土木工程检测技术-超声法检测混凝土缺陷

超声法检测混凝土缺陷1混凝土缺陷的特征波形声时、幅度、频率等，都是表征混凝土质量的超声参数检测时主要测试参数是声时，原因如下：相对幅度、频率而言，混凝土的声速不易受换能器性质、耦合状态等因素的干扰。超声幅度除了与超声波在混凝土中的衰减有关外，还与换能器与混凝土测试面之间的耦合状况有关。另外测试时耦合作用力的细微变化都足以造成首波幅度的大大波动，而测试人员按压换能器的压力大小在测试过程难以保证统一。频率则与换能器频率相关，同时存在检测较繁琐等原因，因此一般不单独将频率作为主要参数。但是，首波幅度、频率与声时综合起来，则称为超声波的波形，又是判断混凝土质量的主要依据。混凝土波形特征正常混凝土的特征波形。图中t1、t2、t3、t4、t5分别是接收波第一个周期的声时，t1为首波声时，t2为1/4周期声时，t3为半周期声时，t4为3/4周期声时，t5为一周期声时，通过测量这些声时差，可以初步估算接收信号的频率(精确计算需要进行频谱分析)。正常混凝土特征波形的大致特点为：①首波前沿较陡；②首波幅度较高；③波形比较饱满，接近于正弦波，随着绕射波的到达，后续波的幅度越来越大；④频率较高，接近于发射波频率(一般为换能器频率，混凝土检测采用的超声波频率一般在50～300kHz)；⑤通过声时计算得到的声速一般在4000～5000m/s。混凝土波形特征t1t2t3t4t5正常混凝土的特征波形异常混凝土波形出现畸变，特征：①首波前沿平缓；②首波幅度较低，有的甚至淹没在背景噪声中；③波形不饱满，有时不能呈正弦波特征；④频率很低，大大低于发射波频率；⑤通过声时计算得到的声速通常大大低于4000m/s～5000m/s。有的甚至低于1000m/s。混凝土波形实测图正常混凝土波形异常混凝土波形上图的异常混凝土波形常见于混凝土中夹杂(如夹泥)、孔洞、疏松、裂缝、分层(界面结合不良)等质量缺陷中。但当换能器与混凝土之间耦合不良时(如混凝土表面不平整、混凝土与混凝土接触面存在泥沙、耦合剂不正常等情况)，也会出现类似的波形，需要根据经验判断，及时排除耦合不良造成的干扰。不同的缺陷有的波形也有一些差别，需要在实践中积累经验，不断总结。还有一种异常情况即波形很正常，其基本特征与正常混凝土波形类似，唯一的问题是声速偏低，如在3000m/s～3500m/s左右，而波形甚至比混凝土中还饱满，首波幅度很高。这种情况一般是超声波在缺少石子的砂浆中传播造成的，由于砂浆相当于混凝土而言，缺少石子，因此对超声波的散射衰减大大降低。但砂浆的声速一般只有3500m/s左右，而砂浆的强度偏低，无法满足承载能力要求，因此检测中也应注意。总的来说，超声检测混凝土缺陷目前基本上停留在半定性的阶段，尚不能很好地区分缺陷类型，需要结合工程实际来判断。2超声法检测混凝土缺陷1）基本原理超声法检测混凝土缺陷的基本原理就是，通过超声波在混凝土中传播后发生的波形变化、利用声时、频率、波幅等参数的特征，来综合分析判断其内部状况。超声波在混凝土中由于受到石子、气孔、微裂缝、钢筋等影响，会产生散射、绕射等过程，致使其传播方向改变(非直线传播)，但由于测量时主要取首波，因此基本上还是认为在正常混凝土中，超声波沿近似直线的路径传播。当遇到缺陷时则绕射是主要的，因此导致了声速及波幅、频率均下降，波形产生畸变。在对缺陷进行定位时，也是以超声在混凝土中的直线传播为假设前提的。2）检测依据超声波在混凝土缺陷检测中的应用，主要依据是《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21:2000)，主要应用在：孔洞、疏松等内部缺陷检测、新旧混凝土结合面质量检测、裂缝深度检测、表面损伤层深度检测、钢管混凝土质量检测、声波透射法检测混凝土灌注桩桩身完整性等。3）基本原则超声波优先选择最短路径即在超声传播路径周围，当存在不同介质时，根据不同介质的声速差异，超声波总是优先选择最快到达的那一条路径，由于钢筋中的纵波声速大大高于混凝土(5900m/s)，因此，当超声传播路径周围存在钢筋时，则超声波往往会从钢筋“短路”。为避免钢筋的影响，一般应使传播路径不与钢筋轴线平行或离开钢筋约l/5～l/6。同时，超声波的这种特性也是用来检测混凝土表层损伤深度、裂缝深度等的一个依据。当混凝土是均质的时候，一般认为超声波在混凝土中是直线传播的。因此，当检测混凝土结合质量时，就必须让超声波穿过结合面，为此常常必须采用斜测法等。正常混凝土的超声参数基本上符合正态分布：这是判断混凝土中是否存在异常测点的主要依据。这种方法也叫“概率法”，是混凝土缺陷检测中最常用的判据，即混凝土的超声声速等各参数基本在其平均值附近，当出现偏离平均值较大的值时，则可判断其为异常值。异常值判定值的大小与测点数有关，也与被测混凝土本身的质量波动(标准差)有关。必须指出的是，仅当测距可以准确测量的前提下这一假设才能成立，这就意味着对于预埋声测管进行声波透射法检测的灌注桩，由于测距实际上是变化的(因为声测管总是难免在埋设后产生扭曲)，因此一般不采用这种数理统计的方法判断异常部位，其判据另外介绍。同时，进行数理统计的超声参量一般是声时或声速，较少采用频率、波幅等参数。4）基本方法根据构件的几何外形、大小以及现场条件(所能布置的检测面)、测试面状况、缺陷类型等，选择不同的测试方法。常用的有：⑴采用平面换能器测试时(厚度振动换能器)①优先采用对测法：当被测部位具有相互平行的相对的测试面时，应优先选择对测法。此时收发换能器位于两个相对测试面，超声测线垂直于测试面，接收波的波前正对接收探头，接收信号强度是所有方法中最大的，因此最容易进行结果判断。②其次选择斜测法：斜测法有两种，一种是指两个检测面相交(检测面相邻)，两个探头在丁角进行测试；一种是指两个相对的测试面，但两个探头轴线与被测面形成不等于90°的角度，如果测试面是垂直于地面的(这种情况是常见的)，那么探头轴线则非水平，常用于新旧混凝土接合面质量检测，目的是使得超声波能穿过接缝。③平测法：当被测部位仅有一个测试面时，采用此方法，即发射、接收探头位于同一个测试面，此时一般必须将两个探头的间距进行等距离变化测得一组数据，根据测点间距与声时的线性关系变化来进行判断。一般用于混凝土表面损伤深度测试、裂缝深度测试等。⑵钻孔、预埋管检测(采用径向振动式换能器)①管(孔)中对测：适用于灌注桩以及大体积混凝土。灌注桩中预埋2根以上声测管，采用柱状径向振动式换能器进行检测是目前常规检测方法之一。除此之外，对于大体积混凝土，由于测距太大，无法直接在两个相对面直接测试(比如大底板)，或者浇注侧面均被遮挡、隐蔽无法布置测点(比如大底板)，也可采用预埋声测管或者钻孔的办法进行检测。测试时两个探头位于同一高度，同步提升。②管(孔)中斜测：上述构件中，当存在水平缺陷，对测有可能漏测(比如水平裂缝)，此时可将两个探头取不同高度进行斜测，探头同步提升。③孔中平测：将一对径向振动式探头或者一发双收探头置于同一个测孔中(声测管不用此法)，测试孔壁周边混凝土状况。较少采用。⑶混合检测：同时采用柱状径向换能器和平面式换能器进行检测，孔中放径向换能器，侧面布置平面换能器。比较少用。3超声检测影响因素⑴耦合状态：所谓“耦合”，是指让超声波探头和被测混凝土表面密切接触，尽量避免能量损失。对于平面探头，虽然探头面和混凝土测试面都是平的，但是实际上混凝土和探头表面都有无数肉眼无法观察到的凹凸，里面存在空气，如果直接进行测试会导致超声能量被这些表面的凹凸部位中的空气吸收衰减，大大影响超声穿透能力，因此必须采用黄油、凡士林等糊状物来填补混凝土测试面与探头接触面之间的空隙，形成良好的耦合。对于柱状径向探头，采用水进行耦合，因此柱状径向探头具有水密性的指标要求，0.4MPa下不允许漏水。⑵钢筋：超声波在钢中的传播速度(纵波声速一般为5.9km/s左右)大大高于混凝土(纵波声速一般为4.0km/s～5.0km/s)，如果在超声传播路径上或其周围存在钢筋，则会有部分或者大部分超声信号沿着钢筋传播而且比在混凝土中传播的信号先到达接收探头，从而导致检测到的声时值偏小，这叫做“视声时”，即实验观察到的声时，它是受到干扰的不准确的声时。这样会导致计算出来的声速偏大，增加检测方风险。⑶水分：水分填充了混凝土中的孔隙，混凝土孔隙中的空气被水取代，由于水的超声波速度和阻抗比空气大得多，和空气相比，超声波在水中传播的速度大，衰减小，因此如果混凝土中的缺陷被水分填充，将会造成超声传播的“水短路”，导致缺陷判别的困难。4混凝土裂缝深度检测被测裂缝中不得有积水或泥浆1）单面平测适用于结构只有一个表面可供测试时，如混凝土路面、地下室剪力墙、飞机跑道、大体积混凝土等。最大检测深度为500mm。hcl'l'llTRTR平测裂缝如上图所示，基于下列的假设：①裂缝附近混凝土质量基本一致(声速基本相等)；②跨缝声速和不跨缝声速一致；③超声波绕过裂缝尖端传播。根据上述假设，通过上图的几何关系，可以推导出裂缝深度的计算公式如下：1)(220lvtlhcc测点布置如下图所示。注意测距是测量两个换能器的内边缘距离。TT4T3T1T2R1R2R3R4R1R2R3R4L1L2L3L4L1L2L3L4在跨缝和不跨缝处均布置等间距测点，跨缝检测时测点应在裂缝两侧对称分布，将不跨缝处测点声时读数作图，取其斜率为不跨缝处声速。在裂缝深度的平测法检测中，跨缝检测时常会遇到如下图所示的首波“反相”现象。大量的实验室研究和工程检测表明，单面平测法检测裂缝深度时，当测距从大变小的过程中，存在这样一个临界点，首波开始反相，低于这个测距后，首波基本上都是反相的。有个比较简便的近似关系是，首波反相的临界点测距l’=2hc，也有观点认为裂缝较深的时候l’=hc。规范CECS21:2000是规定：在发现反相的临界点，取该测距及其两个相邻测距的测量值计算裂缝深度后进行平均。当无法观察到首波反相时，则对每个测距计算裂缝深度，然后计算所有测点裂缝深度平均值，剔除其中小于平均值测距下的测试数据，以及大于3倍平均值的测试数据，然后重新计算平均值作为裂缝深度计算值。当检测楼板、剪力墙等结构构件时，注意测点布置应保证超声传播路线和钢筋分布尽量呈45°夹角，以避开钢筋影响。2）裂缝双面斜测单面平测法的前提条件是超声波绕过裂缝尖端传播。当裂缝尖端存在水分、尘土颗粒等杂质时，或者裂缝局部被水分、尘土颗粒等填充时，会成为超声传播的通道，因此导致深度测试的误差(使裂缝深度偏小)。因此，当结构具有两个相互平行的可测面时，优先选择双面斜测法。如下图所示。根据波幅、声时和主频的突变来判定超声波是否穿过裂缝传播，可以判断裂缝是否贯通截面。TR3）钻孔检测裂缝深度钻孔对测法适用于大体积混凝土，预计深度在500mm以上的裂缝检测，需要在被测混凝土上钻孔。钻孔有如下要求：①孔径应大于换能器直径5mm～10mm；②孔深应超过预计裂缝深度700mm，可初测后补钻；③A、B两个测孔必须始终位于裂缝两侧(对于斜裂缝要注意)，且测孔应保持平行；④测孔间距AB、BC宜为2m左右，且AB=BC；⑤孔中粉末碎屑必须清除干净；⑥必须在跨缝的AB和不跨缝的BC两条连线上分别进行测试。C孔可浅些，以便于将跨缝和不跨缝测试数据加以对比。钻孔检测裂缝示意图CBAll(a)平面图（C为比较孔）(b)立面图lhc20406080100120140160180d(cm)hcA(dB)(c)h-A坐标图工程实例一般选择20kHz～60kHz的径向振动式换能器，测试前先向测孔中注满清水，径向换能器以(100～400)mm的测距同步移动，读取各深度的声时、波幅等读数，绘制深度-波幅以及深度-声时曲线，如图25(C)所示。一般波幅对裂缝较为敏感，当波幅稳定在较大的数值后，可认为已经超过裂缝尖端了，通过图25(C)的拐点可确定裂缝深度。5不密实区和空洞检测不密实区是指因振捣不足、漏浆、石子架空等原因造成的蜂窝状缺陷，或者因水泥缺少而形成的