使用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)

使用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)

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混凝土超聲檢測(cè)目前主要是采用所謂“穿透法”，即用發(fā)射換能器重復(fù)發(fā)射超聲脈沖波，讓超聲波在所檢測(cè)的混凝土中傳播，然后由接收換能器接收。被接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后再經(jīng)超聲儀放大顯示在屏幕上，用超聲儀測(cè)量直接收到的超聲信號(hào)的聲學(xué)參數(shù)。

1. 當(dāng)超聲波經(jīng)混凝土中傳播后，它將攜帶有關(guān)混凝土材料性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成的信息。準(zhǔn)確測(cè)定這些聲學(xué)參數(shù)的大小及變化,可以推斷混凝土的性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成情況。

聲速

聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度。它是混凝土超聲檢測(cè)中一個(gè)主要參數(shù)。混凝土的聲速與混凝土的彈性性質(zhì)有關(guān)，也與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)（孔隙、材料組成）有關(guān)。不同組成的混凝土，其聲速各不相同。一般說(shuō)來(lái)，彈性模量越高，內(nèi)部越是致密，其聲速也越高。而混凝土的強(qiáng)度也與它的彈性模量、它的孔隙率（密實(shí)性）有密切關(guān)系。因此，對(duì)于同種材料與配合比的混凝土，強(qiáng)度越高，其聲速也越高。若混凝土內(nèi)部有缺陷（孔洞、蜂窩體），則該處混凝土的聲速將比正常部位低。當(dāng)超聲波穿過(guò)裂縫而傳播時(shí)，所測(cè)得的聲速也將比無(wú)裂縫處聲速有所降低�？傊�，混凝土聲速值能反映混凝土的性能及其內(nèi)部情況。

 振幅

接收波振幅通常指首波，即個(gè)波前半周的幅值，接收波的振幅與接收換能器處被測(cè)介質(zhì)超聲聲壓成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的聲波的強(qiáng)弱。在發(fā)射出的超聲波強(qiáng)度一定的情況下，振幅值的大小反映了超聲波在混凝土中衰弱的情況。而超聲波的衰減情況又反映了混凝土粘塑性能�；炷�土是彈粘塑性體，其強(qiáng)度不僅和彈性性能有關(guān)，也和其粘塑性能有關(guān)，因此，衰減大小，即振幅高低也能在一定程度反映混凝土的強(qiáng)度。對(duì)于內(nèi)部有缺陷或裂縫的混凝土，由于缺陷、裂縫使超聲波反向或繞射，振幅也將明顯減小，因此，振幅值也是判斷缺陷與裂縫的重要指標(biāo)。由于振幅值的大小還取決于儀器設(shè)備性能、所處的狀態(tài)，耦合狀況以及測(cè)距的大小，所以很難有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，目前只是作為同條件（同一儀器、同一狀態(tài)、同一測(cè)距）下相對(duì)比較用。

 頻率

如前所述，在超聲檢測(cè)中，由電脈沖激發(fā)出的聲脈沖信號(hào)是復(fù)頻超聲脈沖波。它包含了一系列不同頻率成分的余弦波分量。這種含有各種頻率成分的超聲波在傳播過(guò)程中，高頻成分首先衰減（被吸收、散射）。因此，可以把混凝土看作是一種類似高頻濾器的介質(zhì)。超聲波愈往前傳播，其所包含的高頻分量愈少，則主頻率也逐漸下降。這已為不同測(cè)距的試驗(yàn)及頻譜分析結(jié)果充分證實(shí)。主頻率下降的多少除與傳播距離有關(guān)外，主要取決于混凝土本身的性質(zhì)（質(zhì)量、強(qiáng)度）和內(nèi)部是否存在缺陷、裂縫等。因此，測(cè)量超聲波通過(guò)混凝土后頻率的變化可以判斷混凝土質(zhì)量和內(nèi)部缺陷、裂縫等情況。要準(zhǔn)確細(xì)致地測(cè)量和分析接收波各頻率成分變化，須采用頻譜分析的途徑，這需要對(duì)波形采樣后送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行快速傅利葉變換（FFT），獲得頻譜圖。目前的數(shù)字式超聲儀具有這一功能。下面將提出用超聲儀直接測(cè)量接收波主頻率的簡(jiǎn)易有效的方法。和振幅一樣，接收波主頻率的絕對(duì)值大小不僅取決于被測(cè)混凝土的性質(zhì)的內(nèi)部情況，也和所用儀器設(shè)備、傳播距離有關(guān)，目前也只能用同于同條件下的相對(duì)比較用。

波形

波形指在顯示屏上顯示的接收波波形。當(dāng)超聲波在傳播過(guò)程中碰到混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫或異物時(shí)，由于超聲波的繞射、反射和傳播路徑的復(fù)雜化，直達(dá)波、反射波、繞射波等各類波相繼到達(dá)接收換能器，它們的頻率和相位各不相同。這些波的疊加有時(shí)會(huì)使波形畸變。因此，對(duì)接收波波形的分析、研究有助于對(duì)混凝土內(nèi)部質(zhì)量及缺陷的判斷。鑒于波形的變化受各種因素的影響，目前對(duì)波形的研究只能作一般的觀察，記錄。這里還要說(shuō)明的是，通常所用的縱波換能器所發(fā)射的超聲脈沖波不僅有縱波成分也有橫波成分，即便是較純的縱波，在通過(guò)混凝土內(nèi)各聲學(xué)界面后也有部分轉(zhuǎn)化為橫波。因此，接收到的一串波形中，既有縱波也有橫波。若鄰近表面測(cè)量時(shí)，還有表面波。但是由于橫波與表面波傳播速度較縱波慢，所以在首波之后一定時(shí)刻才出現(xiàn)并和縱波的后續(xù)波疊加在一起。如果波形分析與研究也包括了這一部分，那么情況將更為復(fù)雜，所以，通常的波形分析與研究大多集中于波前部的縱波，而且好是不受邊界影響的直達(dá)縱波。

2 超聲檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的主要影響因素

超聲法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，主要是通過(guò)測(cè)量在測(cè)距內(nèi)超聲傳播的平均聲速來(lái)推定混凝土的強(qiáng)度。可見，“測(cè)強(qiáng)”精度高低與超聲聲速讀取值的準(zhǔn)確與否是密切相關(guān)的，換句話說(shuō)，正確運(yùn)用超聲聲速推定混凝土強(qiáng)度和評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量，從事檢測(cè)工作的技術(shù)人員必須熟悉影響聲速測(cè)量的因素，在檢測(cè)中自覺(jué)地排除這些影響。

 橫向尺寸效應(yīng)

關(guān)于試件橫向尺寸的影響，在測(cè)量聲速時(shí)必須注意。通常，縱波速度是指在無(wú)限大介質(zhì)中測(cè)得，隨著試件橫向尺寸減小，縱波速度可能向桿、板的聲速或表面波速度轉(zhuǎn)變，即聲速比無(wú)限大介質(zhì)中縱波聲速為小。當(dāng)橫向小尺寸d≥2λ（λ為波長(zhǎng)）時(shí)，傳播速度與大塊體中縱波速度值相當(dāng)。當(dāng)λ＜d＜2λ時(shí)，可使傳播速度降低 2.5%～3% 當(dāng) 0.2＜λd＜λ時(shí)，傳播速度變化較大，約降低 6%～7%，在這個(gè)區(qū)間里測(cè)量時(shí)，估計(jì)強(qiáng)度的誤差可能達(dá) 30%～40%，這是不允許的。

溫度和濕度的影響

混凝土處于環(huán)境溫度為5℃～30℃情況下，因溫度升高引起的速度減小值不大；當(dāng)環(huán)境在 40℃～60℃范圍內(nèi)，脈沖速度值約降低 5%，這可能是由于混凝土內(nèi)部的微裂縫增多所致。溫度在 0℃以下時(shí)，由于混凝土中的自由水結(jié)冰，使脈沖速度增加（自由水的 V=1.45 ㎞/s,冰的 V=3.50km/s）。混凝土的抗壓強(qiáng)度隨其含水率的增加而降低，而超聲波傳播速度 v 隨孔隙被水填滿面逐漸增高。飽水混凝土的含水率增高 4%，傳播速度 V 相應(yīng)增大 6%。速度的變化特性取決于混凝土的結(jié)構(gòu)，隨著混凝土孔隙率的增大，干混凝土中超聲波傳播速度的差異也增大。水中養(yǎng)護(hù)的混凝土具有較高的水化度并形成大量的水化產(chǎn)物，超聲波傳播速度對(duì)此產(chǎn)物的反映大于空氣中硬化的混凝土；水中養(yǎng)護(hù)的混凝土，水分滲透并填充了混凝土的孔隙，由于超聲在水里傳播速度為 1.45km/s，在空氣中僅 0.34km/s，因此，水中養(yǎng)護(hù)的混凝土具有比在空氣中養(yǎng)護(hù)的混凝土大得多的超聲波傳播速度，甚至掩蓋了隨著混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)而提高的聲速的影響。

構(gòu)混凝土中鋼筋的影響

鋼筋中超聲傳播速度比普通混凝土的高1.2～1.9 倍。因此測(cè)量鋼筋混凝土的聲速，在超聲波通過(guò)的路徑上存在鋼筋，測(cè)讀的“聲時(shí)”可能是部分或全部通過(guò)鋼筋的傳播“聲時(shí)”，使混凝土聲速計(jì)算偏高，這在推算混凝土的實(shí)際強(qiáng)度時(shí)可能出現(xiàn)較大的偏差。鋼筋的影響分兩種情況：一是鋼筋配置的軸向垂直于超聲傳播方向；二是鋼筋軸向平等于超聲傳播的方向。對(duì)種情況央一般配筋的鋼筋混凝土構(gòu)件中，鋼筋斷面所占整個(gè)聲通路徑的比例較小，所以影響較小(對(duì)于高標(biāo)號(hào)混凝土影響更小)。鋼筋軸向平行超聲傳播的方向，在作超聲“聲時(shí)”測(cè)量時(shí)，可能影響較大，應(yīng)設(shè)法加以避免或修正。

 粗骨料品種、粒徑和含量的影響

粗骨料品種、每立方米混凝土中骨料用量的變化、顆粒組成的改變對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響要比水灰比、水泥用量及標(biāo)號(hào)的影響小得多，但是，粗骨料的數(shù)量、及顆粒組成對(duì)超聲波傳播速度的影響卻十分顯著，甚至稍微增加一些碎石的用量或采用較高彈性模量的骨料，敏感性強(qiáng)的是超聲脈沖的聲速。比較水泥石、砂漿和混凝土三種試體的超聲檢測(cè)，在強(qiáng)度值相同的情況下，混凝土的超聲脈沖聲速高，砂漿次之，水泥石低。差異的原因主要是超聲脈沖在骨料中傳播的速度比混凝土中傳播速度快。聲通路上粗骨料多，聲速則高；反之，通路上粗骨料少，聲速則低。

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