超声法混凝土缺陷检测技术

超声法混凝土缺陷检测技术单位：北京高铁建科技发展有限公司职务：研发工程师姓名：郭文光目录超声波基本理论01基桩混凝土完整性检测02混凝土不密实和空洞检测03超声回弹综合法强度检测04混凝土裂缝深度检测05PART01超声波基本理论超声波基本理论1.基本原理波动波动是物质的一种运动形式，波动可分为两大类：一类是机械波，它由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如:水波、声波、超声波等；另一类是电磁波，它是由于电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的转播过程，例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。超声波基本理论机械波的产生：机械振动的波源与传播介质。超声波基本理论声波是在介质中传播的机械波，依据波动频率的不同，声波可分为次声波、可闻声波、超声波、特超声波。如下表所示。人们所能听到声波频率范围是20～20KHz即可闻声波。超声波是一种人耳听不见频率在（20KHz—10的10次方Hz）范围内的机械振动范围内的机械振动波。名称频率范围次声波0～20Hz可闻声波20～20KHz超声波20KHz～1010Hz特超声波>1010Hz用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为20KHz～200KHz超声波基本理论机械波根据在介质中质点振动方向与波的传播方向的差别主要分为三种类型。纵波（P波）：质点运动方向平行于波的传播方向传播机制：质点间的压力与拉力（目前超声脉冲技术中广泛

应用的是纵波）超声波基本理论横波（S波）：质点运动方向垂直于波的传播方向传播机制：质点间的剪切力表面波（R波）：介质表层质点作椭圆运动

传播机制：质点间的表面张力与剪切力超声波基本理论超声波基本理论2.基本应用超声波换能器超声波换能器（声波探头）按照工作原理不同有电压式、磁致伸缩式、电磁式等数种。检测技术中常用电压式。超声波基本理论超声波换能器中的压电陶瓷片数百伏脉冲电压发收采集到交变电压信号超声波基本理论3.超声波在介质中传播可检测到的参数声速超声波传播的速度声幅超声波的波幅声频超声波的频率T1T2LV=L/(T2-T1)A1/F声速是混凝土检测中最常用的参数

声波在固体介质中的传播速度主要受下列三方面因素的影响：波的类型：由于不同类型的波在固体介质中的传播机理不同，也就导致了传播速度的差异。固体介质的性质：对于弹性介质，主要取决于它的密度、弹性模量、泊松比。这是影响波速的内在因素，介质的弹性特征愈强，则波速愈高。边界条件：实际上就是固体介质的横向尺寸（垂直于波的传播方向上的几何尺寸）与波长的比值，比值越大，传播速度越快。超声波基本理论超声波基本理论材料声速Vp钢5940混凝土4500石灰石6130玻璃5800水1481空气345超声波基本理论声幅是反应材料衰减的参数声波在介质中传播过程中其振幅将随传播距离的增大而逐渐减小的现象为衰减。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超声频率及传播距离，也取决于被检测材料的内部结构及性能。因此研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及性能。声频是反映超声波强度正负交变快慢的参数

反映材料的吸收特性

反映材料的频散特性

反应材料的尺寸效应PART02基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测1.检测技术概述：基桩成孔后，灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管作为声波发射和接收换能器的通道，在桩身混凝土灌注若干天后开始检测，用超声波检测仪沿桩的纵方向以一定的间距逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数，然后对这些检测数据进行推断处理、分析和判断，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况，评定桩身完整性等级。基桩混凝土完整性检测桩内跨孔透射法

基桩混凝土完整性检测桩内跨孔透射法

桩内跨孔测试法是一种成熟可靠的方法，是超声波透射法检测桩身质量的最主要形式，实际有效检测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所扫过的面积。基桩混凝土完整性检测现场的检测过程一般首先是采用平测法对全桩各个检测剖面进行普查，找出声学参数异常的测点。然后，对声学参数异常的测点采用平测测试、斜测或扇形扫测等细测方法进一步检测，这样一方面可以验证普查结果，另一方面可以进一步确定异常部位的范围，为桩身完整性类别的判定提供可靠依据。平测基桩混凝土完整性检测斜侧扇测基桩混凝土完整性检测检测前准备按照《规范》要求，安排检测工作程序。

按照《规范》要求，调查、收集待检工程及受检桩的相关技术资料和施工记录。

将伸出桩顶的声测管切割到同一标高，测量管口标高，作为计算各测点高程的基准。向管内注入清水，封口待检。

在放置换能器前，先用直径与换能器略同的圆钢作吊绳。检查声测管的通畅情况。用钢卷尺测量桩顶面各声测管之间外壁净距。基桩混凝土完整性检测原则上，桩身混凝土满28d龄期后进行声波透射法检测是最合理的，也是最可靠的。但是，为了加快工程建设进度、缩短工期，当采用声波透射法检测桩身缺陷和判定其完整性等级时，可适当将检测时间提前。《规范》中规定：“当采用低应变法或声波透射法检测桩身完整性时，受检桩混凝土强度至少达到设计强度的70%，且不小于15MPa。”，混凝土达到28d强度的70%一般需要两周左右的时间。选择干燥稳固位置放置仪器将三脚架假设在稳定的位置，并调整计数器卡口位置对准被测桩将径像换能器线穿过计数器卡扣卡住将管口导向轮装入管口将换能器插头接入仪器基桩混凝土完整性检测检测步骤将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，剖面编码。

将发、收换能器分别置于某一剖面的两声测管中，并放至桩的底部，保持相同标高。

自下而上将发、收换能器以相同的步长（一般不宜大于250mm）向上提升。

在同一桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。

基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测对可疑测点，先进行加密平测（换能器提升步长为10~20cm），核实可疑点的异常情况，并确定异常部位的纵向范围。再用斜测法对异常点缺陷的严重情况进行进一步的探测.斜测。就是让发、收换能器保持一定的高程差，在声测管内以相同步长同步升降进行测试，而不是象平测那样让发、收换能器在检测过程中始终保持相同的高程。由于径向换能器在铅垂面上存在指向性，因此，斜测时，发、收换能器中心连线与水平面的夹角不能太大，一般可取30°～40°。基桩混凝土完整性检测缺陷检测方式基桩混凝土完整性检测波速与混凝土质量关系超声脉冲波在混凝土中传播速度的快慢，与混凝土的密实度有直接关系，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，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。2.检测结果及分析基桩混凝土完整性检测接收声波波幅与混凝土质量关系接收声波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的指标之一。接收波幅值越低，混凝土对声波的衰减就越大。根据混凝土中声波衰减的原因可知，当混凝土中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。幅值可直接在接收波上观察测量，也可用仪器中的衰减器测量，测量时通常以首波（即接收信号的前面半个周期）的波幅为准。接收声波幅值与混凝土质量紧密相关，它对缺陷区的反应有时比声时值更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一。

频率变化与混凝土质量关系声波脉冲是复频波，具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后，各频率成分的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而导致接收信号的主频率向低频端漂移。其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。所以，接收波主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收波主频率明显降低。

基桩混凝土完整性检测AFAF波形的变化与混凝土质量关系由于声波脉冲在缺陷界面的反射和折射，形成波线不同的波束，这些波束由于传播路径不同，或由于界面上产生波形转换而形成横波等原因，使得到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加波，导致波形畸变。实践证明，凡超声脉冲在传播过程中遇到缺陷，其接收波形往往产生畸变，所以波形畸变程度可作为判断缺陷程度的参考依据。基桩混凝土完整性检测正常波形特征：1.首波陡峭，振幅大2.第一周波的后半周即达到较高振幅，接收波的包络线呈半圆形3.第一个周期的波形无畸变基桩混凝土完整性检测缺陷波形特征：1)首波平缓，振幅小2)后续周期幅度增加得仍不够.3)波形有畸变4)缺陷严重时，无法接收声波基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测声速判据概率法

将同一检测面各测点的声速值vi由大到小依次排序，即 （1）式中vi——按序列排列后的第i个测点的声速测量值；n——某检测剖面的测点数；k——逐一去掉（1）式vi序列尾部最小数值的数据个数。对逐一去掉vi序列中最小值后余下的数据进行统计计算，当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括vn-k在内的余下数据v1~vn-k按下列公式进行统计计算：

基桩混凝土完整性检测

v0——异常判断值；vm——（n-k）个数据的平均值；sv——（n-k）个数据的标准差；λ1——由表查得的与（n-k）相对应的系数。

（2）（3）（4）将vn-k与异常判断值v0进行比较，当vn-k≤v0时，vn-k及其以后的数据均为异常，去掉vn-k及其以后的异常数据；再用数据v1~vn-k-1并重复式(2)至（4）的计算步骤，直到vi序列中余下的全部数据满足：声速异常时的临界值判据为：

vi

≤vc0 （5）

基桩混凝土完整性检测将vn-k与异常判断值v0进行比较，当vn-k≤v0时，vn-k及其以后的数据均为异常，去掉vn-k及其以后的异常数据；再用数据v1~vn-k-1并重复式(2)至（4）的计算步骤，直到vi序列中余下的全部数据满足：声速异常时的临界值判据为：

vi

≤vc0 （5）

vi<vL

vi——第i测点的声速；

vL——

声速低限值，由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，结合本地区实际经验确定。声速低限值法PSD法判据Ki——第i测点的PSD判据；tci、tci-1——分别为第i测点和第i-1测点声时；

zi、zi-1——分别为第i测点和第i-1测点深度。

基桩混凝土完整性检测根据实测声时计算某一剖面各测点的PSD判据，绘制“判据值～深度”曲线，然后根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判定。采用PSD法突出了声时的变化，对缺陷较敏感，同时，也减小了因声测管不平行或混凝土不均匀等非缺陷因素造成的测试误差对数据分析判断的影响。基桩混凝土完整性检测波幅判据在《规范》中采用下列方法确定波幅临界值判据：Am——同一检测剖面各测点的波幅平均值（dB）；n——同一检测剖面测点数。

基桩混凝土完整性检测主频判据在《规范》中只是把它作为桩身缺陷的一个辅助判据，即“主频－深度曲线上主频值明显降低的测点可判定为异常”。

基桩混凝土完整性检测视图结果柱状图曲线图波列图基桩混凝土完整性检测类别特征表表Ⅰ各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常。桩身完整Ⅱ某一检测剖面个别测点的声学参数出现异常，无声速低于低限值异常。桩身有轻微缺陷，不会影响桩身结构承载力的正常发挥

Ⅲ某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低于低限值异常。桩身有明显缺陷，对桩身结构承载力有影响

Ⅳ某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现明显异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现明显异常；桩身混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。桩身存在严重缺陷基桩混凝土完整性检测沉渣：沉渣是松散介质，其本身声速很低，对声波的衰减也相当剧烈，所以凡遇到沉渣，必然是声速和振幅均剧烈下降。通常在桩底出现这种情况多属沉渣所引起。

夹泥：这类缺陷多由浇注导管提升不当造成，若在桩身就是断桩；若在桩顶就是桩顶标高不够。其特点也是声速和振幅均明显下降。只不过出现在桩身时往往是突变，在桩顶是缓变。若桩顶缓变低到某一界限（可根据波速值确定这一界限），其以上部位应截桩，根据应截桩的标高可判定桩顶标高是否够。

常见缺陷性质与声学参数的关系基桩混凝土完整性检测混凝土被洗浆：若是挖孔桩出现各断面均测值异常的层状缺陷，则往往是施工中的事故引起的疏松层或桩孔中沁水控制不好或混凝土浇注后泌水过大所致。孔壁坍塌或泥团：声速与振幅均下降，但下降多少则视缺陷情况而定。如果是局部的泥团，并未包裹声测管，则下降的程度并不很大；如果泥团包裹声测管，则下降程度较大，特别是振幅的下降更为剧烈。一根声测管被泥团包裹将影响两个测试面。通过斜测可以分辨这些情况。

基桩混凝土完整性检测混凝土离析：灌注桩容易发生混凝土离析，造成桩身某处粗骨料大量堆积，而相邻部位浆多骨料少的情况。粗骨料多的地方，由于粗骨料多，而粗骨料本身波速高，往往造成这些部位声速值并不低，接收信号削弱。粗骨料少而砂浆多的地方则测得的波速下降，但振幅测值不下降。气泡密集的混凝土：在灌注桩上部桩身有时因为混凝土浇注管提升过快有大量空气封在混凝土内。虽不一定造成孔洞，但可能形成大量气泡分布在混凝土内，使混凝土质量有所降低。这种混凝土内的分散气泡不会使波速明显降低，但却使声波幅度明显衰减（散射），接收波能量明显下降。

基桩混凝土完整性检测3.工程实例基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测基桩混凝土完整性检测PART03混凝土不密实和空洞检测基混凝土不密实和空洞检测不密实区是指因振捣不足、漏浆、石子架空等原因造成的蜂窝状缺陷，或者因水泥缺少而形成的松散状以及遭受意外损伤造成的疏松状混凝土区域。不密实区和空洞检测要求检测部位必须具有一对或两对相互平行的测试面。检测的时候，应在同条件的正常混凝土上进行对比测试，对比测点数不得少于20点。基混凝土不密实和空洞检测1、对测法：适用于构件具有两对相互平行的测试面。如下图所示。(a)平面图

(b)立面图根据被测构件的实际情况，选择下列方法之一进行检测：基混凝土不密实和空洞检测2、斜测法：当只有一对相互平行测试面时，可采用斜测、对测结合的方法，如下图所示。斜测的目的在于能发现水平走向的缺陷。基混凝土不密实和空洞检测3、钻孔法：当测距较大时，可采用钻孔或预埋声测管法。一般测距大于2m～3m以上时采用此方法，钻孔内采用径向换能器，侧壁采用平面换能器。钻孔间距也不得大于3m，孔径要比换能器直径大5mm～10mm，孔中注满清水。可以用径向换能器和平面换能器结合成收发换能器对进行检测。平面图立面图基混凝土不密实和空洞检测测试中，必须在测试部位弹画网格线，网格间距一般为(100～300)mm，测试部位表面必须清理干净、必要时打磨平整。如果存在缺陷，可以采用高强度快凝砂浆抹平，干后测试。测试前必须涂耦合剂，一般耦合剂为黄油或者凡士林。钻孔测试时注满清水耦合。测试前必须准确量测超声测距，精确至±1%。基混凝土不密实和空洞检测对于缺陷的判断，主要是采用数理统计，认为超声参数符合正态分布，将各测点的波幅、声速或主频值等超声参数Xi由大到小按顺序排列，将排在后面的明显小的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最大的一个Xn其前面的数据计算平均值、标准差，并按下式计算异常情况判断值：X0=mx-λ1·sx

将X0同Xn进行比较，如果Xn≤X0，则Xn及排列其后的数据均为异常值，并且去掉Xn，对X1~Xn-1再次进行计算和判别，直至比较的结果没有异常值为止。当Xn>X0时，则应将Xn+1放进去重新进行计算和判别。PART04混凝土裂缝深度检测混凝土裂缝深度检测单面平测适用于结构只有一个表面可供测试时，如混凝土路面、地下室剪力墙、飞机跑道、大体积混凝土等。最大检测深度为500mm。1.2.混凝土裂缝深度检测平测裂缝如上图所示，基于下列的假设：①裂缝附近混凝土质量基本一致(声速基本相等)；②跨缝声速和不跨缝声速一致；③超声波绕过裂缝尖端传播。根据上述假设，通过上图的几何关系，可以推导出裂缝深度的计算公式如下：混凝土裂缝深度检测在跨缝和不跨缝处均布置等间距测点，跨缝检测时测点应在裂缝两侧对称分布，将不跨缝处测点声时读数作图，取其斜率为不跨缝处声速。在裂缝深度的平测法检测中，跨缝检测时常会遇到如下图所示的首波“反相”现象。混凝土裂缝深度检测钻孔检测裂缝深度钻孔对测法适用于大体积混凝土，预计深度在500mm以上的裂缝检测，需要在被测混凝土上钻孔。移动径向换能器，读取各深度的声时、波幅等读数，绘制深度-波幅以及深度-声时曲线，如图(C)所示。一般波幅对裂缝较为敏感，当波幅稳定在较大的数值后，可认为已经超过裂缝尖端了，通过图(C)的拐点可确定裂缝深度。PART05超声回弹综合法强度检测超声回弹综合法强度检测超声回弹综合法是指采用混凝土超声波检测仪和混凝土回弹仪，在结构混凝土同一测区分别测量声速值（在混凝土中，超声脉冲单位时间内的传播距离）及回弹值，当采用测强个别地区曲线时尚需测量混凝土碳化深度，根据混凝土强度与表面硬度以及超声波在混凝土中的传播速度之间的相关关系推定混凝土强度等级。超声回弹综合法强度检测

抗压强度超声波传播速度

高快

低慢

超声波弹性性质(内部构造)

回弹值塑性性质(表面3cm厚度状态)超声法检测能够反应混凝土内部密实情况，但对人员、设备要求高，且因人而异显著；回弹法，要求相对较低，但不能反应混凝土内部密实度，因此二者结合避免了彼此的缺点，却有很多优点。弥补相互不足。提高测试精度超声回弹综合法强度检测测区回弹值和声速值的测量按单个构件检测时，应在构件上均匀布置测区，每个构件上测区数量不应少于10个。所谓测区是指在结构或构件上同时进行超声、回弹测试的一个检测单元。单个构件是指各层轴线间或同层平面内轴线间的混凝土梁、板、柱、墙等构件。采用超声回弹综合法检测混凝土构件的强度时，以轴线间对应的构件为检测构件。对某一方向尺寸不大于4.5m且另一方向尺寸不大于0.3m的构件，其测区数量可适当减少，但不应少于5个。超声回弹综合法强度检测构件的测区布置宜满足下列规定:1在条件允许时，测区宜优先布置在构件混凝土浇筑方向的侧面；2测区可在构件的两个对应面、相邻面或同一面上布置；3测区宜均匀布置，相邻两测区的间距不宜大于2m；4测区应避开钢筋密集区和预埋件；5测区尺寸宜为200mm×200mm；采用平测时宜为400mm×400mm；6测试面应清洁、平整、干燥，不应有接缝、施工缝、饰面层、浮浆和油垢，并应避开蜂窝、麻面部位。必要时，可用砂轮片清除杂物和磨平不平整处，并擦净残留粉尘。超声回弹综合法强度检测回弹测试及回弹值计算回弹测试时，应始终保持回弹仪的轴线垂直于混凝土测试面。宜首先选择混凝土浇筑方向的侧面进行水平方向测试。如不具备浇筑方向侧面水平测试的条件，可采用非水平状态测试，或测试混凝土浇筑的顶面或底面。非水平方向或非浇筑侧面时，应进行修正。超声回弹综合法强度检测测量回弹值应在构件测区内超声波的发射和接受面各弹击8点；当超声波单面平测时，可在超声波的发射和接受测点之间弹击16点；每一测点的回弹值，测度精确至1。测点在测区范围内宜均匀布置，但不得布置在气孔或外露石子上；相邻两测点的间距不宜小于30mm；测点距构件边缘或外露钢筋、铁件的距离不应小于50mm，同一测点只允许弹击一次。两个测面一个测面超声回弹综合法强度检测超声测试及声速值计算超声测点应布置在回弹测试的同一测区内，每一测区布置3个测点。超声测试的方法分为对测、角测和单面平测；测试时宜优先采用对测或角测，当被测构件不具备对测或角测条件时，可采用单面平测