超声波检测技术在混凝土结构检测中的应用

《超声波检测技术在混凝土结构检测中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波检测技术在混凝土结构检测中的应用（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、超声波检测技术在混凝土结构检测中的应用 前 言 超声法测强采用单一声速参数推定混凝土强度。当影响因素控制不严时，精度不如多因素 综合法，但在某些无法测量回弹值及其他参数的结构或构件（如基桩、钢管混凝土等）中， 超声法仍有其特殊的适应性。 1 超声波检测技术分析 声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好。超声波传播能量大，对各种材料的穿透 力较强。超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息。超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉，可即时得到 探伤结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备实行在 线检查。超声法检测过

2、程无损于材料、结构的组织和使用性能；直接在构筑物上测试验并 推定其实际的强度；重复或复核检测方便，重复性良好1；超声法具有检测混凝土质地均 匀性的功能，有利于测强测缺的结合，保证检测混凝土强度建立在无缺陷、均匀的基础上 合理地评定混凝土的强度。 应用超声来进行无损检测也有其相应的缺点2。对于平面状的缺陷，例如裂纹，只要波束 与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波信号。但是对于球面状的缺陷，例如空洞， 假如空洞不是很大或分布不是较密集的话，就难以得到足够的回波信号或是其时间变化不 明显；另外，对于各向非同性的材料，例如混凝土，相应会存在材料的离析，使得材料密 度不均匀，这使得人们把离析误判为是

3、内部的空洞而导致决策上的失误；对于表面缺陷的 检测，超声波法的灵敏度要低得多，但超声无损检测方法可以较为精确的确定混凝土表面 的裂缝深度。 2 测量参数 混凝土超声检测目前主要是采用所谓“穿透法” ，即用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 号后再经超声仪放大显示在示波屏上，用超声仪测量直接收到的超声信号的声学参数。当 超声波经混凝土中传播后，它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及其组成的信息。准 确测定这些声学参数的大小及变化,可以推断混凝土的性能内部结构及其组成情况。 2.1 声速 声速即超声波在混凝土中传播的速度

4、。它是混凝土超声检测中一个主要参数。混凝土的声 速与混凝土的弹性性质有关，也与混凝土内部结构（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。而 混凝土的强度也与它的弹性模量、它的孔隙率（密实性）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。若混凝土内部有缺陷（孔洞、蜂窝体） ， 则该处混凝土的声速将比正常部位低。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。总之，混凝土声速值能反映混凝土的性能及其内部情况。 2.2 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

5、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接收到的声波的强弱。在发射出的超声波强 度一定的情况下，振幅值的大小反映了超声波在混凝土中衰弱的情况。而超声波的衰减情 况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹粘塑性体，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、裂缝使超声波反向或绕射，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。由于振幅值的大小还取决于仪器设备性能、所处的状态，耦合状况以及测距的大小，所以很难有统一的度量标准，目前只是作为同条 件（同一仪器、同一状态

6、、同一测距）下相对比较用3。 2.3 频率 如前所述，在超声检测中，由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高频滤器的介质。 超声波愈往前传播，其所包含的高频分量愈少，则主频率也逐渐下降。这已为不同测距的 试验及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

7、分析接收波各频率成分变化，须采用频谱分析的途径，这需要对波形 采样后送入计算机，进行快速傅利叶变换（FFT） ，获得频谱图。目前的数字式超声仪具有 这一功能。下面将提出用超声仪直接测量接收波主频率的简易有效的方法。 和振幅一样，接收波主频率的绝对值大小不仅取决于被测混凝土的性质的内部情况，也和 所用仪器设备、传播距离有关，目前也只能用同于同条件下的相对比较用。 2.4 波形 这里指的波形第指在显示屏上显示的接收波波形。当超声波在传播过程中碰到混凝土内部 缺陷、裂缝或异物时，由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂化，直达波、反射波、 绕射波等各类波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同。这

8、些波的叠加有时会 使波形畸变。因此，对接收波波形的分析、研究有助于对混凝土内部质量及缺陷的判断。 鉴于波形的变化受各种因素的影响，目前对波形的研究只能作一般的观察，记录。 这里还要说明的是，通常所用的纵波换能器所发射的超声脉冲波不仅有纵波成分也有横波 成分，即便是较纯的纵波，在通过混凝土内各声学界面后也有部分转化为横波。因此，接 收到的一串波形中，既有纵波也有横波。若邻近表面测量时，还有表面波。但是由于横波 与表面波传播速度较纵波慢，所以在首波之后一定时刻才出现并和纵波的后续波叠加在一 起。如果波形分析与研究也包括了这一部分，那么情况将更为复杂，所以，通常的波形分 析与研究大多集中于波前部的纵

9、波，而且最好是不受边界影响的直达纵波。 3 超声检测混凝土强度的主要影响因素 超声法检测混凝土强度，主要是通过测量在测距内 超声传播的平均声速来推定混凝土的强度。可见， “测强”精度 高低与超声声速读取值的 准确与否是密切相关的，换句话说，正确运用超声声速推定混凝土强度和评价混凝土质量，从事检测工作的技术人员必须熟悉影响声速测量的因素，在检测中自觉地排除这些影响。 弱。在发射出的超声波强度一定的情况下，振幅值的大小反映了超声波在混凝土中衰弱的 情况。而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹粘塑性体，其强度不仅 和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关，因此，衰减大小，即振幅高低也能在一定

10、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、裂缝使超声波反向或绕射， 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。由于振幅值的大小还 取决于仪器设备性能、所处的状态，耦合状况以及测距的大小，所以很难有统一的度量标 准，目前只是作为同条件（同一仪器、同一状态、同一测距）下相对比较用3。 2.3 频率 如前所述，在超声检测中，由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高频滤器的介质。 超声波愈往前传播，其所包

11、含的高频分量愈少，则主频率也逐渐下降。这已为不同测距的 试验及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，这需要对波形采样后送入计算机，进行 快速傅利叶变换（FFT） ，获得频谱图。目前的数字式超声仪具有这一功能。下面将提出用 超声仪直接测量接收波主频率的简易有效的方法。 和振幅一样，接收波主频率的绝对值大小不仅取决于被测混凝土的性质的内部情况，也和 所用仪器设备、

12、传播距离有关，目前也只能用同于同条件下的相对比较用。 2.4 波形 这里指的波形第指在显示屏上显示的接收波波形。当超声波在传播过程中碰到混凝土内部 缺陷、裂缝或异物时，由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂化，直达波、反射波、 绕射波等各类波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同。这些波的叠加有时会 使波形畸变。因此，对接收波波形的分析、研究有助于对混凝土内部质量及缺陷的判断。 鉴于波形的变化受各种因素的影响，目前对波形的研究只能作一般的观察，记录。 这里还要说明的是，通常所用的纵波换能器所发射的超声脉冲波不仅有纵波成分也有横波 成分，即便是较纯的纵波，在通过混凝土内各声学界面后也有部分

13、转化为横波。因此，接 收到的一串波形中，既有纵波也有横波。若邻近表面测量时，还有表面波。但是由于横波 与表面波传播速度较纵波慢，所以在首波之后一定时刻才出现并和纵波的后续波叠加在一 起。如果波形分析与研究也包括了这一部分，那么情况将更为复杂，所以，通常的波形分 析与研究大多集中于波前部的纵波，而且最好是不受边界影响的直达纵波。 3 超声检测混凝土强度的主要影响因素 超声法检测混凝土强度，主要是通过测量在测距内 超声传播的平均声速来推定混凝土的强度。可见， “测强”精度 高低与超声声速读取值的 准确与否是密切相关的，换句话说，正确运用超声声速推定混凝土强度和评价混凝土质量，从事检测工作的技术人员

14、必须熟悉影响声速测量的因素，在检测中自觉地排除这些影响。 3.1 横向尺寸效应 关于试件横向尺寸的影响，在测量声速时必须注意。通常，纵波速度是指在无限大介质中 测得，随着试件横向尺寸减小，纵波速度可能向杆、板的声速或表面波速度转变，即声速 比无限大介质中纵波声速为小。 当横向最小尺寸 d2（ 为波长）时，传播速度与大块体中纵波速度值相当。 当 d2 时，可使传播速度降低 2.5%3% 当 0.2d 时，传播速度变化较大，约降低 6%7%，在这个区间里测量时，估计强 度的误差可能达 30%40%，这是不允许的。 3.2 温度和湿度的影响 混凝土处于环境温度为 530情况下，因温度升高引起的速度减

15、小值不大；当环境在4060范围内，脉冲速度值约降低 5%，这可能是由于混凝土内部的微裂缝增多所致。温度在 0以下时，由于混凝土中的自由水结冰，使脉冲速度增加（自由水的 V=1.45/s, 冰的 V=3.50km/s） 。 混凝土的抗压强度随其含水率的增加而降低，而超声波传播速度 v 随孔隙被水填满面逐渐 增高。饱水混凝土的含水率增高 4%，传播速度 V 相应增大 6%。速度的变化特性取决于混 凝土的结构，随着混凝土孔隙率的增大，干混凝土中超声波传播速度的差异也增大。水中 养护的混凝土具有较高的水化度并形成大量的水化产物，超声波传播速度对此产物的反映 大于空气中硬化的混凝土；水中养护的混凝土，水

16、分渗透并填充了混凝土的孔隙，由于超 声在水里传播速度为 1.45km/s，在空气中仅 0.34km/s，因此，水中养护的混凝土具有比在 空气中养护的混凝土大得多的超声波传播速度，甚至掩盖了随着混凝土强度增长而提高的 声速的影响。 3.3 构混凝土中钢筋的影响 钢筋中超声传播速度比普通混凝土的高 1.21.9 倍。因此测量钢筋混凝土的声速，在超声 波通过的路径上存在钢筋，测读的“声时”可能是部分或全部通过钢筋的传播“声时” ，使 混凝土声速计算偏高，这在推算混凝土的实际强度时可能出现较大的偏差。 钢筋的影响分两种情况：一是钢筋配置的轴向垂直于超声传播方向；二是钢筋轴向平等于 超声传播的方向。对第一种情况央一般配筋的钢筋混凝土构件中，钢筋断面所占整个声通 路径的比例较小，所以影响较小(对于高标号混凝土影响更小)。钢筋轴向平行超声传播的 方向，在作超声“声时”测量时，可能影响较大，应设法加以避免或修正。 3.4