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  论坛首页 → 传感器与仪表 → [转帖]混凝土缺陷超声检测技术的新进展
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标题:[转帖]混凝土缺陷超声检测技术的新进展
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沈国伟 叶伟国

摘要:介绍混凝土缺陷超声检测新方法和检测长桩质量原理,综述了裂缝深度检测新进展,如相位变化法、横波法和冲击回波法等。

关键词:混凝土、超声检测

文章编号:1006-883X(2002)09-0001-05  文献标识码:A  中图分类号:TP212

一、引言

混凝土是建筑工程中最主要的用量最大的建筑材料之一,其质量直接关系到建筑结构的安全。加强混凝土质量的监控和检测,保证和提高混凝土质量,是当今建筑工程中的重要课题。随着《超声法检测混凝土缺陷技术规程》的颁布,利用超声波传感器,通过测量超声波的声速值,来判断混凝土缺陷的技术已得到广泛的应用。

由于混凝土是非匀质体,影响声速测量精度的因素较多,为了提高检测混凝土缺陷的准确度,关键是提高超声波声速测量的准确度。

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2008-5-7 10:03:29IP: 保密
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二、混凝土中超声波传播的特点

首先,在混凝土中传播声能衰减大。混凝土中的水泥石、砂、碎石或卵石等组成物具有不同的声阻抗,这使得超声波在混凝土中的传播能量衰减比在相同声径的金属材料中的传播能量衰减大得多。

其次,在混凝土中超声波传播方向性较差,其原因是超声波束的扩散角与频率成反比且由于混凝土中的颗粒的几何尺寸大小不一,同时由于在骨料与水泥石的界面,以及其它声阻抗发生变化的界面上超声波被反射,这种反射往往是杂乱的,因而使入射波束向周围散射,降低了方向性。

三、超声法检测混凝土缺陷技术在实际应用中存在的主要问题

1、超声脉冲速度测量受到与混凝土性能无关的某些因素的影响,造成声速测量准确度的降低。

这是因为在测量声速时,只有当换能器的表面与混凝土表面之间保持良好的声耦合,才能保证传播时间测量的准确度。例如,对于钢模和光滑木模声浇制的混凝土面,若没有尘土和突出的小粒,用稀的润滑油、肥皂液等涂覆接触面,就可以获得良好的声耦合。对于中等粗糙度的表面,应当采用较稠的润滑油;而对于很粗糙的表面则需要用砂轮磨平,适当地以熟石灰、水泥沙浆或环氧树脂填补光滑。实验结果表明,当超声波传感器置于混凝土表面时,仪器显示的传播时间值恒定在±1%之内,表明声耦合达到良好的程度。

2、测试件的测距和横向尺寸影响。

为了避免混凝土非匀质体的影响,要求超声波传播的路径长些。例如,当使用最大粒径为20mm的骨料,传播路径长度应不小于100mm,若使用最大粒径为40mm的骨料,传播路径长度应不小于150mm。但问题是在保证这种基准长度的条件下,传播速度也可能随测距增大有所降低,一方面是脉冲的频谱组成有所改变,高频组成部分将消失,另一方面能量将不断减小,两个因素引起了接收信号第一个半波曲线变为圆弧形,影响测量接收波起始点的准确性,使测量的声时偏长。

测试件的横向尺寸影响也不可忽视,随着测试件横向尺寸减小,纵波速度(它是指在无限介质中测得的)可能向杆、板的声速或表面波速度转变,使声速比无限介质中的纵波声速为小。

对不同测距、断面尺寸应选择合理的传感器固有频率。表1为英国学者R.琼斯博士对不同测距、最小断面尺寸和传感器固有频率的选择的研究结果。

该帖子于2008-5-7 10:07:43被 在那里 编辑过

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1、对不同测距、最小断面尺寸和传感器固有频率的选择        

穿透

长度

(mm)

传感器固有

共振频率

kHz

混凝土构件

最小横向尺寸

mm

100~700

60

70

700~1500

40

150

>1500

20

300

3、温度的影响

混凝土在环境温度5~30℃时,速度减小值不大;但在环境温度40~60℃时其值大约要降低5%,,此时应进行必要的修正,可参考表2

2超声波传播速度的温度修正值

温度

(°C)

修正值(%

存放在空气中

存放在水中

+60

+5

+4

+40

+2

+1.7

+20

0

0

0

0.5

-1

<-4

-1.5

-7.5

4、混凝土中钢筋的影响。

由于钢筋中超声波的传播速度比在普通混凝土中高1.2~1.9倍,所以当超声波通过的路径上存在钢筋时,测量钢筋混凝土的声速值将偏高。

 

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四、混凝土缺陷检测技术的新进展[1][2][3][4]

1、接收信号放**

对测试件测距的影响,可采取将接收信号尽可能放大(出现本底噪声之前)以减小这种测量声时的误差。

2、修正系数法

针对钢筋影响造成的测试误差,可采取修正系数的办法提高测试精度。可根据图1曲线查出修正系数,对实测的传播速度V加以修正 [2]例如ls/l0.2,并且认为混凝土质量是差的,则混凝土中钢筋影响的vs/v的修正系数为0.9,这样就可以求出混凝土的脉冲速度,对实测的传播速度v 加以修正。

钢筋影响造成的测试误差,还可根据下式算出:

式中:l两超声波传感器(探头)间的距离;

lS钢筋直径的总和;

vc——混凝土中实测的超声波传播速度;

vs——钢筋中实测的超声波传播速度

3、检测管埋设法

采用超声波对桩身质量进行检测时,可事先在桩中埋设检测管[2]。根据桩径大小,每桩2~4管不同,但均需等边布置且固定于钢筋笼上,垂直方向保持平行,以保持超声波传感之间的距离不变。经大量试验,总结出超声声速、幅度等与混凝土质量关系如表3

4、高、低应变动测技术的应用。

现已应用于测试工程桩的桩身质量和单桩承载能力。其中高应变动测技术由于激发能力大,应力波传播过程中的损耗低,因此可以在测试承载能力的同时,检测大直径超长桩的深部缺陷。而低应变动测则主要用来检验桩身结构的完整性,即检测桩身是否存在有断桩、夹泥、离析、缩扩径等缺陷。

5、用超声波首波相位变化的方法检测裂缝深度。

在裂缝检测实践中发现了因超声波传感器置裂缝两侧的间距不同而引起首波幅度及其振幅相位变化的规律(图2)。若置超声波传感器于裂缝两侧,当超声波传感器与裂缝间距a分别大于、等于和小于裂缝深度d时超声波接收波形如图2(b)~(d)所示。首波的振幅相位先后发生了180°的反转变化。当ad(图2(c))时回折角a+b90°。在该临界点左右,波形变化特别敏感,只要把超声波传感器稍作来回移动,首波振幅相位反转瞬间而变。

裂缝两侧超声波传感器不对称布置(图3),接收器不动,移动超声波传感器(发射器),同样也可以观察到首波相位的变化,在首波相位反转临界点,此时裂缝深度

6、表面波/横波的传播声速测量混凝土裂缝深度

测量裂缝深度采用100kHzSH横波斜探头,其声压在水平和50°角方向有峰值。50°角方向有峰值是由斜楔造成的,而水平方向峰值则是由表面波引起的。

该帖子于2008-5-7 10:11:24被 在那里 编辑过

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3超声声速、幅度等与混凝土质量关系

声速

幅度

混凝土质量

正常

混凝土强度正常,基本无缺陷

混凝土强度较高

混凝土强度较低,可能有局部缺陷

偏大

混凝土强度正常或较高

混凝土强度较高,内部质量较好

混凝土强度正常或较低,内部砂浆含量较正常高

偏小

混凝土强度正常,可能内部有缺陷

混凝土强度正常,内部石子含量较正常高

混凝土强度较低,内部有缺陷,混凝土质量差

对于这种测试,发射与接收传感器分别放在裂缝两边同一平面上,即发射传感器至裂缝中心的距离L1=20mm,接收传感器至裂缝中心的距离L=40mm。实验结果证明了裂缝深度与声传播时间指数相关,相关系数为0.977,两者间的回归方程为:

4所示为超声波的传播途径,超声波传感器发射探头所激发的表面波传播到裂缝尖端时,转换为横波传播直到被接收。所以如果已知表面波声速vR和横波声速vS,再测量传播时间t, 即可求出裂缝深

度:   

式中:L1——裂缝和超声波传感器(发射探头)之间距离;

L2——裂缝和超声波传感器(接收探头)之间距离。

该帖子于2008-5-7 10:12:52被 在那里 编辑过

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此外,混凝土裂缝深度检测技术中还常用到冲击回波法,这是利用小钢球冲击混凝土作为声源,通过被测混凝土传播,有纵波、横波和表面波等。当这些波被宽带超声波传感器接收后,通过时域或频域分析方法,就可以找出被接收信号特征与混凝土的裂缝、孔洞及厚度等关系:

(1)频域分析法

在裂缝一侧,用小球冲击,纵波绕过裂缝尖端传播,同时纵波传播到底面也被反射,均被另一接收传感器接收。可用超声检测系统进行试验。接收波经过快速傅里叶变换分析,在频域图上(图5)有二个明显的频率峰值,其值为9.26kHz13.06kHz。根据基频共振公式:

式中:h——厚度或裂缝深度;

 

 c——混凝土声速;

f——频率(kHz)。9.26kHz对应厚度22cm13.06kHz对应裂缝深度15cm

 

 (2)冲击回波的时域分析方法

在大多数情况下,冲击回波法的共振频率可以成功地用于确定混凝土结构内部裂缝和孔洞的置,但要在频谱中辨认出对应于缺陷的峰值有时会遇到困难,此时可采用一种基于时域分析的测试方法来解决,图6 为试件实验布置图。

 

混凝土经冲击源冲击后,其表面波第一个到达接收传感器并激发监控系统。假如R波(表面波)到达时间为t1, 波速为cR,则冲击开始的时间为 。由于冲击产生的P波(纵波)直到在裂缝底部发生衍射时才到达裂缝后面的区域,此时第二个接收传感器R2才开始接收衍射P波。设衍射P波到达第二个接收传感器的时间为t2,那么P波从冲击点到第二个接收传感器的最短时间为:        (1)

若在混凝土板中已知P波的声速cP,从冲击点到第二个接收传感器最短的传播距离可以计算为cP