1、论述超声波检测混凝土不密实区和空洞摘要：本文作者对超声波检测混凝土不密实区和空洞进行了分析，并结合自己的工作认识,从超声检测原理、方法出发,阐述了构件不密实区空洞检测的数据处理技术,具有一定的参考意义。 关键词：超声法;混凝土缺陷;检测 中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号： 1 超声波检测混凝土缺陷的基本原理 采用超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的基本原理是,利用脉冲波在技术条件相同(指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致)的混凝土中传播的时间(或速度)、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化,来判定混凝土的缺陷。由于超声脉冲波传播速度的快慢,与混凝土的密实程度有直接关系,对于原
2、材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说,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,便破坏了混凝土的整体性,超声脉冲波只能绕过裂缝或空洞传播到接收换能器,因此传播路程增大,测得的声时必然偏长或声速降低。另外,由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率,脉冲波在混凝土中传播时,遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷,便在缺陷界面发生反射和散射,声能被衰减,其中频率较高的成分衰减更快,因此接收信号的波幅明显降低,频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。再者经缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差,叠加后互相干扰,致使接收信号的波形发生畸变。根据以上原理,可以
3、利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析、判别其缺陷的位置和范围,或者估算缺陷的尺寸。2 超声波在混凝土结构无损检测中的应用 土木工程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和整体性，能够对新旧建筑物整体或部分作质量状态监视，能够用来估计建筑材料和结构的性质和性能。 2.1 超声波对混凝土裂缝深度的检测 由于施工不慎混凝土未捣实、施工中因温度变形和干燥收缩、早期施工过载以及混凝土承载后产生的受力损伤等都会形成裂缝，利用超声仪可以检测出上述裂缝的开展深度及以后的开展情况，其所用的方法主要包括双面检测法和单面检测法。 2.1.1 双面检测法。双面检测法是当构件截面不大，而构件的两个侧面都能安放探
4、头(发射探头、接收探头)时，直接探测裂缝的一种方法。如图 1 所示，探头分别置于 1、2、3、4、5、6 各对跨缝点。当发射、接收探头在构件两侧面相对位置移动时，测出不同位置的声波传播时间，量得声路的长度(各测点到裂缝截面边缘的水平距离)，从 b-t 关系曲线的突然转折处，即时间从变化转为平稳的过渡点，就是所要测的裂缝深度 A。然而在通常的工程结构中很少有满足上述条件的，因而此种方法虽简单，但具体操作时却不一定可行。 2.1.2 单面检测法。单面检测法是当构件的截面很大或只有开裂的一个表面能够安放探头时沿面检测裂缝的一种方法。公路桥梁上的主梁裂缝由于条件的限制，其探测基本上也以单面法为多。对于
5、单面检测法，最常用的方法要算 tcto 法和 BS4408 标准方法，另外的方法还包括表面波的传播声时测量裂缝深度、利用超声波首波相位变化的方法检测裂缝深度、冲击回波法检测裂缝深度等，这里主要介绍一下 tcto 法。如图 2 所示，首先在裂缝附近完好的表面，选择一定的长度工作为校准距离，设这段距离为 2a，在这段距离的两端安放探头，测出声波通过 2a 的时间为 tc，再将发射与接收探头安放在裂缝两侧，并使两个探头至裂缝的距离都为 a，测得通过裂缝处声波的传播时间：tc，如果裂缝与表面正交，以声波通过前后两处混凝土所传播的速度相等为条件，很容易推导出混凝土裂缝深度的计算公式：d=a(tc/to)
6、2-10.5 在超声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS21：2000)中对上述的 tcto 法加以了改进，即在不跨缝进行声时测量时，将 T 和 R 换能器置于裂缝附近同一侧，使其内边距分别等于 50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm 共 6 个点，读取这时的声时值(to)1，由此可以画出相应的时距坐标图。然后在跨缝进行声时测量时，取同样距离的 6 个点，相应读出这时的声时值(t)1，再根据相应的公式求出每个测点所对应的裂 缝 深 度值，最后取其平均值，这样做主要是因为探头声源并不是在探头中心点位置，通过上述方法可以求出声源的确切位置。 2.2 超声波对混凝土的不密
7、实区及其空洞的检测。超声波检测混凝土内部不密实区及其空洞的原理就是当发射探头发射的超声波遇到空洞时，声波就产生反射使一部分能量衰减，另一部分将绕过空洞沿着孔壁传播，并最终将被安放在另一头的接收探头所接收，从而从超声仪上读出的时间与同类材料相同距离下的正常温凝土会有所差别。通过各测点时间读数的变化情况以及超声振幅、波形的变化，就可以推测混凝土内部空洞的大致尺寸，通常以该空洞的最大内径来表示。这里要注意的一点就是首先要用其它方法判断该混凝土内部是空洞还是缺陷，然后再进行下一步操作。在具体对混凝土空洞检测过程中需要布置大量的测点，如果该混凝土结构材料有两对平行测试面，用对测法即可；如果只有一对互相平
8、行的测试面，应在对测的基础上还要进行交叉斜测，同时对可疑数据点区段内应加密测点。 3 检测数据处理及判断 由于混凝土本身的不均匀性,即使是没有缺陷的混凝土,测得的声时、波幅等参数值也会在一定范围波动,更何况混凝土原材料品种、用量及混凝土的湿度和测距等都不同程度地影响到声学参数值;因此,不可能确定一个固定的临界指标作为判断缺陷的标准,一般都利用统计方法进行判别。统计学方法的基本思想是:给定一置信概率(如 0.99 或 0.95),并确定一个相应的置信范围(如 mx1?Sx),凡超过这个范围的观测值,就认为它是由于观测失误或者是被测对象性质改变所造成的异常值。如果在一系列观测值中混有异常值,必然歪
9、曲试验结果,为了能真实地反映被测对象,应剔除测试数据中的异常值。 在超声检测中,凡遇着读数异常的测点,一般都要检查其表面是否平整、干净或是否存在别的干扰因素,必要时还要加密测点进行重复测试。因此,应该说不存在观测失误的问题,出现的异常测值,必然是混凝土本身性质改变所致。这就是利用统计学方法判定混凝土内部存在不密实和空洞的基本思想。 4 注意事项 1）在固定波幅下进行声时测读:在检测时，应将仪器首波幅度调整到一定高度再进行声时测读。 因为有无缺陷的混凝土波幅差异较大，且在同一测试条件下声时测读值随着首波幅度降低而增大, 所以为了使声时测值具有可比性，各测点都应将首波波幅调整到一定高度再进行声时测
10、读。 2）在保持最佳耦合状态下进行声时测读:在检测时，应反复移动换能器至首波幅度达到最高再进行读数。 当出现移动换能器，波幅降低的情况时，应检查测点表面是否平整或耦合层中是否垫有砂砾等脏物，待排除干扰后再进行波幅测读。 因为检测时换能器的耦合状态是否良好对波幅测量值影响很大，所以检测时，应尽量保证换能器的耦合状态良好。3）在保持首波不畸变及前三个波不截幅的条件下测量主频率:模拟式混凝土超声仪是通过测量首波周期或半周期来计算频率值,如果首波发生畸变，测试结果误差较大。 智能式混凝土超声仪一般是采用前三个波进行频率值判读， 如果这些波被截幅，频率值判读结果将会产生较大误差。 所以检测时，应在保持首
11、波不畸变及前三个波不截幅的条件下测量主频率，以确保检测的准确性。 5.结束语 对结构或构件混凝土进行不密实区和空洞缺陷检测,不仅在监控混凝土的施工质量、消除工程隐患、加快施工进度等方面具有很重要的意义,而且对长久使用中的工程结构物进行质量鉴定,以便确定继续使用还是加固改造或者是推倒重新修建,也具有决定性的作用。超声波检测是工程中检测混凝土不密实区和空洞的较常用的一种方法,本文结合作者的工作认识,从超声检测原理、方法出发 ,详细阐述了构件不密实区空洞检测的数据处理技术,以供同行参考。 参考文献 1王韶先.混凝土超声检测技术的研究与应用.水力发电，1993-05-16. 2张建国，琚晓辉，路晋.水泥混凝土路面厚度超声检测系统研究.公路交通技术，2006-02-28. 3朱金颖，陈龙珠.混凝土受力状态下超声波传播特性研究.工程力学，1998-08-30. 4 沈在康. 混凝土结构试验方法标准 GB50152-92 介绍 (续)M .建筑科学,1993, (04) :57-59. 5 李艳宁,王忠顺,赵倩云等. 计算机技术在建筑材料动态弹性模量测量上的应用 .科研成果与学术交流,2007,29 (3) :126-127.
