混凝土超聲檢測技術(shù)

1、混凝土超聲檢測技術(shù)測羅騏先前言混凝土超聲檢測技術(shù)始于上世紀(jì)40年代后期。由于該項技術(shù)具有用途廣泛、探測距離大、完全不破壞結(jié)構(gòu)物等優(yōu)點，迅速在國內(nèi)外普及推廣，成為應(yīng)用最廣泛的混凝土無破損檢測方法。我國從50年代中期開展這項技術(shù)的研究至今，不論在檢測技術(shù)、儀器設(shè)備方面均取得重大進(jìn)步，使該項技術(shù)在國內(nèi)各個建設(shè)工程廣泛推廣應(yīng)用，在提高工程質(zhì)量，消除隱患，保證安全方面發(fā)揮了巨大作用。1980年，混凝土超聲檢測技術(shù)首先列入我國交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)港口工程混凝土試驗法（現(xiàn)經(jīng)修訂后改名為水運工程混凝土試驗規(guī)程），隨后又列入水電部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水工混凝土試驗規(guī)程（SD 105-82）。1988年、1990年，中國工程標(biāo)準(zhǔn)化

2、委員會先后組織編寫、頒布了協(xié)會推薦性標(biāo)準(zhǔn)超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程（CECS 02：88）超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程（CECS 21：1990，現(xiàn)修訂后為CECS 21 2000）。這以后，一些地方和部門也陸續(xù)發(fā)布了一些有關(guān)的地方和部門檢測測試規(guī)程。這些規(guī)程的頒布對混凝土超聲檢測技的推廣和發(fā)展起到了促進(jìn)作用。第一章 聲學(xué)概念一、 波形及其參數(shù)聲波是物體機(jī)械振動時迫使周圍介質(zhì)也發(fā)生振動并使振動向外傳播而形成的一種波動。將接收換能器置于某點接收由聲源傳過來的聲波，實際上就是接收該點在聲波作用下的振動過程。振動大小和方向隨時間而變化的過程曲線就稱為波形。超聲儀屏幕上的圖線就是傳播到接收換

3、能器所在位置的聲波的波形。波形參數(shù)：周期T相位相同的相鄰的波之間所經(jīng)歷的時間稱為周期。頻率f周期的倒數(shù)稱為頻率，單位赫芝或千赫芝（Hz，kHz）?；炷脸暀z測使用頻率一般在20200kHz之間。振幅A波動的幅度，表征波的強弱，通常以分貝（db）或直接以屏幕上波高度的毫米數(shù)表示。時間t振幅 ATA圖1-1 波形圖波長聲波波動波動一次所傳播的距離。波速v單位時間波傳播的距離，以m/s或km/s表示。波長、頻率、波速間有如下關(guān)系： = （1-1）例如超聲波通過混凝土后被接收到，測得其頻率為50 kHz，超聲波在混凝土中的傳播速度為4500 km/s，則由（1）式可計算出混凝土中超聲波的波長： =c

4、m二、 波的分類聲波在介質(zhì)中傳播時按照介質(zhì)質(zhì)點振動方向與波的傳播方向之間的關(guān)系，可分為縱波、橫波和表面波?？v 波：介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致，這種波稱為縱波，又稱為P波?？稍诠腆w、流體中傳播。橫 波：介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直，這種波稱為橫波，又稱為S波。只能在固體中傳播。表面波：沿固體表面?zhèn)鞑サ牟?，它是由縱波和橫波組合而成，又稱瑞利波，R波。通常的超聲換能器置于混凝土表面發(fā)射時，振動狀況復(fù)雜，既有縱向振動又有橫向振動，其發(fā)射出的超聲波既有縱波也有橫波和表面波。三、聲波在介質(zhì)中的傳播速度在同一種介質(zhì)中，不同種類的波具有不同的傳播速度。同一種類型的波，在同一種介質(zhì)中，因為不同

5、的邊界條件，其傳播速度也不相同。對于固體介質(zhì)來說：在無限大或半無限大介質(zhì)中的縱波速度vP： vP= （1-2）在有限的固體中傳播時，則形成制導(dǎo)波，傳播速度變小。在薄板中（板厚遠(yuǎn)小于波長）縱波的傳播速度vL： vL= （1-3）在細(xì)長桿中（桿的橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長）縱波的傳播速度vo： vo= （1-4）在無限介質(zhì)中橫波的傳播速度vS： vS= （1-5）在固體表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ㄋ俣葀R： vR= vS （1-6） 式中 密度； E 楊氏模量； 泊松比在同一種介質(zhì)中，縱波速度>橫波速度>表面波速度。從（1-2）、（1-5）、（1-6）式可知： （1-7）一般固體，介于0-0.3左右，&g

6、t;1.14，混凝土在0.2-0.3左右，-1.87，因為VR0.9VS，所以VP（1.8-2.0）VR。因為縱波比橫波速度快得多，雖然換能器發(fā)射出各種類型的波，接收換能器也可接收到各種類型的波，但最先接收到的波仍然是縱波。目前在混凝土超聲檢測中主要研究的是首波，即縱波。表1為部分材料的彈性模量、波速和特性阻抗值。 部分材料的彈性模量、波速和特性阻抗 表1-1 項目材料 楊氏彈 性模量（10-5N/VCM2）泊 松 比（）密度（g/cm3）波 速 vP vS 特性阻抗×v（104g/cm2）鋼21.0×10110.297.8 5940 3220 470玻璃7.0×

7、10110.252.5 5800 3350129陶瓷5.9×10110.232.4 5300 3100130混凝土3.0×10110.282.4 4500 2486108石灰石7.2×10110.312.7 6130 3200166淡水 0.998 1481 14.8空氣0.0012 330 0.004三、 聲波在介質(zhì)界面的反射和折射聲波在傳播過程中，由一種介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)，在兩種介質(zhì)的分界面（界面）上，聲波會發(fā)生方向和能量的變化：一部分聲波被反射回到原來介質(zhì)中，稱為反射波；另一部分聲波透過界面在另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱為折射波。談?wù)劼暡芰康淖兓Ｈ粢月晱奍

8、表示能量的大小，且定義：R= 為聲強反射系數(shù)；T = 為聲強透射系數(shù)。式中 I0、I1、I2 分別為入射波、反射波、透射波的聲強。聲強反射系數(shù)、聲強透射系數(shù)反映了界面上聲波能量變化在數(shù)量上的關(guān)系。由理論推導(dǎo)和實驗可知，反射系數(shù)與透射系數(shù)的大小取決于兩種介質(zhì)的聲學(xué)特性，具體來說取決于介質(zhì)的特性阻抗Z。特性阻抗Z表征介質(zhì)的聲學(xué)特性，其值為介質(zhì)的密度和波速的乘積，即Z=×v。（見表1-1）。對于垂直入射到兩個無限大界面的聲波（圖1-2）： R= （1-8）IRTZ1=1×v1Z2=2×v2圖1-2 垂直入射聲波的反射和透射 T= (1-9）式中 Z1、Z2第一、二種介質(zhì)

9、的特性阻抗。從（8）式、（9）式可知：1） R+T=1，這符合能量守恒定律；2） Z1= Z2時，R=0，T=1，即當(dāng)兩種介質(zhì)特性阻抗相等時，聲波全部透過界面，無反射，對聲波來說，兩種介質(zhì)如同一種介質(zhì)一樣；3） 當(dāng)兩種介質(zhì)特性阻抗相差懸殊時（Z1>> Z2或Z1<< Z2），R1，T0，即聲波能量在界面絕大部分被反射，難于進(jìn)入第二種介質(zhì)。從表1-1可看到，鋼、混凝土一類固體介質(zhì)特性阻抗較大，液體一類介質(zhì)次之，空氣的特性阻抗最小，因此，在空氣與固體介質(zhì)界面上，聲波很難通過，絕大部分被反射。這也就是為什么換能器和被測體之間需要耦合介質(zhì)（黃油、水等）的原因。也正是利用聲波在界

10、面這一點，可以用超聲波探測裂縫。第二章 混凝土超聲檢測原理一、 混凝土超聲檢測原理超聲波通過混凝土傳播后，其聲學(xué)參數(shù)將發(fā)生變化。根據(jù)這些聲學(xué)參數(shù)的變化可以探測混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫及質(zhì)量情況。常用于混凝土超聲探測的聲學(xué)參數(shù)如下：1） 波速v（聲速）： 波速就是聲波在介質(zhì)中傳播的速度。 V= （2-1） 式中 L聲波傳播距離。因為是以最先到達(dá)的波為準(zhǔn)，L就是發(fā)、收換能器間的最短 距離； t聲波傳播時間（聲時）。聲時由超聲儀測得，測距需要實體丈量得。圖2-1超聲測試波形 LTtA波速是主要的聲學(xué)參數(shù)。2） 振幅A：接收波首波的幅度。振幅可以分貝（db）表示，由超聲儀上讀出，也可憑示波器上的刻度（mm

11、）度量。振幅參數(shù)在探測缺陷和裂縫中是重要的參數(shù)。3）收波主頻率（簡稱頻率）f：發(fā)射換能器發(fā)出的超聲脈沖波是復(fù)頻脈沖波，它包含各種頻率成分。超聲脈沖波在混凝土中傳播過程中高頻成分首先衰減，結(jié)果隨著傳播距離的增加，超聲波的主頻率不斷下降。接收波主頻率的下降除了與傳播距離有關(guān)外，還取決于混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫和質(zhì)量。因此，接收波頻率也是一個有用的參數(shù)首波后面12個周波是直達(dá)的縱波，所以測定接收波頻率時應(yīng)當(dāng)測定這12個波的頻率?？梢酝ㄟ^移動游標(biāo)的辦法測定兩個波谷（峰）的聲時t1、t2，則頻率f： f= （2-2） 3） 波形：即波的形狀。正常的混凝土，超聲波接收波形是衰減正弦波，其包絡(luò)線大致為半圓形。當(dāng)

12、混凝土內(nèi)存在缺陷時，有時會出現(xiàn)畸變波，如后圖所示。波形受許多因素影響，在判斷缺陷中只能作為一種輔助參數(shù)。在結(jié)構(gòu)物上布置換能器，讓聲傳播線通過需要檢測的部位，測量聲波通過這些部位后，聲學(xué)參數(shù)的大小及其變化情況，據(jù)此判斷混凝土內(nèi)部缺陷及質(zhì)量情況。第三章 超聲檢測混凝土強度一、超聲檢測混凝土強度原理和方法1.檢測原理（1）混凝土波速（v）一般在40005000km/s之間變化。混凝土強度(f)與波速(v)之間有較好的相關(guān)性?；炷翉姸仍礁?，其波速也越快。（2）當(dāng)知道fv之間的關(guān)系曲線后，測出結(jié)構(gòu)物混凝土的波速就可以推算結(jié)構(gòu)物混凝土的強度。2.如何獲得fv曲線方程？（1）如果有獲得批準(zhǔn)的地區(qū)曲線可以采

13、用。（2）無地區(qū)曲線或所測混凝土與地區(qū)曲線所代表的混凝土差異較大，則應(yīng)專門標(biāo)定制作專用曲線。地區(qū)曲線與專用曲線之間應(yīng)首先采用專用曲線。3.為什么超聲測強中要特別強調(diào)采用專用曲線呢？這是因為：（1）混凝土是一種用地方材料制作的產(chǎn)品，各地區(qū)的砂、石、水泥性能各不相同。（2）混凝土是幾種材料的混合物，因使用目的及要求不同，其合成份有很大差異。 4.0 4.5 5.0 5.5 v（km/s） f(Mp)（403020101234圖3-1 不同品種石子的fv曲線1杭州碎石；2重慶碎石；3北京碎石；4成都卵石（3）不同的混凝土其養(yǎng)護(hù)方式和含水率不同。這些差異都影響fv曲線。因此，很難找到一條各地區(qū)通用的f

14、v曲線。4.影響fv曲線的的因素很多，主要的有：（1）石子的品種、粒徑、用量的影響 f(km/s) 50 40 30 20 10 3.7 3.9 4.1 4.3 4.5 4.7 4.9 v（km/s）1234圖3-2不同石子粒徑的fv曲線1-515mm；2-530mm；3-540mm；4-2540mm混凝土的波速實際上是組成混凝土的各部分材料波速的綜合值。由于混凝土中石子所占的體積最大，約70%左右，所以石子的情況對fv曲線影響最大。首先是石子的品種。不同的石子，其材質(zhì)不同，其本身的波速就不同。因而用不同石子制作的同配合比混凝土，其波速不一樣。而用不同的石子，只要水灰比相同，混凝土的強度仍然一

15、樣。這就造成不同石子的混凝土，其fv曲線各不相同，有的甚至差別很大。圖3-1是陜西建筑科學(xué)研究院以同樣的配合比、水灰比但不同的石子的混凝土試驗得出的fv曲線。在同樣的強度下，成都卵石混凝土波速最高。這是因為成都卵石是經(jīng)水流長期沖磨剩下的堅硬、致密的石頭，其本身波速就很高，所以用它配制的混凝土波速很高，但混凝土強度并不一定高。杭州碎石混凝土波速最低，顯然是由于杭州石灰石波速本身就不高的原因。石子的品種除指材質(zhì)外，還包括碎石與卵石之分。由于碎石與水泥砂漿粘結(jié)力強以及碎石子之間的嵌固力，使得碎石混凝土的強度高于同條件下的卵石混凝土。這也就是為什么圖3-1中，成都卵石混凝土強度低而波速高的另一原因。其

16、次，石子的粒徑也對fv曲線有影響。圖3-2是同濟(jì)大學(xué)的試驗結(jié)果。從圖中看到，石子粒徑越大，其波速越高。4.5 5.0 5.5v（km/s）123圖3-3 不同養(yǎng)護(hù)條件下的fv曲線1-自然養(yǎng)護(hù)；2-標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；3-水中養(yǎng)護(hù)40302010另外，在強度相同情況下，單位體積混凝土的石子用量越多，其波速也越高，且石子本身波速越高，石子用量對fv曲線影響也越大。（2）混凝土養(yǎng)護(hù)方式的影響不同的養(yǎng)護(hù)方式對fv曲線也形成明顯的影響。圖3-3是南京水利科學(xué)研究院的試驗結(jié)果：在三種不同的養(yǎng)護(hù)方式下獲得的fv曲線。1是自然養(yǎng)護(hù)，2是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，3是水中養(yǎng)護(hù)。它們的fv曲線有明顯差別。同樣強度水平，混凝土的波速以水中養(yǎng)

17、護(hù)的最大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)次之，自然養(yǎng)護(hù)的最小。形成這種差別的原因主要是由于不同的養(yǎng)護(hù)方式使混凝土的含水量不同。水中養(yǎng)護(hù)的混凝土，其孔隙中充滿水。而自然養(yǎng)護(hù)的混凝土孔隙中充滿氣，水與空氣的波速本身差別就很大，這就造成混凝土含水率高，波速也高。而含水率高的混凝土，其強度倒反而略低一些。這一來，就使fv曲線差別更大了。根據(jù)試驗結(jié)果，混凝土含水率每增大1%，其波速也增大1%左右。既然影響fv曲線的因素很多，所以應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮使用專用曲線。5.如何獲得專用曲線所謂專用曲線就是用與所要測試的結(jié)構(gòu)相同的混凝土來制作一批試件，與所測結(jié)構(gòu)混凝土相同條件下養(yǎng)護(hù)一定齡期后進(jìn)行率定試驗，即既測試件波速又測強度，最后通過計算獲

18、得一條專用的fv曲線。（1）進(jìn)行步驟：a.制作試件：（a）數(shù)量：3個為一組，宜不少于10組。試件混凝土的原材料、配合比、振搗方法、養(yǎng)護(hù)條件應(yīng)盡量與被測結(jié)構(gòu)混凝土一致。（b）試件尺寸：立方試件，邊長應(yīng)大于混凝土最大骨料粒徑的三倍。通常使用15cm立方體試件。（c）試件養(yǎng)護(hù)和齡期：試件按所測結(jié)構(gòu)相同的條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件齡期可以是一種齡期（各組試件水灰比有變化），例如28天；也可以在不同齡期（7、14、28天）進(jìn)行測試。其目的是為了拉開混凝土強度的變化范圍。b.試件測試：首先測試試件波速再將試件進(jìn)行抗壓強度試驗。將各個試件的測試結(jié)果強度、波速測值點繪在坐標(biāo)圖上并連出一條fv曲線，這就是散點圖。c.回

19、歸分析：為了獲得最優(yōu)的曲線及該曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即曲線方程，還應(yīng)當(dāng)采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析?；貧w分析分幾個步驟：（a）選擇曲線線型進(jìn)行回歸分析前首先應(yīng)選擇合適的曲線型式。下面三種曲線型式均適合于fv曲線：平方拋物線，表達(dá)式為： f=a+bv+cv2冪函數(shù)，表達(dá)式為： f=avb指數(shù)函數(shù)，表達(dá)式為： f=aebv式中 a、b、c為待定系數(shù)，即回歸系數(shù)。因為冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)作最小二乘法運算時可通過取對數(shù)的方法化曲線相關(guān)為直線相關(guān)，計算起來簡便，故目前多采用。（b）選定曲線線型后，下面就是計算回歸系數(shù)。首先，看看最基本的一元直線回歸：一元直線方程的一般形式為： y=A+Bx (3-1)根據(jù)最小二乘

20、法原則，可推導(dǎo)出直線方程待定系數(shù)A、B的公式為： B= (3-2) A=-B (3-3)式中 lxx= (3-4) lyy= (3-5) lxy= (3-6)、分別為觀測值xI、yi 的算術(shù)平均值n 為試件個數(shù)。（c）化曲線回歸為直線回歸：由于f與v之間不是直線相關(guān)而是曲線相關(guān)，故不能直接利用上述公式。但是冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)可以通過取對數(shù)化成直線方程形式。對于冪函數(shù)：f=avb， 方程式兩邊取對數(shù)， 得： lnf=lna+blnv （3-7)令 lnf=y，lna=A，b=B，lnv=x ，這些為定義式 (3-8)將定義式代入(3-7)則(3-7)式也可化為直線方程形式，y=A+Bx 再代入(3

21、-2)、(3-3)式即可求得系數(shù)B和A。再代入定義式(3-8)即可求得a、b值。同樣，對于指數(shù)函數(shù)也可用上述方法處理。為了檢驗二個相關(guān)量彼此相關(guān)的程度，還應(yīng)計算一個叫做相關(guān)系數(shù)r的值。在直線相關(guān)中： r= (39)對于曲線相關(guān)，則不能采用相關(guān)系數(shù)r來衡量其相關(guān)性，而應(yīng)使用另一種稱為相關(guān)指數(shù)的值R2來衡量曲線擬和的效果。R2按下式計算： R2= (310)式中 yi 試件強度實測值 試件強度計算值，即以實測的波速xi代入所求得方程式計算出的強度值。 各試件強度實測值的算術(shù)平均值。r或R2 越大，則說明擬合的曲線效果越好。為了對用擬合的曲線計算的強度可能產(chǎn)生的誤差有一個估計，還要引出一個參數(shù)-相對

22、標(biāo)準(zhǔn)差er： er= (3-11)式中 n 試件個數(shù)。規(guī)范規(guī)定：對于地區(qū)曲線，er£ 14% 對于專用曲線，er£ 12%回歸分析計算可用計算機(jī)編程進(jìn)行，也可用有回歸統(tǒng)計功能的計算器列表計算。我們現(xiàn)在有了一個合用的fv曲線，是不是馬上就可以推算結(jié)構(gòu)混凝土的強度呢？我們說，還有些問題需要解決。6. 現(xiàn)場超聲測試中的問題及修正方法大家知道，我們率定fv曲線時，我們是在邊長15cm的立方體試件上測試波速，它與在構(gòu)件上測試波速是有差別的。這些差別是：（1）實體構(gòu)件尺寸大，即超聲測距大；（2）實體構(gòu)件內(nèi)大多有鋼筋；（3）測試實體構(gòu)件與試件時，所用的換能器頻率可能不一樣。通過大量研究發(fā)

23、現(xiàn)，構(gòu)件與試件的這些差別有時會導(dǎo)致二者所測波速不同?，F(xiàn)在讓我們來逐個地加以討論。這就是：a.測距對波速測值的影響隨著測距增大，所測波速會減小。本來，一種介質(zhì)的波速是一定的，不應(yīng)隨尺寸大小而變。但問題在于，用我們目前的超聲儀來測定時，隨著測距的增加，所測得的波速值確實會減小。為了弄清這個問題，南京水利科學(xué)研與洲壩工程局合作進(jìn)行了大規(guī)模的試驗。制作了不同強度等級的大型混凝土階梯型試件(圖3-4)。600cm600cm圖3-4測試階梯狀大試件 試件混凝土盡可能均勻一致。從二個方向一級一級地測試混凝土的波速。這樣就獲得了在不同測距（從15cm-600cm)下混凝土波速的變化情況，如圖3-5所示。從圖中

24、可以看到，三種等級的混凝土，隨著測距增加，所測波速都逐漸減小。減小的趨勢是：測距短時減小快，而測距增大后，這種減小趨勢也變緩。在測試波速的同時也測量了接收波主頻率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著測距的增加，接收波的主頻率也變小，且變小的趨勢與波速變小的趨勢一致。v km/s 5.0 4.5 0 1 2 3 4 5 6213d（m）圖3-5 波速測距關(guān)系圖圖3-5聲速測距關(guān)系圖1-350號；2-250號；3-150號超聲脈沖波隨著傳播距離增加將逐漸衰減，而其中高頻分量又比低頻分量更容易衰減，所以隨著測距增加接收波的主頻率也隨之下降。超聲脈沖波主頻率的下降正是引起所測波速下降的根本原因。為了使在實體結(jié)構(gòu)上測得的波

25、速與在15cm試件上測得的波速一致，根據(jù)上述試驗結(jié)果制作了不同測距波速修正表。表中以15cm測距為準(zhǔn)，凡測距大于15cm者，可將測得的波速乘上表中的修正系數(shù)。中間測距可用內(nèi)插修正。 不同測距波速修正表 表3-1 測距cm 15 50 100 200 300 400 500 修正系數(shù) 1 1.003 1.015 1.023 1.027 1.030 1.031b鋼筋對波速測量的影響為什么鋼筋對混凝土波速測量有影響？道理很簡單，聲波在鋼中傳播速度比混凝土快。鋼的傳播速度5900 m/s；混凝土的傳播速度4000m/s5000m/s。由于測定聲時時，我們總是以首先到達(dá)的波來計時，所以當(dāng)在聲波的傳播路徑

26、上遇到鋼筋時，有時會使所測波速增大?，F(xiàn)在談?wù)勪摻钍侨绾斡绊懀绊懙拇笮〖叭绾伪苊?。鋼筋的影響分兩種情況：圖3-7平行鋼筋的影響DBCL dA圖3-6垂直鋼筋的影響（1） 垂直鋼筋的影響。一些構(gòu)件，如梁，上下有成排的主筋（圖3-6）。如果我們測量梁的混凝土波速時，換能器正好對準(zhǔn)鋼筋，這時，聲波穿鋼筋而過，將使所測波速略有提高。隨鋼筋排列的密度不同波速會增大1%5%。這時，您只需要將換能器向上移開鋼筋35cm，這種影響就沒有了。（2）平行鋼筋的影響有時也會遇到鋼筋的方向正好與聲波的傳播方向平行，如圖3-7。當(dāng)發(fā)射換能器A發(fā)出一束超聲波，其中一部分在混凝土中傳播，直接由A到達(dá)D。同時，也有一部分超聲

27、波從A出發(fā)，斜向傳播到鋼筋上的B點，然后沿著鋼筋以較快的速度傳播到C點，再從C到達(dá)接收換能器D。如果A、D換能器離開鋼筋的距離d小到一定程度，那么完全有可能聲波經(jīng)折線AB-BC-CD傳播的時間還短于經(jīng)AD直接傳播的時間。這時，我們?nèi)匀灰詼y距L來計算波速，結(jié)果計算出的波速就高于混凝土真正的波速。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)并經(jīng)試驗證實，當(dāng)知道換能器距鋼筋的距離d及聲波在鋼筋中的波速，我們也是可以計算出聲波在混凝土中的AB、CD段的波速。但最方便和最穩(wěn)妥的作法是在選定測點時，使換能器連線與鋼筋離開一定距離。這應(yīng)離開的最小距離dmin 是可以計算的。作為大致估計，dmin為測距L的1/61/8。這樣就可完全不受鋼筋

28、的影了。混凝土結(jié)構(gòu)中大都有鋼筋，那么是不是一聽到說有鋼筋，就沒辦法測量呢？完全不是這么回事。根據(jù)上面的討論我們可以歸納出關(guān)于鋼筋影響的幾點結(jié)論：a.對于垂直于測試方向的鋼筋這是常遇到的，例如柱、墩、墻體的主筋。雖然可能縱橫都有，但都與測試方向垂直，完全可以不去管它。僅僅象梁的底部、頂部有成排的主筋，因為密集，會顯出一些影響。但避開也很簡單：將測點移開35cm就行了。b.對于平行于測試方向的筋真正遇到這種情況的不多，只是在結(jié)構(gòu)變斷面或機(jī)械安裝的局部區(qū)域碰到。這時通?？紤]避開。避開的最小距離為測距的1/81/6 。c.箍筋的情況梁、柱一類結(jié)構(gòu)有許多箍筋，往往平行于測試方向，似乎有影響。但是，這里有

29、個有趣的問題，就是鋼筋的聲傳播速度。我們說鋼的傳播速度是5940m/s，那是指在半無限大介質(zhì)中的速度。當(dāng)聲波沿著鋼筋傳播時，邊界條件變了，聲波是近似在桿件中傳播，速度變小。南京水利科學(xué)研究院實測了的鋼筋波速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼筋越細(xì)，波速越小。6mm的鋼筋波速甚至低于一般混凝土的波速。所以箍筋的問題一般可不予考慮。c.換能器頻率的影響。我們在率定fv曲線時是測量試件，所用換能器頻率較高，而實測結(jié)構(gòu)時由于測距大，有時用的換能器頻率較低，這將造成測試條件和結(jié)果的不一致。為使二者測試結(jié)果一致，我們建議：(1)如果實測距離在1m以內(nèi)，如梁、板、柱，則率定試件時用的什么頻率換能器(例如50100kHz)，實體

30、測試也用它。(2)50kHz換能器通用性較強，可用來測試試件，實體測試中也可達(dá)23m的測距。(3)當(dāng)實體結(jié)構(gòu)尺寸較大，例如45m以上，需要采用較低頻的換能器時，宜在試件上比較二種換能器測值的差異，以修正測試結(jié)果。6.現(xiàn)場測試按照規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)表面按一定間距畫出測區(qū)（20×20cm）。每個測區(qū)測試3點的波速，取其平均值作為測區(qū)混凝土波速值。將波速值按前述有關(guān)項目進(jìn)行修正后，即可按fv曲線換算出測區(qū)強度值。7.綜合法測強綜合法測強就是在測區(qū)上既進(jìn)行回彈法測試又進(jìn)行超聲法測試，以回彈值和波速值兩項參數(shù)與混凝土強度建立關(guān)系，推算混凝土強度。綜合法測強繁瑣一些，但它可以綜合回彈法與超聲法二者

31、的優(yōu)點。這是中國工程標(biāo)準(zhǔn)化委員會標(biāo)準(zhǔn)：超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程以綜合法測強時，和超聲法一樣，先布置測區(qū)。所不同的是，測試時，先在測區(qū)相對兩面，每面用回彈儀彈擊8點，兩面共16點。然后再進(jìn)行超聲測試。根據(jù)各測區(qū)回彈、超聲測值(R、v)按混凝土強度（f）與R、v間相關(guān)關(guān)系計算各個測區(qū)混凝土強度換算值fi。綜合法相關(guān)關(guān)系一般式為： f =a*vb*Rc 式中 a、b、c 回歸系數(shù)，即待定系數(shù)（1）關(guān)于綜合法測強曲線綜合法規(guī)程規(guī)定：a.應(yīng)根據(jù)原材料品種、齡期和養(yǎng)護(hù)條件等，通過專門試驗建立專用曲線。b.如無條件建立專用曲線，可采用經(jīng)過批準(zhǔn)的地區(qū)曲線。c.當(dāng)無上述二類曲線時，經(jīng)過驗證后可采用規(guī)

32、程中列出的通用曲線。通用曲線方程如下：粗骨料為卵石時： fecu=0.0038（vi）1.23（Ri）1.97 （3-14）粗骨料為碎石時： fecu=0.008（vi）1.72（Ri）1.57式中 （3-15）式中 fecu 測區(qū)混凝土強度換算值 vI 測區(qū)波速值 Ri 測區(qū)回彈值綜合法規(guī)程中已將上述相關(guān)曲線制成了測區(qū)強度換算表供直接查用。規(guī)范規(guī)定：要使用通用曲線須通過驗證。驗證方法是用當(dāng)?shù)鼗蛟摴こ坛Ｓ玫牟牧现谱饕慌嚰?每個強度等級3組），進(jìn)行綜合法測定和強度試驗以驗證通用曲線的是否可用 。有時也可通過取樣試件或取芯試件試驗結(jié)果來修正所用曲線。綜合法測強專用曲線的制定與超聲法專用曲線的制定

33、類似。所不同的是試件除了要測量波速外還要測量回彈值（最好還要測量混凝土碳化層厚度），以波速、回彈值和碳化層厚度值與混凝土強度值建立關(guān)系，進(jìn)行回歸分析。這時應(yīng)是二元或三元曲線回歸。計算方法這里不再詳述，大家可參見綜合法測強規(guī)程及有關(guān)書籍。這里列出江蘇省超聲回彈綜合法曲線公式供參考： fecu=0.00134（vi）3.853（Ri）1.16610-0.00418L （3-16）式中 L 測區(qū)碳化層厚度平均值（mm）8.關(guān)于推定強度的問題。（1）推定強度的意義我們在結(jié)構(gòu)物上測得各測區(qū)的波速、回彈及碳化層厚度值后，根據(jù)它們與混凝土間的相關(guān)關(guān)系方程，可計算或查表得到各測區(qū)的計算(換算)強度（包括超聲法

34、、回彈法、綜合法）。它的符號：意為計算（換算） 意為抗壓強度 f注意，這里所測得的強度是指構(gòu)件上某測區(qū)處混凝土的強度。因為構(gòu)件中各部分強度是波動的，所以各個測區(qū)的計算強度也是各不相同的。而我們希望得到的是一個構(gòu)件或一批構(gòu)件其混凝土整體的強度。這就是所謂推定強度 。它的符號：意為推定、評定 fcu，e意為抗壓強度推定強度有以下含義：（a）它不是該構(gòu)件各測區(qū)計算強度的平均值，而是具有一定保證率(95%)的混凝土強度取值。（b）它是指混凝土在測試日期當(dāng)時的強度。（2）如何確定推度強度呢？根據(jù)規(guī)范規(guī)定，推定強度按下述法則確定：（a）當(dāng)按單個構(gòu)件檢測時，單個構(gòu)件的混凝土強度推定值fcu，e取該構(gòu)件各測區(qū)

35、中最小的混凝土強度換算值fccu，min，（b）當(dāng)按批抽樣檢測時，該批構(gòu)件的混凝土強度推定值應(yīng)按下列公式計算：fcu，e=mfccu，I -1.645sfccu式中 mfccu，i 各測區(qū)混凝土強度換算值的平均值 sfccu 、i 各測區(qū)混凝土強度換算值的標(biāo)準(zhǔn)差所謂按批抽樣檢測，就是對于一批混凝土強度等級相同，構(gòu)件種類相同，混凝土原材料、配合比、工藝、養(yǎng)護(hù)相同及齡期基本相同的一批構(gòu)件，可隨機(jī)抽30%的構(gòu)件進(jìn)行檢測，其結(jié)果代表該批全部構(gòu)件混凝土的強度。（3）關(guān)于推定強度的使用問題所有在現(xiàn)場用無破損檢測方法測得的實體構(gòu)件強度與由取樣試件試驗得出的28天強度有所不同。這些不同是：（a）前者是結(jié)構(gòu)上混

36、凝土的強度，后者是取樣試件的強度；（b）前者是現(xiàn)場制作，自然養(yǎng)護(hù)，后者是實驗室制作，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；（c）前者是測試當(dāng)時的強度，后者是28天齡期強度。正因為二者的這些不同，所以不能混為一談。取樣試件的強度是作為評定該種混凝土強度等級是否合格用。這是因為混凝土強度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)（GBJ107-87）中規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天齡期試件的強度。而現(xiàn)場用無破損方法測得的強度是非標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的結(jié)構(gòu)上的混凝土的強度且不一定是28天齡期，因為與上述的評定混凝土是否合格的標(biāo)準(zhǔn)的要求不符，所以不能用它來評定混凝土強度等級是否合格。它可以作為構(gòu)件強度校核、驗算，決定是否加固處理的依據(jù)。在一般情況下，若混凝土齡期大致相同，在結(jié)構(gòu)

37、上測得的混凝土強度一般僅為取樣試件強度的85%左右。第四章 超聲檢測混凝土缺陷和裂縫（一）探測內(nèi)部缺陷 混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中常因各種原因產(chǎn)生各種缺陷，嚴(yán)重危害建筑物的安全和耐久性。這些缺陷包括內(nèi)部蜂窩狀疏松區(qū)、空洞、裂縫、內(nèi)部夾雜物、接合面缺陷及表層損傷等。如何探測出這些缺陷的位置及范圍以便及時消除缺陷是很重要的事情。超聲法的一大突出特點是：不但能測量混凝土強度，還可以探測混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，是目前應(yīng)用最廣泛的混凝土無破損探測技術(shù)。L圖4-1超聲探測缺陷原理一、探測缺陷原理為什么超聲波能探測出內(nèi)部缺陷呢？圖4-1是一混凝土體。當(dāng)混凝土無缺陷時，混凝土是連續(xù)體，超聲波在其中正常傳播。但當(dāng)換能器

38、正對著缺陷時，情況就不一樣了。由于缺陷（空洞、蜂窩區(qū)）的存在，混凝土連續(xù)性中斷，缺陷區(qū)與混凝土之間成為界面（空氣與混凝土）。在這界面上，超聲波傳播情況發(fā)生變化。這些變化是：超聲波傳播到缺陷處將產(chǎn)生反射、散射與繞射。超聲波經(jīng)過缺陷后接收波聲學(xué)參數(shù)將發(fā)生如下變化：1.聲時（波速）的變化超聲波繞過或穿過缺陷，聲時延長，計算波速降低。2.接收波振幅的變化超聲波能量經(jīng)缺陷反射、吸收后能量減小，接收波振幅明顯降低。如果傳播路徑中遇到裂縫，由于裂縫的強烈反射，只有很少的聲波通過裂縫，接收波振幅將大大降低。3.接收波主頻率（簡稱頻率）的變化缺陷對超聲脈沖波中高頻成份衰減較一般混凝土更劇烈，接收波頻率下降更明顯

39、。4.接收波波形的變化（1）有時接收波第一、二周期會出現(xiàn)波形畸變；（2）正?；炷两邮詹ㄐ伟j(luò)線呈半圓形，有缺陷混凝土包絡(luò)線呈喇叭形。a）正常波形b）畸變波形圖4-2接收波波形a）半圓形 b）喇叭形 正?；炷?有缺陷混凝土 圖4-3接收波包絡(luò)線目前，對波形的研究還不夠，影響因素多，只能是半定性的參數(shù)，作為判斷缺陷的參考。曾制作一大型混凝土試件，內(nèi)埋各種尺寸的缺陷進(jìn)行超聲測定?，F(xiàn)將測量結(jié)果繪制成下圖4-4。從圖中可以看到，三個聲學(xué)參數(shù)都反映了缺陷的存在，但各有特點：（1）聲時（速）變化較穩(wěn)定，重復(fù)性好，有統(tǒng)一的測定方法，是探測缺陷必測的參數(shù)。但聲時對缺陷的反應(yīng)不夠敏感。對于尺寸這樣大的缺陷，波

40、速僅變化了15%（正?；炷谅晻r130ms，缺陷處150ms）（2）振幅對缺陷的反應(yīng)敏感，變化達(dá)70%（正?；炷?0mm，缺陷處10mm）。但振幅測值無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，只能在相同測距情況下作相對比較。同時振幅測值受換能器與混凝土表面耦合條件影響較大。 若耦合條件好，彼此一致，如孔中水耦合，振幅參數(shù)是判斷缺陷的很好參數(shù)；若耦合條件差，不一致，則只能作判斷缺陷的參考。 t（s）120 130 140 150. . . . A（mm）0 10 20 30 40. . . . . f（kHz） 10 15 20. . . . d缺陷圖4-4超聲參數(shù)變化曲線（3）頻率的情況介于上述兩者之間，且測試較繁，研究

41、還不多，一般測試中用得不多。二、如何在現(xiàn)場進(jìn)行超聲探測缺陷檢測。1.首先在結(jié)構(gòu)物相對兩面布置方格網(wǎng)。網(wǎng)格交點即測點。網(wǎng)格間距視結(jié)構(gòu)物大小而定，從10cm到100cm。2.測點表面應(yīng)平整。不平整的可適當(dāng)打磨，或用快硬砂漿或石膏抹平。測點上抹上耦合劑（黃油或漿糊）。3.丈量測距。4.逐點測量聲時、振幅及頻率值。觀察波形有無畸變。 三、如何判斷缺陷概率法現(xiàn)場測試完畢后，先計算出各測點波速、振幅、頻率值。根據(jù)這些參數(shù)的相對變化判斷混凝土內(nèi)部是否存在缺陷。那么，到底如何判斷呢？混凝土是非均質(zhì)體，各測點處混凝土的質(zhì)量是波動與離散的。任何結(jié)構(gòu)上都能測量到一些低值點，但這些低值點不一定都是缺陷。如何判斷是個難

42、題。南京水利科學(xué)研究院早年曾提出一種判斷缺陷的方法，名為“概率法”，經(jīng)過多年實踐、改進(jìn)，目前已作為判斷缺陷存在的基本方法列入上述各類超聲檢測規(guī)范中。1概率法的基本構(gòu)想概率法的基本構(gòu)想是認(rèn)為：a正?；炷临|(zhì)量的波動是偶然誤差所引起，是不可避免的，也是允許的，它的分布是符合正態(tài)分布的。同時粗略認(rèn)為，正?；炷疗渎晫W(xué)參數(shù)也符合正態(tài)分布。b.缺陷是由過失誤差（漏振、漏漿、架空等）引起。它的分布不符合正態(tài)分布。c.現(xiàn)在的問題是如何區(qū)別判斷這些低測值點是偶然誤差還是過失誤差所引起，也就是說要定出一個是否是缺陷的臨界值：凡低于臨界值就是缺陷可疑點。2確定臨界值的準(zhǔn)則：按該結(jié)構(gòu)本身正常波動水平衡量，一個點或相

43、鄰點在正常波動情況下可能出現(xiàn)的最低值。3臨界值確定方法先簡單談?wù)勁既徽`差和正態(tài)分布。偶然誤差是隨機(jī)的，不可避免的。由偶然誤差引起的質(zhì)量波動，其分布，也就是質(zhì)量高低出現(xiàn)的相對比例是符合所謂正態(tài)分布。-xx圖4-5正態(tài)分布圖PX1這是正態(tài)分布曲線。橫坐標(biāo)是表征質(zhì)量好壞的某種測值x，例如混凝土波速，坐標(biāo)原點為所有測值平均值；縱坐標(biāo)是各測值出現(xiàn)的百分?jǐn)?shù)。從正態(tài)分布曲線可看到:a.平均值處出現(xiàn)最多，曲線最高，越偏離平均值出現(xiàn)越少；b.曲線左右對稱；c.整個曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積為1，即100%。某一測值xI與橫坐標(biāo)、曲線所包圍的面積代表所有小于等于xI的測值出現(xiàn)的總和，即出現(xiàn)的概率P。當(dāng)從母體上隨機(jī)抽

44、取足夠數(shù)量的樣品測量 （即在結(jié)構(gòu)物上按網(wǎng)格測量多個測點）后，我們就可以計算出各測值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差s： s= （4-1）標(biāo)準(zhǔn)差的大小表示各測點測值離散波動的程度。標(biāo)準(zhǔn)差越小，表示測值離散越小，曲線越瘦。標(biāo)準(zhǔn)差和平均值既定，正態(tài)分布曲線也就定了。為了計算方便，把上面的正態(tài)分布曲線變化一下，把橫坐標(biāo)由測值的具體量改為所謂分位值Ka，分位值的定義是： Ka= （4-2）分位值的含義就是某測值xI與平均值相差多少個標(biāo)準(zhǔn)差s。0ka圖4-6標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布圖Pka1以分位值為橫坐標(biāo)繪制的正態(tài)分布圖稱為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布圖（圖5-6），它的原點橫坐標(biāo)為零。一般的數(shù)理統(tǒng)計書上都有所謂正態(tài)分布表。從表上可直接查出某一K

45、a值所對應(yīng)的概率P來，例如，Ka=1，其出現(xiàn)的概率P=15%（保證率為85%），Ka=1.645，概率P=5%（保證率=95%）?，F(xiàn)在我們來談如何確定臨界值。臨界值分單個點臨界值和相鄰測點臨界值。（1）.單個測點臨界值xL1a.正常的混凝土聲學(xué)參數(shù)分布符合正態(tài)分布，如圖45所示。圖中相應(yīng)于某測值xi（也就是相應(yīng)于圖46的某Ka值）的陰影面積就是所有低于xi的測值出現(xiàn)的概率P。b.我們把單個缺陷可疑點的臨界值定為正態(tài)分布中概率為P=（n是測點總數(shù)）時所對應(yīng)的測值xLi。把定為是否為缺陷的界限的原因為：如果某個低測值是屬于正常的質(zhì)量波動，那么，它出現(xiàn)的概率應(yīng)當(dāng)大于或等于。如果這個低測值小于xLi,

46、，則它出現(xiàn)的概率必低于。概率低于的含義是：在正常波動情況下，這樣的點一個也不允許出現(xiàn)?，F(xiàn)在事實上已經(jīng)出現(xiàn)了一個，那么，這測點測值的低下已不是正常波動所引起，而是非正常波動，即過失誤差所引起。這點就應(yīng)屬于缺陷可疑點。界限概率既定，臨界值xL1就可計算出來。c.具體的計算步驟：a）一個構(gòu)件共測了n 個測點。先計算各測值平均值、標(biāo)準(zhǔn)差S。b）查正態(tài)分布表，可獲得相應(yīng)于概率P=的分位值Ka1。因為分位值的定義是：Ka=則單個點的臨界值xL1可按下式計算： xL1=-Ka1S （43）（2）相鄰點臨界值xL2：a.確定原則：在實際結(jié)構(gòu)中，缺陷往往有一定的尺寸，因此不但可能測到單個的缺陷點，還可能測到相鄰

47、的缺陷點。 B· B·E· A· C· A· D· C· a） b） 圖4-7 測點相鄰的情況a）一般構(gòu)件；b）孔（管）中根據(jù)概率的原理，某點A的測值小于等于某一界限值xi，其出現(xiàn)的概率為p，與其相鄰的B點測值也小于等于x i。這種二點同時小于等于 xi的情況構(gòu)成概率論中的事物相容事件，其出現(xiàn)的概率P為單個事件概率之積，即P=p2 。但所謂相鄰，對于一般結(jié)構(gòu)來說，（如圖47a），有AB、AC、AD、AE 4種情況都是相鄰，因此任意二點測值都低于 x i的概率P概率應(yīng)為4×p2。同樣，對于孔中或管中的測量（如灌注樁檢測），測點只能上下布置（如圖47b），則相鄰點出現(xiàn)的概率應(yīng)為2× p2。同樣，把這種情況的界限P定為與概率相應(yīng)的分位值，即一個也不應(yīng)出現(xiàn)。b.計算步驟：對于一般結(jié)構(gòu)，界限概率P=4×p2=，則p=對于孔（管）中的檢測，界限概率P=2×p2=，則p=查正態(tài)分布表中相應(yīng)于概率為p的分位值Ka2，則相鄰二點的臨界值xL2按下式計算： xL2=Ka2S （44）凡單個測點測值小于xL1，相鄰二點測值均小于 xL2的測點都可判為缺陷可疑點。測缺規(guī)程已將分位值列表，使用者只須根據(jù)測點數(shù)n即可查得得相應(yīng)的系數(shù)。只不過規(guī)程中將Ka1