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综 述 混凝土超声检测的进展 林维正 (同济大学 声学研究所,上海 200092) 摘 要:介绍国内结构混凝土超声波检测进展情况,包括混凝土强度、 混凝土内部缺陷、 混凝 土厚度,灌注桩质量和墙体材料的超声检测以及混凝土质量冲击振动法检测。其中大多数是作者 多年的研究成果。 关键词:超声检测;混凝土;厚度测量;强度;缺陷 中图分类号:TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2002)1020428204 DEVELOPMENT OF ULTRASONIC TESTINGOF CONCRETE LIN Wei2zheng (Institute of Acoustics , Tongji University , Shanghai 200092 , China) Abstract : The development situation of the application of ultrasonic testing to concrete in China is introduced , in2 cluding ultrasonic testing of concrete intensity , internal defects , concrete thickness ,pile quality and wall body material , as well as impact2echo testing of concrete quality. Most of them are the research achievements of the author. Keywords :Ultrasonic testing; Concrete; Thickness measurement ; Intensity; Defect 1 混凝土结构无损检测的目的及方法分类 1 混凝土是结构工程的最重要材料之一,其质量 直接关系到结构物的安全。结构混凝土质量的传统 检测方法是以按规定取样制作的立方体为基础的。 实践表明,在试件上所测得的混凝土性能指标往往 与结构物中实际混凝土的性能有一定的差别。因 此,直接在结构物上检测混凝土质量的现场测试技 术,已成为混凝土工程质量管理的重要手段。国标 GB J2041983钢筋混凝土工程施工及验收规范 明确规定,当试件试验结果不符合混凝土强度验收 评定标准所规定的要求时,“可以在结构物中钻取混 凝土试样或采取非破损测试方法进行检查” 。从而 在我国技术法规中正式确立了现场检测技术的重要 意义和合法地位。近年来,我国广大科技工作者对 如何加强混凝土质量控制和检测进行了大量研究, 已将我国工程质量检测和评价技术水平提高到一个 新的高度。全国各地普遍建立了工程质量监督机 收稿日期:2001211219 构,使整个质量保证系统日臻完善。目前我国已制 订了若干部级技术规程,如J G J/ T232001回弹 法评定混凝土强度技术规程 、CECS 02 :1988超声 2回弹综合法检测混凝土抗压强度规程 、CECS 03 : 1988钻芯法检测混凝土强度技术规程 和CECS 21 :2000超声法检测混凝土缺陷技术规程 等。 从检测目的来说,结构混凝土现场检测方法可 分为四类,即 以检测强度为目的,有半破损法(如 钻芯法,拔出法和射击法等)和非破损法(如回弹法、 超声法、 综合法、 振动法和射线法等)以及以上两种 方法的综合。以检测混凝土内部缺陷为目的,这 里所说的内部缺陷是指施工过程中因成形、 养护等 因素造成的蜂窝、 孔洞、 裂缝及保护层厚度不当等缺 陷,以及使用过程中因腐蚀、 冰冻和火灾等原因所造 成的损伤。检测方法有超声脉冲法、 射线法、 声发射 法、 雷达法及电磁法等。以检测结构混凝土受力 历史和受力损伤程度为目的,例如老厂房和超期使 用的桥梁及公路等,为了确定其翻修或重修方案,必 须了解其受力历史和损伤程度,以便提供确切的统 计依据。检测方法有超声法、 声发射法及钻芯法等。 824 第24卷第10期 2002年10月 无损检测 NDT Vol. 24No. 10 Oct .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 检测结构混凝土的弹性模量、 粘塑性指标、 密实 度和抗冻性等,检测方法有振动法、 超声法、 射线法 和钻芯法等。另外,钢筋位置和锈蚀等采用电磁法 和射线法等检测。 2 混凝土超声检测方法及检测对象 2 声和超声方法在混凝土检测中占重要地位,主 要有超声脉冲声速法、 超声脉冲回波法、 超声频谱 法、 声发射法、 冲击回波法和超声层析成像法等。 超声脉冲声速法是通过双探头的一发一收的穿 透测量砼的传播时间来计算其声速。这种方法应用 于砼强度、 砼厚度、 砖砌结构、 桩基以及钢筋混凝土 梁和柱的检测。检测时将测点按网状布局,可有效 测定气隙、 振捣不实及低强度区。通过超声波声学 参量(声速、 幅度和频率)分析,还能分析和监测砂 浆、 水泥和新浇砼硬化过程。 超声脉冲回波法是通过单探头或双探头在砼表 面一侧发射和接收回波信号。该方法的优点是在单 面检测。在已知砼声速的条件下检测砼厚度、 孔隙、 蜂窝状结构、 砼内埋设锚固件的位置以及砼中钢筋 直径和位置等。 声发射技术是根据结构受力情况下内部发出的 应力波判断内部损伤程度的方法。声发射率与砼及 砼结构变形有密切的关系,可通过纤维增强水泥基 材料界面量化分析评估砼或钢筋砼锈蚀等,声发射 还用于研究砼复合材料断裂行为。对声发射波形的 分析还可给出更多的信息。 冲击回波法用小钢球冲击砼表面,其回波信号 被近旁传感器接收,测定回波时间或振动频率,该法 是一种全能技术,在许多场合十分有效,可用于测定 桥梁的板、 梁、 柱和机场跑道的厚度,检测墙体表面 砂浆剥离情况,检测砖砌砼裂缝、 孔隙以及灌缝后张 拉管空洞。近年来,由冲击声学法演变成用榔头锤 击砼结构表面,使表面振动,分析振动频谱可以发现 结构的裂缝和剥离情况。最新开发的滚动换能器可 以在平板砼结构上实现快速扫描并显示图形结果。 该技术将普通方法的每小时3060测点提高到 3 000测点。 超声或声计算机层析成像(CT)技术是利用声 或超声对物体的透射投影值(或散射值等 ) , 使用计 算机技术来重构物体内部物性分布图。理想的超声 CT图应具有类似医学CT的条件,在剖面四周连续 进行超声透射,使声束在整个剖面分布密集、 方向均 匀,并能准确读取声束走时,这样效果最好。该技术 已用于大坝砼工程质量检测、 大型砼基础质量检测 和大桥桥墩质量检测等。 3 仪器和换能器的选择 3. 1 仪器 混凝土质量检测用超声仪器应能较准确测出混 凝土中超声波的传播时间、 波幅和频率变化及波形等 信息。一般都包括发射系统、 接收系统、 记录(显示) 系统、 数据采集及分析系统以及换能器等(图 1) 。 图1 超声检测仪器框图 国产的超声检测仪器有 模拟电路仪器:CTS2 25和SYC21等。模拟和数字相结合仪器:CTS2 35 ,CTS245和SYC2等。数字电路仪器:SD21 和MT2401等。微机控制超声仪:NM23A ,NM2 3B ,U2Sonic和RSM等。 随着电子技术的发展,超声及声波仪器从模拟 电路到数字电路,接收部分变成一个完整的瞬态数 据采集系统,并外加数字延时触发及信号叠加增强 等功能。激发振源除了小功率发射外,还有大功率 振源,如电火花、 锤击和爆炸等。信号采集后输入到 微机进行数字信号处理,如时域和频域分析等,并打 印输出。 3. 2 换能器 换能器亦称探头,实现电声转换功能。混凝土 超声检测中常用换能器有 现场平面测量用低频 换能器。又分夹心型换能器和弯曲型换能器,前者 频率为1050kHz ,常用作发射和接收,后者频率为 417kHz ,常用作接收。现场孔中测量用低频换 能器。双孔测量换能器主要由管状(环状)压电陶瓷 串并联组成,能在水平360 方向上辐射或接收声 波,频率为2040kHz ,大多用于桩基超声检测和大 体积坝混凝土质量检测。混凝土试件用换能器。 其中窄带纵波换能器频率为100500kHz ,常用于 小构件或试块的测量;横波换能器常用于混凝土动 力学参数研究;宽带窄脉冲换能器频率为100 500kHz ,常用于反射法测厚及频谱分析等。 924 林维正:混凝土超声检测的进展 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 4 混凝土强度超声检测的可靠性 随着建筑结构设计理论的发展,当今的结构设 计方法已由原来的定值法过渡到概率法,结构的可 靠性以结构的可靠度或失效概率来衡量。分析结构 可靠度时必须考虑质量控制条件,在构成结构可靠 度众多因素中,混凝土强度是一个重要因素。在常 规的砼强度检验中,要评定一批砼强度质量水平,不 可能采用全数破坏性抗压强度试验,而只能从中随 机抽取若干组试件进行试验,并根据抽样理论中试 样统计参数与总体统计参数的关系来判断被评价砼 的总体质量。因此,国际标准化组织(ISO)的有关 建议以及国标GB J1071987砼强度检验评定标 准 都规定了以统计方法为基础的抽样评定法则。 以试件强度的均值和标准差作为砼质量水平的一种 描述,并规定了砼总体强度合格性控制的评定条件。 当采用无损检测方法检测砼强度时,可取得每 个测区的标准强度换算值,它相当于一个试件的测 定值,因此这些标准强度换算值的平均值和标准差 也是该批砼质量水平的一个描述。从这一点出发, 我国近年制订的超声回弹综合法规程都采用了相应 的统计评定法则进行强度评定,但是,必须指出强度 无损检测是建立在砼立方体标准抗压强度与检测物 理量的相关性换算基础上的,由物理量换算成标准 强度换算值时,就已存在一次误差。 砼强度无损检测常用方法有回弹、 超声波和回 弹超声综合法等。回弹法是用一弹簧驱动的重锤, 通过弹击杆(传力杆)弹击砼表面,测出重锤被反弹 回来的距离,以回弹值(反弹距离与弹簧初始长度之 比)作为与强度相关的指标来推定砼强度的一种方 法。而超声脉冲法是以强度与超声波在砼中传播参 数(声速或衰减系数等)之间的相关关系为基础的。 一般通过试验建立强度与声速的关系曲线或经验公 式,作为超声法检测的基本换算依据。用声速法来 推定砼强度有校准曲线法和修正系数法。 上述回弹和超声声速法都是单一指标推定砼强 度,其局限性很大,精度不高。为了提高测量精度, 就要用多参数综合反映混凝土强度。 超声和回弹综合既能反映砼的弹性,又能反映 砼的塑性;既能反映表层状态,又能反映内部构造, 自然能较确切地反映砼强度。综合法也要建立砼强 度f c cn、 超声速度v和回弹值N的关系曲线。我国 已制订了CECS 02 :1988超声2回弹综合法检测混 凝土抗压强度技术规程 。根据全国22个省市共 8 096个试块的试验,建立了通用的基准曲线,即 卵石砼: f c cn=0.003 8v 1.23 N 1.95 (1) 碎石砼: f c cn=0.008 0v1 .72 N 1.57 (2) 由于砼强度受许多因素影响,例如原材料性质、 配合比、 砼龄期及环境条件等。上述公式相对标准 差15 %。我国幅员辽阔,各地方原材料不一样, 为了提高检测精度,规程中规定优先使用地方基准 曲线,上海市的地方基准曲线为 普遍砼:f c cn=0.005v3 .60 N 0.91 (3) 预拌砼:f c cn=0.027v2 .06 N 1.15 (4) 其相对标准差为 12 %。 砼强度的超声回弹综合法检测的局限性是 砼强度检测是建立在砼立方体标准抗压强度的基础 上,通过声速和回弹值的相关性换算,存在一定的误 差。只适用于C40以下强度等级的砼,对高强度 砼由于声速随砼强度增大不灵敏,不呈指数关系,所 以对于高强度砼还须添加其它参数指数综合利用, 例如砼的含水量或半破损法相结合等。影响砼 强度的因素较多,为提高强度检测的精度必须采用 多参数分析方法。 5 混凝土内部缺陷的超声检测 3 在混凝土结构物的施工过程中,往往会形成一 些缺陷和损伤,如空洞、 裂缝、 不密实区、 蜂窝及保护 不足、 钢筋外露以及层状疏松等,这些缺陷和损伤严 重影响结构物的承载力和耐久性。混凝土超声检测 时所需测量的物理量是声时、 衰减、 接收波形以及频 谱等。超声波在混凝土中遇到缺陷时存在反射和绕 射,按声时或声速变化可判别及计算缺陷的大小;超 声波在缺陷处产生散射和吸收,因此接收波能量显 著减小,据此可判断缺陷的存在及大小;超声波遇到 缺陷时,接收频率明显降低,据此可判别内部缺陷; 超声波在内部缺陷处,波形会转换和不同相位叠加, 接收波会畸变,据此可判别缺陷。 5. 1 裂缝的超声检测 结构混凝土开裂深度 500mm 的裂缝,可在裂缝的两旁钻测试孔,孔中注满水,将 径向振动的换能器置于孔中以相同高程等间距从上 至下同步移动,逐点读取声时、 波幅和换能器所处的 深度。当换能器下移至某一位置后,波幅达到最大 并基本稳定,该位置所对应的深度便是裂缝深度。 5. 2 不密实区和空洞检测 根据被测结构实际情况,换能器布置方法也相 应变化。结构具有两对互相平行的测试面时可采用 对测法(图 3) 。结构只有一对相互平行的测试面时 可采用斜测法。当结构的测试距离较大时,为了提 高测试灵敏度,可在测区适当位置钻出平行于测面 的测试孔,孔中用径向换能器进行检测。 对每一测点进行声时、 波幅、 频率和距离的测量 后进行数据处理和判定,测区混凝土声时(或声速)、 (a)俯视图(b)侧视图 图3 对测法换能器布置图 波幅、 频率测量值的平均值mX和标准差SX应按下 式计算 mX= 1 n n i =1 Xi(6) SX= n i =1 X2i-nm2X n -1 (7) 式中 Xi 第i点的声时(或声速)、 波幅、 频率 的测量值 n 一个测区参与统计的测点数 测区的异常数据可按下列方法判别: (1)将测位各测点的波幅、 声速或主频值由大 至小按顺序分别排列,即X1X2XnXn+ 1 ,将排在后面明显小的数据视为可疑,再将这些可 疑数据中最大的一个(假定Xn)连同其前面的数据 按式(6) , (7)计算出mX及SX值,并按下式计算异 常情况的判断值X0 X0= mX-1SX(8) 其中1按数理统计表取值。 将判断值X0与可疑数据的最大值Xn相比较, 当XnX0时,则Xn及排列于其后的各数据均为 异常值,并且去掉Xn,再用X1Xn- 1进行计算和 判别,直至判不出异常值为止;当XnX0时,应再 将Xn+ 1放进去重新进行计算和判别。 (2)当测位中判出异常测点时,可根据异常测 点分布情况按下式进一步判别其相邻测点是否异常 X0= mX-2SX 或X0= mX-3SX 其中2,3按数理统计表取值。当测点布置为网格 状时取2;单排布置测点时(如在声测孔中检测) 取3。 当测区中某些测点的声时值(或声速值)、 波幅 值(或频率值)被判为异常时,可结合异常测点的分 布及波的形状确定混凝土内部存在不密实区和空洞 的范围。 如果被测部位只有一对可供测试的表面,空洞 尺寸可按下式计算 r = l 2 th mta 2 -1(9) 式中 r 空洞半径,mm l 两个换能器之间的距离,mm th 缺陷处的最大声时值,s mta 无缺陷区的平均声时值,s (下转第459页) 134 第24卷第10期 2002年10月 无损检测 NDT Vol. 24No. 10 Oct .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 只要观片灯亮度足够(按6. 9条 ) , 可以采用高 黑度,这将具有益处。 为避免胶片由老化、 显影或温度引起的过高灰 雾度,应定期对所使用的未曝光胶片样品进行检验, 并按与实际洗片一样的条件进行操作和处理,灰雾 度应 0. 3。这里所说的灰雾度是指未曝光的胶片 经冲洗后所得总黑度(包括乳剂和片基)。 当使用多胶片法单张底片观察时,每张底片的 黑度均应符合表4规定。 双片叠合观察时,单张底片的黑度应 1. 3。 6. 8 冲洗 胶片应按胶片和药品制造厂推荐的条件进行处 理,以获得选定的胶片系类别。特别要注意温度、 显 影时间和水洗时间。射线底片上应无冲洗或其它原 因引起的有碍结果评定的伪缺陷。 6. 9 观片条件 射线底片应在符合ISO 2504要求的暗室和符 合ISO 5580要求的亮度可调的观片灯屏上评定。 观片灯屏应遮挡被检区以外的区域。 7 检测报告 应对每张底片或成套底片作出检测报告,说明 所使用的射线照相技术及其它有助于理解探伤结果 的特殊情况。 报告格式和内容细节应在特定的应用标准中规 定或由签约各方商定,检验若仅按本标准进行,则检 测报告至少应包括下列内容,即 检测公司名称。 统一的报告编号。工件。材质。检测 时机。标称厚度。射线照相技术和级别。 所用标记系统。若要求,透照布置和布片定位 图。射线源、 类型、 焦点尺寸和所用设备。? 所 用的胶片系、 增感屏和滤板。? 管电压、 管电流或 源活度。? 曝光时间和源至胶片距离。? 像质计 类型和位置。? 像质计读数和底片最小黑度。? 与本国际标准的一致性。? | 与商定标准的任何偏 差。? 责任人姓名、 资格和签字。? 透照日期和 报告日期。 附录A 文献目录 ISO 5576 :1997 工业X射线和射线检测术 语李 衍 译 郑世才 校 (上接第431页) 5. 3 混凝土结合面质量检测 混凝土结合面指前后两次浇注间隔时间 3d 的混凝土间形成的接触面,如施工缝和修补加固等。 混凝土结合面质量检测可采用斜测法(图4) , 按布置好的测点分别测出各点的声时、 波幅和频率 值,数据处理及判定方法与上述不密实区和空洞检 测方法相同。当通过结合面的某些点数据被判为异 常,并查明无其它因素影响时,可判定混凝土结合面 在该部位结合不良。 图4 检测结合面的换能器布置 5. 4 匀质性检测 在对结构混凝土各部位的相对匀质性进行检测 时,把换能器布置在与被检测面相对平行的测试面 上。测试点分布成网格状,每测点的间距一般为 200500mm。 测量每一测点的声时和距离,各测点的混凝土 声速值应按下式计算 vi= li tci (10) 式中 vi 第i点混凝土声速值,km/ s li 第i点的测距值,mm tci 第i点混凝土的声时值,s 各测点混凝土声速的平均值mv和标准差Sv 及离差系数cv可按下式计算 mv= 1 n n i =1 vi(11) Sv= n i =1 v2i-nm2v n -1 (12) cv= Sv mv (13) 根据声速的标准差和离差系数,可相对比较相同 测距的同类结构或各部位混凝土质量均匀性的优劣。 (待续) 954 ISO 5579 :1998(E)金属材料的X射线和射线照相检验通则 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