混凝土无损检测技术讲稿.doc

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1、结构混凝土无损检测技术结构混凝土无损检测技术是以声、光、电、磁、力或变形等物理量，与混凝土组份及构造的关系，或根据预先试验及数理统计建立的相关性，推定评判混凝土的强度和缺陷或损伤的方法。无损检测技术的特点：1. 检测过程无损于材料、结构的组织和使用性能；2. 直接在构筑物上检测并推定混凝土强度、评判结构混凝土的缺陷或损伤；3. 重测或复检方便，重复性好；4. 方法简便，检测随机性强；5. 由于间接评判，存在着系统操作误差和随机抽样误差；6. 影响因素较多，专业性和检测操作要求较高。一、 超声波检测技术基本知识超声波是械机波 振动是波动产生的根源，波动是振动的传播过程。声频 20000HZ 称超

2、声，混凝土超声检测频率范围： 20200KHZ 一般用40100 KHZ1. 超声波基本物理量： = （1） 波长（cm） V 介质的波速（km/s） f 超声频率（KHz） T 波的周期（s）按（1）式，对一定波速的介质，给定超声波探测的频率，可以确定波长。探测混凝土内部缺陷线度大小往往以所用的超声波长来复核，超声波长与所测的缺陷线度大小相当，或小于缺陷尺寸，检测的灵敏度较高，波长超过缺陷线度，探测的灵敏度则低。用高频短波长探测还要兼顾接收信号和首波幅度可鉴为基础。因为探测频率过高。能量衰减较大，甚至接受不到信号。2. 超声波型： （1） 纵波（代表符号P）介质中质点振动方向与波传播方向一致

3、，称为纵波（见PP1），即介质受拉伸压缩的交变应力。固体、液体、气体具有容变弹性，所以纵波能在固、液、气介质中传播。在块体中纵波波速： （2）在板中纵波波速： （3）在杆中纵波波速： （4） E 动弹模量（N/m2） 介质密度（g/cm3） 泊松系数（2）横波(代号S) 介质质点的振动方向与波的传播方向相垂直，称为横波（见PP1）。横波使介质产生剪切变形，液体、气体无一定形状。形变时不产生切变应力。故液、气中不能传播横向。 横波传速： （5） G 剪切模量（N/m2） （3）表面波（代号R） 固体介质表面受交变张力，使介质表面发生相应的纵向和横向合成振动，围绕平衡位置作椭圆振动（见PP1），表

4、面波只能在固体中传播。表面波波速： （6） （当=0.28） （当=0.28） 所以： 当混凝土的泊松比介于0.200.30之间，介于1.631.87之间。即在混凝土中，纵波速度为横波速度的1.631.87倍。 图 PP13. 超声场的结构（见PP2） 图PP2圆盘波源辐射的声场，声能按一定规律单向辐射声波束。近场长度为 D 晶片直径 波长 在紧贴晶片部分声压分布不均匀，区内干涉最严重、影响探测结果，称为盲区。 声束指向性：超声波集中一定区域并向一个方向强烈辐射的现象，称为声场的指向特性，又以半扩散角表示： 圆晶片 方晶片 （波长 D晶片直径 晶片边长）指向特性由声场中心线与主声束边缘之间的夹

5、角来描述 。越小，指向性越好，灵敏度和分辨率也越高。 混凝土超声检测的频率低，半扩散角大，除可以作对测之外，还可以作斜测，角测和平测。4. 超声入射波的反射和折射：（1）垂直入射波时声压反射率和透射率：声压反射率 _（7） 声压透射率 _（8） _第一界质的声阻抗， _第二界质的声阻抗。当Z1=Z2时 则R=0 D=1 即声能全透射。当Z2 Z1 即 时 则R=1 D=0 即声能全反射 图PP3（2）声波斜射进入介质中波型转换特性（见PP图列）a. 反射折射定律： （9）b. 第一临界角 Sin-1 （10）(即第二界质中超声纵波的折射角为900) 第二临界角 Sin-1 (11) (即第二界

6、质中超声横波的折射角为900) c. 倾斜入射波:不同介质中波型转换（见pp图列）L纵波 ，T横波，入射角，反射角， 折射角 图PP4 图PP55. 超声波的衰减（1） 衰减系数及衰减量： 声波在介质中传播过程，其振幅随过声波传播距离的增大而逐渐减小衰减。a.衰减系数声波在任何介质中传播声能均产生衰减，衰减大小变化与超声频率及传播距离有关，也与材料的内部结构及性质有关。超声传播，其声压随距离的增加而降低，其衰减按指数方式变化： 取自然对数： （奈培/cm） （分贝/cm） b. 衰减量： Np=ln (奈培) （ 传播x距离的接收声压，P0 传播距离为0的声压）dB=20lg=20lg （分贝

7、）（A1 接收信号首波幅度，A0基准的首波幅度） 由于声压比是无量纲的，声压与接收信号的振幅成正比关系，也可以用振幅变化代替声压变化，因此，衰减量计算可用： （分贝） 分贝值为负称衰减；分贝值为正称增益。 （2）混凝土中声波衰减的原因a 吸收衰减（）：材料的粘滞性吸收声能；质量振动内摩擦使声能转变为热能，与探测频率成正比。b. 散射衰减（）：混凝土中颗粒结构、缺陷、夹杂等构成相当复杂的声学界面，导致声波杂乱的反射、折射和波型转换，微粒共振呈现新振源向四周发射等，是造成声能散射的基本原因，散射是超声波声能衰减的主要因素，与探测频 成正比。上述两项总的声能衰减 （A、B、C为常数）c. 扩散衰减：

8、发射换能器发出的声波束存在一定的扩散角，使声能逐渐扩散，即单位面积的能量随声波传播距离的增大而减弱，称扩散衰减，它与辐射器的扩散性能及波的几何形状有关，而与介质的性质无关。计算时是个恒量，不影响衰减系数计称和比较分析。6.超声波换能器电声相互转换的器具换能器核心元件是压电陶瓷晶片，它具有压电效应，即有电声或声电转换的性能，常用的压电晶片材料有锆钛酸铅，还有钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、偏铌酸铅（PbNb2O6）等。（见pp图列） 图PP6 压电效应物理意义：单晶和多晶陶瓷材料在应力（压、拉）作用下，产生应变时，晶体产生极化或电场正压电效应，当晶体处于电场中，由于极化作用，晶体

9、产生应变或应力逆压电效应。压电陶瓷使用温度不应超过居里点，如PZT-4发射型的居里点为328，PZT-5接收型的居里点为365。PZT-A厚度纵向振动的频率常数为2000HZm，如陶瓷晶片取厚度4mm，则其厚度纵向谐振频率为：超声换能器的结构形式见PP图例。频率200500KHZ的纵波换能器，采用厚度振动的压电陶瓷换能器，频率100KHZ以下的纵波换能器大多采用夹心式或单片弯曲型和增压式的。混凝土检测用的换能器中压电晶片有厚度振动和径向振动之分。二、结构混凝土、钢管混凝土、钻孔灌注桩质量超声检测 1、超声波检测原理与质量评判1）超声脉冲法检测混凝土缺陷装置框图2）接收波形超声参量标识T 超声波

10、在试件测距内传播的声时净值（应扣除t0）（us）A 接收信号首波幅度值（dB）f 接收信号的频率（KHz）接收信号频率计算式：波形判别波形包络面积大小，脉冲波震荡延续性或首波有无畸变等。3） 混凝土内缺陷与超声检测参量的关系。波形示意 参数比较 t1、 A1、f1为参照量 t1A2， f1 f2 t1 t3 A3， f3t2，A4A3，f4f3 超声声能衰减量变化是混凝土质量波动评估的很重要参数之一，但在普通建筑工程结构混凝土超声检测中，由于换能器耦合和人为因素，衰减量稳定性不够，一般不作为定量评估参数，而对钻孔灌注桩埋管超声检测，超声换能器定位和耦合层可控性较高，即超声声能衰减量变化与混凝土

11、质量波动相关性较为稳定，于是，该参数便作为质量评估的定量参数，在桩的完整性的评估中，常常以超声声时或声速，以及声能衰减值作为评判的主要指标。在成对的检测管范围内，超声检测声场呈椭圆形的。沿灌注桩标高，同一层面的凝土缺陷与超声波波及的声场灵敏度关系如下示图：AA波线AHG EDFCBCBI B声场 a） b） c）1） 图a）一对声测管，AB为超声波线，AB为椭圆形声场当缺陷D处于AB波线和声场之外时，在声时和声能衰减量上均无变化；缺陷E处于AB波线和声场内，声时和声能衰减量上均发生变化；缺陷F处于AB声场内，那么在AB波线上声时不变，声能衰减量则有变化。2） 图b）为三根声测管，缺陷G处于AB

12、波线和声场内，AB测对声时、声能衰减量均发生变化，而AC、BC测区上，声时和衰减量均不发生变化。3） 图c)为三根声测管，缺陷H对AB测区的声时无变化，声能衰减量发生变化；AC测区，声时和声能衰减量均无变化；BC测区内，缺陷I使该测区的声时和声能衰减量均发生变化。 4）混凝土缺陷评判方法A. 超声接收信号声时、首波幅度、频率和波形综合分析评判。 声 时 反映声波直接传播或绕射传播过程中时间的差异，即在相同测距内声速差异。 首波幅度 声波在不同的声学界面，因介质声阻抗不同，引起声能反射或透射差异，反映声能衰减, 首波幅度下降。 混凝土水 声能反射率为73% 混凝土空气 声能反射率为99.9% 信

13、号频率 声波随着在混凝土测距内传播，频率逐渐下降，遇不密实或缺陷区，接收信号的频率下降更甚。波 形因混凝土不密实、不均匀，声波传播产生反射、折射、绕射，叠加结果导致波形相位变化或接收波形首波产生畸变.B. 概率方法评判a) 概率分布概念b) 概率评判法l 按声时数据由小至大排列。求检测数据平均值mt和标准差st再按式X0=mt+st逐步算得临介值xt，用以判断可疑值；若按声速V，幅值A，或频率f判断，检查数据可由大至小排列，计算检测数据的平均值Mv、Ma、Mf及相应的标准差SV、SA、Sf按公式 X0=MX-St 逐步算得临介值X0，用以判断可疑值.l 直接取2的判据按XX=mx2Sx计算。即

14、小概率p=2.27%测点数量np1， 则Xx为正常的测点例如：30组超声实测声速平均值mv=4.3km/s，声速最小值vmin=4.0km/s 均方差Sv=0.15km/s 由 vmin =mv则 =根据 的小概率p=2.27%. n=30 np=302.27%=0.683400m/s，证明检测时超声波为直接穿透钢管混凝土的，而按为4300m/s、4200m/s计算，则分别为1.27与1.24。 声通路将主要取决于核心混凝土的探测距离，而超声波收、发换能器接触的两层钢管壁厚相对于钢管混凝土直径的测距是很短的，对“声时”检测的影响不会比钢筋混凝土中垂直声通路排置钢筋的影响大。通过核心混凝土和钢管

15、混凝土穿透对测的比较，钢管壁对钢管混凝土缺陷检测的声时影响很小，“测缺”时，声时变化以相对比较，一般可以采用钢管外径作为超声对测的传播测距考虑。6）孔灌注桩完整性PSD判据法 (1)式中： ti 桩中第i点测距的超声传播声时（s） Hi第i点检测深度（cm）a) 缺陷为夹层或断桩 所以 根据(1)式得 式中： L测距（cm） V1正常混凝土的声速（cm/s） V2砂，砾石混合物声速（取0.32cm/s）b) 缺陷为空洞 由(1)式,得 式中：R空洞半径C） 缺陷为“蜂窝”或填塞其他介质的孔洞。由(1)式,得 式中：V3孔中填塞物的声速取0.85V17）超声检测结构混凝土缺陷和强度的影响因素综述

16、一、 超声声时或声速测量的精度以结构混凝土强度超声检测为例，测量误差相关的影响： (A、B为回归系数) 由声速V测量的相对误差导致换算强度的相对误差之间的关系： =根据多数试验结果，普通混凝土指数幂B在46之间波动，若取平均值为5，如要求声速测量误差导致混凝土强度换算的最大相对误差不超过10%时，允许声速测量最大相对误差为 而声速测量包括了长度和声时的测量误差。即 要求.测量相对误差各1%而言，对混凝土立方标准试件声时测量值一般在3037，其1%的绝对误差应在0.30.4范围，超声测距测量误差应为0.15cm。可见，为了保证强度换算误差不超过10%，声时、测距的实际测量最大误差应严格地加以控制

17、。二超声检测仪类型的差异 目前，结构混凝土质量检测单位，使用的超声检测仪大致有模拟式和数字式两大类，模拟式超声检测仪测量声时时接受信号首波初至时间与首波振幅大小有关。见图示。即随着幅度增大，初至声时测读偏小。为此，技术标准中统一规定了首波幅度3-4cm为测读声时的标准，这时，对声时测读大致是稳定和具有可比性；而数字式超声检测仪对声时测量与仪器结构原理有关，它的测读声时一般比模拟式的测得声时偏大，因计数门由接收信号首波经整形的负方波且具有设定的电平触发读数，即增加了一个时延量（见示图）。同理，模拟式、数字式超声检测仪的自动测读的声时值比手动测读的声时值也偏大计算的超声声速则偏小。对于数字式的检测

18、仪，如果接收信号首波幅度低于读数电平，则有可能造成丢波误读声时。三、 超声检测仪声时初读数应精确测读和扣除仪器声时初读来源：电声转换延迟，电路延迟和换能器声延迟的声时，它是各类仪器和系统固有的，统称为，测读的方法有：1.接妥导线换能器后，两换能器夹耦合剂直接对测2.采用均质材料长短测距法，即有： （）3.采用经标定声时的标准棒，两端耦合换能器，直接从超声仪上测读或一次调零。 以上除一次调零外，1.2条测读的，均须在以后测读声时中加以扣除。四、 结构混凝土中钢筋的影响 钢筋的超声速度比普通混凝土的高1.21.9倍，检测中须注意声通路上钢筋对超声声时或声速的影响。1. 钢筋的轴线垂直于超声传播的方

19、向Ld3d2d1TTTu钢筋混凝土中传播声时（示图） （）欲求混凝土声速，则以测得的钢筋混凝土声速乘上系数，实际检测中，因钢筋测距较小，两换能器测线避开钢筋垂直轴线即可。一般不予修正。lADCBaxx2. 钢筋轴线平行于超声传播方向超声波在混凝土中传播时间： 超声波在钢筋中传播时间：总的传播时间 求极小值令 确定传播最短时间，则有 为避免纵向钢筋的影响，应使混凝土中传播声时 结构混凝土中声波沿混凝土和部分钢筋折线传播的声时工程实际检测中，一般要求为，大体能避免纵向钢筋对混凝土声速测量的影响。五、 试体断面尺寸的影响断面尺寸d与超声波长的关系能否影响波速测量值有几种状况：如下：当 d2 大体为无

20、限介质中纵波速度值d2 下降2.53%0.2 d 下降67% d0.2 相当于杆体中纵波传播六、 骨料与砂率的影响1. 骨料品种与粗细：卵石混凝土的超声声时比碎石混凝土声时偏小，混凝土同一设计强度等级，以同一声速换算的混凝土强度，卵石混凝土的强度换算值偏低，而碎石混凝土强度换算值偏高，故率定回归时，须分开建立基准测强曲线，当然，石子材质不同，相应的混凝土其声速也不同。同一强度等级的混凝土粗骨料粒径大的混凝土测得声速比骨料粒径小的混凝土测得声速要大。所以，以同一声速换算强度，粗粒径骨料的混凝土的比小粒径混凝土的强度偏大。2. 砂率大小意味着砂与石子比例的不同，一般砂率大的混凝土超声声速偏小，反之

21、，砂率小的混凝土超声声速则大。于是砂率小于28%的和大于42%的混凝土与普通混凝土测强基准曲线也应分别建立。七、 温度和湿度的影响超声仪要求在-1040、相对湿度80%条件下进行检测，当环境温度为4060时，混凝土质地可能产生微裂纹，检测声速下降5%，当温度为0以下，由于混凝土中自由水结冰，检测的声速可能有所提高（自由水超声声速1.45km/s，冰的声速为3.50km/s），水中养护混凝土，水泥水化度高，强度增高，声速V将提高，混凝土孔隙由水填充，超声声速也将增大（水V=1.45km/s，空气V=0.34km/s）八、 混凝土缺陷与损伤对超声测强的影响混凝土超声测强，按其强度符合正态分布的条件，内部不应有明显的缺陷和损伤，若存在明显的缺陷和损伤，须要有辅助技术要求，采用声速评定强度可能产生偏差 按质量控制 应标记和推定 应定为缺陷区综合检测指标均较差，且出现在重要受力区，不应作为整体评定强度