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江苏大学硕士学位论文超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 摘要 混凝土是当代建筑工程中最重要的结构材料之一，加强混凝土的质量监测与 控制成为当今建筑工程技术中的重要课题。如何在不影响结构构件受力性能或其 他使用功能的前提下，直接在结构或构件上通过测定某些适当的物理量，并通过 这些物理量与混凝土质量的相关性，进而推定混凝土强度、均质性、连续性、耐 久性等一系列性能的检测方法无损检测方法成为土建领域中一个重要的研 究方向。 ， f 但现有的超声无损检测手段大多还停留于确定缺陷的有无，或凭经验大致判 断缺陷的大小、位置，即还处于缺陷的定性阶段，这使得其测试结果一直不尽如 人意。所以定量化研究检测成果无疑具有重要的实用使用价值和应用前景。夕p 一 本文主要以混凝土内部缺陷的超声波无损检测方法为研究对象，通过对内部 具有缺陷的混凝土试件进行超声波检测，并应用数字信号处理技术中的小波分析 方法对检测数据中的声时、波幅、频率以及波形等参数综合进行定量化研究，得 出结论证实其具有很好的可行性。 关键词：无损检钡n 7 超声波检钡杉定量化研究，小波分藏混凝土! 缺陷y 频率 波幅，声时，波形 、 江苏大学硕士学位论文超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 a b s t r a c t c o n c r e t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a t e r i a li nc i v i le n g i n e e r i n g ，i tb e c o m ea s i g n i f i c a n tt a s kt oe n h a n c et h es u p e r v i s i o na n dc o n t r o lo f c o n c r e t e a sap r e c o n d i t i o n n o tt oi n f l u e n c et h e c a p b i l i t y t ol o a do ro t h e rf u n c t i o nt h ee x a m i n em e a n st o m e n s u r a t es o m er e l e v a n tp h y s i c a lv a l u er i g h to nt h ef r a m e w o r ko rc o m p o n e n t ，t h a t i s ，n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o nb e c o m ea n i m p o r t a n t d i r e c t i o no fc i v i l e n g i n e e r i n gt h r o u g ht h er e l a t i v i t yo ft h ev a l u ea n dt h eq u a l i t yo fc o n c r e t e w ec a r l s p e c u l a t eas e r i e so fq u a l i t yo fc o n c r e t e ，f o re x a m p l ei n t e n s i t y ，i s o t r o p y ，c o n t i n u i t ya n d w e a r ，e t c b u ta tp r e s e n t ，t h r o u g hm o s to ft h em e a n so fn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，w ec a n o n l yd e t e r m i n et h ee x i s t e n c eo ff l a w s ，o ra p p r o x i m a t e l ye s t i m a t et h es i z e ，l o c a t i o no f f l a w sb ye x p e r i e n c e ，a sas t a g eo f q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ff l a w s ，t h er e s u l t sf r o mt h e s e m e a n sa r e u n s a t i s f a c t o r y s o q u a n t i t a t i v es t u d y o ft h er e s u l t sh a v e s i g n i f i c a n t p r a c t i c a b l ev a l u ea n da p p l i c a b l ep r o s p e c t i nt h ea r t i c l e ，w ep r i m a r i l yr e s e a r c ht h eu l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no f f l a w si nt h ec o n c r e t e t h r o u g ht h ee x a m i n a t i o n ，a n dt h ea p p l i c a t i o no f s i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o d s ：w a v e l e t s ， w e q u a n t i t a t i v e l ys t u d y t h e p a r a m e t e r ，s u c h a s t i m e ，a m p l i t u d e ，f f e q u e n c ea n d w a v e f o r m e t c e v e n t u a l l ya c o n c l u s i o ni sd r a w n ，i tv e r i f y t h ef e a s i b i l i t yo f q u a n t i t i v ea n a l y s i si sg o o d k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，u l t r a s o n i c ，q u a n t i t a t i v es t u d y , w a v e l e t s ， c o n c r e t e ，f l a w , f r e q u e n c e ，a m p l i t u d e ，t i m e ，w a v e f o r m 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段和汇编本学位论文。 保密li ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密1 4 l 。 学位论文作者签名：之每1 t 年u 月乙乙日 指导教师签名：柳江哿 ) 1 一琅年4 月工2 _ 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名：之每勺 曰期：m 年u 月 b 日 江另、大学硕上学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 第1 章绪论 1 1 混凝土结构无损检测技术的应用前景 建筑物( 房屋和桥梁等) 的质量，无论是对人民的生命财产，还是对国民经 济来说，都是十分重要的，对建筑物的所有要求中，安全性是第一位的。近年来， 灾难性的桥梁断裂，房屋倒塌的报道时有所闻，无损检测是防止这类恶性事件发 生的重要手段；另一方面，对旧有建筑物的维修和保养很艰难，并要耗费大量资 金，无损检测技术的应用可使维修保养大大减小盲目性，从而可大大节约这项开 支。建筑工程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和整体性，能够用来 估计建筑材料和结构的性质及性能，并能对其内部含水量、缺陷和损伤进行测量 和定位，还能够用来确定建筑材料和结构内部的预应力元件的位置，以避免在打 洞时发生意外的损伤。总之，建筑工程无损检测技术能够以成本低、费时少的方 式，起到监督、诊断和测量的作用，对评价和保证建筑物的安全性，保护和保养 珍贵的古建筑起到重要的作用。 混凝土是当代建筑工程中最重要的结构材料之一，由于混凝土通常是在工地 进行配料、搅拌、成型和养护，所以每一个环节稍有不慎都将影响其质量( 安全 性、适用性和耐久性) ，危及整个结构的安全，因此，加强混凝土的质量监测与 控制成为当今建筑工程技术中的重要课题。众所知之，混凝土的主要质量指标历 来是以标准试件的抗压强度为依据的，试件抗压强度试验在全世界中( 包括我国) 已沿用了几十年，成为混凝土与钢筋混凝土结构的设计、施工及验收的基本依据。 但必须看到，混凝土标准试件的抗压试验对结构混凝土来说，毕竟是一种间接测 定值。由于试件的成型条件、养护条件及受力状态都不可能和结构物的混凝土完 全一致。因此，试件测量值只能被认为是混凝土在特定的条件下的性能反映，而 不能代表结构混凝土的真实状态，至少在下述情况下不可能如实反映结构混凝土 的性能： ( 1 )当混凝土施工中发现某一施工环节存在问题，对结构混凝土强度产 生怀疑时； 江另、人学坝士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 ( 2 ) 当试件的取样、制作、养护等未按规定进行时，对其可信度产生怀 疑时： ( 3 ) 当结构混凝土受自然环境的侵蚀或受灾难性因素而损害时； 我国混凝土强度检验评定标准( g b j l 0 7 - - 8 7 ) 中规定：“当对混凝土试件 的代表性有怀疑时，可用从结构中钻取试样的方法或采用非破损方法，按有关标 准的规定对结构或构件中混凝土的强度进行推定。”这里所说的非破损方法，即 无损检测方法，就是指在不影响结构构件受力性能或其他使用功能的前提下，直 接在结构或构件上通过测定某些适当的物理量，并通过这些物理量与混凝土强度 的相关性，进而推定混凝土强度、均质性、连续性、耐久性等一系列性能的检测 方法。 总的晚来，混凝土结构无损检测技术有着非常广阔的应用前景，目前已成为 土建领域中一个重要的研究方向，是衡量一个国家土建测试技术水平的重要标志 之一，它有助于人们科学合理地评定建筑物的可靠性，充分利用旧建筑，并提高 设计水平，推动土木工程的发展。可以预料，随着科学技术的发展和工程建设规 模的扩大，无损检测技术的发展和应用情景将越来越宽广。 1 2 混凝土结构无损检测技术的发展概况 早在2 0 世纪3 0 年代，人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法，并获 得迅速的发展，1 9 3 0 年首先出现了表面压痕法，1 9 3 5 年格里姆( g g r i m e t ) 、艾 德( j m i d e ) 把共振法用于测量混凝土的弹性模量。1 9 4 8 年施米特( e s c h m i d ) 研 制成功回弹仪，1 9 4 9 年加拿大的莱斯利( l e s l i e ) 和齐斯曼( c h e e s m a n ) 、英国的 琼斯( r j o n e s ) 等运用超声脉冲进行混凝土密实度和强度检测。这些研究为混凝土 无损检测技术奠定了基础。随后，许多国家也相继开展了这方面的研究，如前苏 联、罗马尼亚的弗格瓦洛提出了用声速、回弹法综合估算混凝土强度的方法，为 混凝土无损检测技术开通了多因素综合分析的新途径。6 0 年代声发射技术引入 混凝土检测体系，吕施( h r u s c h ) 、格林( a t g r e e n ) 等人先后研究了混凝土的发 射特性，为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基础，此外，无损检测的另 一个分支钻芯法、拔出法、射击法等半破损法也得到了发展，从而形成了一 个较为完整的混凝土无损检测方法体系。 江南，大学坝士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 我国在这领域的研究工作始于5 0 年代中期，开始引进瑞士、英国、波兰 的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了许多研究工作。6 0 年代初即开始了 批量生产回弹仪，并研制成功了多种型号的超声检测仪。在检测方法方面也取得 了许多进展。7 0 年代以后，我国曾多次组织力量合作攻关，大大推进了无损检 测技术的研究和应用，现已使回弹法、超声回弹综合法、钻芯法、拔出法、超声 缺陷检测法等主要无损检测技术规范化。总的说来，混凝土结构无损检测技术经 过丁几卜年的发展，己日趋成熟，应用也越来越广泛，尤其在我国健全各级监督 机构之后已成为工程质量现场检测的主要手段之一，为提高建筑工程质量，推 动建筑技术的发展作出了很大的贡献。 近年来，国内外在结构无损检测领域又取得了许多新成果，进行了许多新的 应用。主要有如下几种：( 1 ) 雷达技术的应用；雷达技术可以非接触进行检测、 检测速度快、接收信号经处理后可以用直观的图像在屏幕上直接显示，雷达法可 用于混凝土缺陷的检测、定量分析桥梁腐蚀、管道无损检测、探测砌体结构的完 整性及雷达层析摄影法、用微波技术来检测建筑构件的含水量，但雷达法的穿透 能力较差，一般在3 0 0 m m 左右。( 2 ) 电磁与电测法；用核磁共振法检测混凝土 成熟过程个阶段的特性、测定建材孔隙的含水分布，用涡流法测定混凝土盖板厚 度及钢筋混凝土中的钢筋直径，用剩磁法测定预应力混凝土中张拉钢筋的断裂， 用超高频电磁诊断材料的涂层质量，用交流阻抗法鉴测混凝土中钢筋的锈蚀等。 ( 3 ) 红外线成像技术；红外线成像无损检测技术是连续热流注入试件，热流在 试件中的扩散情况与试件内部结构有关，并随时间推移使试件表面产生温差，利 用红外线成像技术来获得试件近表面的缺陷情况，它具有非接触、远距离、大面 积扫查、结果直观等优点，主要用于建筑物的保温节能性能普查，方便实用，也 可用于木材断裂过程的检测，分析古建筑砖的色彩变化，外粘结碳纤维塑料板和 多层建筑材料的检测等。( 4 ) 超声波方法除了传统的声速、频率、波幅、波形4 参数检测混凝土缺陷外，还逐步发展到混凝土构件的超声成像检测技术，除了缺 陷检测外，还有超声脉冲一回波技术测定钢筋位置和钢筋直径，石膏、水泥和混 凝土材料试验的超声频谱分析，高衰减材料的超声检测、超声脉冲速度法检测沥 青混凝土的某些特性，超声法评估高温处理的钢筋混凝土构件，以及超声信号叠 加技术检测钢筋混凝土构件厚度等。概括起来讲，国外使用的检测方法有十几种 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 之多，有些是实验室内的检测方法。这些技术的最大特色就是更多的应用了计算 机技术、仿真技术、神经网络技术等，具有很高的技术水平。 1 3 混凝土缺陷的无损检测方法 混凝土与钢筋混凝土结构物，有时因施工管理不善或受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或耐久性，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，乃是工程建设中的一个重 要课题。 根据文献 2 3 4 ，目前，用于混凝土缺陷的无损检测方法主要有超声脉冲 法、脉冲回波法、雷达扫描法、红外线热谱法、声发射法等等，而在我国使用较 多且比较有效的方法是超声脉冲法。 超声脉冲法是根据声波在固体介质中的传播速度与密实度成正相关而建立 的一种无损检测方法，其主要特点是使超声波穿透混凝土，以获知质量信息，包 括强度及缺陷。就此而言，超声波法具有其他仅作用于混凝土表层的无损检测方 法所不具备的优点，但是，正因为超声波要穿透混凝土内部，由此所带来的影响 声波传播速度的因素也就复杂得多，如混凝土的含水率、粗骨料的品种、大小、 级配、钢筋的含量等等，而且在较大的强度范围内，如1 5 5 0 兆帕，声速的变 动范围相对较窄，因此，从测强这一方面看，超声脉冲法的正确度、精确度均难 以满足使用要求，超声脉冲法的实用价值主要体现在对混凝土内部缺陷的判别 上。依据基本的声学规律，脉冲回波的声学量，如超声声速、传播时间、超声衰 减和频谱等与物体的几何、力学量相联系。超声声速由材料的刚度和密度所决定， 而传播时间与传播距离及声速有关，超声的衰减以及频谱的变化与介质的成分和 内部所含颗粒的大小密切相关。因此超声脉冲技术有着广泛的应用，能用于检测 和定位混凝土中的缺陷、孔穴、钢筋等，测量厚度，评估桥梁、大坝、墙壁状态 的完整性和可靠性，以及监测混凝土固化过程中强度的变化等。 超声脉冲法对混凝土结构检测时，通过利用超声的声时、波幅、频率以及波 形等参数综合对混凝土的浅裂缝、深裂缝、不密实区和空洞、混凝土结构结合面 质量、表面损伤层以及混凝土内部匀质性等缺陷进行检测和判定。然而，混凝土 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 结构超声检测中遇到了许多具有挑战性的问题，如混凝土对超声的强吸收和各向 异性问题等，许多问题还有待于解决，影响了超声技术的应用。 1 4 本课题的主要工作及组成 由于影响超声技术应用的诸多问题有待解决，因此，现有的超声无损检测手 段大多还停留于确定缺陷的有无，或凭经验大致判断缺陷的大小、位置，即还处 于缺陷的定性阶段，这使得其测试结果一直不尽如人意，如何定量化一直是超声 无损检测的难题和发展方向。 根据文献 4 1 1 7 1 3 ，目前，发展超声定量无损检测的工作从研究方法看，大 致可分为以下三个方面：( 1 ) 成像技术的研究，包括b 扫描、c 扫描、相控阵扫 描、超声c t 、合成孑l 径聚焦成像等等：( 2 ) 散射、逆散射理论的研究：( 3 ) 信 号处理及模式识别技术的发展和应用。 声成像技术近年来受到重视并已有极大发展，其中某些已应用于实际中，如 b 扫描、c 扫描技术等，许多研究工作者已致力于其他成像技术的实用研究，但 成像设备的复杂性及成像的非实时性是两个主要问题。在散射、逆散射理论研究 方面，许多人做了比较深入、细致的工作，但离实际应用还有一定的距离。信号 处理与模式识别技术的应用为超声无损检测的定量化开辟了一条崭新而有效的 途径。 定量化是数字信号处理与模式识别用于超声检测的主要目的之一，采用多参 量的超声数字信号处理与模式识别技术可给出检测的量化结果，如缺陷的大小、 位置、形状或性质( 是孔穴或夹杂等) ，数字信号处理与模式识别用于超声检测 的另一个主要目的是分离与识别一些复杂的检测信号，如粗晶奥氏体钢的超声探 伤由于信噪比很低，使得各国学者不断探索新的解决途径，近期，将现代信号处 理与人工神经网络技术用于超声检测，人4 1 已能较稳定地探测出各类奥氏体钢构 件的缺陷。 因此，本文的主要工作是将数字信号处理与模式识别技术用于混凝土结构内 部缺陷的无损检测中，得出定量化的检测结果。 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 第2 章混凝土结构超声检测的基本原理 2 1 超声波在混凝土中的传播特性 混凝土类材料是一种集结型复合材料，是多相复合体系，其内部存在着广泛 分布的复杂界面，例如砂浆与骨料的界面、各种缺陷所形成的界面，因此超声波 在混凝土中的传播状态要比均匀介质中复杂得多，根据超声波的性质，超声波在 混凝土中的传播有如下特点： 1 超声波在混凝土中衰减较大。 混凝土材料具有粘塑性，当超声波穿过混凝土时将引起能量吸收，使部分超 声波在材料中被转换成其他能量而损失，即所谓吸收衰减：混凝土中存在颗粒状 结构骨料或缺陷，因而其中存在广泛的界面，当超声波到达界面时会产生散 射现象，从而产生散射衰减，散射功率的大小与频率的平方成正比。因此，为了 使超声波在混凝土中的传播距离增大，往往采用比金属材料探伤中采用的频率低 得多的超声频率，频率低的波扩散角很大，波束扩散，单位面积上的声能随传播 距离的增大而减小，产生扩散衰减。 根据文献 5 7 】，对于质量正常的混凝土，超声波在传播过程中的总衰减系数 a 与频率f 的关系为： a = 。+ 口，+ a ，= a f + 酽2 + 旷4 ( 2 1 1 ) 其中，f 为超声频率；a 、b 、c 为由介质和散射物特性决定的比例常数，当 混凝土中存在缺陷时，被空气或其他物质( 如水) 所填充的缺陷在混凝土中形成 一个夹层，使混凝土的连续性受到破坏，由于高频分量易于被反射，超声波通过 裂缝后，接收波中高频分量减小，其结果是接收波的频率下降。 2 超声波在混凝土中的指向性差。 主要有两个原因：其一是由于采用的频率较低，即波长较长，扩散角0 一般 较大，主波束扩散角0 与换能器直径d 和波长 的关系可近似表示为： s i n 口。1 2 2 兰( 2 1 2 ) d 对常用的换能器探头，d * 4 c m ，当d = i 2 2 ，即采用1 3 7 k h z 超声波时，0 角达9 0 。，这时由发射器进入混凝土内的超声波实际上是以换能器为中心的球 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 面波，超声波失去指向性，其声场占据整个试件空间。 其二是由于众多的界面所造成的发射和折射波，虽然这些波的声强比入射波 低，但由于数量众多，而且彼此相互干涉和叠加，造成较大的漫射声能，也使波 束的指向性变差。 3 超声波的传播路线往往因界面的发射和折射而曲折，因此当超声波在混凝 土中遇到较大的缺陷时并非直线传播。 4 在混凝土的超声检测中一般采用产生纵波的发射超声换能器，当超声波从 一种介质入射到另一种介质时，声波能量在界面上要发生转化，因为混凝土是一 种成分极为复杂的非均匀性物质，所以即使入射波为单一纵波，也会通过在很多 介质界面上的波形转换产生横波。另外，一部分声波沿混凝土表面传播形成表面 波，在无限介质中纵波、横波和表面波之间的速度关系如下所示： c 玎一搦 q 1 3 ) 印c 。等半膈 ， 式中，u 为泊松比，c l 为纵波速度，c s 为横波速度，c r 为表面波速度，由 于混凝土的泊松比介于o 1 5 o 2 0 之间，所以由式( 2 1 3 ) 平t 1 ( 2 1 4 ) 可知，在同一 质量的混凝土中纵波速度约为横波速度的1 5 6 1 6 3 倍，为表面波速度的1 7 3 1 7 9 倍。所以，在接收通过混凝土的超声波时，首先接收到的是纵波即首波，其 后是纵波的余振波，横波和表面波的叠加。 因此，在混凝土中超声场内的任意一点，都存在着一次声波( 入射波) 和二 次声波( 即发射波、折射波和波型转换后的横波) ，接收探头所接收到的信号是 一次声波和二次声波的叠加。因直接穿过的一次声波传播距离较短，所以首先到 达接收探头，但由于衰减的作用往往较为微弱；由于二次声波经多次反射，所传 播的距离较长，并且横波和表面波的波速较慢，它达到的时间要比一次波滞后， 但由于它的叠加，使接收信号变大，并使波形发生崎变。 由以上可知，高频超声波在传播过程中有很大的衰减，所以在混凝土的超声 检测中一般都采用低频超声波，在检测缺陷时，超声波束不可能集中对准某一范 围，这使缺陷处的反射波很微弱，所以在混凝土的超声检测中一般采用透射法， 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 所谓透射法就是由一个发射换能器周期性地发射超声脉冲，以这些超声脉冲通过 所需探测的部位后到达接收换能器，根据所接收的超声声学参量( 如声速、振幅、 频率等) 的变化来判断该部位混凝土的质量。 超声波在混凝土中的传播特点是超声无损检测的基础，但由于结构本身的复 杂性，我们对其传播特性的了解仍然十分肤浅。 2 2 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参数的相对变化，来判定混凝土的缺陷。 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 只能绕过空间或裂缝传播到接收换能器，因此使传播的路径增大，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，遇到蜂窝、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，因此接收信号的波幅明显降低，频率明显减 小或频率谱中高频成分明显减小。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 生崎变。 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。 2 3 混凝土结构的主要声学参数及影响因素 混凝土超声检测目前主要是采用所谓“穿透法”，即用一发射换能器重复发 射超声脉冲波，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接收换能器接收。被 接收到的超声波转化为电信号后经超声仪放大显示于波屏上，用超声仪测量直接 收到的超声超声信号的声学参数，当超声波经混凝土中传播后，它将携带有关混 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 凝土的材料性能、内部结构及其组成。 根据文献 1 0 】，目前，在混凝土检测中所常用的声学参数主要有： 1 声速：声速即超声波在混凝土中传播的速度，混凝土的声速与混凝土的弹 性性质有关，它与混凝土内部结构( 孔隙、材料组成) 有关。不同组成的混凝土， 其声速各不相同，一般说来，弹性模量越高，内部越是致密，其声速也越高。根 据文献，超声波在混凝土中的声速和弹性模量有如下关系： ( 2 3 1 ) 式中，c l 为纵波波速，e 为扬氏模量；p 为介质的密度，u 为介质的泊松比。 混凝土的强度也与它的弹性模量、与它的孔隙率( 密实度) 有密切关系，因 此对于同种材料与配合比的混凝土，强度越高，其声速也越高。 p o r o s i t y ( ) t h e o r e t f c a lp o r o s i t y = f ( v ) v i ( m l s ) 图2 3 1 由有损和无损检测数据得到的孔隙率 和纵波波速的理论函数关系图 若混凝土内部有缺陷( 空洞、蜂窝等) ，则该处混凝土的声速将比正常部位 低。根据文献 1 5 ，纵波波速与孔隙率具有如图2 3 1 所示理论上的函数关系。 此外，当超声波穿过裂缝而传播时，所测得的声速也将比无裂缝处声速有所 降低。 江苏大学硕士学位论文超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 2 振幅：接收波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接收波的振 幅与接收换能器处被测介质超声声压成正比，所以接收波振幅值反映了超声波在 混凝土中衰减的情况，而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是 弹一粘一塑性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关。因此，衰 减的大小，即振幅高低也能在一定程度反映混凝土的强度。 对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、裂缝使超声波反射或绕射，振 幅也将明显减小，因此振幅值也是判断缺陷与裂缝的重要指标。 3 频率：在超声检测中，有电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波， 它包含了一系列不同频率成分的余弦波分量，这种含有各种频率成分的超声波在 传播过程中高频成分首先衰减( 被吸收、散射) ，因此，可以把混凝土看作是一 种类似于高频滤波器的介质，超声波愈往前传播，其所包含的高频分量愈小，则 主频率也逐渐下降，这已为不同测距的试验即频谱分析结果充分证实，主频率下 降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的性质( 质量、强度) 和 内部是否存在缺陷、裂缝等。因此，测量超声波通过混凝土后频率的变化可以判 断混凝土质量和内部缺陷、裂缝等情况。 要准确细致地测量和分析接收波各频率成分变化，须采用频谱分析的途径， 这需要专门的频谱分析仪对波形采样后送入计算机分析。 和振幅一样，接收波主频率的绝对值大小取决于被测混凝土的性质的内部情 况，也和所用设备、传播距离有关。 2 4 主要的混凝土缺陷及其测量方法 2 4 1 混凝土浅裂缝检测 所谓浅裂缝，系指局限于结构表层，开裂深度不大于5 0 0 m m 的裂缝，当然， 实际检测工作中事先不会知道裂缝的深浅，一般情况下可根据结构物的断面尺寸 和裂缝在结构表面的宽度，大致估计被测的是浅裂缝还是深裂缝。对于一般工程 结构中的梁、柱、板和机场跑道出现的裂缝都属于浅裂缝。根据被测结构物的实 际情况，浅裂缝可分为单面平测法和对穿斜测法。 1 平测法：当结构的被测部分只具有一个表面可供超声检测时，可采用平测 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 法进行裂缝深度检测，如图2 4 1 所示。此法是基于裂缝中完全充满空气，脉冲 图2 4 1 单面平澳曝龋藿 波只能绕过裂缝末端到达换能器，当裂缝 中填充水或泥浆时，脉冲波便经水耦合层 穿过裂缝直接到达换能器，不能反映裂缝 的真实的深度，因此检测时，要求裂缝中 不得填充水或泥浆。若裂缝中的水无法排 除，可采用横波换能器进行检测，因横波 不能在水中传播，因而排除了水的干扰。 此外，当有钢筋穿过裂缝时，换能器必须离开钢筋一定距离，方能避免钢筋的影 响。 i6 孙6 6 。o o ?o o o 啪0 0 0 10 0 0 d 。0 0 0 f f i lz 】45 l l“i ll i 。 lz j45 图2 4 工斜测裂缝深霞 2 斜测法：由于实际裂缝中不可能被空 一 气完全隔开，总是存在个别连通的地方，因 ( a ) 皿 此单面平测法时，脉冲波的一部分绕过裂缝 末端，另一部分穿过裂缝中的连通部分，以 不同声程到达接收换能器，在仪器的接收信 ( b ) - t - i 五 号首波附近形成一些干扰波，严重影响首波 起始点的辨认，所以当结构物的裂缝部位具 有一对相互平行的表面时，宜优先选用对穿 斜测法，如图2 4 2 所示。该方法的基本点 是保持t 、r 换能器的连线通过缝和不通过缝的测试距离相等、倾角一致的条件 下，读取相应的声时、波幅和频率值。当t 、r 换能器的连线通过裂缝时，由于 混凝土失去了连续性能，在裂缝界面上产生很大衰减，接收到的首波信号很微弱， 其波幅和频率与不过缝的测点相比较，存在显著差异。 2 4 2 混凝土深裂缝检测 所谓深裂缝，系指混凝土结构物表面开裂深度在5 0 0 m m 以上的裂缝，在实 际检测中，深裂缝与浅裂缝并没有明显的界限，尤其是大体积混凝土结构，即使 是深度小于5 0 0 r a m 的裂缝，也可以按深度检测方法进行测试，因为事先很难断 定它不是深裂缝。 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 1 测试方法：一般是在裂缝两侧钻测试孔，为便于声学参数的比较，( 可在裂 缝的侧多钻个较浅的孔) ，用径向振动式换能器置于钻孑l 中进行测试，如图 243 所示。测试孔的质量直接影响深裂缝的检测结果，因此对测试孔要求：( 1 ) 孔的直径应比换能器的直径大5 m m 1 0 m m ；( 2 ) 孑l 的深度大于被测裂缝的深 度；( 3 ) 对应的两个n t l 应始终位于裂缝两侧，且其轴线保持平行；( 4 ) 对应测 孔的间距宜为2 r a m 左右，同一结构各对应测孔的间距应相同；( 5 ) 孔中的粉尘 碎屑应清理干净；( 6 ) 横向n 4 l 的轴线应具有一定倾斜角。 测试时，首先向n t l 注满清水，并检查是否有漏水现象，如果漏水较快，说 明该测孔于裂缝相交，此孔不能用于测试。经检查测孔不漏水，可将t 、r 换能 器分别置于裂缝同侧的b 、c 孔，以相同的高度等间距地同步向下移动，并读取 相应声b , t 年u 幅值，再将两个换能器分别置于裂缝两侧对应的a 、b 测孔中，以同 样方法同步移动两个换能器，逐点读取声时、波幅和换能器所处的深度。换能器 每次移动的间距一般为2 0 0 m m 3 0 0 m m ，当初步查明裂缝的大致深度时，为便 于准确判定裂缝深度，当换能器位于裂缝末端附近时，移动的间距减小。 钻孔测裂缝深度的方法，主要以波幅测值作为判据，以裂缝两侧相对应的一对 测孔所侧得的波幅和对应的孔深作图进行判别，当波幅达到最大并基本保持稳 定，该位置对应的深度，便是该裂缝的深度。 应用此法时，应注意：( 1 ) 混凝土不均匀性的影响；( 2 ) 温度和外力的影响； ( 3 ) 钢筋的影响；( 4 ) 被测裂缝中不应填充水或泥浆。 2 4 3 。混凝土不密实区和空洞检测 混凝土和钢筋混凝土结构在施工过程中，有时因漏振、漏浆或因石子架空在 钢筋骨架上，导致混凝土内部形成蜂窝状不密实或空洞，尤其是体积较大的结构 或构件，因混凝土浇灌量较大，又要求连续的浇筑，管理上稍有疏忽，便会产生 鲴狮 图2 4 3 钻孔测裂 漏振或拌和物离析的现象。对于混凝土 处于钢筋较密集的部位( 如框架结构的 粱、柱节点处) ，在施工工艺上如不采 取一定的措施，往往会产生石子架空的 现象。 江苏人学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 1 对于这些隐蔽于结构内部的缺陷，其测试方法主要有： ( 1 ) 平面对测。当结构被测部位具有两对平行表面时，可采用一对厚度振 l l f 乏 犁 j2 ，q ( a ) 平面 国2 4 4 对测法换能器布首 ( b ) 立面 动式换能器分别 在两对互相平行 的表面上进行对 测，如图2 4 4 所 不。 ( 2 ) 平面斜测。 当结构物的被测 部位只有一对平 行表面可供测试，或被测部分处于结构上的特殊位置，可采用厚度振动式换能器 在任意两个表面进行交叉斜测，测点布置如图2 4 5 所示。 ( a ) 平面 ( b ) 立面 围2 4 6 钻孔法换能景布置图 况混凝土的原材料品种、用量 及混凝土的湿度和测距等因 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 素都不同程度的影响着声学参数值。因此，需利用多参量综合进行分析处理，定 量化测试结果。 一个构件或一个测区中，某些测点的声时，( 或声速) 、波幅或频率被判为 异常值，可综合异常测点的分布及波形状况，判定混凝土内部存在不密实区或 空洞的范围。 2 4 4 两次浇筑的混凝土之间结合质量的检测 对于一些大体积混凝土和钢筋混凝土框架、简体等重要结构物，为保证其整体 性，应该连续不间断地一次浇筑完混凝土，但有时因某些特殊原因等，使得浇 筑中途停歇，并超过混凝土初凝时间，由于施工中做第二次混凝土浇筑时，对 国2 4 7 捡测结合面的换能嚣的布置 已硬化的混凝土的表 面的处理往往不能完 全满足设计要求，使 结构未能形成一整 体，其后果可能导致 整个建筑物安全等级 降低。利用超声脉冲 技术，可以提供有效 的检测手段。 1 测试方法： 超声脉冲波检验两次浇筑的混凝土结合面质量一般采用穿过与不穿过结 合面的脉冲波声速、波幅和频率等参数相比较进行判断的方法，换能器的布置 如图2 4 7 所示，为保证各测点具有一定可比性，每一对测点应保持其测线的 倾斜度一致，测距相等，( 一般为l o o m m 3 0 0 m m ) 。 2 数据处理及判定： 两次浇筑的混凝土结合面质量的判定与混凝土不密实区和空洞的判定方法 基本相同。 4 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 2 4 5 表面损伤层检测 混凝土和钢筋混凝土结合物，在施工和使用过程中，其表面层会在物理和 化学的因素作用下受到损伤，物理因素大致有火焰和冰冻：化学因素大致有酸、 碱盐类。结构物受到这些因素作用时，其表层损伤程度除了作用时间的长短及 反复循环次数有关外，还有混凝土本身的某些特性有关系，例如体积和比表面 积大小、龄期、水泥用量、水灰比及捣实程度等。 1 测试方法：超声脉冲法检测混凝土表面损伤层厚度的方法大致有两种 一缦 ( 1 ) 单面平测法：此法可应用 于仅有个可测表面的结构，也可应 用于损伤层位于两个对应面上的结 构或构件。如图2 48 所示，将发射 换能器t 置于测试面某一点保持不 动，在将接收换能器r 以测距 l 。= 1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 m m ，依次置于各 点，读取相应的声时值t i ，此法的基 本原理是，当t 、r 换能器的间距较 近时，脉冲波沿表面损伤层传播的时间最短，首先达到接收换能器，此时读取的 声时值反映了损伤层混凝土的传播速度；当t 、r 的间距较大时，脉冲波透过损 伤层沿着未损伤混凝土传播的时间短，此时读取的声时中大部分是反映未损伤混 凝土的传播速度。 ( 2 ) 逐层穿透法：事先在损伤结构的一对平行表面上，分别钻出一对不同 深度的测试孔，孔径为5 0 m m 左右，然后用直径小于5 0 m m 的平面换能器，分 别在不同深度的一对测孔中进行测试，读取声时值和测试距离，并计算声速值， 当声速趋于基本稳定的测孔深度，便是混凝土损伤层的厚度。 2 4 6 混凝土匀质性检验 所谓匀质性检验，是对整个结构物或同一批构件的混凝土质量均匀性的检 验。混凝土匀质性检验的传统方法是，在结构物浇注混凝土的时候，现场取样制 江苏大学硕士学位论文超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 作混凝土标准试块，以其破坏强度懂得统计值来评估混凝土的匀质性水平。这种 方法存在一些局限性，例如：试块的数量有限；因结构的配筋率、几何尺寸及成 型方法的不同，其混凝土的密实程度和标准试块相比，必然存在较大差异；构件 与试块的硬化条件( 养护温度、失水快慢等) 不同等等。除此之外，还可能遇着 一些偶然因素的影响。由此可以说标准试块的强度，很难全面反映结构混凝土的 质量情况。 由于超声脉冲法是直接在结构上进行全面检测，因此用于检验混凝土的匀质 性具有一定的实际意义。 1 测试方法 一般采用平面式换能器进行穿透对测法检测结构混凝土的匀质性，要求被测 结构应具备一对相互平行的测试表面，并保持平整、干净。先在两个测试面上分 别画出等间距的网格，并编上对应的测点序号。 测试时，应使t 、r 换能器在对应的一对测点上保持良好耦合状态，逐点读 取声时值t 。超声测距的测量方法可根据构件的实际情况确定，如果每个测点的 测距完全一致，便可在构件的不同部位抽测几次，取其平均值作为该构件的超声 测距值，。 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 第3 章信号处理和信号分析技术的应用现状 超声检测中所期望得到的与缺陷性质有关的各种信息( 包括材料内部的缺 陷、组织状态与性能、力学性能等) ，往往以某种方式隐藏在所获取的信号中。 由超声检测仪器、被检n y , j 象和耦合介质所组成的系统中，材料噪声、仪器噪声 和超声数字化时有限字长效应引起的噪声等合在一起，往往会使得到的超声信号 的信噪比很差。因此，必须借助于信号处理与信号分析技术将有用的信息从信号 中分离出来。随着高科技发展对材料性能和产品质量的要求越来越高，要求检测 的精度和可靠性也越来越高，信号处理与分析方法在超声检测中起着日益重要的 作用，它不仅作为无损检测的辅助技术，而且作为现有检测手段的基本的和有效 的延伸，成为超声检测进入全自动系统、专家系统，以及在探伤中实现在线智能 评估的重要工具。 近年来，在科学工作者的努力下，超声检测信号处理和分析技术得到了长足 的进步，现在用于超声无损检测的不仅有时域信号，而且还有频率域、幅域、相 域和倒频域信号等等。已经使用和正在研究的新技术有时间渡越衍射技术、合成 孔径聚焦技术、裂谱分析、倒谱分析、聚类分析、模式识别、自适应学习网络、 人工神经网络等。但是，在所有这些技术中，信号只在频域或时域中被分析。 在实际测试中，信号的平稳性总是相对的、局部的，而非平稳性则是绝对的 和全局的。在超声缺陷检测中超声信号通常是被探头中心频率调制的宽带脉冲信 号，一般呈非平稳特性，即此时信号是时变非平稳的，通常情况下，信号的频率 成分将随时间变化，此时引入时变模型将有利于分析。研究时变非平稳信号的重 要方法主要是时频分析( 分布) ，该方法在时间频率域上，而不是仅在时域或 仅在频域上对信号进行分析。 我们知道，时域和频域构成了观察一个信号的两种方式，而傅立叶变换则提 供了将信号从一个域转换到另一个域的途径。但遗憾的是它并没有将时域和频域 组合成一个分析域，从而在实际应用中受到一定限制。般来说，一个信号x ( t ) 的频域x ( f ) 代表了信号中某一频率成分f 包含在信号内的强度，通常不能提供 相应频谱分量的时间局域化信息。为了获得“局部”信息，主要考虑将时间相关 性引入常规的傅立叶分析。方法之一是通过引入一个时间窗口来观察信号，使位 江苏大学硕士学位论文 超声波法检测混凝土结构内部缺陷的定量化研究 于窗口中的部分信号接近平稳，从而使变换后所得频率分量具有时间局限性，这 就是所谓得短时傅立叶变换得思想。另一种方法则是设法将傅立叶变换中的正旋 基函数替换为在时间上比较集中，在频率上相对分散的基函数，著名的g a b o r 变换和小波变换就是这种基本思想。 根据文献 3 7 4 0 ，信号x ( t ) 的时一频分布定义为： m ，o ，厂) = e e e 扩“咯( v ，r 卜( “+ 三 工+ ( “一习e ，2 加如d 坩r c s ， 式中，g ( v ，r ) 代表权函数。 对分量建模或 综合 蚓时频分布显 刁r 图3 1 示出了信号的时频分析系统的流 程图。 任何一种时频分析方法的第一步都是 判断欲分析的信号是单分量还是多分量的， 以及信号是平稳的还是非平稳的。因此分析 工具必须具有以下三种功能： ( 1 ) 能够区别平稳与非平稳信号； ( 2 ) 能够区分单分量和多分量信号； ( 3 ) 能够把多分量信号分解成单分量 ( 一般仍是时变的) 。 时频分析的第二步是将多分量信号分 离成其子分量。一般使用的方法是对时频平 面上加窗函数。如果需要的话，等效的时域 信号可以通过时频表示的求逆技术求得。 第三步