混凝土表面损伤层厚度的超声波检测方法研究.pdf

混凝土表面损伤层厚度的超声波 检测方法研究 商涛平,童寿兴,王新友 (同济大学 混凝土材料研究国家重点实验室,上海 200092) 摘 要:在混凝土表面损伤层厚度的超声波检测中,采用回归分析的方法取代传统的作图法, 能进一步提高检测精度。对埋有钢筋的混凝土表面损伤层的厚度进行检测,指出了钢筋对检测的 影响程度。当换能器连线与钢筋轴向成斜角布置时,能避免钢筋的影响。 关键词:超声检验;混凝土;回归分析;厚度测量 中图分类号:TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2002)0920373202 STUDY ON ULTRASONIC THICKNESS MEASUREMENT OF SUPERFICIAL DAMAGE LAYER IN CONCRETE SHANG Tao2ping, TONGShou2xing, WANG Xin2you (National Key Laboratory of Concrete Materials Research , Tongji University , Shanghai 200092 , China) Abstract : Regression analysis method was used in ultrasonic thickness measurement of su perficial damage layer in concrete. The influence of the steel in reinforced concrete on testing was studied , which could be avoided when the ar2 rangement line of transducers was laid in an oblique angle with the bar axis. Keywords :Ultrasonic testing; Concrete; Regression analysis; Thickness measurement 混凝土遭受冻害、 火灾或化学物质侵蚀,表层会 受到不同程度的损伤产生裂缝或疏松,这样会降低 对钢筋的保护作用,影响结构的承载力和耐久性。 用超声波检测表面损伤层厚度,既能反映混凝土被 损害的程度,又能为结构加固补强提供技术依据。 超声波检测混凝土缺陷技术规程是以单面平测 法检测混凝土损伤层厚度1,即把发射和接收换能 器置于混凝土的表面,耦合固定好其中一个,将另一 个换能器按相等的间距连续扫查,测定两换能器的 间距及相应的声时值,单纯采用作图法求得损伤层 中的声速Vf、 未损伤层中的声速Va和声时突变时 的距离l0后计算出损伤层厚度dfc。该方法在数据 处理过程中过于繁杂,且往往由于在作图过程中的 人为主观因素和其它客观原因,求得的数值误差较 大。笔者尝试使用回归分析的方法来计算表面损伤 层厚度,提高了检测精度。并针对实际工程中存在 钢筋的问题,对厚度相同的加钢筋与不加钢筋的模 收稿日期:2001203202 拟损伤层的检测进行了对比研究,分析了钢筋的影 响程度,并指出了避免钢筋影响的方法。 1 混凝土表面损伤层的厚度检测原理 检测原理如图1所示2,发射换能器A固定, 接收换能器分别置于B1,B2,B3等位置沿混凝土表 面按一定间距连续扫查。当接收换能器置于B0位 置,其部分声波穿过损伤层沿未损伤层混凝土传播 一定距离后,再穿过损伤层到达接收换能器的时间, 恰好与声波沿损伤层直接传播到达接收换能器的时 间相等。 超声波传播的时间满足方程式 l0 Vf = 2d2fc+ x2 Vf + l0-2x Va (1) 由式(1)可得损伤层厚度dfc的计算公式 dfc= l0 2 Va-Vf Va+ Vf (2) 373 第24卷第9期 2 0 0 2年9月 无损检测 NDT Vol. 24No. 9 Sep .2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m (a)换能器的布置 (b)传播时间与换能器间距的关系曲线 图1 混凝土表面损伤层厚度的检测 2 试验 2. 1 试验样品制备 试验配制三组试件,尺寸为15cm15cm 60cm。中间层为混凝土,设计强度为C30 ,采用振 动台振捣;表层和底层为砂浆,设计强度为M15 ,直 接采用人工抹平,因砂浆声速远低于混凝土声速,可 用来模拟损伤层。损伤层设计厚度为20 ,30 ,40 , 50 ,60mm(无钢筋)及60mm(在距表面20mm 处预 埋钢筋)。 2. 2 试验方法及数据处理 如图1a所示,发射换能器A固定,接收换能器 B沿混凝土表面以25mm的间距连续扫查,可作出 声时2测距关系曲线(图1b) ,以l0为界,将t0和l0 前后的时、 距数值分段回归,得两条直线方程,即: 损伤层的回归方程 L1= A1+ Vft(3) 未损伤层的回归方程 L2= A2+ Vat(4) 回归系数A1, A2, Vf和Va即为直线上的截距 和斜率。 声时发生突变时的l0值可用下式求得 l0= A1Va-A2Vf Va-Vf (5) 试验模拟的实际表面损伤层厚度df0及用式 (2)计算出的损伤层厚度值dfc如表1所示。 表1 表面损伤层厚度检测结果 编 号 df0 mm Va kms- 1 Vf kms- 1 l0 mm dfc mm 误差 % 119. 04. 543. 0387. 619. 63. 2 229. 04. 363. 04138. 629. 31. 0 337. 04. 232. 79154. 034. 95. 7 445. 04. 283. 18230. 244. 21. 8 5 1) 58. 05. 533. 4284. 620. 564. 7 661. 04. 843. 10261. 861. 30. 5 注 :1) 距表面20mm处预埋钢筋。 同时采用传统作图法计算损伤层厚度d fc,并与 回归分析法的计算结果进行对比(表 2) 。 表2 两种方法检测结果对比 编 号 df0 mm dfc mm dfc mm dfc-df0 df0 100 % d fc-df0 df0 100 % 119. 019. 618. 03. 25. 3 229. 029. 330. 31. 04. 5 337. 034. 934. 05. 78. 1 445. 044. 239. 41. 812. 4 558. 020. 517. 9 64. 769. 0 661. 061. 363. 40. 53. 4 从上述检测数据可见: (1)用回归分析的方法计算得到的表面损伤层 厚度与实测得到的损伤层厚度之间的误差较小,比 单纯用作图法求得的结果精确,前者的误差比后者 平均低4. 3 %左右。 (2)由于在损伤层中埋有钢筋,所以表1中第5 组数据的检测误差很大,达到64. 7 %。有必要对混 凝土中钢筋对超声波传播的影响作进一步分析。 钢筋的影响分两种情况,一是钢筋配置的轴向 垂直于超声波传播方向,二是钢筋的轴向平行于超 声波传播方向。 第一种情况,通常会使计算声速有所提高。但 在一般配筋情况下,钢筋断面所占整个声通路径比 较小,所以影响也小(对高标号混凝土影响更小 ) , 往 往被测量误差所掩盖。 第二种情况,超声波传播方向与钢筋轴向平行 时,由于超声波在钢筋中的传播速度比在普通混凝 土中快得多,因此,测读的声时可能是部分或全部通 (下转第385页) 473 商涛平等:混凝土表面损伤层厚度的超声波检测方法研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 电缆线及线盘,电缆两端插头分别和测量车及仪器 后面板上的对应插座相连接,负责电源与信号的传 输。控制机箱前面板上的键盘为操作按钮,后面板 上的校正旋钮可在校准时进行微调。测量车是仪器 的核心部分,探头安置在测量车中部,车体两端装有 张紧装置,保证驱动轮与管壁有足够的摩擦力。 4 信号采集与处理 信号的采集与传输过程如图1所示。 图1 信号的采集与传输框图 测量所得数据由单片机处理后可以数字显示在 控制机箱液晶面上,或打印测量结果,并绘出测量曲 线(图 2) 。图2给出了管道内九个截面的测量结 果,图中纵坐标001009分别对应横坐标273 , 263 ,273 ,266 ,263 ,258 ,231 ,231 ,220。其平均值 HA = 253m ,最大值HD = 273m ,最小值HL = 220m ,偏离率EH = 6. 8 %。 图2 测量结果 5 仪器性能指标、 技术参数及适用范围 电源为AC220V10 % ,50Hz;测量范围为0 500m;测量精度为1m +测量值的3 %;行驶速度 为58m/ min ;最大检测长度为24m。仪器适用于 60 ,76 ,89和114mm四种管径不同壁厚钢管内防 腐涂层的厚度测量。 6 结束语 管道内防腐涂层测厚仪是机电一体化产品,它 具有人工智能,可按指令完成前进、 后退、 停止等动 作,探头可按设定步距自动完成测量,系统综合技术 含量高。该仪器实现了管道内防腐涂层质量定量、 无损检测的自动化,对提高管道内防腐质量以及施 工工艺的改进有重要的现实意义。 (上接第374页) 过钢筋的传播信号,计算所得的未损伤混凝土的声 速Va必定偏高,接近于钢筋中的声速,l0值也发生 相应的改变,按式(2)计算得到的dfc值应等于钢筋 到混凝土表面的距离。 正如表1中第5组数据Va= 5. 53km/ s ,接近 于超声波在钢筋中的传播速度Vs= 5. 85km/ s。实 测损伤层厚度为58. 0mm ,钢筋布置在距表面 20mm处,直径为20mm ,计算所得dfc= 20. 5mm , 实际是混凝土表面到钢筋的距离,钢筋的存在成为 错误检测产生的根源。 试验重新进行,但检测时两换能器连线与钢筋 轴向成45 夹角,计算得损伤层厚度为55. 8mm ,误 差3. 8 % ,效果较为理想。 随着损伤层厚度的增加,l0值也随之增大,即 对不同厚度的损伤层来说,转折点距离l0的变化很 大。因此,在实际测量时,必须保证l0的前后各有 一定量的有效计算数据。为便于检测较薄的损伤 层,换能器每次移动的距离不宜太大,建议一般采用 25mm(文献1 规定为每次移动 50mm)。同时,为 了能对较厚的损伤层进行检测,可以适当增加测点, 建议测810个点为宜。 3 结论 (1)试验采用的回归分析方法,以回归直线的斜 率Va和Vf确定损伤层和未损伤层中的超声波波 速,以回归系数确定声时突变时的l0值,检测混凝土 损伤层厚度,比作图法能更进一步提高检测精度。 (2)对钢筋混凝土结构来说,钢筋通常呈纵横 双向排布,为避免钢筋对超声波传播的 “短路”,建议 在进行损伤层厚度检测时,使换能器连线与钢筋纵 横走向呈斜角(如45)布置。 (3)在实际测量时,必须能够保证l0的前后各 有一定量的有效计算数据。建议每次移动的距离为 25mm ,测点为810个。 参考文献: 1CECS 21 :1990 ,超声波检测混凝土缺陷技术规程S. 2 李为杜.混凝土无损检测技术M.上海:同济大学出 版社,1989. 67 - 69. 583 徐 峰等:管道内防腐涂层无损检测技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m