.,超聲法檢測混凝土缺陷,后勤工程檢測中心葛增超,.,一、概述,混凝土缺陷：內部不密實或空洞，外部蜂窩麻面、裂縫或損傷層檢測目的：查明混凝土缺陷的性質、范圍及尺寸檢測方法：機械波法：超聲脈沖波、沖擊脈沖波、聲發射穿透幅射法：x射線、射線、中子流,.,一、概述,超聲法定義指采用帶波形顯示的低頻超聲波檢測儀和頻率為20250kHz的聲波換能器，測量混凝土的聲速、波幅和主頻等聲學參數，并根據這些參數及其相對變化分析判斷混凝土缺陷的方法在混凝土檢測中的應用非破損檢測混凝土內部的空洞、離析檢測混凝土裂縫的深度檢測混凝土接觸面的結合質量檢測混凝土表面的損傷層厚度,.,二、超聲法檢測的基本原理,（一）基本原理利用脈沖波在技術條件相同的混凝土中傳播的時間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學參數的相對變化，來判定混凝土的缺陷。（注：技術條件相同：指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致）,.,二、超聲法檢測的基本原理,（二）聲學參數1.聲速彈性模量,孔隙率,密實度,聲速強度，聲速混凝土內部有缺陷(孔洞、蜂窩)，聲速超聲波穿過裂縫傳播，聲速聲速可以反映混凝土的性能與內部情況,.,二、超聲法檢測的基本原理,2.振幅指首波，即第一個波前半周的幅值，反映了接收到聲波的強弱強度，振幅內部有缺陷、裂縫，振幅振幅與儀器性能、耦合狀況、測距大小均有關系，沒有統一的度量標準，目前只作為同條件（同一儀器、同一狀態、同一測距）下相對比較用,.,二、超聲法檢測的基本原理,3.頻率超聲波檢測中，電脈沖激發出的聲脈沖信號是復頻超聲脈沖波，包含了一系列不同頻率成分測距越遠，高頻成分衰減越多混凝土內部缺陷及裂縫使主頻下降頻率與儀器性能、耦合狀況、測距大小均有關系，沒有統一的度量標準，目前只作為同條件(同一儀器、同一狀態、同一測距)下相對比較用各頻率成分通過頻譜分析取得（FFT）,.,二、超聲法檢測的基本原理,4.波形顯示屏上顯示的接收波波形直達波、反射波、繞射波、縱波、橫波、表面波等的綜合反映波形分析常集中于波前部的縱波目前對波形的研究只能作一般的觀察、記錄,.,二、超聲法檢測的基本原理,5.聲速的測量方法v=l/t,l為測距，t為聲時5.1測距的測量方法對測時，鋼卷尺測量T、R間距離平測時，鋼卷尺測量T、R間凈距離5.2聲時的測讀方法游標測讀自動關門,適用于信號較強時測量計算機自動尋找,.,二、超聲法檢測的基本原理,5.3零讀數t0的標定方法儀器顯示時間t1包含超聲波在被測物體中傳播時間t、延遲時間（電延遲、電聲轉換、聲延遲）t0，t=t1-t0直接相對法，適用于作為精度要求不高或測距較大情況下，夾心式換能器的t0標定長短測距法，適用各類平面換能器t0標定標準棒法,.,二、超聲法檢測的基本原理,6.振幅的測量方法直讀法：固定發射電壓、衰減器刻度及增益值，直接讀取首波波谷（峰）距水平刻線的高度衰減器法：固定發射電壓、增益刻度，將首波高度衰減至某預定高度，此時從衰減器讀得的dB值即為首波幅度的指標,.,二、超聲法檢測的基本原理,7.頻率的測量方法測量周期法f=1/4(t2-t1)=1/2(t3-t2)=1/(t4-t2)一般取前一、二個周期的波形,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,（一）混凝土裂縫深度檢測1.平測法1.1適用范圍只有一個表面可供超聲檢測裂縫深度不大于500mm,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,1.2檢測步驟：第一步，不跨縫聲時測量：將T和R置于裂縫同一側，以兩個換能器內邊緣距離li為100、150、200mm，分別讀取聲時值ti，繪制“時-距”坐標圖，或用回歸分析求出：li=a+bti，則每測點超聲波實際傳播距離：li=li+|a|，得出超聲波傳播速度：v=(ln-l1)/(tn-t1)或v=b,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,第二步，跨縫聲時測量：將T和R置于裂縫對稱的兩側，li取100、150、200mm，分別讀取聲時值tci，同時觀測首波相位的變化第三步，計算：裂縫深度按下式計算,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,1.3裂縫深度的確定跨縫測量中，當在某測距發現首波反相時，取該測距及兩個相鄰測距的裂縫深度平均值無反相，則將剔除li3mhc數據，取余下的hci的平均值當有鋼筋穿過裂縫時，換能器須離開鋼筋一定距離或將T、R連線與鋼筋軸線形成一定角度（4050）裂縫中不得有水或泥漿充填,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,2.斜測法2.1適用范圍結構裂縫部位有一對相互平行的表面時，優先選用2.2測量方法保持T、R換能器連線的距離相等、傾斜角一致，進行過縫與不過縫檢測，分別讀取相應的聲時、波幅和頻率值。T、R連線通過裂縫時的波幅與頻率比不過縫測點比較，存在顯著差異,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.鉆孔測法3.1適用范圍大體積混凝土，裂縫深度大于500mm被測混凝土允許在裂縫兩側鉆測試孔,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.2鉆孔要求孔徑大于換能器直徑510mm測孔深度應大于裂縫深度600800mm對應的兩個測孔應始終位于裂縫兩側，且平行對應測孔間距宜2m左右，同一結構各對應測孔的間距應相同孔中粉末碎屑應清理干凈橫向測孔的軸線應具在一定的傾斜角宜在裂縫一側多鉆一個孔距相同但較淺的孔,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.3測試方法測試孔注滿清水，將T、R置于裂縫同側的B、C孔中以200300mm的相同步距向下移動T、R，并讀取相應的聲時與波幅值將T、R置于裂縫兩側對應的A、B測孔中，同步向下移動，逐點讀取聲時、波幅和換能器所處深度,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.4裂縫深度判定主要以波幅測值作為判據繪制深度-波幅坐標圖波幅最大并基本保持穩定位置即對應裂縫深度,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.5裂縫末端位置的判定采用斜測法當兩個換能器的連線超過裂縫末端后，波幅測值保持最大值，判定測線AB、CD的位置通過裂縫的末端AB、CD兩條測線的連線交點便是裂縫的末端位置,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,（二）混凝土不密實區和空洞檢測1.測試方法1.1平面對測結構被測部位有兩對互相平行表面在測區的兩對平行表面上，畫100300mm網格并逐點編號,測量對應測點的聲時、波幅和頻率,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,1.2平面斜測被測部位只在一對平行表面可供測試，或被測部位處于結構的特殊位置,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,1.3鉆孔測法適用于大體積混凝土鉆一個或多個平行于側面的測孔，直徑3845mm，孔深根據測試要求確定,耦合：測孔用清水，側面用黃油測量同一高度或同步高度差的聲時、波幅或頻率,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,2.不密實區和空洞的判定基本原理：超聲波遇不密實區或空洞時，其測得的聲時、振幅、頻率必將與正常混凝土有差別異常值的判別方法：根據概率統計理論確定，即置信范圍（mx1Sx)以外的觀測值為異常值，同時應避免觀測失誤造成數據異常（檢查表面是否平整、干凈或是否存在別的干擾因素，必要時加密測點重復測試）,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,2.1混凝土聲學參數的統計計算,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,2.2異常值的判別當測區各測點的測距相同時，可直接用聲時進行統計判斷。將各測點聲時值ti按大小順序排列，t1t2t3tn，視排在后面明顯偏大的聲時為可疑值，將可疑值中最小的一個數同其前面的聲時值進行平均值（mt）和標準差（St）的統計以x0=mt+1St為異常值的臨界值，當參與統計的可疑值tnx0時，則tn及排列于其后的聲時值為異常值，再將t1tn-1進行統計判斷，直至判不出異常值為止。若tnX0時，再將xn+1放進去統計和判別，其余類推,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,相鄰測點異常的臨界值，按下式進行統計判斷。X0=mx-2Sx或X0=mx-3Sx1、2、3與測點數量有關，查規范表可得。2.3不密實混凝土和空洞范圍的判定根據異常測點的分布及波形狀況判定混凝土內部存在不密實區和空洞的范圍注意：波幅測量值雖然對缺陷的反映很敏感，但由于受聲耦合狀態的影響較大，容易產生誤判和漏判,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.混凝土內部空洞尺寸的估算3.1設空洞位于發射和接收換能器的正中央適用于只有一對可供測試的表面時，按下式估算空洞半徑：,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.2設空洞位于發射和接收換能器連線的任意位置適用于有兩對可供測試的表面時。設X=(th-tm)/tm，Y=lh/l，Z=r/l，則可根據X、Y值，由表C.0.1查得Z值，再計算空洞的大致半徑r,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,（三）混凝土結合面質量檢測1.測試方法有對測法和斜測法兩種，測點布置要求：使測試范圍覆蓋全部結合面或有懷疑的部位各對換能器連線應采用穿過和不穿過結合面布置,各對換能器連線的傾斜角、測距應相等測點間距100300mm測試各對測點的聲時、波幅、主頻值,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,2.數據處理及判定測點數足夠，仍用統計方法判定測點數不足，或數據較離散，可用通過結合面的聲速、波幅值與不通過結合面的聲速、波幅值比較，顯著低者，可判為異常測點被判為異常值的測點，查明無其他原因影響時，可判定這些部位的新老混凝土結合不良,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.實例根據聲時判別結果，t3、t4、t8、t9、t12、t15為異常值根據波幅統計和判別結果，A1、A3、A4、A8、A9、A12、A15為異常值,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,（四）表層損傷層檢測1.測試原理當T、R換能器間距較近時，脈沖波首先沿損傷層到達R，此時測得的為損傷層混凝土聲速。當T、R換能器間距較大時，脈沖波透過損傷層沿未損傷層到達R，此時測得的為未損傷層混凝土聲速。必有一測距l0，脈沖波穿過損傷層與未損傷層到達R的時間相同。據此建立方程求得hf,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,2.測試方法T耦合好保持不動，然后將R依次耦合在間距為30mm的測點1、2、3、位置上，讀取相應的聲時值t1、t2、t3、，并測量每次T、R內邊緣之間的距離l1、l2、l3、，每一測位的測點數不得少于6點，當損傷層較厚或不均勻時，應增加測點數量,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,3.損傷層厚度的判定用各測點的聲時值和相應的測距繪制“時-距”坐標圖，轉折點前后分別代表損傷和未損傷混凝土的l和t相關直線建立回歸直線方程,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,損傷層厚度的計算,4.注意事項為增強接收信號，宜選擇低頻換能器（3050kHz）有時因損傷程度輕或損傷層厚度不大，可能出現兩者速度差別不大，因此，測量時必須準確測量T、R之間距離檢測完成后，宜作局部破損驗證檢測結果,.,三、超聲波法檢測混凝土缺陷,（五）超聲法檢測混凝土缺陷的主要影響因素1.耦合狀態的影響測面平整耦合劑厚度均一無泥砂粘附2.鋼筋換能器離開鋼筋一定距離或與鋼筋軸線形成一定夾角3.水分力求混凝土處于干燥狀態，缺陷內的空氣不能被水充填,.,四、超聲波檢測的儀器設備,（一）超聲波檢測儀的技術要求1.分類模擬式，由時域波形信號測讀聲學參數。如CTS-25、SYC-2等數字式，接收信號轉化為離散數字量，具有采集、儲存數字信號、測讀聲學參數和對數字信號處理的智能化功能。如RS型超聲儀、SY型超聲儀,.,四、超聲波檢測的儀器設備,2.技術要求具有波形清晰，顯示穩定的示波裝置聲時最小分度為0.1s具有最小分度為1dB的衰減系統儀器應具有良好的穩定性接收放大器頻響10500kHz，總增益不小于80dB，接收靈敏度(S/N=3/1)不大于50V電源電壓波動范圍在標稱值10%的情況下能正常工作連續正常工作時間不少于4h,.,四、超聲波檢測的儀器設備,（二）換能器的技術要求1.分類厚度振動方式徑向振動方式2.技術要求頻率選擇：厚度振動方式-20250kHz徑向振動方式-2060kHz,.,四、超聲波檢測的儀器設備,.,四、超聲波檢測的儀器設備,（一）超聲波檢測儀的檢定1.聲時計量校驗取常用平面換能器一對，接于超聲波儀上，將兩個換能器的輻射面相互對準，以間距（精確至0.5%）50、100、150、200mm依次放置在空氣中，在保持首波幅度一致的條件下，讀取各間距所對應的聲時值t1、t2、t3、tn，同時測量空氣溫度Tk（精確至0.2）,.,四、超聲波檢測的儀器設備,繪制“時-距”坐標圖（或求出