超声波检测砼缺陷

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第*篇 最新混凝土无损检测技术应用新规范
由图!"#看出直线的斜率便是混凝土的声速（!）。则 !$（"%& "’）／（#%&"’）或! 等于回归直线式的系数$。于是可将（!"’）式改 写成：
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该式便是目前国内外广泛用于单面平测法计算裂缝深度的公式。
第!章 超声法检测混凝土缺陷
!"# 概 述
!"#"# 混凝土缺陷超声检测技术的发展 混凝土和钢筋混凝土结构物，有时因施工管理不善或塑使用环境 及自然灾害的影响，其内 部可能存在不密实或空洞，其外部形成蜂窝麻面、裂缝或损伤层 等缺陷。这些缺陷的存在会严重影响结构的承载能力和耐久性，采用 有效方 法 查 明 混 凝 土 缺 陷 的 性 质、 范 围 及 尺 寸， 以 便 进 行 技 术 处 理， 乃是工程建设中一个重要课题。 混凝土缺陷无损检测技术，大体可分为两大类：一类是机械波法， 其中包括超声脉冲波、冲击脉冲波和声发射等；另一类是穿透辐射法， 其中包括 ! 射线、!，射线和中子流等。 罗马尼亚、日本及前苏联等国家，用 ! 射线和射线!检测混凝土 的密实度、空洞、裂缝及预应力构件预留孔洞的灌浆质量。由于射线 的穿透能力有限，尤其对于非匀质的混凝土，其穿透深度受到很大限 制，而且产生射线的设备相当复杂，又需要严格的防护措施，现场应 用很不方便。 超声脉冲波的穿透能力较强，尤其是用于检测混凝土，这一特点 更为突出，而且超声检测 设备简单，操作 较 方 便， 所 以 广 泛 应 用 于 结 构 混 凝 土 缺 陷 检 测。 早在!"年代末#"年代初，加拿大，前西德、英国和美国的学者相继 进行简 单 的 摸 拟 试 验， 当 时 由 于 受 仪 器 灵 敏 度 低， 分 辨 率 差 的 限 制， 加上混凝土缺陷检测的影响因素尚未清楚，因此难以普遍用于工程实 测。自$"年 代 末， 随 着 电 子 技 术 迅 速 发 展， 超 声 仪 器 的 性 能 不 断 改 善，测试技术不断提高，混凝土缺陷的超声检测技术发展很快。检测 仪器由笨重的电子管单示波显示型发展到集成化、数字化和智能化的 多功能型；测量参数由单一的声速发展到声速、波幅和频率等多参数；
!"#"$ 超声波检测混凝土缺陷的基本原理 采用超声脉冲波检测结构混凝土缺陷的基本依据是，利用脉冲波 在技术条件相同（指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致） 的混凝土中传播的时间（或速度）、接收波的振幅和频率等声学参数的 相对变化，来判定混凝土的缺陷。这些声学参数为什么可以作为判定 混凝土缺陷的依据，是大家比较关心的问题。 因为超声脉冲波传播速度的快慢，与混凝土的密实程度有直接关 系，对于原材料，配合比，龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速 高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时，便 破坏了混凝土的整体性，超声脉冲波只能绕过空洞或裂缝传播到接收 换能器，因此传播的路程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。 另外，由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在 混凝土中传播时，遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷，便在缺陷界面发生 反射和散射，声能被衰减，其中频率较高的成分衰减更快，因此接收
图!"( 平测“时"距”
第二步进行跨缝声时测量。将 &、’ 换能器分别置于以裂缝为中 心的两侧，以!"为#’’、#!’、(’’、……（))），分别读取声时值$()。 该声时值便是脉冲波绕过裂缝末端传播的时间，根据图!"#的的几何原 理，可推算出如下关系式：
式中
*+(%,+(*#+,-( ,+%#(/$,%#(!·$$, *+———即为裂缝深度0； / ———无缺陷处混凝土的声速； $,———脉冲波绕过裂缝传播的时间； -.———无缺陷混凝土的超声传播距离（!）； $———无缺陷混凝土的声时；
推导该式考虑的基本原理：跨缝与不跨缝测试的混凝土声速基本
一致，在同 一 测 距 下， 跨 缝 测 试 的 声 波 绕 过 裂 缝 末 端 形 成 折 线 传 播，
不跨缝测试的声波是沿混凝土表面直线传播到接收换能器，即在裂缝
同一测试部位，各测距计算裂缝深度时，是按同一个混凝土声速来考
虑的，但由于测试误差的影响，各测距不跨缝测得的声速值存在一定
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检测范围由单一的大空洞或浅裂缝检测发展到多种性质的缺陷检测； 缺陷的判别由大致定性发展到半定量和定量的程度。不少国家已将超 声脉冲法检测缺陷的内容列入结构混凝土质量检验标准。
在我国!"年代初期。中国科学院水电研究所便进行了超声脉冲波 检测混凝土表面裂缝的尝试，到!"年代中期全国不少单位开展了超声 测缺技术的研究和应用，尤其是#$%!年以来组织了全国性协作组，对 超声测缺技术进行了较系统的研究，并逐步应用于工程实测。#$&’年 至#$&(年期间，水利电力部、建设部先后组织了对超声脉冲法检测混 凝土缺陷科研成果的鉴定，使这项技术进入了实用阶段，#$$"年我国 颁布了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，使该项技术实现规范化。 该规程实施以来，在消除工程隐患、确保工程质量、加快工程进度等 方面取得显著的社会经济效益。根据该规程的实施现状及我国建设工 程质量控制和检验的实际需要，#$$&年!#$$$年对该规程进行了修订 和补充，并由中国工程建设标准化协会批准为《超声法检测混凝土缺 陷技术规程》)*)+’#：’"""。修订后的规程吸收了国内外超声检测设 备最新成果和检测技术最新经验，使其适应范围更宽，检测精度更高， 可操作性更好，更有利于超声检测技术的推广应用。
!"# 混凝土裂缝深度检测
混凝土出现裂缝十分普遍，不少钢筋混凝土结构的破坏都是从裂 缝开始的。因此，必须重视混凝土裂缝检查、分析与处理。混凝土除 了荷载作用造成的裂缝外，更多的是混凝土收缩和温度变形导致开裂， 还有地基不均匀沉 降 引 起 的 ! 昆 凝 土 裂 缝。 不 管 何 种 原 因 引 起 的 混 凝 土裂缝，一般都需要进行观察、描绘、测量和分析，并根据裂缝性质、 原因、尺寸及对结构危害情况作适当处理。其中裂缝分布、走向、长 度、宽度等外观特征容易检查和测量，而裂缝深度以及是否在结构或 构件截面上贯穿，无法用简单方法检查，只能采用无破损或局部破损 的方法进行检测。过去传统方法多用注入渗透性较强的带色液体，再 局部凿开观测，也有用跨缝钻取芯样进行裂缝深度观测。这些传统方 法既费事又对混凝土造成局部破坏，而且检测的裂缝深度很有限。采 用超声脉冲法检测混凝土裂缝深度，既方便省事，又不受裂缝深度限 制，而且可以进行重复检测，以便观查裂缝发展情况。
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信号的波幅明显降低，频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。 再者经缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在 声程和相位差，叠加后互相干扰，致使接收信号的波形发生畸变。
根据上述原理，可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合 分析、判别其缺陷的位置和范围，或者估算缺陷的尺寸。
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能器） 厚度振动式换能器置于结构表面，径向振动式换能器置于钻孔中
进行对测和斜测。
!"#"$ 超声法检测混凝土缺陷的主要影响因素 超声法检测混凝土缺陷，同超声法检测混凝土强度一样，也受许 多因素的影响。在工程检测中如不采取适当措施，尽量避免或减小其 影响，必然给测试结果带来很大误差。试验和实践表明，影响超声测 缺的主要因素大致有以下几种： !"耦合状态的影响 由于脉冲波接收信号的波幅值，对混凝土缺陷反映最敏感，所以 测得的波幅值（!"）是否可靠，将直接影响混凝土缺陷检测结果的准 确性和可靠性。对于测距一定的混凝土，测试面的平整程度和耦合剂 的厚薄，是影!向波幅测值的主要原因，如果测试面凹凸不平或粘附 泥砂，便保证不了换能器整个辐射面与混凝土测试面的接触，发射和 接收换能器与测试面之间只能通过局部接触点传递脉冲波，使其大部 分声能被损耗，造成波幅降低。另外，如果作用在换能器上的压力不 均恒，使其耦合层半边厚半边薄或者时厚时薄，耦合状态不一致造成 波幅不稳定。这些原因都使测试结果不能反映混凝土的真实情况，使 波幅测值失去可比性。因此，要求超声测试必须具备良好的耦合状态。 #"钢筋的影响 由于脉冲波在钢筋中的传播速度比混凝土中的传播速度快，在发 射和接收换能器的连线上或其附近存在主钢筋时，必然影响混凝土声 速测量值，其影响程度取决于钢筋相对于测试方向的位置及钢筋的数 量和直径。不少研究者的试验结果表明，当钢筋轴线垂直于超声测试 方向，其影响程度取决于接收波通过各钢筋声程之和#$ 与测试距离# 之比，对于声速%!$%&&’(／)的混凝土来说，#$"!／!#时，钢筋对混 凝土声速的影响较小，一般为!*"+*。当钢筋轴线平行于超声测试 方向，对混凝土声速测值的影响较大。为避免其影响，必须使发射和 接收换能器的连线离开钢筋一定距离或与钢筋轴线形成一定夹角。 +"水分的影响 由于水的声速和声阻抗率比空气的声速和声阻抗率大许多倍，如果混
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图!"# 单面平测裂缝
$———待求的回归系数。 !"%!&#$
每一个测点的超声实际传播距离!%!"& % ，考虑“%”是因为 声时读取过程存在一个与对测法不完全一样的声时初读数$’。及首波 信号的传播距离并非是 &、’ 换能器内边缘的距离，也不等于 &、’ 换能器的中心距离，所以“%”是一个$’。和声程的综合修正值。