混凝土内部缺陷与损伤检测方法（超声波法）

你将完成的任务:

某桥梁混凝土构件，利用无损检测方法（超声波法），检测出该桥梁混凝土构件的内部缺陷，了解超声波法的基本原理，并根据相关规范判断该构件的缺陷等级。

你将收获的知识与能力:

1．超声波法基本原理；

2. 超声波检测仪器的适用过程；

3. 超声波法检测结论判定。

工期要求：

4学时

一、任务准备

引导问题一：一般混凝土桥梁构件的外部缺陷比较容易发现并判别，那么混凝土内部是否有缺陷该如何判断呢？可以利用局部破坏法来进行判别么？

近年来涉及到桥梁质量问题的新闻报道屡屡见诸报端，而质量不佳的后果往往是带来巨大的人员及财产损失，那么针对近年来一些影响较大的桥梁垮塌新闻，请列举你认为桥梁结构方面容易出现质量问题的因素：

小测试：下面的说法是否正确？

按照最新的城市桥梁设计规范，桥梁的设计基准期为100年，桥梁设计使用年限：小桥30年，中桥50年，大桥100年。

引导问题二：超声波法在混凝土检测中的应用是怎样的？

提示：在弹性介质中传播的振动叫弹性波，人耳可闻范围的弹性波为20-20000Hz，叫声波，低于此范围叫次声波，频率超过2万Hz,并不能引起听觉的弹性波叫超声波。

假设混凝土中有一处缺陷，用超声法检测时，由于正常混凝土是连续体，超声波在其中正常传播。当换能器正对着缺陷时，由于混凝土连续性中断，缺陷区与混凝土之间出现界面（空气与混凝土）。在界面上超声波传播发生反射、散射与绕射。超声波用于混凝土缺陷评估的4个声学参数——声时（或波速）、振幅、频率和波形将发生变化。

二、计划与决策

引导问题三：本次检测所需要的规范、规程有哪些？

超声波法在工程检测领域应用十分广泛，同学们可以不仅仅局限于桥梁混凝土构件内部缺陷这一个应用来查找规范，还可以扩展到基础、隧道等方面来思考。

引导问题四：本次检测所需要的仪器设备有哪些？

三、实施与控制

引导问题五：声学参数相关关系是怎样的？

l 声速

弹性模量↑,孔隙率↓,密实度↑,声速↑

强度↑，声速↑

混凝土内部有缺陷(孔洞、蜂窝)，声速↘

超声波穿过裂缝传播，声速↘

声速可以反映混凝土的性能与内部情况

l      振幅

指首波，即第一个波前半周的幅值，反映了接收到声波的强弱

强度↑，振幅↑

内部有缺陷、裂缝，振幅↓

振幅与仪器性能、耦合状况、测距大小均有关系，没有统一的度量标准，目前只作为同条件（同一仪器、同一状态、同一测距）下相对比较用

l      频率

超声波检测中，电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波，包含了一系列不同频率成分

测距越远，高频成分衰减越多

混凝土内部缺陷及裂缝使主频下降

频率与仪器性能、耦合状况、测距大小均有关系，没有统一的度量标准，目前只作为同条件(同一仪器、同一状态、同一测距)下相对比较用

各频率成分通过频谱分析取得

l      波形

显示屏上显示的接收波波形

直达波、反射波、绕射波、纵波、横波、表面波等的综合反映

波形分析常集中于波前部的纵波

目前对波形的研究只能作一般的观察、记录

引导问题六：混凝土裂缝深度检测中平测法与斜侧法的区别是怎样的？

试验规程规定：

3.1混凝土裂缝深度检测

3.1.1平测法

1 适用范围

只有一个表面可供超声检测

裂缝深度不大于500mm

2 检测步骤：

第一步，不跨缝声时测量：将T和R置于裂缝同一侧，以两个换能器内边缘距离l_i’为100、150、200mm…，分别读取声时值t_i，绘制“时-距”坐标图，或用回归分析求出：l_i’=a+bt_i，则每测点超声波实际传播距离：l_i= l_i’+|a|，得出超声波传播速度：

v=(l_n’-l₁’)/(t_n-t₁)或v=b

第二步，跨缝声时测量：将T和R置于裂缝对称的两侧，l_i’取100、150、200mm…，分别读取声时值t_ci，同时观测首波相位的变化

第三步，计算：裂缝深度按下式计算

3 裂缝深度的确定

跨缝测量中，当在某测距发现首波反相时，取该测距及两个相邻测距的裂缝深度平均值

无反相，则将剔除li’<mhc和li’>3mhc数据，取余下的hci的平均值

当有钢筋穿过裂缝时，换能器须离开钢筋一定距离或将T、R连线与钢筋轴线形成一定角度（40～50°）

裂缝中不得有水或泥浆充填

3.1.2 斜测法

1 适用范围

结构裂缝部位有一对相互平行的表面时，优先选用

2 测量方法

保持T、R换能器连线的距离相等、倾斜角一致，进行过缝与不过缝检测，分别读取相应的声时、波幅和频率值。T、R连线通过裂缝时的波幅与频率比不过缝测点比较，存在显著差异

3.1.3 钻孔测法

1 适用范围

大体积混凝土，裂缝深度大于500mm

被测混凝土允许在裂缝两侧钻测试孔

2 钻孔要求

孔径大于换能器直径5～10mm

测孔深度应大于裂缝深度600～800mm

对应的两个测孔应始终位于裂缝两侧，且平行

对应测孔间距宜2m左右，同一结构各对应测孔的间距应相同

孔中粉末碎屑应清理干净

横向测孔的轴线应具在一定的倾斜角

宜在裂缝一侧多钻一个孔距相同但较浅的孔

3 测试方法

测试孔注满清水，将T、R置于裂缝同侧的B、C孔中

以200～300mm的相同步距向下移动T、R，并读取相应的声时与波幅值

将T、R置于裂缝两侧对应的A、B测孔中，同步向下移动，逐点读取声时、波幅和换能器所处深度

4 裂缝深度判定

主要以波幅测值作为判据

绘制深度-波幅坐标图

波幅最大并基本保持稳定位置即对应裂缝深度

5 裂缝末端位置的判定

采用斜测法

当两个换能器的连线超过裂缝末端后，波幅测值保持最大值，判定测线AB、CD的位置通过裂缝的末端

AB、CD两条测线的连线交点便是裂缝的末端位置

3.2混凝土不密实区和空洞检测

3.2.1 测试方法

1 平面对测

结构被测部位有两对互相平行表面

在测区的两对平行表面上，画100～300mm网格并逐点编号

测量对应测点的声时、波幅和频率

2 平面斜测

被测部位只在一对平行表面可供测试，或被测部位处于结构的特殊位置

3 钻孔测法

适用于大体积混凝土

钻一个或多个平行于侧面的测孔，直径38～45mm，孔深根据测试要求确定 

耦合：测孔用清水，侧面用黄油

测量同一高度或同步高度差的声时、波幅或频率

4.不密实区和空洞的判定

基本原理：超声波遇不密实区或空洞时，其测得的声时、振幅、频率必将与正常混凝土有差别

异常值的判别方法：根据概率统计理论确定，即置信范围（m_x±λ₁·S_x)以外的观测值为异常值，同时应避免观测失误造成数据异常（检查表面是否平整、干净或是否存在别的干扰因素，必要时加密测点重复测试）

1) 混凝土声学参数的统计计算

2) 异常值的判别

3) 不密实混凝土和空洞范围的判定

根据异常测点的分布及波形状况判定混凝土内部存在不密实区和空洞的范围

注意：波幅测量值虽然对缺陷的反映很敏感，但由于受声耦合状态的影响较大，容易产生误判和漏判

5. 混凝土内部空洞尺寸的估算

1) 设空洞位于发射和接收换能器的正中央

适用于只有一对可供测试的表面时，按下式估算空洞半径：

2) 设空洞位于发射和接收换能器连线的任意位置

适用于有两对可供测试的表面时。设X=(t_h-t_m)/t_m，Y=l_h/l，Z=r/l，则可根据X、Y值，由表C.0.1查得Z值，再计算空洞的大致半径r

3.3混凝土结合面质量检测

3.3.1 测试方法

有对测法和斜测法两种，测点布置要求：

使测试范围覆盖全部结合面或有怀疑的部位

各对换能器连线应采用穿过和不穿过结合面布置 

各对换能器连线的倾斜角、测距应相等

测点间距100~300mm

测试各对测点的声时、波幅、主频值

3.3.2 数据处理及判定

测点数足够，仍用统计方法判定

测点数不足，或数据较离散，可用通过结合面的声速、波幅值与不通过结合面的声速、波幅值比较，显著低者，可判为异常测点

被判为异常值的测点，查明无其他原因影响时，可判定这些部位的新老混凝土结合不良

引导问题七：超声法检测混凝土缺陷的主要影响因素？

1. 耦合状态的影响

测面平整

耦合剂厚度均一

无泥砂粘附

2. 钢筋

换能器离开钢筋一定距离或与钢筋轴线形成一定夹角

3. 水分

力求混凝土处于干燥状态，缺陷内的空气不能被水充填