混凝土构件外观缺陷_超声检测混凝土构件缺陷的研究

　　[摘要]对混凝土构件进行超声无损检测,超声波的振幅参数对混凝土构件中的缺陷(裂缝)最敏感,在耦合良好和测试条件基本一致时,振幅值的大幅衰减可作为判断混凝土构件存在缺陷的主要依据。超声波的速度参数对微小裂隙不敏感,缺陷较大会引起速度值的显著下降;频率参数用于检测混凝土构件缺陷不够敏感;对混凝土构件缺陷进行超声检测,速度变化和频率变化只能作为参考因素。超声波通过裂缝与未过裂缝,波形存在明显差异,通过裂缝后,有时会出现很大周期的波列,可作为判断缺陷的重要依据。综合分析超声波运动学和动力学各参数的变化,能够提高检测的准确性。
　　[关键词]超声波无损检测混凝土构件缺陷
　　中图分类号:TU19文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120125-04
　　
　　一、引言
　　
　　混凝土构件在制作或使用过程中,经常因为管理不善或受环境及自然灾害的影响,其内部可能出现不密实、裂缝或空洞区,其外部可能形成蜂窝麻面或损伤层等缺陷。这些缺陷的存在会严重影响构件的承载力和耐久性[1],采用有效方法查明混凝土缺陷的性质、位置及范围,以便进行技术处理,是工程建设中的一个重要内容。目前,在检测混凝土构件的缺陷方面,超声无损检测的应用比较广泛。其主要方法是:首先测出超声波在混凝土构件各段的传播速度,再比较所测速度值的差异,找出有突变的地方,进行分析,从而判断缺陷的形态、范围等;有时也结合超声波振幅的变化来考查缺陷状况,但目前使用还不广泛[2,3]。在实际应用中,超声波在混凝土构件中的传播速度受水泥用量、水灰比、混凝土龄期和养护方法、构件尺寸、钢筋分布、以及骨料品种、料径、含量等多种因素的影响;同时,测量振幅也不可避免地受到耦合状态、钢筋、水分等因素的干扰。如果用单一参数的变化来检测混凝土构件中的缺陷,势必存在很大的局限性,可能会影响判断的精度。
　　为了在混凝土构件超声无损检测中更准确地判断有无缺陷,以及缺陷的性质、位置、范围等,尽可能地消除因干扰因素的存在而引起的误判、漏判,应该对超声波通过混凝土构件缺陷部位后其运动学和动力学参数的变化作定量地分析、研究,为此,本文利用超声模型实验方法[4,5],观测超声波通过有裂缝的混凝土构件模型时其速度、振幅、频率、波形等多个参数的变化,分析和研究这些参数的变化规律及其物理机制,为超声无损检测中综合利用超声波多种参数确定混凝土构件缺陷提供重要的实验依据。
　　
　　二、仪器和模型
　　
　　实验所用的仪器是中国科学院武汉岩土力学研究所制造的RSM-SY5型智能声波检测仪,仪器配有该研究所智能仪器研究室开发的RSMSY5声波检测仪通用性操作软件,其工作平台为WINDOWS95及其以上版本,它能很好地实现仪器硬件系统各项性能,并可实时读取到时、声速、声幅、一发双收声速、主频、弹性模量、强度等参数,能快速进行频谱分析,实时显示加余弦窗的可细化功率谱。具有处理速度快、自动化程度好、测量精度较高的特点。
　　测试中所用的发射换能器和接收换能器的主频为150kHz,用凡士林作为耦合剂。
　　模型材料为混凝土,用水泥、沙子、碎石等原料按一定质量比配制而成,其中水泥为325#硅酸盐水泥,沙的粒径约为0.35-0.5mm,碎石的粒径约为5-20mm,水泥、沙子、碎石的质量比为:1:1.5:1.5。
　　制作了无钢筋和有钢筋两种模型,预制了典型的缺陷――裂缝,两种模型编号分别为1#和2#(见图1(a),(b))。
　　其中,1#模型密实度稍差,无钢筋骨架,有两道裂缝,裂缝贯穿模型横断面,间隙较小,裂缝两侧面混凝土有部分处于接触状态;2#模型密实度较好,有钢筋骨架,只有一道裂缝,裂缝间隙较大,约1.5cm,裂缝处仅钢筋相连,混凝土部分无任何接触。
　　两种模型类型不同,可用于模拟无钢筋混凝土和钢筋混凝土两种不同构件;而缺陷差异较大,便于通过对比得到定量的结论。
　　
　　三、原理和方法
　　
　　(一)原理
　　超声波在混凝土构件中传播时,其速度与混凝土的密实程度有直接关系,对于原材料、配合比、龄期等相同的混凝土构件来说,一般速度高则混凝土密实,反之则混凝土不密实。此外,当混凝土构件中存在空洞或裂缝时,便破坏了混凝土的整体性,此时,超声波只能绕过空洞或裂缝传播,致使传播距离增大,使测得的视速度降低。
　　其次,由于空气的波阻抗远小于混凝土的波阻抗,故混凝土构件中的蜂窝、空洞、裂缝等缺陷处便构成了强反射界面,当超声波在混凝土构件中传播时,遇到蜂窝、空洞、裂缝等缺陷时,极易在缺陷界面处发生反射或散射,使超声波能量衰减,且其中频率高的部分衰减更快,因此接收到的超声波振幅减小、频率降低。经缺陷界面传播的反射波或散射波与直达波之间存在一定的相位差,叠加后相互干扰,使接收到的超声波波形发生畸变[6]。
　　据此,可以利用超声波在混凝土构件中传播时运动学和动力学参数的测量值,对照正常混凝土构件中超声波各参数的标准测量值,进行比较与综合分析,并尽量消除各种已知干扰,有望较为准确地判断是否存在缺陷,并进而确定缺陷的性质、位置、范围等。
　　
　　(二)方法
　　1.两种模型测线的布置均采用相对斜测法(见图2),即在模型的相对两个侧面上分别布置发射点和接收点,形成一组未过裂缝的测线与另一组通过裂缝的测线,测线与模型两侧面成一定角度斜交。1#模型的测线距离为13.24cm,2#模型的测线距离为14.28cm。
　　测线斜向布置能保证每一条测线(不论是否过裂缝)的测试条件基本一致,使测试结果具有重复性与可比性。
　　1#模型分别布置4条未过裂缝的测线与4条通过裂缝的测线,在每条测线上重复测试5次;2#模型分别布置5条未过裂缝的测线与5条通过裂缝的测线,同样在每条测线上重复测试5次。即每一组分别进行20-25次测试,最后取算术平均值作为该组的测试值。这样可以保证测试结果具有良好的重复性,同时能够减小测试中由于观测误差及耦合不良等因素造成的影响。
　　2.测试前首先测定仪器系统的走时校正值和振幅校正值。将发射换能器与接收换能器涂上耦合剂后对接,读取初至波走时为5μs,此时段即为系统的零时(走时校正值),测试中读取超声波走时须扣除此值。然后调整设置:采样点数为8192点,采样间隔为0.1μs,增益为100,在此条件下进行空接收,将波形进行多次加权叠加,在所采的整个波列上随机读取50个振幅值,取其平均值作为振幅的修正值,在本实验中所测振幅应加校正值0.114mv,即为振幅测试结果。
　　实验过程中,仪器的设置状态为:触发阈值:20mv,增益:100,采样点数:2048,采样间隔:0.4μs,脉宽:40μs。为便于识别初至波,在测试过程中,将波形进行多次加权叠加,并将采样时间延迟设为29.2μs。
　　3.由于该仪器自动进行频谱分析的数据长度不少于512个采样点,如果利用仪器对波列自动进行频谱分析,则所得到的频谱是多个震相叠加所形成的波形的频谱,不能表征单一震相的动力学特征,因此在实验中对所选震相采用人工读取振幅值和周期值的方式。上述测线布置方式接收到的初至波为直达P波,由于初至波的走时、振幅和周期测试较为精确,故本实验选取直达P波的运动学和动力学参数作为测试参数;且由于测线距离较短,直达S波紧跟直达P波之后,因此只读取直达P波的第一个振幅值和第一个周期值。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　直达P波的频率值由公式f=1/T求得(其中:T为周期,f为频率);速度值则由公式V=L/t求得(其中:L为距离,t为走时,V为速度)。
　　振幅本是一个无量纲的量,所用RSM-SY5型智能声波检测仪中以电压值mv表征振幅大小,因此本文涉及的振幅测试值也标以mv的量纲。
　　
　　四、结果与分析
　　
　　按上述测线布置方式及测试方法,对两种模型进行超声波透射测试,得到两种模型未过裂缝与通过裂缝后直达P波的速度、振幅、频率测试值。根据测试数据画出两种模型未过裂缝与通过裂缝的速度、振幅、频率测试曲线图(见图3、图4、图5)。此外还选取了超声波未过裂缝与通过裂缝的波形图(见图6、图7)。以下列出实验结果并做出相应分析。
　　
　　(一)混凝土构件裂缝对超声波速度的影响
　　见表1、表2和图3。1#模型和2#模型有一个共同的现象,即未过裂缝的速度测试值对于平均值的偏差较小,约在±5%以内,而通过裂缝后的速度测试值对于平均值的偏差则较大,约为±15%-20%。这一现象表明,混凝土构件中的裂缝会引起超声波速度测试值的较大波动。从物理机制来看,可能是由于裂缝(缺陷)的不均匀导致了波通过不同测线时在裂缝界面处发生的反射或散射是不相同的,对初至波到时形成一定影响,从而造成相邻测线速度值的较大波动。这可以作为混凝土构件中是否存在裂缝(缺陷)的判据之一。
　　两种模型的速度测试数据还表现出一定的差异。1#模型中,未过裂缝的速度平均值为2692m/s,通过裂缝后的速度平均值为2224m/s,过缝后的速度值约为未过缝速度值的83%,相差不是太大;同时在某些测线上,过缝的速度值接近不过缝的速度值。这是由于该模型裂缝间隙较小,对于通过的波走时的影响较小,所引起的波速变化(降低)不很显著。
　　又因为裂缝两侧面混凝土有部分处于接触状态,通过此处的超声波走时几乎没有受到影响,故其速度值接近不过缝的速度值。结果表明:对混凝土构件缺陷的超声检测中,速度参数对微小裂隙不敏感。
　　2#模型中,未过裂缝的速度平均值为3670m/s,通过裂缝后的速度平均值为1999m/s,后者约为前者的54%,相差很大。这主要是由于该模型的裂缝较宽,约为1.5cm,而测线的斜向布置,使得测线段内的裂缝更宽,造成了波速明显降低。表明混凝土构件中的较大缺陷会引起超声波速度值的显著下降。
　　比较两种模型未过裂缝的速度测试值,可见2#模型是大大高于1#模型的,表明2#模型的混凝土比1#模型的混凝土更为致密[7]。
　　
　　(二)混凝土构件裂缝对超声波振幅的影响
　　见表1、表2和图4。1#模型未过裂缝的振幅平均值为4.73mv,通过裂缝后的振幅平均值为0.08mv,过缝后振幅(能量)衰减非常大,仅为不过缝的振幅值的1.69%;2#模型未过裂缝的振幅平均值为2.71mv,通过裂缝后的振幅平均值为0.13mv,过缝后振幅(能量)衰减也非常大,仅为不过缝的振幅值的4.80%。从两种模型过缝与不过缝的观测数据可知,无论裂缝的宽度如何,超声波通过裂缝后能量均有很大的衰减,过缝后超声波的振幅值与未过缝的振幅值有非常明显的区别。总的来说,超声波的振幅参数对混凝土构件中的裂缝是比较敏感的,在保证耦合良好和测试条件基本一致时,振幅值可作为判断有无裂缝(缺陷)的重要参数。
　　由图可见,两种模型中未过裂缝的振幅测试值对于平均值的偏差约为±20%,而通过裂缝后的振幅测试值对于平均值的偏差约为±30%,均较大,估计这是由于每一次测试的耦合及测试条件的差异所导致的。实验中发现,耦合得稍差,接收到的超声波的振幅就明显减小,因此在测试振幅参数时保证耦合较好和测试条件基本一致是至关重要的。同时也提示了在测试振幅数据时,对同一点做多次测试的必要性。
　　前面对速度测试值的分析中谈到,2#模型的速度值大大高于1#模型,表明2#模型的混凝土比1#模型的混凝土更为致密。从理论上来说,当超声波经过介质时,介质越疏松,能量的衰减就越快,也就是说,两种模型未过裂缝的振幅值,应该是2#模型高于1#模型。然而实验结果恰恰相反,2#模型未过裂缝的振幅平均值为2.71mv,而1#模型未过裂缝的振幅平均值为4.73mv,前者仅为后者的57%,为了验证结果的可靠性,对这一部分进行了反复测试,证明了测试数据具有重复性。对这一现象,一种可能的解释是:在测线布置上,2#模型测线的偏斜角度更大一些,由于发射换能器的能量主要集中于轴向方向,测线的偏斜角度大会使得接收能量损失较大;而更主要的原因可能是两种混凝土构件差异较大,在这一个问题上不具有可比性,也许要有两件材质、尺寸完全一样,仅仅存在疏、密差异的试件进行对比试验,才能给出正确结论。这已经超出了本文的范围,故仅作上述讨论。
　　还有一个现象,前已列出:1#模型过缝后的振幅值降低为不过缝的1.69%;2#模型过缝后的振幅值降低为不过缝的4.80%。2#模型裂缝较宽,按理振幅值降低应该更大一些,实验结果却相反,分析认为,2#模型裂缝处有钢筋相连,超声波部分能量可通过钢筋传递,故其衰减稍小一些。
　　
　　(三)混凝土构件裂缝对超声波频率的影响
　　见图5。1#模型未过裂缝的频率平均值为80.1kHz,通过裂缝后的频率平均值为52.1kHz,过缝后频率值为不过缝频率值的65%;2#模型未过裂缝的频率平均值为78.0kHz,通过裂缝后的频率平均值为60.8kHz,过缝后频率值为不过缝频率值的78%。说明通过裂缝后,超声波的频率值有所降低,这是符合波传播理论的。令人疑惑的是,2#模型裂缝较宽,然而与1#模型相比,频率值的降低却较少。这可能是因为2#模型裂缝处有钢筋相连,而1#模型裂缝处完全是空气间隙,因此2#模型过缝后频率值降低较少。
　　由图可见,1#模型中未过裂缝与通过裂缝的频率测试值对于平均值的偏差均约为±20%;2#模型中未过裂缝与通过裂缝的频率测试值对于平均值的偏差约为±12%-14%,均较大。估计一方面这是由于每一次测试条件的差异所导致;另一方面,测试周期时读取的是直达P波的第一个周期,有时在此时段内还有其它后续震相(如直达S波)存在,二者迭加致使波形发生畸变,可能会影响所读取周期的精度,致使频率测试值波动较大。
　　结果表明:超声波通过裂缝后频率值有所降低,但降低幅度不是很大,即频率参数用于检测混凝土构件裂缝(缺陷)的敏感度不高;尤其当测距较短时,续至波与初至波迭加在一起,会影响频率测试值的精度。因此在对混凝土构件缺陷进行超声检测时,频率参数只能作为一个参考因素,同时在检测时应保证测试条件基本一致,尽可能降低测试误差,才能提高结果的可信度。
　　
　　(四)混凝土构件裂缝对超声波波形的影响
　　实验中,分别在未过裂缝和通过裂缝的测线上,以0.4μs的采样间隔、采集2048点绘制波形图,波形时段约820μs(见图6)。对两种波形进行对比和分析:
　　1#模型:未过裂缝时,可较准确地区分出直达P波(初至波)和直达S波(续至波);波列的振幅有明显衰减的趋势,400μs后波列振幅明显减小、周期显著增大;整段波形较规则、平滑。通过裂缝后,无明显的直达S波;整段波列上,有一个很大周期的基波,不同震相的波列叠加其上,波形很不规则。
　　2#模型:未过裂缝时,也可较准确地区分出直达P波(初至波)和直达S波(续至波);波列的振幅有明显衰减的趋势,300μs后波列振幅明显减小、周期显著增大;可看出整段波形同样较规则、平滑。通过裂缝后,无明显的直达S波;波列振幅无衰减趋势;整段波形很不规则,有许多拐点,似乎叠加了许多散射与多次反射震相。
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　　由于波形密集,无法看清细节的差异,但总体的差异,却更明显了。由图可看出未过裂缝时,波列振幅明显衰减;通过裂缝后,1#模型有一个很大周期的波列(约为1000μs),
　　2#模型的波列振幅无明显衰减趋势。这与上述观测现象是一致的。
　　波形无法定量观测,但波形图的明显差异,能够提供检测中判断缺陷的重要信息。未过裂缝时,超声波经过均匀介质,震相较简单,波形较规则,波列振幅衰减较快。经过裂缝后,超声波在裂缝处会发生多次反射、散射、绕射等,众多震相叠加,使得波形极不规则;而缺陷的存在,则使得波列振幅衰减很慢;过缝后无明显的直达S波,是由于裂缝中存在空气,而S波无法在液态或气态介质中传播的原因;1#模型过缝后出现很大周期的波列,是用于判断缺陷的重要依据,2#模型过缝后并没有出现这样一个大周期波列,可能是因为裂缝处有钢筋相连的缘故。
　　
　　五、结论与讨论
　　
　　1.对混凝土构件进行超声无损检测时,超声波的振幅参数对混凝土构件中的裂缝是最为敏感的,本文实验得到,通过裂缝后振幅(能量)衰减极大,仅为未过裂缝振幅值的1.69%-4.80%。换能器与试件耦合不好对振幅值的影响较大,在测试振幅参数时保证耦合良好和一致是至关重要的。在耦合良好和测试条件基本一致时,振幅值的大幅衰减可作为判断混凝土构件存在裂缝(缺陷)的主要依据。
　　2.对混凝土构件的超声检测中,超声波的速度参数对微小裂隙是不敏感的;缺陷较大则会引起速度值的显著下降。本文实验中,当裂缝较宽时,通过裂缝后速度大幅下降,为未过裂缝速度值的54%。混凝土构件中的裂缝会引起超声波速度测试值的较大波动,达到±15%-20%,可作为混凝土构件存在裂缝(缺陷)的判据之一。
　　3.超声波通过裂缝后,频率值有所降低,但幅度不是很大,约为未过裂缝频率值的65%-78%,即频率参数用于检测混凝土构件裂缝(缺陷)不够敏感。当测距较短时,续至波与初至波迭加在一起,对频率值的测试精度影响较大。因此对混凝土构件缺陷进行超声检测时,频率变化只能作为一个参考因素;在检测时应保证测试条件基本一致,尽可能减小测试误差。
　　4.超声波通过裂缝与未过裂缝,波形存在明显差异。未过裂缝时,超声波经过均匀介质,震相较简单,波形较规则,波列振幅衰减较快。经过裂缝后,超声波在裂缝处发生多次反射、散射、绕射等,多个震相叠加造成波形不规则;缺陷的存在使得波列振幅衰减很慢;因裂缝中气态介质对S波的阻隔作用,波形中观察不到明显的直达S波;超声波通过裂缝后有时会出现很大周期的波列,可作为判断缺陷的重要依据。
　　5.混凝土构件有多种类型,其内部的缺陷也千差万别,在混凝土构件缺陷的超声无损检测中,全面考察超声波运动学和动力学各参数的变化,综合分析其对应的问题,才能够提高判断的准确性,避免误判和漏判。
　　
　　参考文献:
　　[1]沈新普、鲍文博、沈国晓著,混凝土断裂与损伤[M].北京:冶金工业出版社,2004.
　　[2]蔡中明、等编著,混凝土结构试验与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
　　[3]侯宝隆、蒋之峰编译,混凝土的非破损检测[M].北京:地震出版社,1992.
　　[4]赵鸿儒、唐文榜、郭铁栓编著,超声地震模型试验技术及应用[M].北京:石油工业出版社,1986.
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