土木工程检测技术超声法检测混凝土缺陷

2 超声法检测混凝土缺陷 ❖ 1）基本原理
❖ 超声法检测混凝土缺陷的基本原理就是，通过超声波在混凝土 中传播后发生的波形变化、利用声时、频率、波幅等参数的特 征，来综合分析判断其内部状况。
❖ 超声波在混凝土中由于受到石子、气孔、微裂缝、钢筋等影响， 会产生散射、绕射等过程，致使其传播方向改变(非直线传播)， 但由于测量时主要取首波，因此基本上还是认为在正常混凝土 中，超声波沿近似直线的路径传播。当遇到缺陷时则绕射是主 要的，因此导致了声速及波幅、频率均下降，波形产生畸变。 在对缺陷进行定位时，也是以超声在混凝土中的直线传播为假 设前提的。
❖ 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。
l
l
l'
l'
T
R
T
R
hc
❖ 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
2）检测依据 ❖ 超声波在混凝土缺陷检测中的应用，主要依据是《超
声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:2000)， 主要应用在：孔洞、疏松等内部缺陷检测、新旧混凝 土结合面质量检测、裂缝深度检测、表面损伤层深度 检测、钢管混凝土质量检测、声波透射法检测混凝土 灌注桩桩身完整性等。
3）基本原则
❖ 总的来说，超声检测混凝土缺陷目前基本上停留在半 定性的阶段，尚不能很好地区分缺陷类型，需要结合 工程实际来判断。
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9、我们的市场行为主要的导向因素，第一个是市场需求的导向，第二个是技术进步的导向，第三大导向是竞争对手的行为导向。21.8.721.8.7Saturday, August 07, 2021
超声法检测混凝土缺陷
1 混凝土缺陷的特征波形
❖ 声时、幅度、频率等，都是表征混凝土质量的超声参数 ❖ 检测时主要测试参数是声时，原因如下： ❖ 相对幅度、频率而言，混凝土的声速不易受换能器性质、
耦合状态等因素的干扰。 ❖ 超声幅度除了与超声波在混凝土中的衰减有关外，还与
换能器与混凝土测试面之间的耦合状况有关。另外测试 时耦合作用力的细微变化都足以造成首波幅度的大大波 动，而测试人员按压换能器的压力大小在测试过程难以 保证统一。 ❖ 频率则与换能器频率相关，同时存在检测较繁琐等原因， 因此一般不单独将频率作为主要参数。 ❖ 但是，首波幅度、频率与声时综合起来，则称为超声波 的波形，又是判断混凝土质量的主要依据。
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15、我就像一个厨师，喜欢品尝食物。如果不好吃，我就不要它。2021年8月下午5时35分21.8.717:35August 7, 2021
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17、利人为利已的根基，市场营销上老是为自己着想，而不顾及到他人，他人也不会顾及你。下午5时35分50秒下午5时35分17:35:5021.8.7
超声波优先选择最短路径
❖ 即在超声传播路径周围，当存在不同介质时，根据不同介质的 声速差异，超声波总是优先选择最快到达的那一条路径，由于 钢筋中的纵波声速大大高于混凝土(5900m/s)，因此，当超声 传播路径周围存在钢筋时，则超声波往往会从钢筋“短路”。 为避免钢筋的影响，一般应使传播路径不与钢筋轴线平行或离 开钢筋约l/5～l/6。同时，超声波的这种特性也是用来检测混 凝土表层损伤深度、裂缝深度等的一个依据。当混凝土是均质 的时候，一般认为超声波在混凝土中是直线传播的。因此，当 检测混凝土结合质量时，就必须让超声波穿过结合面，为此常
❖ ⑵钢筋：超声波在钢中的传播速度(纵波声速一般为5.9km/s 左右)大大高于混凝土(纵波声速一般为4.0km/s～5.0km/s)， 如果在超声传播路径上或其周围存在钢筋，则会有部分或者 大部分超声信号沿着钢筋传播而且比在混凝土中传播的信号 先到达接收探头，从而导致检测到的声时值偏小，这叫做 “视声时”，即实验观察到的声时，它是受到干扰的不准确 的声时。这样会导致计算出来的声速偏大，增加检测方风险。
混凝土波形特征
t1 t2 t5 t3t4
❖ 正常混凝土的特征波形
❖异常混凝土波形出现畸变，特征： ①首波前沿平缓；②首波幅度较低， 有的甚至淹没在背景噪声中；③波形 不饱满，有时不能呈正弦波特征；④ 频率很低，大大低于发射波频率；⑤ 通过声时计算得到的声速通常大大低 于4000m/s～5000m/s。有的甚至低 于1000m/s。
❖ ③平测法：当被测部位仅有一个测试面时，采用此方法，即 发射、接收探头位于同一个测试面，此时一般必须将两个探 头的间距进行等距离变化测得一组数据，根据测点间距与声 时的线性关系变化来进行判断。一般用于混凝土表面损伤深 度测试、裂缝深度测试等。
❖ ⑵钻孔、预埋管检测(采用径向振动式换能器)
❖ ①管(孔)中对测：适用于灌注桩以及大体积混凝土。灌注桩中 预埋2根以上声测管，采用柱状径向振动式换能器进行检测是 目前常规检测方法之一。除此之外，对于大体积混凝土，由于 测距太大，无法直接在两个相对面直接测试(比如大底板)，或 者浇注侧面均被遮挡、隐蔽无法布置测点(比如大底板)，也可 采用预埋声测管或者钻孔的办法进行检测。测试时两个探头位 于同一高度，同步提升。
4）基本方法 ❖ 根据构件的几何外形、大小以及现场条件(所能布置
的检测面)、测试面状况、缺陷类型等，选择不同的 测试方法。常用的有：
❖ ⑴采用平面换能器测试时(厚度振动换能器)
❖ ①优先采用对测法：当被测部位具有相互平行的相 对的测试面时，应优先选择对测法。此时收发换能 器位于两个相对测试面，超声测线垂直于测试面， 接收波的波前正对接收探头，接收信号强度是所有 方法中最大的，因此最容易进行结果判断。
裂缝深度的计算公式如下：
hc
l 2
(
t
0 c
v
)
2
1
l
❖ 测点布置如下图所示。注意测距是测量两个换能器
的内边缘距离。
L4
L3 L2 L1
T4 T3 T2 T1 R1 R2 R3 R4
T
R1 R2 R3 R4
L1
L2 L3
L4
❖ 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。
❖ 大量的实验室研究和工程检测表明，单面平测法检测裂缝深度 时，当测距从大变小的过程中，存在这样一个临界点，首波开 始反相，低于这个测距后，首波基本上都是反相的。有个比较 简便的近似关系是，首波反相的临界点测距l’=2hc，也有观点 认为裂缝较深的时候l’=hc。规范CECS 21:2000是规定：在发 现反相的临界点，取该测距及其两个相邻测距的测量值计算裂 缝深度后进行平均。当无法观察到首波反相时，则对每个测距 计算裂缝深度，然后计算所有测点裂缝深度平均值，剔除其中 小于平均值测距下的测试数据，以及大于3倍平均值的测试数 据，然后重新计算平均值作为the right moment, is the right man.谁把握机遇，谁就心想事成。21.8.721.8.717:35:5017:35:50August 7, 2021
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14、市场营销观念：目标市场，顾客需求，协调市场营销，通过满足消费者需求来创造利润。2021年8月7日星期六下午5时35分50秒17:35:5021.8.7
❖ 正常混凝 土波形
混凝土波形实测图
❖ 异常混凝 土波形
❖ 上图的异常混凝土波形常见于混凝土中夹杂(如夹 泥)、孔洞、疏松、裂缝、分层(界面结合不良)等质 量缺陷中。但当换能器与混凝土之间耦合不良时(如 混凝土表面不平整、混凝土与混凝土接触面存在泥 沙、耦合剂不正常等情况)，也会出现类似的波形， 需要根据经验判断，及时排除耦合不良造成的干扰。
❖ ⑶水分：水分填充了混凝土中的孔隙，混凝土孔隙中的空气 被水取代，由于水的超声波速度和阻抗比空气大得多，和空 气相比，超声波在水中传播的速度大，衰减小，因此如果混 凝土中的缺陷被水分填充，将会造成超声传播的“水短路”， 导致缺陷判别的困难。
4 混凝土裂缝深度检测
被测裂缝中不得有积水或泥浆
❖ 1）单面平测
混凝土波形特征
❖ 正常混凝土的特征波形。图中t1、t2、t3、t4、t5分别是接收波第 一个周期的声时，t1为首波声时，t2为1/4周期声时，t3为半周期 声时，t4为3/4周期声时，t5为一周期声时，通过测量这些声时差， 可以初步估算接收信号的频率(精确计算需要进行频谱分析)。 正常混凝土特征波形的大致特点为：①首波前沿较陡；②首波 幅度较高；③波形比较饱满，接近于正弦波，随着绕射波的到 达，后续波的幅度越来越大；④频率较高，接近于发射波频率 (一般为换能器频率，混凝土检测采用的超声波频率一般在50～ 300kHz)；⑤通过声时计算得到的声速一般在4000～5000m/s。
常必须采用斜测法等。
正常混凝土的超声参数基本上符合正态分布：
❖ 这是判断混凝土中是否存在异常测点的主要依据。这种方法也 叫“概率法”，是混凝土缺陷检测中最常用的判据，即混凝土 的超声声速等各参数基本在其平均值附近，当出现偏离平均值 较大的值时，则可判断其为异常值。异常值判定值的大小与测 点数有关，也与被测混凝土本身的质量波动(标准差)有关。必 须指出的是，仅当测距可以准确测量的前提下这一假设才能成 立，这就意味着对于预埋声测管进行声波透射法检测的灌注桩， 由于测距实际上是变化的(因为声测管总是难免在埋设后产生 扭曲)，因此一般不采用这种数理统计的方法判断异常部位， 其判据另外介绍。同时，进行数理统计的超声参量一般是声时 或声速，较少采用频率、波幅等参数。
❖ ②其次选择斜测法：斜测法有两种，一种是指两个检测面相 交(检测面相邻)，两个探头在丁角进行测试；一种是指两个 相对的测试面，但两个探头轴线与被测面形成不等于90°的 角度，如果测试面是垂直于地面的(这种情况是常见的)，那 么探头轴线则非水平，常用于新旧混凝土接合面质量检测， 目的是使得超声波能穿过接缝。
❖ 不同的缺陷有的波形也有一些差别，需要在实践中 积累经验，不断总结。
❖ 还有一种异常情况即波形很正常，其基本特征与正常 混凝土波形类似，唯一的问题是声速偏低，如在 3000m/s～3500m/s左右，而波形甚至比混凝土中还 饱满，首波幅度很高。这种情况一般是超声波在缺少 石子的砂浆中传播造成的，由于砂浆相当于混凝土而 言，缺少石子，因此对超声波的散射衰减大大降低。 但砂浆的声速一般只有3500m/s左右，而砂浆的强度 偏低，无法满足承载能力要求，因此检测中也应注意。
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10、市场销售中最重要的字就是“问”。17:35:5017:35:5017:358/7/2021 5:35:50 PM
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11、现今，每个人都在谈论着创意，坦白讲，我害怕我们会假创意之名犯下一切过失。21.8.717:35:5017:35Aug-217-Aug-21
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12、在购买时，你可以用任何语言；但在销售时，你必须使用购买者的语言。17:35:5017:35:5017:35Saturday, August 07, 2021
3 超声检测影响因素
❖ ⑴耦合状态：所谓“耦合”，是指让超声波探头和被测混凝 土表面密切接触，尽量避免能量损失。对于平面探头，虽然 探头面和混凝土测试面都是平的，但是实际上混凝土和探头 表面都有无数肉眼无法观察到的凹凸，里面存在空气，如果 直接进行测试会导致超声能量被这些表面的凹凸部位中的空 气吸收衰减，大大影响超声穿透能力，因此必须采用黄油、 凡士林等糊状物来填补混凝土测试面与探头接触面之间的空 隙，形成良好的耦合。对于柱状径向探头，采用水进行耦合， 因此柱状径向探头具有水密性的指标要求，0.4MPa下不允 许漏水。
❖ ②管(孔)中斜测：上述构件中，当存在水平缺陷，对测有可能 漏测(比如水平裂缝)，此时可将两个探头取不同高度进行斜测，
探头同步提升。
❖ ③孔中平测：将一对径向振动式探头或者一发双收探头置于 同一个测孔中(声测管不用此法)，测试孔壁周边混凝土状况。 较少采用。
❖ ⑶混合检测：同时采用柱状径向换能器和平面式换能器进行 检测，孔中放径向换能器，侧面布置平面换能器。比较少用。