混凝土无损检测技术讲稿.doc

结构混凝土无损检测技术结构混凝土无损检测技术是以声、光、电、磁、力或变形等物理量，与混凝土组份及构造的关系，或根据预先试验及数理统计建立的相关性，推定评判混凝土的强度和缺陷或损伤的方法。无损检测技术的特点：1. 检测过程无损于材料、结构的组织和使用性能；2. 直接在构筑物上检测并推定混凝土强度、评判结构混凝土的缺陷或损伤；3. 重测或复检方便，重复性好；4. 方法简便，检测随机性强；5. 由于间接评判，存在着系统操作误差和随机抽样误差；6. 影响因素较多，专业性和检测操作要求较高。一、 超声波检测技术基本知识超声波是械机波 振动是波动产生的根源，波动是振动的传播过程。声频 20000HZ 称超声，混凝土超声检测频率范围： 20200KHZ 一般用40100 KHZ1. 超声波基本物理量： = （1） 波长（cm） V 介质的波速（km/s） f 超声频率（KHz） T 波的周期（s）按（1）式，对一定波速的介质，给定超声波探测的频率，可以确定波长。探测混凝土内部缺陷线度大小往往以所用的超声波长来复核，超声波长与所测的缺陷线度大小相当，或小于缺陷尺寸，检测的灵敏度较高，波长超过缺陷线度，探测的灵敏度则低。用高频短波长探测还要兼顾接收信号和首波幅度可鉴为基础。因为探测频率过高。能量衰减较大，甚至接受不到信号。2. 超声波型： （1） 纵波（代表符号P）介质中质点振动方向与波传播方向一致，称为纵波（见PP1），即介质受拉伸压缩的交变应力。固体、液体、气体具有容变弹性，所以纵波能在固、液、气介质中传播。在块体中纵波波速： （2）在板中纵波波速： （3）在杆中纵波波速： （4） E 动弹模量（N/m2） 介质密度（g/cm3） 泊松系数（2）横波(代号S) 介质质点的振动方向与波的传播方向相垂直，称为横波（见PP1）。横波使介质产生剪切变形，液体、气体无一定形状。形变时不产生切变应力。故液、气中不能传播横向。 横波传速： （5） G 剪切模量（N/m2） （3）表面波（代号R） 固体介质表面受交变张力，使介质表面发生相应的纵向和横向合成振动，围绕平衡位置作椭圆振动（见PP1），表面波只能在固体中传播。表面波波速： （6） （当=0.28） （当=0.28） 所以： 当混凝土的泊松比介于0.200.30之间，介于1.631.87之间。即在混凝土中，纵波速度为横波速度的1.631.87倍。3. 超声场的结构（见PP2）圆盘波源辐射的声场，声能按一定规律单向辐射声波束。近场长度为 D 晶片直径 波长 在紧贴晶片部分声压分布不均匀，区内干涉最严重、影响探测结果，称为盲区。 声束指向性：超声波集中一定区域并向一个方向强烈辐射的现象，称为声场的指向特性，又以半扩散角表示： 圆晶片 方晶片 （波 D晶片直径 晶片边长）指向特性由声场中心线与主声束边缘之间的夹角来描述 。越小，指向性越好，灵敏度和分辨率也越高。 混凝土超声检测的频率低，半扩散角大，除可以作对测之外，还可以作斜测，角测和平测。4. 超声入射波的反射和折射：（1）垂直入射波时声压反射率和透射率：声压反射率 _（7） 声压透射率 _（8） _第一界质的声阻抗， _第二界质的声阻抗。当Z1=Z2时 则R=0 D=1 即声能全透射。当Z2 Z1 即 时 则R=1 D=0 即声能全反射（2）声波斜射进入介质中波型转换特性（见PP图列）a. 反射折射定律： （9）b. 第一临界角 Sin-1 （10）(即第二界质中超声纵波的折射角为900) 第二临界角 Sin-1 (11) (即第二界质中超声横波的折射角为900) c. 倾斜入射波:不同介质中波型转换（见pp图列）L纵波 ，T横波，入射角，反射角， 折射角5. 超声波的衰减（1） 衰减系数及衰减量： 声波在介质中传播过程，其振幅随过声波传播距离的增大而逐渐减小衰减。a.衰减系数声波在任何介质中传播声能均产生衰减，衰减大小变化与超声频率及传播距离有关，也与材料的内部结构及性质有关。超声传播，其声压随距离的增加而降低，其衰减按指数方式变化： 取自然对数： （奈培/cm） （分贝/cm） b. 衰减量： Np=ln (奈培) （ 传播x距离的接收声压，P0 传播距离为0的声压）dB=20lg=20lg （分贝）（A1 接收信号首波幅度，A0基准的首波幅度） 由于声压比是无量纲的，声压与接收信号的振幅成正比关系，也可以用振幅变化代替声压变化，因此，衰减量计算可用： （分贝） 分贝值为负称衰减；分贝值为正称增益。 （2）混凝土中声波衰减的原因a 吸收衰减（）：材料的粘滞性吸收声能；质量振动内摩擦使声能转变为热能，与探测频率成正比。b. 散射衰减（）：混凝土中颗粒结构、缺陷、夹杂等构成相当复杂的声学界面，导致声波杂乱的反射、折射和波型转换，微粒共振呈现新振源向四周发射等，是造成声能散射的基本原因，散射是超声波声能衰减的主要因素，与探测频 成正比。上述两项总的声能衰减 （A、B、C为常数）c. 扩散衰减：发射换能器发出的声波束存在一定的扩散角，使声能逐渐扩散，即单位面积的能量随声波传播距离的增大而减弱，称扩散衰减，它与辐射器的扩散性能及波的几何形状有关，而与介质的性质无关。计算时是个恒量，不影响衰减系数计称和比较分析。6.超声波换能器电声相互转换的器具（见pp图列）换能器核心元件是压电陶瓷晶片，它具有压电效应，即有电声或声电转换的性能，常用的压电晶片材料有锆钛酸铅，还有钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）、偏铌酸铅（PbNb2O6）等。 压电效应物理意义：单晶和多晶陶瓷材料在应力（压、拉）作用下，产生应变时，晶体产生极化或电场正压电效应，当晶体处于电场中，由于极化作用，晶体产生应变或应力逆压电效应。压电陶瓷使用温度不应超过居里点，如PZT-4发射型的居里点为328，PZT-5接收型的居里点为365。PZT-A厚度纵向振动的频率常数为2000HZm，如陶瓷晶片取厚度4mm，则其厚度纵向谐振频率为：超声换能器的结构形式见PP图例。频率200500KHZ的纵波换能器，采用厚度振动的压电陶瓷换能器，频率100KHZ以下的纵波换能器大多采用夹心式或单片弯曲型和增压式的。混凝土检测用的换能器中压电晶片有厚度振动和径向振动之分。二、结构混凝土、钢管混凝土、钻孔灌注桩质量超声检测 1、超声波检测原理与质量评判1）超声脉冲法检测混凝土缺陷装置框图2）接收波形超声参量标识T 超声波在试件测距内传播的声时净值（应扣除t0）（us）A 接收信号首波幅度值（dB）f 接收信号的频率（KHz）接收信号频率计算式：波形判别波形包络面积大小，脉冲波震荡延续性或首波有无畸变等。3） 混凝土内缺陷与超声检测参量的关系。波形示意 参数比较 t1、 A1、f1为参照量 t1A2， f1 f2 t1 t3 A3， f3t2，A4A3，f4f3 4）混凝土缺陷评判方法A. 超声接收信号声时、首波幅度、频率和波形综合分析评判。 声 时 反映声波直接传播或绕射传播过程中时间的差异，即在相同测距内声速差异。 首波幅度 声波在不同的声学界面，因介质声阻抗不同，引起声能反射或透射差异，反映声能衰减, 首波幅度下降。 混凝土水 声能反射率为73% 混凝土空气 声能反射率为99.9% 信号频率 声波随着在混凝土测距内传播，频率逐渐下降，遇不密实或缺陷区，其结果频率下降更甚。波 形因混凝土不密实、不均匀，声波传播产生反射、折射、绕射，叠加结果导致波形畸变.B. 概率方法评判a) 概率分布概念b) 概率评判法l 按声时数据由小至大排列。求检测数据平均值mt和标准查st再按式X0=mt+st逐步算得临介值xt，用以判断可疑值；若按声速V，幅值A，或频率f判断，检查数据可由大至小排列，计算检测数据的平均值Mv、Ma、Mf及相应的标准差SV、SA、Sf按公式 X0=MX-St 逐步算得临介值X0，用以判断可疑值.l 直接取2的判据按XX=mx2Sx计算。即小概率p=2.27%测点数量np1， 则Xx为正常的测点例如：30组超声实测声速平均值mv=4.3km/s，声速最小值vmin=4.0km/s 均方差Sv=0.15km/s 由 vmin =mv则 =根据 的小概率p=2.27%. n=30 np=302.27%=0.683400m/s，证明检测时超声波为直接穿透钢管混凝土的，而按为4300m/s、4200m/s计算，则分别为1.27与1.24。 声通路将主要取决于核心混凝土的探测距离，而超声波收、发换能器接触的两层钢管壁厚相对于钢管混凝土直径的测距是很短的，对“声时”检测的影响不会比钢筋混凝土中垂直声通路排置钢筋的影响大。通过核心混凝土和钢管混凝土穿透对测的比较，钢管壁对钢管混凝土缺陷检测的声时影响很小，“测缺”时，声时变化以相对比较，一般可以采用钢管外径作为超声对测的传播测距考虑。6）孔灌注桩完整性PSD判据法 (1)式中： ti 桩中第i点测距的超声传播声时（s） Hi第i点检测深度（cm）a) 缺陷为夹层或断桩 所以 根据(1)式得 式中： L测距（cm） V1正常混凝土的声速（cm/s） V2砂，砾石混合物声速（取0.32cm/s）b) 缺陷为空洞 由(1)式,得 式中：R空洞半径C） 缺陷为“蜂窝”或填塞其他介质的孔洞。由(1)式,得 式中：V3孔中填塞物的声速取0.85V1三、超声参量与混凝土性质的关系1、声速与混凝土强度、缺陷的关系：1）.与混凝土抗压强度的正相关，cuAB cu= ABRc 或 cu= AeBV cu= AeBV+CR2）.混凝土粗骨料品种、数量对超声波速的影响关系；粗骨料提之不同岩石，具有不同的超声速度；碎石.软石，具有不同的超声速度，混凝土中含石量多，具有较高的超声速度。3）.钢筋配置轴线与超声波传播方向关系相垂直：声速比素混凝土声速有所提高，一般避开正对，声速也不作修正。相平行：平行距离为测对直线（测距），声速可受钢筋的影响，测对直线距钢筋近，混凝土的声速受钢筋声速影响较甚。可按下式加以修正。 式中 t钢筋混凝土中传播速度（s）Vs超声在钢筋中传播速度（km/s） Vc超声在砼中直接传播速度4）.温度和湿度对波速的影响：温度530（）声速变化不大， 4060（）声速下降5，0以下声速提高（混凝土中自由水结冰，v水1.45km/s，v冰3.50km/s）。混凝土湿度高，声速提高（水填充孔隙，空气v为0.34 km/s）5）.波速与试体断面尺寸的关系：无限介质 Vp 断面尺寸d2薄板中 Vp 0.2d v下降67（）杆中 Vp d0.2 用杆的V代入校准曲线估算强度误差可达3040（）2超声能量衰减通常取接受信号首波幅度：1）.吸收衰减材料粘滞性吸收，质量之间内摩擦，转变为热量。2）.散射衰减介质中颗粒结构，缺陷夹杂等构成复杂的声学界面，导致声波杂乱反射折射和波型转换，微粒共振干扰。吸收衰减和散射衰减二项与探测频率的关系： 声能反射率和透射率声压反射率R声压透射率D当Z1-Z2时， 则R0 D=1 声能全投射；当Z1Z2时， 即 0时,R=1 D0可见，介质为均质密实，不存在不同声阻抗的界面，理论上，声能近乎全透射，接收声能最大。而当介质中存在声阻挠极大差异的界面时，声能几乎产生全反射，接收到声能极低。按声压反射率和透射率的关系，如固体与气体的界面上传播超声的声能约99.9反射，固体与水的界面上传播，将有73声能被反射。3.）超声衰减量计算： (奈培)（P1接收信号首波声压，P0基准声压）dB20 (分贝)（A1接收信号首波幅度，A1基准的首波幅度）分贝值为正，表示增量，为负值表示衰减。1dB0.1151NP1NP=8.686dB 3.超声接受信号的频率与混凝土缺陷的关系：密实砼中超声频率随着传播距离增大而下降，在