结构混凝土的超声脉冲法超声波探伤仪

结构混凝土的超声脉冲法超声波探伤仪 概 述 在混凝土结构物的施工及使用过程中，往往会构成一些缺陷和损伤。形成这些缺陷和损伤的原因是多种多样的，一般而言，主要有4个方面： （1）施工原因，例如，振捣不足、钢筋网过密而骨料最大粒径选择不当、模板漏浆等所造成的内部孔洞、不密实区、蜂窝及保护层不足、钢筋外露等； （2）由于混凝土非外力作用形成的裂缝，例如，在大体积混凝土中因水泥水化热积蓄过多，在凝固及散热过程中的不均匀收缩而造成的温度裂缝，混凝土干缩及碳化收缩所造成的裂缝； （3）长期在腐蚀介质或冻融作用下由表及里的层状疏松； （4）受外力作用所产生的裂缝，例如因龄期不足即行吊装而产生的吊装裂缝等。 虽然形成缺陷和损伤的原因很多，但是缺陷和损伤的形成不外乎图6－1所示的几种。 这些缺陷和损伤往往会严重影响结构 物的承载能力和耐久性，因此，是事故处 理、施工验收、陈旧建筑物安全性鉴定、 进行维修和补强设计的检测项目。 所谓混凝土探伤，就是以无损检测的 手段，确定混凝土内部缺陷的存在、大小、 位置和性质的一项专门技术。 可用于混凝土探伤的无损检测手段有声脉冲法（包括冲击回波法及超声脉冲法）和射线法两大类，其中射线法因穿透能力有限，以及操作中需解决人体防护等问题，在我国使用较少。目前最常用的方法是超声脉冲法。 超声波技术用于材料内部缺陷的探伤始于1928年，首先用于金属材料及其零件。当时制成了第一台连续超声波探伤仪，它只能探测缺陷的有无，而无法确定缺陷的大小和位置。1934年提出了用超声脉冲技术进行探伤。在第二次世界大战中雷达技术迅速发展，采用超声脉冲技术的相应仪器也随之日臻完善。目前，在金属材料中已应用了超声显像、自动报警等新技术，而且超声波全息照相技术也得到应用。混凝土探伤技术的发展比金属材料探伤的发展要晚得多，在这方面的研究工作直到50年代才逐步开始。在我国，直到60年代才受到工程界的重视。1990年我国制定了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS2 21：90）。 金属材料的探伤主要是应用超声波在内部缺陷界面上的反射特征，以反射波作为判断缺陷状态的基本依据。鉴于混凝土的非均质特性，高频超声波在混凝土中传播时，将受到无数个界面的反射，若用金属超声探伤仪进行混凝土探伤，难以鉴别出缺陷。因此，混凝土超声探伤的基本原理与金属探伤不同。 混凝土超声探伤采用以下4点作为判别缺陷的基本依据： （1）根据低频超声在混凝土中遇到缺陷时的绕射现象，按声时及声程的变化，判别和计算缺陷的大小； （2）根据超声波在缺陷界面上产生散射，抵达接收探头时能量显著衰减的现象判断缺陷的存在及大小； （3）根据超声脉冲各频率成分在遇到缺陷时衰减的程度不同，接收频率明显降低，或接收波频谱与反射波频谱产生的差异，也可判别内部缺陷； （4）根据超声波在缺陷处的波形转换和叠加，造成接收波形畸变的现象判别缺陷。 以上4点可以单独运用，也可综合运用。 根据以上原理，在进行混凝土探伤时所需测量的物理量是声程、声时、衰减量、接收波形及其频谱，所以，凡是有波形显示的混凝土超声检测仪均可用于探伤。而无波形显示的数字显式声速仪，虽然也可用于探伤，但它只能提供声时和声速作为唯一的判别依据，因而容易造成误判。 混凝土内部缺陷的判别方法 一、混凝土内部孔洞、裂缝及蜂窝状缺陷的探测 （一）缺陷大小的实际声程计算法 内部缺陷的检测应采用穿透法，其发射及接收探头的布置如图6－2所示。在探测时首先在缺陷附近（图6－2中）的（a）位置，测出无缺陷混凝土的声时值，并按厚度算出声速C（取数点的平均值），然后将探头移入缺陷区，并找到声时最长的一点，该点即为缺陷垂直于两探头连线平面的“中心”位置，然后测读出声时值。这时 的声时值应为声波绕过缺陷所需的时间。 假定空洞正好居于厚度L的中心，则在超声传 播方向上（即两探头连线方向上）的最小横向尺寸 可按下式计算： （6-1）

式中，d为缺陷最小横向尺寸；D为探头直径； L为混凝土厚度；C为混凝土声速（C＝L/t1）；t1为 超声过无混凝土时的声时；t2为探头在缺陷中心位 置时的声时。 显然，当L与d之比越小时，t1与t2之差越大，探测准确度越高，但当缺陷形状为扁平状或片状的内部裂缝，而且其走向与超声传播方向平行时（见图6－3中的a-a位置），L/d将变得很大，t1与t2基本相等，这时，这种方法无效。克服的办法是在条件可能的情况下将探头移过一个角度（见图6－3中的b-b及e-e位置）。探头位置移动后，进行缺陷尺寸计算，在（6－1）式中应改用新的参数代入，例如探头在e-e位置时，缺陷的尺寸d可近似计算如下：

（6-2） 式中：d为片状缺陷平面内的最小尺寸；Lc为探头间的最短距离；tc为探头在e-e位置时，超声绕过缺陷所需的声时；C为无缺陷混凝土的声速；a为两探头连线与缺陷平面的夹角。 当缺陷小于探头直径时，声时无明显变化，但因缺陷界面的散射将使衰减值增加，接收波的波高下降，这时应改用衰减值（波高变化）或接收波频率的下降程度作为判别缺陷是否存在的依据。当探头在某一面积上移动时，发现其中某一点接收波高显著下降，而声时无显著变化，而且探头连线转过一个角度后有同样现象，则可判为该点有小于探头的缺陷存在（见图6－4）。

（二）大面积扫测的缺陷判别 所谓内部缺陷，是指在混凝土表面无外露痕迹的缺陷。在实际结构及构件检测中，不可能在全部面积上进行全面探测，一般均选择重要受力部位及对施工质量有怀疑的部位进行仔细探测。当需仔细探测的面积较大时，可用多级网络法描出等声时线,并逐步缩小测区的方法（见图6－5），这样可防止遗漏，同时又避免了大面积的细测。 网络的大小可视构件大小而定，例如第一级网络 采用30cm间距，然后在声时变化的点上再划出 二级网络（例如10cm），将各等声时点连接起来 即成“等声时线”，在等声时线的范围中，声时最 长的点即为该缺陷区的“中心”位置。 为了定量地确定缺陷的存在，近年来普遍采用 统计方法。其具体方法是用被测构件的各测点声时 值t和超声穿透距离L求出声速C，然后根据已知 的R＝f（C）关系，换算出各测点的估算强度R。 假定所有测值总体呈正态分布，求出其平均强度R 和标准差S，则判定某点存在缺陷的依据为 （6-3） 若第i点的强度值Ri符合上式，则该值出现的概度只有2.27％，即出现的机率极少，如果有，应是一异常点，可视为存在缺陷的可疑位置。 当被测对象的R＝f（C）关系不明确，难以将C值换算成R值时，可直接用C值的统计结果作为判别依据 （ 6-4） 式中， 为所有测点声速平均值；Sc为声速值的标准差；Ci为第i点的声速值。 当被测构件的厚度不变（即声程L不变）时，也可直接用声时值的统计结果作为判别依据： ti ＜ ＋2St （6-5） 式中： 为所有测点声时平均值；St为声时值的标准差；ti为第i点的声时值。 以上判据中未反映测点的影响。为了更确切地判别缺陷，南京水利科学研究院曾提出如下判别方法：首先计算出结构物各测点估算强度的平均值R及标准差S，然后分两种情况对各测点进行判断。 1．孤立的低强度点 计算出该点强度和平均强度之差与样本标准差的倍数z，即 （ －Rmin）／S＝z （6－6） 式中： 为所有测点的平均强度值；Rmin为孤立低强度点的强度值；S为强度值的标准差。再从正态分布表上查得Rmin＝ －zS时出现的概率P，然后算出在N个测点中Rmin可能出现的次数 M＝NP （6－7） 式中：M为Rmin在正态分布的数值样本中可能出现的次数；N为测点总数；P为Rmin在正态分布的样本中的概率。 其判为缺陷的条件是 M＜1 （6－8） 即在正常情况下，这样的强度值是不应当出现的，现在出现了一个点，说明是异常点，应判为缺陷。 2．几个相邻点的强度都低于某一最小强度的区 通常取最小强度Rmin＝ －2S，即z＝2。这时Rmin出现的概率为P＝2.28％。 若在网络测点中，某点A的强度低于Rmin，其相邻四点中的任一点也低于Rmin，这种情况出现的概率为： P＝（2.28％）2×4＝0.208％ 同样，当NP＜1时，则认为此相邻两点处有缺陷。 当被测对象的R＝f（C）关系不明确时，也可直接用声速C值的统计结果作为判别依据。

表6－1 统计数的个数n与对应的λ1值 n λ1 14 1.47 16 1.53 18 1.59 20 1.64 22 1.69 24 1.73 26 1.77 28 1.80 30 1.83 n λ1 32 1.86 34 1.89 36 1.92 38 1.94 40 1.96 42 1.98 44 2.00 46 2.02 48 2.04 n λ1 50 2.05 52 2.07 54 2.09 56 2.10 58 2.12 60 2.13 62 2.14 64 2.155 68 2.17 n λ1 68 2.18 70 2.19 74 2.21 78 2.23 80 2.24 84 2.26 88 2.28 90 2.29 95 2.31 n λ1 100 2.32 105 2.34 110 2.36 115 2.38 120 2.40 125 2.41 130 2.42 135 2.43 140 2.45 n λ1 145 2.46 150 2.48 155 2.49 160 2.50 170 2.52 180 2.54 190 2.56 200 2.57 210 2.59 中国工程建设标准化协会1990年公布的《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21：90）中推荐采用下述方法进行判别： 首先将测区内各测点的声时值（ti）由小到大按顺序排列，即t1≤t2≤…≤tn≤tn+1，将排在后面明显偏大的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最小的一个（假如是tn）连同其前面的数据，求出其平均值t和标准差St，并按下式算出异常情况的判断值X0： X0＝ ＋λ1·St （6－9） 式中：X0为异常情况判断值；λ1为异常值判定系数，按表6－1选取。