超声波无损检测的特点分析及其在混凝土缺陷评定中的应用

3 　收稿日期 : 2002212209 文章编号 : 1001 - 7291 (2003) 04 - 0058 - 03 　　　　文献标识码 : B 超声波无损 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 的特点 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及其在混凝土 缺陷评定中的应用 刘其伟1 , 程跃辉2 , 王 　键1 , 秦向杰1 (11 东南大学 , 江苏 　南京 　210096 ; 21 安徽省公路局 , 安徽 　合肥 　230022) 　　摘要 : 对超声波无损检测的特点做了相应的论述 , 并阐述了其作为无损评定所具有的优越 性。介绍了超声无损检测混凝土裂缝深度及其内部空洞这两种较为常用的无损检测方法 , 并指出 这两种检测方法在具体检测过程中所需注意事项。 关键词 : 超声波 ; 无损检测 ; 裂缝深度 ; 空洞 1 　超声检测的特点 　应用与发展趋势 111 　超声无损检测的优缺点分析 超声波是超声振动在各种介质中的传播 , 它的实 质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动 , 一般 其振动频率在 20 kHz 以上。超声检测常用的工作频 率在 014 MHz～5 MHz , 较低频率用于粗晶材料和衰 减较大材料的检测 , 较高频率用于细晶材料和高灵敏 度检测。对于某些特殊要求的检测 , 工作频率可达 10 MHz～50 MHz。近年来随着宽频窄脉冲技术的研究 和应用 , 超声探头的工作频率 , 有的已高达 100 MHz。 11111 　超声波检测的优点 (1) 超声波的指向性比较好 , 其频率越高 , 指向 性越好。 (2) 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。 (3) 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。 11112 　超声波检测的缺点 应用超声来进行无损检测也有其相应的缺点。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。 112 　超声无损检测技术在各领域中的应用 超声波检测是工业无损检测中应用最为广泛的一 种方法。就无损探伤而言 , 超声波法适用于各种尺寸 的锻件、轧制件、焊缝等机械零件 ; 就物理性能检测 而言 , 用超声波法可以无损检测材料厚度、硬度及强 度、晶粒度、残余应力和胶结强度等。 超声检测是无损检测领域中应用和研究最活跃的 方法之一。例如 , 用声速测定法评估混凝土的强度、 灰铸铁中石墨的含量 , 超声衰减和阻抗测定法确定材 料的性能 , 用超声波衍射和临界角反射法检测材料的 机械性能和表层深度 , 用棱边波法、表面波法和聚焦 探头法对缺陷定量的研究 , 用超声显像法和超声频谱 分析法的进展和应用 , 用超声测定材料内应力的研 究 , 采用自适应网络对不同类型缺陷的波形特征进行 识别和分类 , 噪声信号超声检测法 , 超高频超声检测 法 , 宽频窄脉冲超声检测法 , 以及新型声源的研究 , 例如用激光来激发和接收超声的方法等 , 都是比较典 型和集中的研究方向。 113 　超声波检测仪器的发展 超声检测仪在医学上的发展相对较为成熟一些。 就原理来分 , 超声检测仪可以分为 A 型、B 型、M 型、脉冲多普勒超声、连续多普勒超声和彩色多普勒 超声等 , A 型超声即幅度调制型超声 , 用波形显示 , 目前土木工程中的超声无损检测大多是基于这一原 第 4 期 (总第 143 期) 华 东 公 路 No. 4 ( Total 　No. 143) 2003 年 8 月 20 日 EAST CHINA HIGHWA Y August 　2003 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 理 ; B 型超声是把 A 型的幅度调制改为灰度调制 , 随 信号大小的变化其屏幕亮度相应发生变化 ; 而 M 型 超声是灰度调制型的一个特例 , 它可以动态显示材料 内各点的位移 , 例如它用于医学上的心脏功能测试 ; 其余三种都是运用多普勒效应 , 通过信号的发射和接 收 , 检测出物体内部各物质的运动 , 人体内的血流速 度测定就是一例。 随着电子计算机的普遍应用和发展 , 超声检测仪 器和检测方法都得到了迅速的发展 , 从而超声检测的 应用更为普及。目前 , 微型计算机在超声检测中已能 够完成数据采集、信息处理、过程控制和记录存储等 多种功能。许多超声检测仪都把微处理机作为一个部 件而组装在一起 , 去执行处理数据和图像的任务。现 在绝大多数的超声波探伤仪都有波形显示曲线和检测 数据 , 存储仪器的调整状态、缺陷波形和各种操作功 能 ; 用打印机输出可供记录的各种数据和图形资料 , 并直接由计算机编制测试 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 。 2 　超声波在混凝土结构无损检测中的应用 房屋和桥梁等建筑物的质量无论是对人民的生命 财产 , 还是对国民经济来说 , 都是十分重要的。对建 筑物的所有要求中 , 安全性是第一位的。近年来 , 一 系列灾难性的桥梁倒塌事故主要也是由于在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 施工 中出了问题 , 加上对成桥的维修保养不力 , 出现了诸 如混凝土内部空洞、离析 , 钢筋锈蚀 , 预应力钢筋失 效 , 梁体受力部位开裂等病害 , 无损检测是防止这类 恶性事件发生的重要手段。另一方面 , 对现有旧建筑 物的维修和保养要耗费大量资金。无损检测技术的应 用可使维修保养大大减少盲目性 , 从而可大大节约这 项开支。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。 目前 , 在土木工程中 , 超声无损检测技术的应用 还不象在其它工业部门那样普遍 , 产生这种现象的原 因是多方面的 , 其主要原因是检测环境太复杂。现代 房屋和桥梁等建筑物的主要材料钢筋混凝土是非均 匀、多孔的、多变的各项异性复合材料 , 它不仅有着 复杂的结构 , 而且其性质的分散性极大。通常 , 钢筋 混凝土的性质随骨料和水泥的性质、水份含量、生产 的季节、甚至原材料的产地和批号等因素 , 都可能发 生很大的变化 ; 另一方面 , 建筑物和桥梁通常都有复 杂的结构 , 而且体积庞大。这些因素使一些在机械行 业中十分有效的无损检测方法和技术 , 在土木工程中 却常常无能为力 , 往往需要在技术和工艺上要做较大 的改进才能在土木工程中应用。 　　然而 , 由于数字电子技术和计算机技术的快速发 展 , 为混凝土无损检测的发展开辟了道路。这些技术 的应用 (包括超声脉冲回波技术、冲击回波技术、声 发射技术、雷达技术等) 无论在数据采集、分析和解 释方面 , 还是在模拟计算方面 , 都取得了极大的进 步。 211 　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。 21111 　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 t , 量得声路的长度 b (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 h。 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。 图 1 　　双面检测裂缝示意 图 2 　　单面检测裂缝示意 2003 年第 4 期 刘其伟等 : 超声波无损检测的特点分析及其在混凝土缺陷评定中的应用 —59 — © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 21112 　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。对于单面检测法 , 最常用的方法要 算 tc —t0 法和 BS 4408 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 tc —t0 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 L 作为校准距离 , 设这段距离为 2 a , 在 这段距离的两端安放探头 , 测出声波通过 2 a 的时间 为 t0 , 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 : 即 d = a [ ( tc/ t0) 2 - 1 ]015 在《超 声 法 检 测 混 凝 土 缺 陷 技 术 规 程》 (CECS21 : 2000) 中对上述的 tc —t0 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 50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm 共 6 个 点 , 读取这时的声时值 ( t0) i , 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 ( tc) i , 再根 据相应的公式求出每个测点所对应的裂缝深度值 , 最 后取其平均值为 dhc , 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。 需要指出的是 , 如果各测距小于 dhc和大于 3 dhc , 应剔除出该组数据 , 然后取余下数的平均值 , 作为该裂缝的深度值 dc ; 另外一点值得注意的是 , 检测时裂缝内不得留有水或是其它的异物 , 这主要是 因为在其它材料堵塞裂缝的情况下 , 声波就不会从裂 缝底端绕过 , 从而导致所计算出的裂缝深度与实际不 符。同时 , 混凝土表面要有一定的光洁度 , 以保证声 时读数的稳定性 , 这方面也应该重视。此外 , 对应不 同的裂缝其测试方法也应有所不同 , 在裂缝深度和探 头跨缝宽度相差不多的情况下 , 计算得到的结果与实 际会吻合的更好一些 , 对于过浅或是过深裂缝 , 应该 对此种方法加以灵活的改进 , 比如跨缝斜测、跨缝不 对称测量等等。 212 　超声波对混凝土的不密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 下的正常混凝土会有所差别。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。 目前在我国桥梁基桩的低应变检测中也相应列入 了超声波无损检测技术 , 在灌注桩浇筑前预先在其两 侧预埋声测管 , 根据桩的直径埋置两到三个声测管 , 管的直径比探头略大 , 其下端封闭 , 测试时在管内注 满清水 , 使两探头水平相对放置 , 通过探头在桩身的 上下移动读出各测点的声时值 , 从而确定出缺陷异常 点的位置和范围。另外 , 超声波无损检测技术也可以 用来检测钢管混凝土中钢管内部的混凝土注浆密实 度 , 以供施工单位及时采取相应的补救 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 , 将损失 减小到最低。 3 　结论与展望 用超声法来评定桥梁结构中混凝土的缺陷 , 是一 种行之有效的方法 , 但在有些方面还需要进一步完善 和发展 , 比如检测方法还需要一定的改进、数据采集 精度有待提高、仪器所检测的声学参数也应多样化。 可以说用超声法对混凝土材料进行无损评定是一种非 常有潜力的检测手段 , 有着广阔的发展空间 , 它需要 许多的科学工作者去不断的加以完善和创新 , 以更好 的服务于工程事业。 参 考 文 献 [ 1 ] CECS 21 : 2000 超声法检测混凝土缺陷技术规程 1 北京 : 人民交 通出版社 , 20001 [ 2 ] 张俊哲等 1 无损检测技术及其应用 1 北京 : 科学出版社 , 19931 [3 ] 中国机械工程学会无损检测学会 1 无损检测概论 1 北京 : 机械工 业出版社 , 19931 [ 4 ] 商涛平 , 童寿兴 1 混凝土裂缝深度的超声波检测方法研究 1 无损 检测 12002 , 11 —60 — 华 东 公 路 2003 年第 4 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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