超声法检测混凝土内部缺陷

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沈阳******学院，沈阳，110161

摘要： 在实际工程中，混凝土存在内部缺陷是不可避免的，而混凝土的质量则直接影响工程质量，因此检测混凝土内部缺陷具有重大的意义。通过具体实验得到数据，经过计算分析，可以检测出混凝土裂缝深度。为了减小实验过程中存在的各种误差，经过多次检测，可以得到相当准确的数据，为评价工程质量提供一定的借鉴。 关键词：超声波检测法；混凝土，内部缺陷，平测法

0引言

混凝土超声法非破损检测是近年来在国内外推广应用的一种新型的非破损检测方法。由于超声波通过混凝土时的声速、振幅和波形等超声参数的变化与混凝土的密实度、均匀性和局部缺陷的状况密切相关,因而可以运用超声法来检测混凝土的缺陷。经过近些年的研究、探索和实践,在许多国家和地区得到了广泛的应用,成为混凝土无损检测的重要手段。 由于混凝土在施工中往往因技术管理不善和施工疏忽,使混凝土材料内部存在空洞、疏松、施工缝,以及混凝土胶结不良等缺陷,从而不同程度地影响工程的整体性和力学性能。所以对混凝土施工质量的监控和检测极为重要。

1超声波检测法

超声波检测也叫超声检测、超声波探伤，是无损检测的一种。也就是说超声检测是指用超声波来检测材料和工件、并以 超声检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。超声检测是利用超声波的众多特性（如反射和衍射），通过观察显示在超声检测仪上的有关超声波在被检材料或工件中发生的传播变化，来判定被检材料和工件的内部和表面是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。

超声波是频率大于20kHz的一种机械波（相对于频率范围在20Hz～20kHz的声波而言）。超声检测用的超声波，其频率范围一般在0.25MHz～15MHz之间。用于金属材料超声检测的超声波，其频率范围通常在0.5MHz～10MHz之间；而用于普通钢铁材料超声检测的超声波，其频率范围通常为1MHz～5MHz。

通常，超声检测采用了不同的技术： ——按波源不同可分为：连续波、脉冲波；

——按波型不同可分为：纵波、横波、表面波、板波、爬波； ——按接收方式不同可分为：回波（反射）、穿透；

——按耦合方式不同可分为：接触式、液浸式； ——按探头数不同可分为：单探头、双探头、多探头。

脉冲回波（脉冲反射）技术是超声检测中最常用的一种技术，其所用的超声波是一种脉冲波，即波源振动持续时间很短（通常是微秒数量级）、仅在很短一段时间内有振幅（间歇发射）的一种机械波动。

通常，脉冲回波超声检测的过程是：由超声检测仪（亦称超声波探伤仪）产生脉冲电信号，输入到换能器（或探头）上，激励换能器的压电晶片发射脉冲超声波；超声波透射（或折射）进入被检材料或工件中，经过反射或衍射等传播变化，最终又被换能器的压电晶片所接收，再转换成电信号，输送回超声检测仪显示出来；最后，通过对显示屏进行观察，来分析和评价被检材料或工件的内部或表面质量。

超声检测仪的显示方式通常有三种：A扫描显示、B扫描显示、C扫描显示。

2.基本原理

2.1超声法检测混凝土内部缺陷的基本原理

超声脉冲波法检测混凝土内部缺陷的基本原理有以下几个方面:

1).超声脉冲波在混凝土中遇到缺陷时会发生绕射,可根据声时及声程的变化,判断和计算缺陷的大小；

2).超声脉冲波在缺陷界面发生散射和反射,到达接收换能器的声波能量(波幅)显著减小,可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小；

3).超声脉冲波中各频率成分在缺陷界面衰减程度不同,接收信号的频率明显降低,可根据接收信号主频或频率谱的变化分析判断缺陷情况；

4).超声脉冲波通过缺陷时,部分声波会产生路径和相位的变化,不同路径或不同相位的声波叠加后,造成接收信号波形畸变,可参考畸变波形分析判断缺陷。 2.2平测法

在实际工程中，由于混凝土强度的无损检测受外界环境条件的限制，超声换能器的布置大致有两种方式，相应的方法有直接穿透对测法和单面平测法。其中对测法灵敏度高、测距明确且精度，是常用方法，并且前人已经回归总结出一套可靠的混凝土测强经验公式，可利用对测声速值推断出混凝土的强度。但是在建筑物结构混凝土只有一个可测平面的情况下(如水池壁、底板、飞机跑道、路面、地下室及沉井井壁等)只能采用单面平测法布置。尽管是在同一混凝土构件上，平测法与对测法所测得的声速值并不相同，平测法简单采用换能器边一边或中一中间距使计算的声速值产生偏差，不能准确确定超声路径的距离，因此平测法测得的声速不能直接用于现有的对测法声速测强公式来推定混凝土强度。在工程中有些检测单位直接用平测法声速代替对测法的声速，缺乏科学依据。

2.3试验原理

本试验测试方法是分别检测跨缝和不跨缝的声时和测距后，计算出裂缝深度。其基本原理是根据在同一测距下跨缝与不跨缝声波的传播路径不同来推断裂缝深度。不跨缝声波是直线传播，而跨缝声波需绕过裂缝末端形成折线传播，传播声时延长，在假定跨缝与不跨缝测试的混凝土声速基本一致的条件下，根据其传播声时的差别来计算出裂缝的深度。

3试验

3.1超声波仪器介绍 3.1.1简介

目前国内智能型超声仪的主要型号为NM系列(NM-3B、NM-3C、NM-4A、NM-4B型)、RS-ST01C型、RSM-SY5型、CUT型等等。

以NM-3C为例，NM-3C非金属超声检测分析仪，是具有超声波发射、接收、信号数字采集、声参量自动检测、数据分析与处理、结果存贮与输出等功能的智能化超声检测分析仪。本仪器主要用混凝土、水泥制品、岩石、陶瓷、石墨、塑料等非金属材料与结构的超声波无损检测；可用于混凝土强度检测，结构内部缺陷与裂缝检测、匀质性、厚度检测、混凝土桩基完整性检测及材料物理、力学性能检测等。

表1超声波检测仪主要技术指标

声时测读精度 声时测读范围 幅度测读范围 幅度分辨率 放大器带宽 接收灵敏度 采样周期 最大采样长度 触方式发 信号采集方式 混凝土或岩土 穿透距离 0．1μs 0．1μs～21000μs 0～183dB 3．9 5hz～500Khz ≤30μv 0．05～6.4μs 32K 信号触发、外触发 连续、瞬态信号 ≥10m 发射电压 工业电脑 显示方式 存储方式 输出设备 适用接口 工作电源 工作温度 工作湿度 整机重量 整机体积 250V、500V、1000V可选 386/486/586CPU 640×480TFT液晶显示 大容量HDD，3.5”FDD Canon/EPSON 喷墨打印机 两串、一并 AC:220V±10%,DC:12V 0～40℃ ≤80% 10Kg 250mm×400mm×200mm 3.1.2工作原理

NM-3C由高压发射与控制、程控放大与衰减、A/D转换与采集、工业级计

算机四大部分组成。高压发射电路受主机同步信号控制产生受控高压脉冲，激励发射换能器，将电信号转换为超声波传入被测介质，接收换能器在接收由被测介质传播的声波信号后转换为电信号，经程控放大与衰减对信号做自动调整，将接收换能器的电信号调节到最佳电平，输送给高速A/D采集板，经A/D转换后的数字信号以DMA方式送入主机。在丰富的软件支持下，充分发挥计算机的运算、分析与控制功能，使之成为集发射激励、信号接收、数据采集、自动检测、结果分析、显示打印、数据输入输出于一体的高智能化仪器。

混凝土超声检测仪器的基本任务,是向待测的结构混凝土发射超声脉冲波,然后接收穿国混凝土的脉冲信号,仪器显示超声脉冲波穿过混凝土所需的时间、接收信号的波形、波幅等。根据超声脉冲波穿越混凝土的时间(称为声时)和距离(称为声距),即可计算声速,根据波幅的变化可求得超声脉冲波穿越混凝土的能量衰减；根据所显示的波形，经适当处理后可得到接收信号的频谱等信息。 3.2试验过程

3.2.1测试前的准备：

混凝土裂缝用无损检测仪对试件进行超声检测前，首先要确定测试面，对测点应做工程处理，如果混凝土表面比较光滑，无须专门打磨；如果混凝土表面不光滑，则需打磨处理，最后用细砂纸打磨平，磨光滑。在测试面上按照尺寸布置好测点，并用墨迹做好标记。耦合剂采用黄油。发射和接受换能器测试时应在一条直线上。

对仪器手动调零：先用换能器直接耦合(或用标准声时棒),测试声时后通过人工计算手动输入零声时。

T0=T0‘＋t－t‘

式中T0是待输入的零声时； T0‘是原来的零声时； T是测试所得的声时值；

t‘是标准棒的标准声时，如果没有使用标准棒则为0。 调零操作后，每次采样后的声时值都会自动减去零声时。

调零操作的目的：是消除声时测试值中的仪器系统误差（零声时）。 3.2.2测试方法：

采用平测法检测。检测时，先将T、R换能器分别置于其中一对相互平行测试面的对应测点上，逐点测读声时、波幅、频率值。当某些测点的数据存在异常时，除了清理表面进行复测外，再将T、R换能器分别置于另一对相互平行的测试面上，逐点进行检测，以便判断缺陷的位置。 3.2.3测试步骤：

①表面处理。超声测点处混凝土表面必须平整干净。对不平整或粘附泥沙等

杂物的测点表面，应采用砂纸进行打磨处理，以保证换能器辐射面与混凝土表面耦合良好。

②涂耦合剂。涂耦合剂是为了保证换能器辐射面与混凝土表面达到完全接触，以确保超声脉冲波在此接触面上最大限度地减少损耗。本实验耦合剂采用黄油。

③对裂缝进行声时的测量。对于不跨缝声时的测量将T和R换能器置于裂缝附近同一侧，以两个换能器内边缘间距(r)等于10、20mm分别读取声时值(ti) ；对于跨缝时声时的测量，如下图所示，将T、R换能器分别置于以裂缝为对称的两侧， 以l=14、24mm分别读取声时值t ，同时观察首波相位的变化。

绕过裂缝测试图

平测法检测，裂缝深度按下式计算：

2l hcii2ti0l1 （1） i式中li—— 不跨缝平测时第i点的超声波实际传播距离(mm)；

hc—— 第i点计算的裂缝深度值(mm) tio——第i点跨缝平测的声时值(μs)；

④裂缝深度的确定方法。跨缝测量中，当在某测距发现首波反相时，可用该测距及两个相邻测距的测量值按式(1)计算hci 值，此三点hci的平均值作为该裂缝的深度值(hc )；跨缝测量中如难于发现首波反相，则以不同测距按式(1)、计算hci 及其平均值(mhc)。将各测距ti 与mhc相比较，凡测距ti 小于mhc和大于3mhc的，应将其剔除，然后取余下hci的平均值，作为该裂缝的深度值(hci )

⑤分析处理数据

表2第一条裂缝l=24cm

缝深（f） f=16cm

跨缝声时(t) 101.6μs

不跨缝声时(t) 54μs 54.8μs 63.6μs 93.6μs 76μs 96.4μs

表3第二条裂缝l=14cm

缝深（f） f=6cm f=10 cm f=15.5cm

表4第三条裂缝l=14cm

缝深（f） f=7cm f=22 cm f=5cm f=7cm f=32cm f=12cm

跨缝声时(t) 54μs 132.4μs 90μs 101.6μs 180μs 96.8μs

不跨缝声时(t) 38μs 34μs 56μs 60μs 35μs 41.2μs

仪器测值f

‘

仪器测值f

‘

19.12 cm 13.36 cm 17.58cm 18cm 33cm 11.44cm

f=12 cm 8 2μs f=15.5cm f=14cm f=28cm f=8cm

112.8μs 168.8μs 222.4μs 133.2μs

跨缝声时(t) 56.8μs 70μs 55.2μs

不跨缝声时(t) 36.4μs 54.8μs 32μs

仪器测值f

‘

8.36cm 12.22 cm 18.84cm

7.06cm 26.34 cm 8.81cm 9.57cm 35.31cm 14.88cm

表5第四条裂缝l=10cm

缝深（f） f=33.5cm f=42cm f=13cm f=35cm

表6第五条裂缝l=10cm

缝深（f） f=32cm f=37cm f=24cm f=33cm f=35cm

跨缝声时(t) 239.2μs 224.8μs 203.2μs 202μs 197.6μs

不跨缝声时(t) 30.8μs 26.4μs 38.4μs 26.4μs 27.2μs

仪器测值f

‘

跨缝声时(t) 246.8μs 200.2μs 88μs 225.2μs

不跨缝声时(t) 32.8μs 20.4μs 28.4μs 27.2μs

仪器测值f

‘

37.29cm 46.34 cm 14.66cm 41.09cm

38.5 cm 42.28cm 25.98cm 37.93cm 35.98cm

表7第六条裂缝l=10cm

缝深（f） f=43.5cm f=45 cm f=24.5cm f=26cm f=28cm

跨缝声时(t) 200.6μs 198.2μs 227μs 200.8μs 227.2μs

不跨缝声时(t) 23.6μs 20.4μs 39.6μs 35.2μs 39.2μs

仪器测值f

‘

47.03cm 48.63cm 28.22cm 28.0cm 28.54cm

3.3结果分析 3.3.1数据分析

通过以上数据可以看出：仪器测得缝深在实际缝深的30%以内。但是,如果在工程上应用这样的实验的话,我们的检测就是失败的,所以我们还应该改进我们的试验方式、方法和检测手段等。 3.3.2试验中存在的问题：

在实际测试中，经常碰到在同一个裂缝深度部位，用不同的测距，由所测声时计算出的裂缝深度差异较大，造成这种(裂缝)测试离散大的主要原因有以下几方面：

(1)平测法计算裂缝深度时采用的声速是测量不跨缝条件下不同测距的声时，再以 时一距 法计算混凝土的平均声速，但由于混凝土是一种非均匀的弹塑性材料，即使是正常混凝土各点的声速值也必然存在差异。

(2)平测时如果发、收换能器被邻近的钢筋“短路”。那么读取的声时就不对应裂缝部位混时，造成声时误差；尤其当裂缝较深时，首波信号微弱，更容易造成首波读数误差甚至丢波。

(3)混凝土由骨料、水泥和内部微小气泡组成，混凝土在形成时内部就存在很多微细裂缝，这些裂缝是混凝土材料本身所固有的，属于无害裂缝， 当由于各种原因在混凝土内部产生拉应变，会造成有害裂缝。 3.3.3改进方法

混凝土裂缝深度“平测声时法”格测要点：换能器之间的距离连线与邻近的钢筋应保持45。左右的夹角；被测裂缝部位混凝土表面应平整、无龟裂；测距应与缝深相近，计算裂缝深度平均值要根据测试情况合弃可能造成历史误差的测量值。

为了提高测试的准确度，在提高测试参量的测试精度的同时，要有正确的测试方法和数据处理方法，以减少测试误差。为此应注意以下几点：

(1)布置测点时应避免换能器连线与邻近的钢筋平行，如能保持45度左右的夹角最好，以避免钢筋对首波的“短路”；

(2)选择被测裂缝部位时，应选择测距范围内混凝土表面平整，无表面龟裂的部位；

(3)与裂缝深度相比测距过小或过大时，声时的测试误差较大；当测距与缝深相近时，测试较准，因此技术规程做出舍弃小于平均缝深的测距点和舍弃大于3倍平均缝深的测距点的测距限制，并以首波反相作为判断距与缝深相接近的判据。在计算裂缝深度平均值时，要根据测试情况舍弃可能造成较大误差的测量值，纠正测点越多其平均值越准确的认识误区。

超声波检测法对其在浇注和养护过程中形成的蜂窝空洞、裂缝等缺陷作出了

较为准确和快速的检测,通过科学的方法对其内部质量作出了判断。并且超声波法检测混凝土质量可以在原位混凝土上进行,能真实反映原位混凝土的质量状态,不但操作简便并且节省人力、物力十分适合现代工程发展的需要。可以预言混凝土的超声检测法将是未来世界混凝土质量检测的主流检测法。

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