超声波测试混凝土的基本方法

超声波测试混凝土的基本方法声波在均匀的固体介质中传播时，特别是在金属中定向传播过程中，实际上并没有什么衰减， 而在金属与空气界面上则几乎全被反射回来。这就是利用声波来检测金属零部件均匀性和零件内是 否有气孔、裂缝、铸造等缺陷的物理基础。而混凝土超声探测亦是根据这一原理来研究混凝土的结 构形态。目前比较成功的方法有以下几种类型：（1）用超声波通过混凝土来判断混凝土内部结构的方法，叫透射法或穿透法；（2）用声波所产生的回波信号来研究混凝土内部结构及裂缝位置及波速叫反射法；（3）用声波的界面滑行波来研究岩体的下伏界面速度及界面位置的方法叫折射法；（4）用钻孔来了解混凝土内波速及结构特征随深度的变化，称为孔中测定法。 下面分别介绍各种方法工作的特点及使用条件I透射波（直达波）法：混凝土超声波透射法，是一种简单而效果又是最好的探测方法采用透射法发收、换能器机 电，电机转换效率高，因而在混凝土中的穿透能力相对较强，传播距离相对较长，可以扩大探测 范围。透射波法可以获得较反射波法大几倍，较折射波法大几十倍的能量，因而波形单纯、清楚、 干扰较小，初至清晰，各类波形易于辨认。透射波法要求发射探头和接受探头之间的距离必须能够 准确丈量，否则计算出来的误差值较大，反而影响了测量的精度。当被测对象较破碎，或存在张裂缝时岩体对声波的衰减系数较大，以及做大距离测试，可采用 锤击法。这时接收仍可采用单片弯曲式换能器接收，其谐振频率以 10 千赫左右为宜。因为在混凝 土上加板的激发频率主频约在数千赫。鉴于这时所测声时值较大，发射到接收的系统延时值在数微 秒，可忽略，故不再计较t0的值。II反射波（回波）法用发射、接收换能器检测混凝土质量。超声波在混凝土中传播时，所遇到的每个波阻抗面上， 都将发生反射、透射现象，在有几个波阻抗面存在时，则在每个界面上都将发生反射和透射。这样 我们在混凝土表面上可以观测到一系列依次到达的反射波如图 1 所示，为多层界面反射透射示意 图。反射波的强度不仅与入射波的强度 图1有关外，而且决定界面的反射系数，即决定两种介质的声阻抗。声波在介质中传播过程中，由于波前的发散作用和凝滞及阻尼等吸收作用，波内 稀疏部分与压缩部分中间之热传导及辐射，以及反射波形成过程中都会使入射波的振幅随着传播的 距离增加而迅速衰减，在均匀同性介质中，振幅随距离按指数规律衰减。在各向异性介质中,振幅 一方面要随距离衰减外，而且随着节理、层理、界面曲率、混凝土结构的破碎程度、裂缝的宽度和 长度及与波传播的方向等因素有关，无一定规律的衰减，在计算时，这要看诸影响因素中起主导作 用的是什么，抓住主要矛盾，再考虑其它因素。混凝土不均匀或者由界面破碎等波阻抗面的不同所造成的反射波，当波阻抗面距离小于波形振 动的延续面时，则往往造成两个波形振动带的干涉使之产生叠加，反射波多层薄层分辩率最好的位 置是在发射探头附近，发射和接收探头距离过大，则往往使之浅层反射波振动带来严重干扰下层的 反射波，这时超声波形图将是及其复杂而无法分辨的。因此，在应用反射法时应注意以下几个问题： 接收探头应尽量靠近发射探头，因为这时波具有稳定的强度和一致的波形，这使得反射波容 易追踪。 在发射探头附近的测区内，反射波法可以分辨界面相距较近的反射波。并且干扰最小。 观测点距离发射探头不远时，反射波射线在方向上接近于反射面的法线。因此上部混凝土中 间分界面上折射的影响大大减少，这样就便于认识波形和提高解释的精度。III折射法 适用于表层混凝土有损伤W需要预先埋管或钻孔混凝土声波检测的实例1 混凝土试件的超声波波速测试确定换能器的频率，换能器选择的主要指标是频率，以及由频率计算出的波长入应满足小于 混凝土样横向垂直声线方向尺寸D的2倍，考虑到接收信号的主频率会低于发射频率，因此要求D 三（25）入，同时要求入三d（d为混凝土平均粒径）。反过来确定换能器的频率f=V/入，f =（25）V/D。混凝土样品的测试，在声速可以穿透的情况下尽量选用频率高一些的换能器， 因为这时会有好的指向性。例如45kHz的纵波换能器，在声速为4000m/s的混凝土中，其波长久 = 0.09m，而混凝土试块的尺寸为0.15mX0.15m，即波长入不满足小于混凝土样横向垂直声线方向 尺寸D的2倍这个条件，需要进一步提高换能器的频率。此外，为保证换能器是良好的，有一定的 电声和声电转换效率，其收发传输效率大于 95%。系统的校零。在测试之前，必须测试发射换能器、电路、接收换能器的系统延时值t ,故 每更换一次换能器需重复此项工作一次。的测试方法最简单的是对接法，即将收发换能器的辐 射面间加黄油或凡士林作为偶合剂，并相互紧贴，将发射能量调到最小，读取这时的声时，即为t 0。此外尚有标准棒法，即一个一定长度的铝棒或有机玻璃棒（试验中心现有的标准棒的时间为25.6 M s）,事先在精密仪器上标定了它的声波传播时间t n时，测试标准棒的声波传播时间t m,则t mt n，tn值已在棒上标出，故t 可以获取，或直接调整声波仪的旋钮，使声波穿过标准 棒的时间为t n。当然还有长短棒法，即取同一段有机玻璃棒其直径应不小于50mm，截取25、50、 75、100、120mm数段，分别用仪器依次测取其声波传播时间，如为t、t、t、t、t , 即可做时距曲线，或进行一元线性回归，即可测得t0值，如果能够做到每次的偶合状态均达到最 佳，那么所测得的t0值，基本上与对接法相一致，其相互间的误差仅在0.1m s内，即相当于一个 耦合油层的声波传波时间。测取混凝土样品尺寸，一般可采用卡尺，其精度在0.02mm可满足要求，但对加工面是否平 行应加考虑，方法是采取对混凝土样的两测试面间，改换位置多次测量，以求得两被测面中心点至 中心点间的距离。混凝土超声波的判读与处理：我们主要通过波的到时，以及频率、周期、振幅、相位等定性 定量数据，借以研究混凝土结构和岩体的基本物理力学性质。 详细了解并掌握声波检查仪性能，充分利用仪器的某些特殊设计，如改变脉冲的宽度和输出 发射电压的大小等， 详细了解并掌握换能器的声波指向性，适当选择并安放收发换能器的位置及倾斜角度。 根据研究目的和波形特点，适当选取收、发探头的频率。 换能器的电一声及声一电转换效率与换能器的输出输入阻抗匹配情况有很大影响。应采用磨 平探测点混凝土表面或加耦合剂的办法来改善换能器与混凝土的耦合状态。图2完整辨 波、波速 1为 由时 间纵 速。 选择最佳的观测系统。 消除干扰波。通过实测取得一张 的波形剖面图后，就要对剖面进行震相 认，区分出直达纵波、直达横波、反射 折射波及其它各种转换波。根据波的到时及波形特点，并计算 和研究各类波的所携带的有用信息。图 透射法实测波形图。从图上可以 看出： 标可分别计算发射脉冲到接收探头之 波的初至点及时间间 隔，从而计算波 波形分析及震相的识别是在工作一开始就要考虑的问题，这一工作贯穿在整个声波测试工作的始 终。如在选用探头和探头的安装上就应考虑到突出被测震相，其次要了解各类波的震相特点和利用 各类波的对比才能加以识别。纵波初至时间的测定应尽量增大放大器的增益，这样找到的波形起跳 点“干净”。在增大放大器的增益时，噪声也将随之放大，测定起跳点时，应避免噪声的干扰等产 生的误差。在有高频成分干扰P波初至时，最好采用高频包络线与基准线（0线）的交点作为初至 时刻。当纵波P的初动不明显或初动反向时，需要根据震相特点及波速，波速比等诸因素认真研 究。同时改变探头的耦合条件和倾斜方向，力争使各测点初动方向一致。横波初致时间的确定：由 于S波的初致时间较晚，基本在P波的续至区及其它界面波的干扰区内，因此S波的初至的测定是比较困难的。根据相关经验认为可采用如下措施：把放大器的增益尽量减少，使 P 波振幅几乎 小到与水平基线重合的程度，这时在波列图上只能见到 S 波的振幅，这样可以大体上确定 S 波的 起点。然后，再加大增益，细找 S 波的起始点。一般情况下在 S 波大振幅前面去找周期、振幅、 相位与P波列不同的属S波初至的震相。也可根据纵横波速比值及理论时距曲线法查找初至。仪器的声时准确度检查。空气中声速的测试取常用平面换能器一对，接于声波仪上，开机 预热30min,在空气中将两换能器辐射面对准，在变动两辐射面彼此相隔距离的情况下(如0.1m、 0.15m、0.20m、0.25m、0.30m、0.35m、0.40m),将接收信号尽可能放大，测出相应于各间距的声 时t1，t2, t3.测量时应注意：换能器间距的测量误差应小于或等于0.5% ；换能器宜悬空相对， 若置于地板及桌面上时，需在换能器下面垫以海绵块或泡沫。计算空气的声速：以换能器距离为纵 坐标，声速读数为横坐标，将各组数据点绘在直角坐标图上，各点应在一直线上。在坐标纸上画出 该直线，并算出直线斜率；即为空气声速实测值V。空气声速的标准值按公式v2 = 331.4XJ1 + 0.00367 x T (T为测试时空气的温度)。要求：空气声速的实测值v1和标准值v2的相对误差er 不应大于0.5，否则仪器计时系统不正常。re =(V-V)/v X100%r 1 2 22混凝土缺陷检测 在混凝土结构物的施工及使用过程中，往往会构成一些缺陷和损伤。形成这些缺陷和损伤的原 因是多种多样的，一般而言，主要有4个方面：(1) 施工原因，例如，振捣不足、钢筋网过密而骨料最大粒径选择不当、模板漏浆等所造成的内 部孔洞、不密实区、蜂窝及保护层不足、钢筋外露等；(2) 由于混凝土非外力作用形成的裂缝，例如，在大体积混凝土中因水泥水化热积蓄过多，在凝 固及散热过程中的不均匀收缩而造成的温度裂缝，混凝土干缩及碳化收缩所造成的裂缝；(3) 长期在腐蚀介质或冻融作用下由表及里的层状疏松；(4) 受外力作用所产生的裂缝，例如因龄期不足即行吊装而产生的吊装裂缝等。 虽然形成缺陷和损伤的原因很多，但是缺陷和损伤的形成不外乎图3所示的几种。这些缺陷和损伤往往会严重影响结构 物的承载能力和耐久性，因此，是事故处 理、施工验收、陈旧建筑物安全性鉴定、 进行维修和补强设计的检测项目。图3混凝土缺陷种类示意图所谓混凝土探伤，就是以无损检测的 手段，确定混凝土内部缺陷的存在、大小、 位置和性质的一项专门技术。超声波技术用于材料内部缺陷的探伤始于1928年，首先用于金属材料及其零件。当时制成了 第一台连续超声波探伤仪，它只能探测缺陷的有无，而无法确定缺陷的大小和位置。 1934年提出 了用超声脉冲技术进行探伤。在第二次世界大战中雷达技术迅速发展，采用超声脉冲技术的相应仪 器也随之日臻完善。目前，在金属材料中已应用了超声显像、自动报警等新技术，而且超声波全息 照相技术也得到应用。混凝土探伤技术的发展比金属材料探伤的发展要晚得多，在这方面的研究工 作直到50年代才逐步开始。在我国，直到60年代才受到工程界的重视。 1990年我国制定了超 声法检测混凝土缺陷技术规程(CECS2 21： 90)。金属材料的探伤主要是应用超声波在内部缺陷界面上的反射特征，以反射波作为判断缺陷状态 的基本依据。鉴于混凝土的非均质特性，高频超声波在混凝土中传播时，将受到无数个界面的反射， 若用金属超声探伤仪进行混凝土探伤，难以鉴别出缺陷。因此，混凝土超声探伤的基本原理与金属 探伤不同。混凝土超声探伤采用以下 4点作为判别缺陷的基本依据：(1) 根据低频超声在混凝土中遇到缺陷时的绕射现象，按声时及声程的变化，判别和计算缺陷的 大小；(2) 根据超声波在缺陷界面上产生散射，抵达接收探头时能量显著衰减的现象判断缺陷的存在及 大小；（3）根据超声脉冲各频率成分在遇到缺陷时衰减的程度不同，接收频率明显降低，或接收波频谱 与反射波频谱产生的差异，也可判别内部缺陷；（4）根据超声波在缺陷处的波形转换和叠加，造成接收波形畸变的现象判别缺陷。以上4 点可以单独运用，也可综合运用。根据以上原理，在进行混凝土探伤时所需测量的物理量是声程、声时、衰减量、接收波形及其 频谱，所以，凡是有波形显示的混凝土超声检测仪均可用于探伤。而无波形显示的数字显示声速仪, 虽然也可用于探伤，但它只能提供声时和声速作为唯一的判别依据，因而容易造成误判。2.1混凝土内部孔洞、裂缝及蜂窝状缺陷的探测该点即为缺陷垂直于两探头连线平面的“中心”图4 混凝土内部缺陷的探测传播方向 下式计算：（一）缺陷大小的实际声程计算法 内部缺陷的检测应采用穿透法，其发射及接收探头的布置如图4 所示。在探测时首先在缺陷附 近（图4）的（a）位置，测出无缺陷混凝土的声时值，并按厚度算出声速C （取数点的平均值）， 然后将探头移入缺陷区，并找到声时最长的一点 位置，然后测读出声时值。这时 的声时值应为声波绕过缺陷所需的时间。d = D +；t2C2 - L22假定空洞正好居于厚度 L 的中心，则在超声 上（即两探头连线方向上）的最小横向尺寸可按式中，d为缺陷最小横向尺寸；D为探头直 凝土厚度；C为混凝土声速（C = L/q）；-为超 混凝土时的声时；t2为探头在缺陷中心位置时的 显然，当L与d之比越小时，-与t2之差越大，径； L 为混 声过无 声时。 探测准 确度越高，但当缺陷形状为扁平状或片状的内部裂缝，而且其走向与超声传播方向平行时（见图5 中的a-a位置），L/d将变得很大，-与t2基本相等，这时，这种方法无效。克服的办法是在条件可 能的情况下将探头移过一个角度（见图5中的b-b及e-e位置）。探头位置移动后，进行缺陷尺寸 计算，在（21）式中应改用新的参数代入，例如探头在e-e位置时，缺陷的尺寸d可近似计算如 下：d = 12C2 -L2（2）si cc式中：d为片状缺陷平面内的最小尺寸；Lc为探头间的最短距离；t为探头在e-e位置时，超c声绕过缺陷所需的声时；C为无缺陷混凝土的声速；a为两探头连线与缺陷平面的夹角。 当缺陷小于探头直径时，声时无明显变化，但因缺陷界面的散射将使衰减值增加，接收波的波 高下降，这时应改用衰减值（波高变化）或接收波频率的下降程度作为判别缺陷是否存在的依据。 当探头在某一面积上移动时，发现其中某一点接收波高显著下降，而声时无显著变化，而且探头连 线转过一个角度后有同样现象，则可判为该点有小于探头的缺陷存在（见图 6）。图 5 片状缺陷的走向与探头位置的布置 图 6 小于探头直径的缺陷的判别（二）大面 积扫测的缺陷判别所谓内部缺陷，是指在混凝土表面无外露痕迹的缺陷。在实际结构及构件检测中，不可能在全 部面积上进行全面探测，一般均选择重要受力部位及对施工质量有怀疑的部位进行仔细探测。当需 仔细探测的面积较大时，可用多级网络法描出等声时线,并逐步缩小测区的方法（见图 7），这样可 防止遗漏，同时又避免了大面积的细测。网络的大小可视构件大小而定，例如第一级网络采 30cm 间距，然后在声时变化的点上再划出二级网络(例 10cm),将各等声时点连接起来即成“等声时线”在等 时线的范围中，声时最长的点即为该缺陷区的“中心” 置。用如声位R R 2Sic3)图 7多级网格法探测缺陷区示意图为了定量地确定缺陷的存在，近年来普遍采用 统计方法。其具体方法是用被测构件的各测点声时 值t和超声穿透距离L求出声速C,然后根据已知 的R=f (C)关系，换算出各测点的估算强度R。 假定所有测值总体呈正态分布，求出其平均强度R 和标准差S,则判定某点存在缺陷的依据为若第i点的强度值R.符合上式，则该值出现的概度只有2.27%，即出现的机率极少，如果有， 应是一异常点，可视为存在缺陷的可疑位置。(4)当被测对象的R=f (C)关系不明确，难以将C值换算成R值时，可直接用C值的统计结果 作为判别依据C C 2Sic式中，c为所有测点声速平均值；Sc为声速值的标准差；q为第i点的声速值。当被测构件的厚度不变(即声程L不变)时，也可直接用声时值的统计结果作为判别依据：tiV t +2St(5)式中：t为所有测点声时平均值；St为声时值的标准差；q为第i点的声时值。以上判据中未反映测点的影响。为了更确切地判别缺陷，南京水利科学研究院曾提出如下判别 方法：首先计算出结构物各测点估算强度的平均值R及标准差S，然后分两种情况对各测点进行判 断。1孤立的低强度点计算出该点强度和平均强度之差与样本标准差的倍数z,即(R -R . )/ S=z(6)min式中：R为所有测点的平均强度值；R .为孤立低强度点的强度值；S为强度值的标准差。再min从正态分布表上查得R . = R -zS时出现的概率P,然后算出在N个测点中R .可能出现的次数minminM=NP(7)式中：M为R .在正态分布的数值样本中可能出现的次数；N为测点总数；P为R .在正态分 minmin布的样本中的概率。其判为缺陷的条件是MV1(8)即在正常情况下，这样的强度值是不应当出现的，现在出现了一个点，说明是异常点，应判为 缺陷。2几个相邻点的强度都低于某一最小强度的区通常取最小强度R . = R -2S，即z = 2。这时R .出现的概率为P=2.28%。minmin若在网络测点中，某点A的强度低于R .，其相邻四点中的任一点也低于R .，这种情况出现 minmin的概率为：P=（2.28%） 2X4 = 0.208%同样，当NPV1时，则认为此相邻两点处有缺陷。当被测对象的 R = f （ C ）关系不明确时，也可直接用声速 C 值的统计结果作为判别依据。表1 统计数的个数n与对应的入：，值n141618202224262830入11.471.531.591.641.691.731.771.801.83n323436384042444648入11.861.891.921.941.961.982.002.022.04n505254565860626468入12.052.072.092.102.122.132.142.1552.17n687074788084889095入12.182.192.212.232.242.262.282.292.31n100105110115120125130135140入12.322.342.362.382.402.412.422.432.45n145150155160170180190200210入12.462.482.492.502.522.542.562.572.59中国工程建设标准化协会1990年公布的超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS21： 90） 中推荐采用下述方法进行判别：首先将测区内各测点的声时值（t.）由小到大按顺序排列，即t1t2-tX0时，则应再将Xn+1放进去重新计算X和SX，并求出新的判断值X0,把X0与 X +1作比较。+1当测区中某些点声时值（或声速值）、波幅值（或频率值）被判为异常值时，可结合异常测点 的分布及波形状况，确定混凝土内部缺陷的范围。必须指出，波幅值和频率值是与衰减密切相关的两个参数，因此，它们必然受耦合条件的明显 影响，若耦合条件保证不了波幅和频率测值的稳定，则该参数不能作为统计法的判据。以上判据，改变了原来完全经验性的判别方法，使缺陷的判别数值化。但这一判别方法尚待完 善。其问题在于：上述判据均假定缺陷检测时，所有的测值的总体满足正态分布规律。但事实上， 在有缺陷存在的情况下，测值的分布与常用的混凝土强度分布规律不同，缺陷越多，则偏离正态分 布规律越远。而且，S值随着混凝土均一性的不同而变化，当混凝土均匀性较差时，S值很大，这 时很可能会掩盖真正的缺陷。所以,一个构件或结构均匀性很差或缺陷较多时，采用上述判据会产 生漏判。（三）缺陷的声时、振幅、波形综合判断 在第一节中已阐明，缺陷的存在，除了反映在超声传播时间延长外，还反映在接收波幅度降低（衰减）和波形畸变。如能综合运用这些因素进行判断，必能提高判断的准确性。若在探测时测得各测点的声时值t （或声速C）、接收波波幅A （或衰减系数a）的相对值，则大体 上可参考表22 进行定性判断。同时，也可参考接收波的波形。如果声时偏大，波幅偏小，而且 波形畸变，则可以肯定混凝土质量有缺陷。为了能定量地用声时、波幅和接收波频率来判断缺陷的存在，南京水利科学研究院提出了一个 综合质量指标KcomA (f n)ii11)t mi式中：K 为判断缺陷的综合值；f.为某测点接收波频率，kHz； A.为某测点接收波波幅，NP, dB com i i或mm； t.为某测点声时值；“s, m，n为常数。表 2 综合定性判断表衰减声时t正常（C正常）t正常（C偏大）t正常（C偏小）A正常（a正常）强度正常强度较咼强度较低有局部缺陷A正常（a偏小）强度正常或偏咼强度较咼质量较好强度正常混凝土浆多石少强度正常但表面层差强度正常强度偏低质量不良A正常（a偏大）不良或有内部缺陷混凝土石多浆少内部有缺陷在综合指标中，引入m，n两项常数项的原因是：由于混凝土质量变化时，A、f、t的变化幅 度很不一致，其中A的变化幅度最大，t的变化幅度最小，因而三者对K 的制约权数不等。为 com了改善这种状况，引入m、n常项。m、n值的确定，以使A、f、t三者的变异系数相等为原则，可按下式计算：(12)式中：SA为各测点接收波波幅测值的标准值；A为各测点接收波波幅测值的平均值；SF为各 测点接收波频率减去n后的标准差；f为各测点接收频率减去n后的平均值；ST为各测点声时值 减去m后的标准差；t为各测点声时值减去m后的平均值。随着超声检测仪器的迅速发展，在探伤中若能采用具有波形数字采集和处理功能的智能型仪器，则可通过机内自动判读功能和频谱分析功能，迅速而准确地获得各测点的声时、幅值、主频率、 频谱畸变系数等许多参数。因此，多因素综合判断是缺陷判断的必然趋势。随着可利用参数的增多， 综合判断的模式也会不断发展。近年来，聚类分析、模糊综合评判等模糊数学的多因素综合判断方 法都已被引用于探伤技术，这些进展必将使混凝土测缺陷的数值判据更准确、更科学、更完善。2.2混凝土裂缝深度的探测混凝土开口垂直裂缝深度的探测，可视构件的形状及裂缝位置的不同，采用穿透法和平测法。1）当垂直于裂缝的构件断面不大时，可在平行于裂缝的两侧面上用穿透法进行探测。探测时将时，声够传缝深探头沿构件侧面逐点移动，当两探头连线未与裂缝平面相交 时不变，两者相交后声时逐渐拉长。在采用这一探测方法时，假定裂缝中没有积水和其它能 声的夹杂物，事实上这是不可能的。因此，用该法探测的裂度往往小于实际深度。为了避免误判，也可采用波高法作为辅助判据。当接收信号的波高显著下降， 而且越来越低，不再回升时，即使声时未明显增大，也应将波高开始下降的那一点对应的高度判为 裂缝的深度。此外，由于裂缝中的某些夹杂物形成声通路，声时会突然减小，但波高不会完全恢复， 因而据此还可排除夹杂物的影响。如果裂缝中充满水，则可采用横波探头消除水的干扰。 （2）当结构物断面很大，无法在侧面用穿 透法测量时，可用开口垂直裂缝的深度平测法探测，其探测与判断方式可采用图 6 的方式。对于图8 所示的方式，首先将探头在无裂缝处用平测法测出混凝土的声速。测量时，所选的区域中混凝土的各种条件包括配比、湿度条件等均与裂缝区图 8 平测法探测裂缝深度的探头布置混凝土的相同。C值取多次测量的平均值，然后将探头等距离地置于裂缝两侧，读出声波绕过裂缝末梢时的声时值。根据几何关系，有DC2 = AC2 1AB24(13)AC =1 Ct2 1(14)1 1 将(14)代入(13)得DC2 =(Ct )2 AB22、 1(15)式中：dc即为裂缝深度h； C为无缺陷处混凝土的声速；t1为声波绕过裂缝所需的声时；AB即为探头间距 d。（15）式又可改写为：h = Lg ）212（16）2“ i试验证明，探头与裂缝的距离AD、DB与裂缝深度DC相接近为宜。若A、B相距太远，则AB 的长度与折线AC、DB的长度之差减少，这样，由于混凝土的非均质性，按（16）式计算时甚至 会得出负值；若A、B相距太近，绕行信号减弱，有可能被底面反射信号所干扰，计算结果会接近 或超过结构物的厚度。当有钢筋穿过裂缝时，如探头靠近钢筋，则会影响测量结果，若钢筋与换能器连线间的距离D 较小时，部分声波将折射人钢筋并沿钢筋传播且先于绕裂缝末端传播的声波到达接收换能器。显然， 这时的钢筋象一座搭在深谷（裂缝）上的“桥”，使声波的传播“短路”，结果是：计算得的裂缝深 度变小，甚至为负数。此时探头应避开钢筋。应避开的最短距离可计算如下：如图 9 所示情况，若无钢筋影响，则可运用（16）式，所以绕过裂缝的声时应为：t = - v4h 2 121 C当存在钢筋时，通过钢筋所需的声时t,可根据下式计算，即: 欲使钢筋对裂缝深度的探测不造成影响，必须使心5所以，s1C 2 C 2112 D s +4h 2 12C 2 C 2CC18 ) 化简后得：D（19）(17)CssC 4h2 +12 dl#2C2 C2D就是为了避免钢筋影响。D为钢筋与探头的最小距离;为钢筋声速；C为混凝土声速。对于一般估算，D可取1.5h左右。在平测法测裂缝中有一个有趣的现象，那就是波形反相。当我们从短测距开始作跨缝测量时， 随着测距增大，到某一测距时，会发现波形发生翻转，这就是波形反相。例如，当换能器在裂缝两 侧相距15cm时，波形如图10 a）,首波是向下的。当测距增加至20cm时，波形变成图10 b）,首 波变成向上。图10波形反相的：首波反跨缝测量中首波反相的原因有待进一步探讨，但有一点是明确 相是在换能器间距离大致为裂缝深度的11.5倍左右时发生。 2.3斜裂缝的探测对于斜裂缝的探测，不仅要求测出其深度，而且还要求测出其走向，一般可采用三角形定位法 和双椭圆定位法。图11所示即为三角形定位法示意图。测试时，首先在裂缝附近测出混凝土的平均声速C,然 后将其中一个探头固定于A位置，另一探头移至E及D,测出声波经AB + BE所需的声时t1及经AB + BD的声时t2,即可得出以下方程:AB + BE = t C1(20)AB + BD = t C2(21)BE2 = AB2 +12 一 2ABl cosa(22)22BD 2 = AB 2 +12 一 2ABl c o a(23)11将实测的c、t、t2、1、l2等代入（20）、（21）、（22）、（23）式，并解出未知项，即可由AABEA 或AABD确定裂缝的走向和深度。图 12 为双图 11斜裂缝的三角形定位法示意图 图 12斜裂缝的椭圆判定法示意图椭圆定位法示意图，在测出混凝土的声速C后，将两探头分别置于A、B及A /、B /位置，取AB = AB = 2J。若测出声波沿AD、DB传播的声时t1及沿AD、DB传播的声时t2。由于AD + BD = Ct = 2a11因此，分别以A、B及A，、B /为焦点，以ab1及a2、b2作为长、短轴，即可得到两个椭圆方程：x2y 24 +4 二 1a 2b211XL + 22 二 1a 2b222(24)若取同一坐标系，则可得：x2y 24 +4 二 1 ,a 2 b211(25)(x + M )2y21 + 2 = 1 a 2b222显然，裂缝的末端必在这两个椭圆的交点上。所以，解（25）式即可求出裂缝末梢的座标位置 为简化计算，也可用作图法定位。2.4混凝土承载时微裂缝增生过程的测量近年来应用超声探伤技术已成为研究混凝土力学性能的重要手段。过程的探头布置征 声程 仍以 另一 波形 示的 的大 力方 头较 因而 之， 化的在进行微裂缝增生过程的测量时，仍然以声速的变化作为特 值。因为随着微裂缝的增加，声波需绕过裂缝传播。因此，实际 随微裂缝数量和大小的增加而增加，声时值也随之增大，若这时 探头间距作为声程，则所求出的声速明显下降。造成声速下降的 个原因，是由于声波因微裂缝的散射而严重衰减。这时由于接收 起点误判所引起的声时延长也使表面声速下降。后者在无波形显 数字示声速仪上更为明显。所以，声速的变化相应地反映微裂缝 小和数量。在压应力的作用下，混凝土中微裂缝的发展方向与压 向相近，所以布置探头时，两探头连线应垂直于压力方向,这样探 为敏感（见图 13），这时超声传播方向与部分裂缝平面相垂直， 超声需绕行的声程较长，散射也较严重，声速变化较为明显，反根据这一原理，若在不同的位置布置探头，按各对探头间声速变 不同，又能判断出在外力作用下混凝土微裂缝的开展方向。图14 为混凝土应力应变过程中各个不同阶段的声速变化情况。从应力变全过程曲线及声速变化曲线可以看出，整个过程大体上可分为4 个阶段：第一阶段即应力与强度极限之比小于0.4 时，应力应变曲线接近于直线，超声速度基本上不变。在这一阶段中，混凝土初始微裂缝尚未开展；第二阶段，应力与强度极限之比约为0.40.7 或0.40.9,应力应变曲线开始弯曲，声速稍有下降。这时混凝土中的原始界面裂缝开始扩展；第 三阶段，应力与强度极限之比约为0.81.0，这时界面微裂缝穿过砂浆形成贯穿裂缝，应力应变曲 线明显弯曲，达到峰值点，由于裂缝的迅速扩展和贯穿，使声速急剧下降。第四阶段，已超过了极限应力，混凝土严重开裂，只能依靠开裂面的机械啮合作用承受荷载。这时变形迅速增大，承载能 力逐步下降，声速也随之下降。图 14 混凝土不同破坏阶段时的声速变化由以上试验 可知，当试件承受压应力的作用时， 声速的变化能明确地反映试件内部裂缝的增生情况，并与应力应变曲线有着相应的关系。这就使我 们能从微裂缝开展的角度，解释混凝土应力应变的种种现象。2.5两次浇筑的混凝土之间结合质量的检测对于一些大体积混凝土和钢筋混凝土框架等重要结构物，为保证其整体性。应该连续不间断地 一次浇筑完混凝土，但有时因施工工艺的需要或因停电、停水等意外原因，在混凝土浇筑的中途停 顿间歇时间超过三个小时后再继续浇筑；还有已浇筑好的混凝土结构物，有时因某些原因需要加固 补强，进行第二次混凝土浇筑。在同一个结构或构件上两次浇筑的混凝土之间，应保持良好的结合， 使其形成一个整体，共同承担荷载，方能确保结构的安全使用。但是，在做第二次混凝土浇筑时， 对已硬化混凝土表面的处理往往不能完全满足设计要求，浇筑工序上也难免出现这样或那样的问 题。因此，人们对两次浇筑的混凝土之间结合质量特别关心，希望能采用有效的方法进行检验。超 声脉冲技术的应用，为两次浇筑的混凝土结合质量提供了较有效的途径。2.5.1 测试方法超声脉冲波检验两次浇筑的混凝土结合面质量，一般采用穿过与不穿过结合面的脉冲波声速、波幅和频率等声学参数相比较进行判断方法。换能器的布置方法如图 15所示。为保证各测点具有一定可比性，每一对测点应保持其测线的倾斜度一致，测距相等。测点间距应根据被测结构的尺寸的结合面的外观质量情况确定，一般为100mm-300mmm，间距过大易造成 缺陷漏检的危险。2.5.2数据处理及判定图 15 检测结合面的换能器布置两次浇筑的混凝土结合面质量的判定方法基本相同。当结合面为施工缝时，因前后两次浇筑的 混凝土原材料、强度等级、工艺条件等基本一致，如果两次的混凝土结合的良好，脉冲波通过与不 通过施工缝的声学参数应基本一致，可以认为这些数据来自同一个母体。因此，可以把过缝与不过 缝的声时（或声速）、波幅或频率测量值放在一起，分别进行排列统计。当施工缝中局部地方存在 疏松、孔隙或填进杂物时该部位混凝土失去连续性脉冲波通过时，其波幅和频率会明显降低，声时 也有不同程度增大，据此凡被判为异常值的测点，查明其他原因影响时，可以判定这些部位施工缝 结合不良。对于结构物进行修补加固所形成的混凝土结合面，因两次浇筑混凝土的间隔时间较长，而且 加固补强用的混凝土往往比结构物原来的混凝土高一个强度等级。骨料级配和施工工艺条件也与原 来混凝土不一样。所以可以说两次浇筑的混凝土不属于同一母体，但如果结合面两侧的混凝土厚度 之比保持不变，通过结合面的脉冲波，其声学参数反映了该两种混凝土的平均质量。因此，仍然可 以将通过结合面各测点的声时、波幅和频率测量值按本章第四节一、二所述的方法进行统计和判别。 被判为异常值的测点，查明无其他原因影响时，即判定这些部位的新老混凝土结合不良。在一般工业与民用建筑中，混凝土结合面质量检验的机会相当多，大量实践表明，采用超声 脉冲检测是相当有效的。某工程B15#柱施工缝检测。该柱断面的尺寸为500mmx500mm,距地面1.9m处有一施工缝，米用过缝与不过缝斜测方法 声时和波幅测量值见表3表 3声时和波幅测量值用声时统计的判别结果，过缝的 t3、t4、t8、 t9、t12、t15 为异常值。用波幅统计和判别结果，过缝的 A1、A3、A4、A8、A12、A15 为异常值。2.6表面损伤层检测从过缝测点的分布情况看，这些异常测点分 布在施工缝的四周，经过凿开检查，四周的混凝土 确实差，尤其是西南角存在松散石子的蜂窝孔隙， 尺寸见图16 所示。图 17 假设声速分布图 18 实际声速分布混凝土和钢筋混凝土结构物，在施工和使 用过程中，其表面层会在物理和化学的因素作 用下受到损坏。物理因素大致有火焰和冰冻； 化学因素大致有酸、碱盐类。结构物受到这些 因素作用时其表层损坏程度除了作用时间的 长短及反复循环次数有关外，还与混凝土本身 的某些物质有关系，例如体积比表面积大、龄 期、水泥用量、水灰比及捣实程度等。 在考察上述问题时，人们都假定混凝土的损伤 层与未损伤部份具有明显的分界线。实际情况并非如此，国外一些研究人员曾用射线照相法观察因化学作用对混凝土产生的腐蚀情况。发现损伤层与未损伤部份不存在明显的界限。从我们的工程实测结果来看，也反映了此种情况，总是最外层损伤严重，越向里深入，损伤程度越轻，其强度和声 速的分布应该是连续圆滑的，如图18 所示。但人们为了计算方便，损伤层与未损伤部分简单地分 为两层来考虑，计算模型如图 17所示。2.6.1 测试方法超声脉冲法检测混凝土表面损伤层厚度的方法大致有两种：1、单面平测法此法可应用于仅有一个可测表面的结构，也可就应用于损伤层位于两个对应面上的结构或构图 19 平测损伤层厚度再将接件。如图 19 所示，将发射换能器 T 置于测试面某一点保持不变， 收换能器R以测距戸00、150、200mm,依次置于各点，读取相应的声时值此法的基本原理是，当T、R换能器的间距较近时，脉冲波沿表面损伤层传播的时间最短，首 先到达接收换能器，此时读取的声时值反映了损伤层混凝土的传播速度。当T、R换能器的间距较 大时，脉冲波透过损伤层沿着未损伤混凝土传播的时间短，此时读取的声时中大部分是反映未损伤 混凝土的传播速度。当T、R换能器的间距达到某一测距t0时，沿损伤层传播的脉冲波与经过两次 角度沿未损伤混传播的脉冲波同时到达接收换能器，此时便有下面的等式：26)l 2l 2 x4 d 2 + x2 + ov vv1 1 2式中d损伤厚度；xv1损伤层混凝土声速；l，v1由于t -十，所以（5-18）式可改写成1穿过损伤层传播路径的水平投影;v2未损伤混凝土声速t 2(d 2 + X 2)2 2 X1 v127)dt取0dxx2v2(d2 + x)11v2228)将（ 28）式整理并取正值，得d - vx v 2 一 v 22 1 再将( 29)式代入( 27)式得29)整理后得：l 2/7 d 2 -12 1亠 (d 2 + 1 )2vvv2 v2112 1d - v1Iv V；v2 一 v22 2 11 : v - vd -0212 v + v2 130)( 31 )由于平面式换能器辐射声场的扩散角与其频率成反比，频率越低，声场的扩散越大，平测时传 播到接收换能器的脉冲信号越强，所以平测法一般都采用 3050kHz 的低频换能器。这种方法还可以用来测量双层结构中不可测层的脉冲传播速度。但是必要的测试条件是，要求 内层声速（v2）大于面层的声速（v1）o有时由于损伤程度较轻或损伤层厚度不大，可能出现v1 v2的差值不大。因此，测量时必须准确测量T、R换能器之间的距离。2、逐层穿透法事先在损伤结构的一对平行表面上，分别钻出一对对不同深度的测试孔，孔径为50mm左右, 然后用直径小于50mm的平面式换能器，分别在不同深度的一对测孔中进行测试，读取声时值和测试距离，并计算其声速值。或者在结构同一位置先测一次声速，然后凿开一定深度的测孔，在孔中 测一次声速，再将测孔增加一定深度，再测声速，直至两次测得的声速之差小于2%或接近于最大 值时为止，如图17 所示。该方法不仅对结图 20 逐层穿透测损伤层厚度构造成局部破损，而且钻孔和凿孔很费事，还必须将孔底处理平整才能进行有效测试，操作相当麻烦。但局部凿开不仅可以测量混凝土的声速， 还可以根据敲凿的难易程度给碎屑的外观质量情况，进行综合判断，在一般情况下，其检测结果的 可靠性较高，因此仍不失为一种值得推广应用的方法。2.6.2损伤层厚度判定当采用单面平测时，将各测点的声时测值 t1 的相应的测距 绘制“时-距”坐标图。如图21所示，两条直线的交点B所对 测距定为10，直线AB的斜率，便是损伤层混凝土的声速v1, BC的斜率，便是未损伤混凝土的声速v2，则有：v = tga = A 2（32）1At1-2Alv 二 tg0 二 3-5（33）2Al3-5根据（31）式便可计算损伤层厚度d。为便于绘制“时-距”图， 测区的测点数不得少 测点数要大于 5 点，如果被测结构各测区的损伤层厚度差异较 应适当增加测区数。当采用逐层穿透法检测时，可将每次测量 速值（V）和测孔深度值（h）绘制“v-h”曲线，如图19所示，当 趋于基本稳定的测孔深度，便是混凝土损伤层的厚度h。每值 l1 应的 直线大， 的声 声速实例一 某招待所框架结构，当浇筑好第三层柱的混凝土，正进行第四层楼板和大梁支模（木模） 的绑扎钢筋时，发生了火灾，几十根柱子遭受不同程度的烧伤，检测时采用单面平测与穿透对测相 结合的方法，按单面平测法测得的“时距”曲线如图5-24所示。由坐标图上查得v1=tga =3.2-2.9km/s； v2=tgP =4.17km/s。再将局部表层凿去50mm左右磨平后再进行平测，得到图中虚线（2）,其声速 v2= 4.14km/s。又凿柱子根部，基本未受火灾损伤，采用穿透对测，得声速v=4.0-4.13 km/s。由此证 明由“t-l”图计算的值是可靠的，能代表未损伤混凝土的声速。根据2-3式计算各柱的烧伤层厚度为47mm-65mm迎火面厚一些，背火面浅一些，距火源近的柱子 烧伤较深，距火源远的几根柱子烧伤很轻微。实例二 某学校教学楼门厅冻伤程度检测2.7 混凝土匀图 23“时距曲线”图 24所谓匀1.在构件表面测试或同一批构2.凿去表面5 cm测试验。混凝土均冻伤层厚度（阴影区） 质性检验质性检验，是对整个结构物 件的混凝土质量均匀性的检 质性检验的传统方法是，在采用单面平测和穿透对测相结合的进行检测。按平测法绘制“t-l”曲线查得的v=2.30-2.90km/s； v=4.0-4.17km/s，采用穿透对测法对未受冻柱子测得声速为：4.01-4.18km/s；对受冻严重的部位（在 柱子边缘对测）测得冻伤层声速为2.30-2.50km/s，按（5-23）式计算得冻伤层厚d=60mm-110mm， 如图 24所示，迎风的东北侧面冻伤较深，与实际情况相符。结构物浇筑混凝土时，现场取样制作混凝土标准试块，以其破坏强度的统计值来评价混凝土的匀质性水平。这种方法存在一些局限性，例如：试块的数量有限；因结构的配筋率、几何尺寸及成型方 法的不同，其混凝土的密实程度与标准试块相比，必须存在较大差异；构件与试块的硬化条件（养护温度、失水快慢等）不同对待。除此之外，还可能遇着一些偶然因素的影响。由此可以说标准试 块的强度，很难全面反映结构混凝土的质量情况。由于超声脉冲法是直接在结构上进行全面检测，虽然目前的测试精度还不太高，但其数据代表 性较强，因此用此法检验混凝土的匀性质具有一定实际意义。国际标准及国际材料和结构试验室协 会（RILEM ）的建议，都确认用超声脉冲法检验混凝土的匀质性是一种有效的方法。一般采用平面式换能器进行穿透对测法检测结构混凝土的匀质性，要求被测结构应具备一对相 互平行的测试表面，并保持平整、干净。先在两个测试面上分别画出等间距的网格，并编上对应的 测点序号。网格的间距大小取决于结构的种类和测试要求，一般为200mm500mm。对于测距较 小，质量要求较高的结构，测点间距宜小些，测距较大的大体积结构，测点间距可适当取大些。测试时，应使T、R换能器在对应的一对测点上保持良好耦合状态，逐点读取声时值t.。超声 测距的测量方法可根据构件的实际情况确定，如果各测点的测距完全一致，便可在构件的不同部位 抽测几次，取其平均值作为该构件的超声测距值1。当各测点的测距不尽相同（相差）时，应 分别进行测量。有条件最好采用专用工具逐点测量1.值。为了比较或评价混凝土质量均匀性的优劣，需要应用数理统计学中两个特征值标准差和离 差系数（亦称变异系数）。在数理统计中，常用标准差来判断一组测量值的波动情况或比较几组测 量过程的准确程度。但标准差只能有效地反映一组观测值的波动情况，要比较几组测量过程的准确 程度，则概念就不够明确，没有统一的基数，便缺乏可比性。例如，有两批混凝土元件，分别测得 混凝土强度的平均值为20MPa、45MPa，标准差为4MPa、5MPa，仅从标准差来看，前者的强度 较均匀，其实不然，如以标准差除以其平均值，则分别为0.2和0.11，实际上是后者的强度均匀性 较好。所以人们除了用标准差以外，还常采用离差系数来反映一组或比较几级观测数据的离散程度。 1、混凝土的超速值按下式计算：34)iti式中V.第I点混凝土声速值（km/s）1厂第I点超声测距值（mm）t第I测读声时值（m s）.2、混凝土声速的平均值、标准差及离差系数分别按下列公式计算：35)36)nm二十乙vv n ii=iS =.：(Y v 2 - n - m 2)/(n -1)viv=1x37)vmv式中m 混凝土声速平均值（km/s）；VS 一混凝土声速的标准差（km/s）；VCv混凝土声速的离差系数；N测点数。如果按“v-f”相关关系将混凝土测点声速换算成强度值，再进行强度平均值、标准差和离差 系数的计算更好。由于混凝土的强度与其超声脉冲传播速度之间存在较密切的相关关系，结构上各测点声速值的 波动，基本反映了混凝土强度质量的波动情况，因此可以用混凝土声速的标准差（S ）和离差系数 （C）来分析比较相同测距的同类结构混凝土质量均匀性的优劣。v但是，由于混凝土的声速与其强度之间存在的相关关系并非线性，所以用声速统计的标准差和离差系数，与现行验收规范以标准试块 28 天的抗压强度统计的标准差和离差系数不属于同一量值。所以最好将声速值换算成混凝土强度，以强度的标准差和离差系数，来评价同一批混凝土的匀质性等级。2.8混凝土灌注桩质量的超声脉冲透射法的检测方式1、双孔检测在桩内预埋两根以上的管道，把发射探头和接收探头分别置于两根管道中（如图 7-1 所示）， 检测时超声脉冲穿过两管道之间的混凝土，这种检测方式的实际有效范围，即为超声脉冲从发射探 头到接收探头所穿过的范围。随着两探头沿桩的纵轴方向同步升降，使超声脉冲扫过桩的整个纵剖 面，从而可得到各项声参数沿桩的纵剖面的变化数据。基于实测时是沿纵剖面逐点移动换能器、逐 点测读各项声参数，因此，测点间距应视要求而定。通常当用手动提接探头时，测点间距一般采用2040cm，若遇到缺陷可疑区，应加密测点。为了避免水平裂缝被漏测，可采用斜测方法，即两