超声波检测T梁技术初探.doc

个人收集整理 勿做商业用途超声波检测混凝土T梁不密实区和空洞技术初探张流文 李文军 (福建达通公路试验检测有限公司 福建 三明 365000） 摘 要：本文利用超声波无损检测法，对T梁进行出坑前检测，以确定T梁内部是否有不密实区或空洞，及其位置和范围大小，保证T梁结构物出坑的完整性；为T梁出坑前混凝土不密实区或空洞检测提供借鉴与参考。实践证明超声波法对于高速公路T梁密实度检测是可行的，但在操作过程中也存在一定的得缺陷性，受干扰较大，判定结果在一定程度上受操作者技术水平和经验的影响。关键词：桥梁工程;超声波无损检测；声时、声速和波幅山区高速公路由于受地形限制,桥梁所占的比例较高，而绝大多数桥梁都采用混凝土T梁的形式；因此，如何确保T梁的质量，是提高高速公路桥梁工程质量的关键环节。然而预制T梁施工质量往往受工期影响，加之T梁混凝土密实度难以依靠施工过程肉眼检验,若不采用可靠的检测方法对T梁出坑前进行密实度检测，将照成较大质量隐患。目前超声波在高速公路隧道初支、二衬，地质超前预报中应用较为广泛，但T梁密实度检测还处于试探阶段。本文首先阐述超声波检测的原理，特点，然后以永宁高速公路T梁密实度检测为工程背景，详细论述了超声波法的实施，效果，及优缺点，并提出展望1、超声波的产生与原理 采用超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的基本原理是，由于超声波遇到缺陷时产生散射、绕射、反射，声波在砼内部传播的声时、声速和波幅发生变化；利用脉冲波在技术条件相同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。超声波探伤即超声波检测是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种无损检测方法。它主要用于检测金属材料和部分非金属材料的内部缺陷. 11超声波的特点超声波探伤具有方向性好 ，超声波具有像光波一样定向束射的特性。（1）、穿透能力强 ,对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中,其穿透能力可达数米；（2）、能量高 ，超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量；（3）、遇有界面时,将产生反射、折射和波型的转换；（4）、超声波探伤具有成本低、操作方便、检测厚度大、对人和环境无害等突出优点，但也存在诸如探伤不直观、缺陷的性质较难确定、评定结果在一定程度上受操作者技术水平和经验的影响。 2、工程背景 在省公司工程处和三明永宁高速公路建设业主的积极支持下，福建达通公路试验检测有限公司利用超声波探伤仪检测出坑前混凝土T梁的内部空洞、密实区情况、裂缝宽度及深度。达通公司首先在永宁高速公路J1和J2两个监理合同标段利用超声波法开展混凝土T梁的检测工作，通过实践演练（总共检测大概2000片T梁），基本熟练掌握了检测方法,并且自己摸索出了一整套数据采集和试验结果的分析处理方式.为今后在全省高速公路建设中推广应用超声波检测方法打下了良好的基础。 2、检测仪器的选择21超声波检测仪的选择 一般市场上出售的A型脉冲反射式超声波检测仪已具备一些基本功能，其基本性能参数（垂直线性、水平线性等)也能满足通常超声检测的要求。对于给定的任务，在选择超声波检测仪时，主要考虑的是该任务的特殊要求，可从以下几方面进行考虑：（1)、所需采用的超声频率特别高或特别低时， 应注意频带宽度。 （2）、对薄试件检测和近表面缺陷检测时，应注意发射脉冲是否可调为窄脉冲。 （3）、检测大厚度试件或高衰减材料时，选择发射功率大、 增益范围大、电噪声低的超声波检测仪,有助于提高穿透能力和小缺陷显示能力. （4）、对衰减小或厚度大的试件,选用重复频率可调为较低数值的超声波检测仪，可避免幻象波的干扰。 （5）、室外现场检测时,应选择重量轻，荧光屏亮度好， 抗干扰能力强的便携式超声波检测仪. （6）、自动快速扫查时应选择最高重复频率高的超声波检测仪. 22 探头的选择 超声波的频率在很大程度上决定了其对缺陷的探测能力。频率的选择可以这样考虑：对于小缺陷、 近表面缺陷或薄件的检测，可以选择较高频率；对于大厚度试件、高衰减材料,应选择较低频率。在灵敏度满足要求的情况下， 选择宽带探头可提高分辨力和信噪比。针对具体对象,适用的频率需在上述考虑当中取得一个最佳的平衡，既要保证所需尺寸缺陷的检出，并满足分辨力的要求,也要保证在整个检测范围内具有足够的灵敏度与信噪比。 超声波在非金属材料(木材、混凝土、有机玻璃、陶瓷、橡胶、塑料、砂轮等）中的衰减一般比在金属中的大，多采用低频率检测.一般为20200 kHz，也有用25 MHz 的。为了获得较窄的声束，需用晶片尺寸较大的探头. 即我们公司选定的是由北京智博联科技有限公司生产的ZBL-U520（U510）非金属超声检测仪，该仪器用于对混凝土、岩石、陶瓷、塑料等非金属材料进行无损检测的数字化、便携式超声仪。而且成本比较低，灵敏度与精确度较高，又能符合我们所需的频率。23 耦合剂的选择选择耦合剂主要考虑以下几方面的要求:(1）、 透声性能好。声阻抗尽量和被探测材料的声阻抗相近. （2）、 有足够的润湿性、 适当的附着力和粘度。 (3）、 对试件无腐蚀，对人体无损害，对环境无污染。 (4）、 容易清除,不易变质， 价格便宜，来源方便。 4、超声检测方法及数据处理4。1方法选择塑料零件的探测一般采用纵波脉冲反射法；陶瓷材料可用纵波和横波探测；橡胶、混凝土检测频率较低,可用穿透法检测。 透射法通常采用两个探头,分别放置在试件两侧,一个将脉冲波发射到试件中，另一个接收穿透试件后的脉冲信号, 依据脉冲波穿透试件后幅值的变化来判断内部缺陷的情况。 图31 直射声束穿透法（a) 无缺陷； （b） 有缺陷32检测方法(1）、当构件具有两对互相平行的测试面时，可采用对测法，其测试方法如图3-2所示。在测区的两对相互平行的测试面上，分别画间距的网格（网格间距:工业与民用建筑为100-300mm,其他大型结构可适当放宽），并编号确定对应的测点位置。（2)、当构件只有一对相互平行的测试面时,可采用对测和斜测相结合的方法。如图3-3所示，即在测位的两个相互平行的测试面上分别画出网络线，可在对测的基础上进行交叉斜测。（3）、当测距较大时,可采用钻孔或预埋管测法。在测位预埋声测管或钻出竖向测试孔，预埋管内径或钻孔直径宜比换能器直径大510mm预埋管或钻孔间距宜为2-3m,其深度可根据测试需要确定.检测时可用两个径向振动式换能器分别置于两测孔中进行测试，或用一个径向振动式与一个厚度振动式换能器,分别置于测孔中和平行于测孔的侧面进行测试。 对测法示意图3-2 图33对测和斜测相结合方法示意一般我们所采用的是对测法，其测点布置时在T梁指定的测区，用订制的模板在平行相对面的相对位置上进行布点,每测区共布20个测点（其布点形式如图34)，并进行测区和测点的编号保证平行面上的编号相对应,在各测点涂上少量耦合剂（本公司采用的耦合剂为黄油）。每片梁共3个测区。 其测区主要分布在T梁混凝土易出现离析、不密实或空洞处，主要有梁中部马蹄、端部横隔板马蹄、腹板预应力预埋管道弯起处等部位。考虑为了避开波纹管的干扰，其中部马蹄测区的20个测点布为一排.若在检测过程中发现T梁砼质量存在可疑点，立刻复测，必要时增加测区数量。 图3-4 T梁检测布点示意图33 数据处理及判定（1）数据判断测得混凝土声学参数的平均值(mx）和标准差（sx）按下式计算：式中 Xi第i点的声学参数测量值； n参与统计的测点数。异常值的判断将一个区域的每各测点的声速、声时或主频值由大到小的顺序分别排列,即X1X2Xn，将这些要判断的值（X0）与下式计算出来的异常值（X0）进行比较。X0=mxSx（=1。65 见附表2）将判断值（X0）与可疑数据(Xn）进行比较，当Xn不大于判断值时,即Xn及排列于其后的各数据均为异常值,将这些异常值进行更进一步的判断与计算;当Xn大于判断值时，即Xn为正常值并把大于其值的数据一起，再将排列于其后的各数据进行比较，如果均没有异常值，说明此处正常，没有不密实或空洞。对异常值进行判断计算，当测位中判断出异常测点时，可根据异常测点的分布情况,对其加密测点进行测试,将测出数据与其相邻测点利用下式进一步判断是否异常。X0=mx-2Sx 或 X0=mx-3Sx （2、3的值见附表2）根据我们测量及判断的经验：将其加密所测得的异常值测点的声学参数与平均值、临界值（判断值）进行判断，如果其异常值的声速大于其临界值的10以上，根据我们所用的耦合剂的不同，波幅应在大于其临界值的1520%以上，就会出现不密实或空洞。一般情况下不密实或空洞出现在T梁钢筋布置较密的马蹄及波纹管较密集的腹部区域.（2）空洞计算 、查表计算半径如图3-5所示设检测距离为l，空洞中心（在另一对测式面上时最长的测点位置）距一个测试面的垂直距离为lh,声波在空洞附近无缺陷混凝土中传播的时间平均值为mta，绕空洞传播的时间（空洞处的最大声时）为th，空洞半径为r,设； ；Z=r/l。根据X，Y值，可由附表一查得空洞半径r与测距l的比值Z,再计算空洞的大致半径r.图35 空洞尺寸估算原理图、公式计算半径当被测部位只有一对可供测试的表面时，只能按空洞位于测距中心考虑，空洞尺寸可按下式计算： 式中r -空洞半径(mm）;l-T, R换能器之间的距离（mm);th-缺陷处的最大声时值（s）；mta-无缺陷区的平均声时值(s）以下以我们所测的某一片T梁的实际数据进行分析.首先对测得的声学参数进行平均值、标准差及异常值的计算:Mx=xi/n=4.359km/sSx=0。0325km/sX0=mx-Sx=4.306km/s同理可得,波幅的平均值为84.29dB,标准差为1.631dB，临界值为81.60dB。然后根据临界值判断异常值，所有小于临界值的都是异常值,此表中的异常值为001-04(波速与波幅异常）、00109、00110、002-07。经过计算该点的波速值小于临界值的10%，波幅值小于临界值的1520范围内，根据经验判断为小面积离析.根据我们所测得的一些数据分析可知，在腹板波纹管接长时采用大管套小管并外缠透明胶布处如果连接不理想产生气泡就会出现“伪空洞现象或者有大面积严重的离析；超声波经过波纹管没有注浆测区时产生的影响不是很大,但是由于波的特有性质波速会沿着波纹管的边缘线经过,波速过大,可以在判断时适当的舍去。总之，超声波在介质传播过程中，其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。引起超声波衰减的原因主要有以下三个方面:、散射引起的衰减 ；、介质吸收性引起的衰减；、声束扩散引起的衰减。在最后要综合这三方面的因素进行系统的判定。4、结束语对结构或构件混凝T梁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很重要的作用。超声波检测是工程中检测混凝土T梁不密实区和空洞的一种方法，本文结合工程实践经验，从超声检测原理、方法出发,较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。附表1附表25、参考文献1周永厚,高峰 混凝土无损检测技术。北京中国建材工业出版社,1996.2吴新璇混凝土无损检测技术手册。 北京:人民交通出版社,2002.3陕西省建筑科学研究设计院,上海同济大学等超声波法检测混凝土缺陷技术规程（CECS21:2000) s北京 2000.4 浅谈超声波检测混凝土缺陷的基本原理及主要影响因素,刘永福，刘源，崔征 (通化市公路管理处，通化134001：吉林省交通勘察设计有限公司,长春130033;吉林省交通科学研究所，长春130021）5王建东超声技术在混凝土测强中的应用 武汉化工学院学报，2004，26(4):42-436谢清良超声波仪、回弹仪在混凝土无损检测运用中的探讨 红水河，2002,21(2):34377黄湘平，史承明超声波检测混凝土不密实区和空洞 陕西工学院学报，2005，21(2):5961作者简介：张流文(196404），男，福建三明人，工程师,主要从事高速公路工程试验检测与研究工作。点评；摘要部分补充结论：实践证明超声波法对于高速公路T梁密实度检测是可行的，但也存在比较麻烦，受干扰大,评定结果在一定程度上受操作者技术水平和经验的影响的缺点。 增加引言部分。（山区高速公路由于受地形限制，桥梁所占的比例较高，而绝大多数桥梁都采用混凝土T梁的形式，预制T梁施工质量往往受工期影响，加之T梁混凝土密实度难以依靠施工过程肉眼检验，若不采用可靠的检测方法对T梁出坑前进行密实度检测,将照成较大质量隐患。目前超声波在高速公路隧道初支、二衬,地质超前预报中应用较为广泛，但T梁密实度检测还处于试探阶段。本文首先阐述超声波检测的原理,特点，然后以永宁高速公路T梁密实度检测为工程背景，详细论述了超声波法的实施，效果，及优缺点,并提出展望。） 1、超声波的产生、原理及特点 2、工程背景（包括永宁T梁数量,采用的密实度检测单位，承担的检测任务和数量） 3、检测仪器选择（理论部分略写，重点从成本和精确度角度出发,如何考虑采用现有型号的超声波仪器） 4、检测方法及数据处理 4.1检测方法（先谈三种检测方法理论，然后提到本文采用对测法,测点布置时在T梁指定的测区用订制的模板在平行的相对面的相对位置点出测点，每测区共20个测点,并进行测区和测点的编号保证平行面上的编号相对应，在各测点涂上少量耦合剂黄油；主要在梁中部马蹄、端部横隔板马蹄、腹板预应力预埋管道弯起等易出现不密实的部位安排测区，每片梁3个测区,若在检测过程中发现T梁砼质量存在可疑点，立刻复测，必要时增加测区数量，考虑要避开波纹管,所以中部马蹄20个测点作为一排;最后谈检测时要避开的干扰，检测的操作) 4.2数据处理（要包括空洞大小的计算理论，离析如何判定的理论，然后具体对某片梁的数据分析,结果取芯验证可靠；可以提到超声波速度与强度的关系） 4.3分析波纹管接长时采用大管套小管并外缠透明胶布及波纹管没有注浆但超声波测区经过波纹管时对数据的影响） 5、结论与展望 结论：超声波检测的可行性，优点,缺点，检测T梁时的注意事项 展望：由于超声波检测时的缺点，大规模的桥梁空洞检测最好同时配备超声波和地质雷达，地质雷达数据处理较为直观，对于比较明显的缺陷很快可以直观反映出来，不够明显的则要通过数据处理分析，速度更快，但不如超声波成本低，精度高。- 14 -