超声法检测混凝土缺陷

超声法检测砼缺陷2011-092/5/20231一、概述混凝土缺陷：内部不密实或空洞，外部蜂窝麻面、裂缝或损伤层检测目的：查明混凝土缺陷的性质、范围及尺寸检测方法：机械波法：超声脉冲波、冲击脉冲波、声发射穿透幅射法：x射线、γ射线、中子流超声波介绍在弹性介质中传播的振动叫弹性波，人耳可闻范围的弹性波为20-20000Hz，叫声波，低于此范围叫次声波，频率超过2万Hz,并不能引起听觉的弹性波叫超声波。2/5/20232一、概述超声法定义

指采用带波形显示的低频超声波检测仪和频率为20～250kHz的声波换能器，测量混凝土的声速、波幅和主频等声学参数，并根据这些参数及其相对变化分析判断混凝土缺陷的方法在混凝土检测中的应用非破损检测混凝土内部的空洞、离析检测混凝土裂缝的深度检测混凝土接触面的结合质量检测混凝土表面的损伤层厚度2/5/20233二、超声法检测的基本原理

（一）基本原理利用脉冲波在技术条件相同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。（注：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）2/5/20234一、超声波法缺陷检测原理假设混凝土中有一处缺陷，用超声法检测时，由于正常混凝土是连续体，超声波在其中正常传播。当换能器正对着缺陷时，由于混凝土连续性中断，缺陷区与混凝土之间出现界面（空气与混凝土）。在界面上超声波传播发生反射、散射与绕射。超声波用于混凝土缺陷评估的4个声学参数——声时（或波速）、振幅、频率和波形将发生变化。2/5/20235二、超声波法声学参数的变化声时（波速）当超声波在传播路径上遇到缺陷时，超声波的传播有两种可能：一是直接穿过缺陷介质，缺陷介质可能是空气、水或夹杂杂质的非正常混凝土，这些介质的共同特点是声速低；二是超声波绕过缺陷与正常混凝土的界面传播。当超声波直接穿过缺陷，由于缺陷速度较混凝土低，在同样测距下传播时间要长，而绕过缺陷的传播路径比直线传播的路径长。2/5/20236上述两种情况测得的声时都将比正常部位长。在计算测点声速时，总是以换能器间的直线距离L作为传播距离，因此有缺陷处的计算声速就减小。2/5/20237波幅由于缺陷对声波的反射或吸收比正常混凝土大，所以当超声波通过缺陷后，衰减比正常混凝土大，即接收波的振幅将减少。根据接收波首波振幅的异常变化也可以发现缺陷的存在。振幅值虽然与混凝土质量有相关性，但也取决于测试距离和换能器的声学性能（仪器和换能器灵敏度、自振频率、频谱特性等），因此难以定出一种统一的指标，只能在同一仪器设备和测距情况下作相对比较用。2/5/20238主频（频谱）对接收波信号的频谱分析表明，不同质量的混凝土对超声波中高频分量的吸收、衰减不同。因此，当超声波通过不同质量的混凝土后，接收波的频谱也不同。有内部缺陷的混凝土，其接收波中高频分量相对减少而低频分量相对增大，接收波的主频率值下降。频率值也只能在同一仪器设备和测距情况下作相对比较用。2/5/20239波形当超声波通过混凝土内部缺陷时，由于混凝土的连续性已被破坏，使超声波的传播路径复杂化，直达波、绕射波等各类波相继到达接收换能器。它们各有不同的频率和相位。这些波的叠加有时会造成波形的崎变。目前，对波形的研究还不够，只能是半定性的参数，作为判断缺陷的参考。

2/5/202310二、超声法检测的基本原理（二）声学参数1.声速弹性模量↑,孔隙率↓,密实度↑,声速↑强度↑，声速↑混凝土内部有缺陷(孔洞、蜂窝)，声速↘超声波穿过裂缝传播，声速↘声速可以反映混凝土的性能与内部情况2/5/202311二、超声法检测的基本原理2.振幅指首波，即第一个波前半周的幅值，反映了接收到声波的强弱强度↑，振幅↑内部有缺陷、裂缝，振幅↓振幅与仪器性能、耦合状况、测距大小均有关系，没有统一的度量标准，目前只作为同条件（同一仪器、同一状态、同一测距）下相对比较用2/5/202312二、超声法检测的基本原理3.频率超声波检测中，电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波，包含了一系列不同频率成分测距越远，高频成分衰减越多混凝土内部缺陷及裂缝使主频下降频率与仪器性能、耦合状况、测距大小均有关系，没有统一的度量标准，目前只作为同条件(同一仪器、同一状态、同一测距)下相对比较用各频率成分通过频谱分析取得2/5/202313二、超声法检测的基本原理4.波形显示屏上显示的接收波波形直达波、反射波、绕射波、纵波、横波、表面波等的综合反映波形分析常集中于波前部的纵波目前对波形的研究只能作一般的观察、记录2/5/202314二、超声法检测的基本原理5.声速的测量方法v=l/t,l为测距，t为声时5.1测距的测量方法对测时，钢卷尺测量T、R间距离平测时，钢卷尺测量T、R间净距离5.2声时的测读方法游标测读自动关门,适用于信号较强时测量计算机自动寻找2/5/202315二、超声法检测的基本原理5.3零读数t0的标定方法仪器显示时间t1包含超声波在被测物体中传播时间t、延迟时间（电延迟、电声转换、声延迟）t0，t=t1-t0直接相对法，适用于作为精度要求不高或测距较大情况下，夹心式换能器的t0标定长短测距法，适用各类平面换能器t0标定标准棒法2/5/202316二、超声法检测的基本原理6.振幅的测量方法直读法：固定发射电压、衰减器刻度及增益值，直接读取首波波谷（峰）距水平刻线的高度衰减器法：固定发射电压、增益刻度，将首波高度衰减至某预定高度，此时从衰减器读得的dB值即为首波幅度的指标2/5/202317二、超声法检测的基本原理7.频率的测量方法测量周期法f=1/4(t2-t1)=1/2(t3-t2)=1/(t4-t2)一般取前一、二个周期的波形2/5/202318三、超声波法检测混凝土缺陷（一）混凝土裂缝深度检测1.平测法1.1适用范围只有一个表面可供超声检测裂缝深度不大于500mm2/5/202319三、超声波法检测混凝土缺陷1.2检测步骤：第一步，不跨缝声时测量：将T和R置于裂缝同一侧，以两个换能器内边缘距离li’为100、150、200mm…，分别读取声时值ti，绘制“时-距”坐标图，或用回归分析求出：li’=a+bti，则每测点超声波实际传播距离：li=li’+|a|，得出超声波传播速度：

v=(ln’-l1’)/(tn-t1)或v=b2/5/202320三、超声波法检测混凝土缺陷第二步，跨缝声时测量：将T和R置于裂缝对称的两侧，li’取100、150、200mm…，分别读取声时值tci，同时观测首波相位的变化第三步，计算：裂缝深度按下式计算2/5/202321三、超声波法检测混凝土缺陷1.3裂缝深度的确定跨缝测量中，当在某测距发现首波反相时，取该测距及两个相邻测距的裂缝深度平均值无反相，则将剔除li’<mhc和li’>3mhc数据，取余下的hci的平均值当有钢筋穿过裂缝时，换能器须离开钢筋一定距离或将T、R连线与钢筋轴线形成一定角度（40～50°）裂缝中不得有水或泥浆充填2/5/202322三、超声波法检测混凝土缺陷2.斜测法2.1适用范围结构裂缝部位有一对相互平行的表面时，优先选用2.2测量方法保持T、R换能器连线的距离相等、倾斜角一致，进行过缝与不过缝检测，分别读取相应的声时、波幅和频率值。T、R连线通过裂缝时的波幅与频率比不过缝测点比较，存在显著差异2/5/202323三、超声波法检测混凝土缺陷3.钻孔测法3.1适用范围大体积混凝土，裂缝深度大于500mm被测混凝土允许在裂缝两侧钻测试孔2/5/202324三、超声波法检测混凝土缺陷3.2钻孔要求孔径大于换能器直径5～10mm测孔深度应大于裂缝深度600～800mm对应的两个测孔应始终位于裂缝两侧，且平行对应测孔间距宜2m左右，同一结构各对应测孔的间距应相同孔中粉末碎屑应清理干净横向测孔的轴线应具在一定的倾斜角宜在裂缝一侧多钻一个孔距相同但较浅的孔2/5/202325三、超声波法检测混凝土缺陷3.3测试方法测试孔注满清水，将T、R置于裂缝同侧的B、C孔中以200～300mm的相同步距向下移动T、R，并读取相应的声时与波幅值将T、R置于裂缝两侧对应的A、B测孔中，同步向下移动，逐点读取声时、波幅和换能器所处深度2/5/202326三、超声波法检测混凝土缺陷3.4裂缝深度判定主要以波幅测值作为判据绘制深度-波幅坐标图波幅最大并基本保持稳定位置即对应裂缝深度2/5/202327三、超声波法检测混凝土缺陷3.5裂缝末端位置的判定采用斜测法当两个换能器的连线超过裂缝末端后，波幅测值保持最大值，判定测线AB、CD的位置通过裂缝的末端AB、CD两条测线的连线交点便是裂缝的末端位置2/5/202328三、超声波法检测混凝土缺陷（二）混凝土不密实区和空洞检测1.测试方法1.1平面对测结构被测部位有两对互相平行表面在测区的两对平行表面上，画100～300mm网格并逐点编号测量对应测点的声时、波幅和频率2/5/202329三、超声波法检测混凝土缺陷1.2平面斜测被测部位只在一对平行表面可供测试，或被测部位处于结构的特殊位置2/5/202330三、超声波法检测混凝土缺陷1.3钻孔测法适用于大体积混凝土钻一个或多个平行于侧面的测孔，直径38～45mm，孔深根据测试要求确定耦合：测孔用清水，侧面用黄油测量同一高度或同步高度差的声时、波幅或频率2/5/202331三、超声波法检测混凝土缺陷2.不密实区和空洞的判定基本原理：超声波遇不密实区或空洞时，其测得的声时、振幅、频率必将与正常混凝土有差别异常值的判别方法：根据概率统计理论确定，即置信范围（mx±λ1·Sx)以外的观测值为异常值，同时应避免观测失误造成数据异常（检查表面是否平整、干净或是否存在别的干扰因素，必要时加密测点重复测试）2/5/202332三、超声波法检测混凝土缺陷2.1混凝土声学参数的统计计算2/5/202333三、超声波法检测混凝土缺陷2.2异常值的判别当测区各测点的测距相同时，可直接用声时进行统计判断。将各测点声时值ti按大小顺序排列，t1≤t2≤t3…tn，视排在后面明显偏大的声时为可疑值，将可疑值中最小的一个数同其前面的声时值进行平均值（mt）和标准差（St）的统计以x0=mt+λ1·St为异常值的临界值，当参与统计的可疑值tn≥x0时，则tn及排列于其后的声时值为异常值，再将t1～tn-1进行统计判断，直至判不出异常值为止。若tn<x0时，再将tn+1放进去统计和判别，其余类推2/5/202334三、超声波法检测混凝土缺陷用声速、波幅或频率进行统计判断。将测区各测点的声速、波幅或主频值按大小顺序排列，x1≥x2≥x3…xn，视排在后面明显小的数为可疑值，将可疑值中最大的一个数同其前面的数进行平均值（mx）和标准差（Sx）的统计。以X0=mx-λ1·Sx为异常值的临界值,当参与统计的可疑值xn≤X0时，则xn及排列于其后的数均为异常值，再将x1~xn-1进行统计判断，直至判不出异常值为止。若xn>X0时，再将xn+1放进去统计和判别，其余类推2/5/202335三、超声波法检测混凝土缺陷相邻测点异常的临界值，按下式进行统计判断。

X0=mx-λ2·Sx

或

X0=mx-λ3·Sx

λ1、λ2、λ3与测点数量有关，查规范表可得。2.3不密实混凝土和空洞范围的判定根据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和空洞的范围注意：波幅测量值虽然对缺陷的反映很敏感，但由于受声耦合状态的影响较大，容易产生误判和漏判2/5/202336三、超声波法检测混凝土缺陷3.混凝土内部空洞尺寸的估算3.1设空洞位于发射和接收换能器的正中央适用于只有一对可供测试的表面时，按下式估算空洞半径：2/5/202337三、超声波法检测混凝土缺陷3.2设空洞位于发射和接收换能器连线的任意位置适用于有两对可供测试的表面时。设X=(th-tm)/tm，Y=lh/l，Z=r/l，则可根据X、Y值，由表C.0.1查得Z值，再计算空洞的大致半径r2/5/202338三、超声波法检测混凝土缺陷（三）混凝土结合面质量检测1.测试方法有对测法和斜测法两种，测点布置要求：使测试范围覆盖全部结合面或有怀疑的部位各对换能器连线应采用穿过和不穿过结合面布置各对换能器连线的倾斜角、测距应相等测点间距100~300mm测试各对测点的声时、波幅、主频值2/5/202339三、超声波法检测混凝土缺陷2.数据处理及判定测点数足够，仍用统计方法判定测点数不足，或数据较离散，可用通过结合面的声速、波幅值与不通过结合面的声速、波幅值比较，显著低者，可判为异常测点被判为异常值的测点，查明无其他原因影响时，可判定这些部位的新老混凝土结合不良2/5/202340三、超声波法检测混凝土缺陷3.实例根据声时判别结果，t3、t4、t8、t9、t12、t15为异常值根据波幅统计和判别结果，A1、A3、A4、A8、A9、A12、A15为异常值2/5/202341三、超声波法检测混凝土缺陷（四）表层损伤层检测1.测试原理当T、R换能器间距较近时，脉冲波首先沿损伤层到达R，此时测得的为损伤层混凝土声速。当T、R换能器间距较大时，脉冲波透过损伤层沿未损伤层到达R，此时测得的为未损伤层混凝土声速。必有一测距l0，脉冲波穿过损伤层与未损伤层到达R的时间相同。据此建立方程求得hf2/5/202342三、超声波法检测混凝土缺陷2.测试方法T耦合好保持不动，然后将R依次耦合在间距为30mm的测点1、2、3、…位置上，读取相应的声时值t1、t2、t3、…，并测量每次T、R内边缘之间的距离l1、l2、l3、…，每一测位的测点数不得少于6点，当损伤层较厚或不均匀时，应增加测点数量2/5/202343三、超声波法检测混凝土缺陷3.损伤层厚度的判定用各测点的声时值和相应的测距绘制“时-距”坐标图，转折点前后分别代表损伤和未损伤混凝土的l和t相关直线建立回归直线方程2/5/202344三、超声波法检测混凝土缺陷损伤层厚度的计算4.注意事项为增强接收信号，宜选择低频换能器（30～50kHz）有时因损伤程度轻或损伤层厚度不大，可能出现两者速度差别不大，因此，测量时必须准确测量T、R之间距离检测完成后，宜作局部破损验证检测结果2/5/202345三、超声波法检测混凝土缺陷（五）超声法检测混凝土缺陷的主要影响因素

1.耦合状态的影响测面平整耦合剂厚度均一无泥砂粘附2.钢筋换能器离开钢筋一定距离或与钢筋轴线形成一定夹角3.水分力求混凝土处于干燥状态，缺陷内的空气不能被水充填2/5/202346四、超声波检测的仪器设备（一）超声波检测仪的技术要求

1.分类模拟式，由时域波形信号测读声学参数。如CTS-25、SYC-2等数字式，接收信号转化为离散数字量，具有采集、储存数字信号、测读声学参数和对数字信号处理的智能化功能。如RS型超声仪、SY型超声仪2/5/202347四、超声波检测的仪器设备2.技术要求具有波形清晰，显示稳定的示波装置声时最小分度为0.1μs具有最小分度为1dB的衰减系统仪器应具有良好的稳定性接收放大器频