小缺陷為超聲波發(fā)射波長的1/2,在能夠保證超聲波穿透檢測物體內(nèi)部的前提下,盡量先用頻率高,發(fā)射功率大的探頭。2.2耦合劑超聲波檢測時,由于被檢測表面不完全規(guī)則,檢測探頭與之不能良好的貼合,存在著或大或小的空隙,為了能夠消除空隙,使超聲波能夠順利被導(dǎo)入檢測物體內(nèi)部,必須使用一種能夠消除空隙的液體,這種液體就是耦合劑。能夠作為耦合劑使用的材料很多,常用的材料有甘油、水玻璃、合成機油、化學(xué)漿糊等。耦合劑的涂層厚度稱為耦合層,耦合層的厚度越薄對檢測的影響越小,因此當(dāng)檢測物體的表面過于粗燥或涂刷耦合劑過厚時,應(yīng)對檢測物體的表面拋光處理后再涂刷耦合劑進(jìn)行檢測。2.3環(huán)境環(huán)境的影響因素主要是溫度、濕度及被測工件所處的地理位置的影響。如在過高、過低的濕度及溫度的環(huán)境或高氯環(huán)境下,檢測結(jié)果有微小差異。特別是易被環(huán)境影響而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或物理變化的檢測工件,檢測環(huán)境更為嚴(yán)格。3超聲波檢測應(yīng)用3.1超聲波用于鋼焊縫質(zhì)量檢測在鋼焊縫質(zhì)量檢測過程中,通常使用的方法是超聲波法和X射線法,由于在工程施工過程中鋼焊縫的數(shù)量一般較大,而且需要檢測分析的長度也非常長,檢測工件所處的環(huán)境也較為復(fù)雜。因此用超聲波方法對于鋼焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢測時,就會凸顯出檢測過程中的優(yōu)勢:如設(shè)備尺寸小、操作簡單、檢測過程中無輻射外泄隱患等。鋼焊縫質(zhì)量檢測時,由于金屬的晶粒尺寸較小,鋼焊縫所受的影響較大,為探測存在的缺陷。通常通過超聲脈沖波變化情況來進(jìn)行比較。當(dāng)檢測焊縫質(zhì)量良好時,檢測超聲波可順利傳播到達(dá)檢測物體底面,超聲波檢測儀器中只有表示發(fā)射脈沖及底面回波兩個信號,如果被檢測焊縫中存在缺陷,在超聲波檢測儀器中底面回波前會有缺陷回波信號。由此可以判定存在缺陷。3.2混凝土強度檢測混凝土是水泥、石子、砂、外加劑摻合料組成由多相復(fù)合材料,其組成成份復(fù)雜。一般的混凝土強度檢測是預(yù)留混凝土試塊、現(xiàn)場取蕊樣等方法。如果預(yù)留的混凝土試塊質(zhì)量存疑,現(xiàn)場又不允許取芯樣,需要運用超聲波等無損檢測手段。混凝土本身不是一種均質(zhì)材料,相同標(biāo)號的混凝土由于組成材料變化,超聲波在混凝土內(nèi)傳播速度也不同,并且在混凝土內(nèi)部存在著石子—水泥、水泥—砂等各種界面,超聲波遇到這些界面時會發(fā)生反射、衍射等多種傳播方式。因此簡單的將混凝土與超聲波之間建立直線性數(shù)學(xué)關(guān)系模型是困難的,需要將混凝土看作均質(zhì)的彈塑性材料。建立起混凝土強度與超聲波聲速的關(guān)系曲線和經(jīng)驗公式,作為超聲波檢測混凝土強度的依據(jù)??v波的傳播速度公式為vp=姨E(1-V)/d(1+V)(1-2V),可以看出超聲波速度和固體介質(zhì)的材料性質(zhì)、密實度、彈性模量及泊松比有關(guān)。超聲波在不同介質(zhì)中有著不同的傳播速度,根據(jù)聲時值T,距離L,由公式V=L/T可先計算出聲速值。再根據(jù)經(jīng)驗公式fcuc=AVB和fcuc=Aebv(A,B為經(jīng)驗系數(shù))兩種非線性的數(shù)學(xué)公式,計算出混凝土強度。由于混凝土組成材料的復(fù)雜性,利用超聲波檢測混凝土強度存在著一定誤差,不同的混凝土原材料使超聲聲速值各有差異,即使同樣的原材料,也因混凝土配合比不同,產(chǎn)生不同的速度值。水泥的硅酸三鈣含量越高,細(xì)度越大,礦物細(xì)摻料的細(xì)度越大,相應(yīng)的超聲的傳播速度也會越高,反映出的混凝土強度就會增大、相反混凝土強度顯示值就會降低。如果混凝土中粗骨料偏多超聲波的傳播速度就要比粗骨料偏少的快,顯示出的強度就要高。因此超聲波檢測混凝土強度應(yīng)采用多參數(shù)法綜合提高測試精度,如混凝土成熟度—超聲聲速、聲速—衰減系數(shù)、聲速—振幅、聲速—含水率、聲速—混凝土齡期等。3.3混凝土裂縫檢測3.3.1混凝土裂縫的分類混凝土由水泥、石子、砂、摻合料、外加劑等組成的復(fù)合材料。由于混凝土本身的特性及使用條件的不同,產(chǎn)生的裂縫原因也不盡相同:有混凝土養(yǎng)護(hù)條件不善、內(nèi)部水水泥水化熱過快,造成內(nèi)外溫差過大,在混凝土內(nèi)部形成拉應(yīng)力集中區(qū),超過混凝土本身的耐受拉力而產(chǎn)生的貫穿裂縫;有混凝土拌制過程中質(zhì)量控制不佳,造成水膠比過大或水泥用量過多,混凝土凝固過程當(dāng)中表面收縮引起的表面裂縫;有混凝土成型后受力條件改變,如基礎(chǔ)持力層條件改變、混凝土受力載荷變化超出混凝土本身所受拉應(yīng)力的極限而發(fā)生的結(jié)構(gòu)裂縫。3.3.2混凝土裂縫檢測混凝土裂縫檢測時,常采用透射法或平行反射法,具體選用哪種方法跟裂縫的位置、混凝土結(jié)構(gòu)型式有直接關(guān)系。3.3.2.1透射法適用于發(fā)生裂縫的面積較小,混凝土結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)距、厚度不大的情況。運用透射法檢測時,發(fā)射探頭與接收探頭分別在裂縫的兩側(cè)移動,當(dāng)探頭與裂縫沒有相交時,檢測超聲波不會發(fā)生明顯變化,當(dāng)探頭與裂縫相交時,檢測超聲波會在裂縫處發(fā)生衍射,從而使接收探頭的接收時間和接收強度發(fā)生變化,根據(jù)時間和強度的變化確定裂縫的位置及深度。3.3.2.2平行反射法當(dāng)混凝土的裂縫面積較大或結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜,不宜采用
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