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混凝土裂缝深度超声波检测方法 林维正,苏 勇,洪有根 (同济大学 声学研究所,上海 200092) 摘 要:介绍裂缝深度常用超声检测方法,研究裂缝深度检测新方法,如相位变化法、 横波法 和冲击回波法等。 关键词:混凝土;裂缝深度;超声检验 中图分类号:TG115. 28 +5 文献标识码:A 文章编号:100026656(2001)0820323204 ULTRASONIC TESTING METHODS FOR THE DEPTHOF CONCRETE CRACK LIN Wei2zheng, SUYong, HONGYou2gen (Institute of Acoustics , Tongji University , Shanghai 200092 , China) Abstract : Conventional ultrasonic testing methods for the depth of a concrete crack are introduced. In addition , new ultrasonic testing methodsfor the depth of a concrete crack are also researched , such asphase variation method , transverse wave method and impact2echo method. Keywords : Concrete; Crack depth; Ultrasonic testing 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。 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受 力损伤等都会形成裂缝,因此,对裂缝的开展深度和 走向进行检测非常必要。 一般工程结构中的梁、 柱、 板和机场跑道出现的 裂缝都属于浅裂缝(开裂深度 50cm)。现在许多 国家都有检测裂缝的规程,但是随着科学技术的发 展,检测裂缝方法也不断发展,本文介绍我们的研究 工作及国内外裂缝检测技术的新进展。 1 裂缝深度常用超声检测方法 对混凝土浅裂缝(深度 3d的测试数据应予以 剔除,余下取平均值为该裂缝的深度值。如果在某 一测距发现首波相位已反转,可用该测距前后几点 数据取平均值,作为裂缝深度值。 2 利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换能器平置裂缝两 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 3) 1。 图3 首波幅度及其振幅相位反转变化规律 若置换能器于裂缝两侧,当换能器与裂缝间距 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3bc所示。 首波的振幅相位先后发生了180 的反转变化, 即在平移换能器时,随着a的变化,存在一个使首 波相位发生反转变化的临界点。当ad(图 3c) 时 回折角+ 90 。在该临界点左右,波形变化特 别敏感,只要把换能器稍作来回移动,首波振幅相位 反转瞬间而变。 图4所示裂缝末端衍射波垂直方向的位移相位 是随衍射角变化的,其变化角度(图5)由材质的泊 松比决定。一般混凝土的衍射角+= 90 。 裂缝两侧换能器不对称布置(图6 ) , 接收换能 器不动,移动发射换能器,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d =ab。 图4 垂直成分的相位变化 图5 相位变化角和泊松比 图6 换能器非对称布置 工程中现浇混凝土楼板钢筋的间距一般为152 20cm。当混凝土裂缝深度 5cm时,声通路就有可 能被钢筋 “短路” 。检测需在a1.5d的条件下进 行,但现场检测很难满足这一条件,为此,换能器布 置不与钢筋平行,而采用斜测的办法,避免钢筋 “短 路”(图7)。 图7 换能器布置不平行于钢筋 423 林维正等:混凝土裂缝深度超声波检测方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3 用表面波/横波的传播声时测量裂缝深度 测量裂缝深度采用100kHz的SH横波斜探头, 其声压在水平和50 角方向有峰值。50 角方向的峰 值是由斜楔造成的,而水平方向峰值则是由表面波 引起的。对于这种测试,发射与接收探头分别放在 裂缝两边同一平面上,即发射探头至裂缝中心的距 离L1= 20mm ,接收探头至裂缝中心的距离L2= 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 t =51.54exp(0.008 97 d) (1) 图8为超声波的传播途径,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。设裂 缝和发射探头之间距离为L1、 裂缝和接收探头之间 距离为L2,有关系式如下 t = L1+ d VR + d2+ L 2 2 VS (2) 图8 表面波/横波传播声时法 4 冲击回波法检测裂缝深度2 冲击回波法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。 当这些波被宽带换能器接收后,通过时域或频域分 析方法,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。 4. 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,均被另一侧接收 换能器接收。用自制U2Sonic超声检测系统进行 试验。 接收波经过快速傅里叶变换(FFT)分析,在频 域图上(图 9) 有两个明显的频率峰值,即9. 26和 13. 06kHz。根据基频共振公式 h = c 2f (3) 图9 冲击回波的频域分析法 式中 h 厚度或裂缝深度 c 混凝土声速 c= 3 941m/ s f 频率,kHz 9.26kHz对应厚度22cm ,13. 06kHz对应裂缝 深度15cm。 4. 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位 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,在此,采用一种基于时域分析的测试方法 来解决这个问题,图10为试件实验布置图。 图10 混凝土裂缝检测实验布置图 混凝土经冲击源冲击后,其表面波第一个到达 接收换能器并激发监控系统。假如R波(表面波) 到达时间为t1,波速为cR,那么冲击开始的时间为 (t1-h0/ cR)。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 第二个接收换能器R2才开始接收衍射的P波。若 衍射P波到达第二个接收换能器的时间为t2,那么 P波从冲击点到第二个接收换能器的最短时间为 t = t2-t1- h0 cR = t2-t1+ h0 cR (4) 若在混凝土板中已知P波的声速cp,从冲击点 到第二个接收换能器最短的传播距离可以计算为 cp t。 假如从裂缝到冲击点以及第二个接收换能 523 林维正等:混凝土裂缝深度超声波检测方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 器之间的距离相应为h1和h2,那么裂缝的深度可 根据几何关系求得 d = ( c p t) 2 + h21-h22 2cp t 2 -h21(5) 在实验中测得表面波声速cR为3 610m/ s ,P波 声速cp为3 941m/ s ,h0= 2cm ,h1= 9cm ,h2= 9cm , 通过仪器采集和记录波形,所得结果如图11所示。 图11 双通道回波图 由图11可知,t1= - 0. 6s ,t2= 80. 4s ,代入 式(4) 得 t= 86. 5s;代入式(5)得d= 14. 47cm;相 对误差为 (14. 50 - 14. 47)/ 14. 50 100 % = 0. 2 %。 如果改变h1和h2位置,试验结果误差有所差 表1 冲击回波的时域法检测裂缝深度1) h0 cm h1 cm h2 cm t1 s t2 s t s d cm 相对误差 % 299- 0. 680. 486. 514. 470. 2 259077. 983. 414. 751. 7 2117082. 988. 414. 802. 1 注 :1) 已知裂缝深为14. 50cm。 别,如表1所示。总之,用双接收换能器的冲击回波 时域分析方法检测混凝土裂缝深度是有效又精确的 方法。 参考文献: 1 童寿兴.超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度 J .建筑材料学报,1999 ,(3) :287 - 289. 2 顾轶东,林维正.冲击回波法检测混凝土缺陷与厚度 J .建筑材料学报,1999 ,(2) :163 - 166. 3 Lin Y, Liou T , Siao CM. Recent developments in the impact2echo technique for nondestructive evaluation of concrete structuresA. Proc of 14thWCNDTC. Del2 hi :1996. 无损检测信息中心免费发布无损检测黄页/蓝页的通知 无损检测学会信息网站(www. chsndt. com)自 1999年1月22日开通以来,得到广大无损检测工 作者的大力支持和关爱,在发布学会信息及无损检 测信息交流上做了一些工作。最近,无损检测信息 中心对网站进行改版,将逐步开出无损检测新闻、 学 会动态、 学会机构、 专业应用、 培训认证、 学术交流、 人物介绍、 网上售书、 网上征订(无损检测 杂志)、 产品信息、 企业形象、 网上展厅、 校友园地、 科研成 果、 标准讯息、 地方学会和上海之窗等栏目,这些栏 目将成熟一个上网一个。与此同时无损检测信息中 心向全国广大无损检测工作者推出 “无损检测黄页/ 蓝页” 信息软件,免费安装。 黄页即电话号码薄,无损检测黄页输入了由无 损检测信息中心编制的全国无损检测企事业单位的 电话号码和相关信息,供全国无损检测工作者查询。 根据黄页惯例,黄页上的信息分免费和有偿服务两 种,免费部分只公布单位名称、 电话号码和邮编;有 偿服务部分除单位名称、 电话号码和邮编外,还可根 据用户需要增加单位地址,负责人姓名,产品名称、 型号、 技术规格和参考价格等商业信息。目前无损 检测黄页可按信息类型、 单位名称、 产品型号、 产品 名称、 人员姓名、 单位地址和电话号码七个方面查 询。在信息类型中又可按超声、 射线、 检测公司、 营 销公司、 书籍及标准等36个分类查询。黄页目前已 有1 000余条信息。 蓝页即 “无损检测文献检索系统” 软件,目前已 经汇集 无损检测 杂志19792001年3月上发表的 专业论文信息3 000余条。计划逐步输入 无损探 伤 杂志、 各届无损检测年会论文集及专业报告等相 关信息。 为做好软件的发行及无损检测信息的收集,无 损检测信息中心向全国各省、 市招聘兼职的无损检 测信息员。有关信息员招聘、 免费安装软件及数据 库更新办法请查阅学会网站。(无损检测信息中心) 623 林维正等:混凝土裂缝深度超声波检测方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.