超声波平测法检测混凝土强度技术的研究

Technology Data Of Ultrasonic Testing

xxx有限公司 2008年3月5日

本书简介

本人从事超声波检测2004年3月从事检测工作近三年有余，在工作中收集了大量有关金属与非金属检测资料，

第一章 超声波平测法检测混凝土强度技术

的研究

在建筑物施工过程以及随后的质量评估中，检测混凝土强度是最重要的环节之一。根据超声波在混凝土中传播的速度及其它参量来推定混凝土的强度，从而对建筑物的质量进行评估,近年来已广泛应用于各项工程中。超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的抗压强度之间有着良好的相关关系，即混凝土的强度越高，相应的超声声速也越高。因此，可以根据超声波在混凝土中的传播速度来推定混凝土的强度。在实际工程中，由于混凝土强度的无损检测受外界环境条件的限制，超声换能器的布置大致有两种方式：直接穿透对测法和单面平测法。其中对测法灵敏度高、测距明确、精度好，是通常采用的方法，并且前人已经回归总结出一套可靠的混凝土测强经验公式——利用对测声速值推定出混凝土的强度。但是在建筑物结构混凝土只有一个可测平面的情况下，只能采用单面平测法布置换能器，例如水池壁、底板、飞机跑道、路面、地下室及沉井井壁等。尽管在同一混凝土构件上，但平测法与对测法所测得的声速值并不相同；此外，平测法不能准确地确定超声路径的距离，简单采用换能器边-边或中-中间距使计算的声速值产生偏差，因此平测法测得的声速不能直接采用现有的对测法声速测强公式推定混凝土强度。在工程中有些检测单位直接用平测法的声速代替对测法的声速，缺乏科学依据。针对这一问题，本文成型了一系列不同强度等级的普通混凝土试件，旨在现有的超声波检测混凝土强度技术的基础上，分八个龄期在混凝土试件上进行对测和平测的声速对比测定。通过混凝土龄期及强度变化的试验，分别用常规方法求出对测及用“时-距”回归方式求得平测的声速，确定对测声速（Vd）与平测声速（Vp）两者的比例系数、亦同时建立平测声速与对测声速的线性方程，其经检验的平均相对误差和相对标准误差均很小。依据平测声速的换算值，使得在工程检测中就能应用超声平测法检测混凝土的强度。

1．试验方法

1.1 试验设计 1.1.1 试验原材料

水泥：32.5#普通硅酸盐水泥 粗骨料：碎石（5~31.5mm） 细骨料：中砂（μf=2.5）

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水：自来水

1.1.2 混凝土强度等级及配合比设计

根据试验要拉开混凝土强度范围的要求，设计了C15、C20、C30、C40、C50五个普通混凝土强度等级，配合比见表1。

表1 设计强度等级及配合比

设计强度等级 单位 kg/m3 C50 配合比 kg/m3 C40 C 524 1 495 1 418 1 323 1 279 1 S 472 0.90 490 0.99 493 1.18 614 1.90 650 2.33 G 1336 2.55 1327 2.68 1333 3.19 1308 4.05 1320 4.73 W 183 0.35 183 0.37 184 0.44 184 0.57 184 0.66 配合比 kg/m3 C30 配合比 kg/m3 C20 配合比 kg/m3 C15 配合比 1.1.3 试件制作、养护方法及龄期

采用15031503600mm的钢模，振动台密实振捣成型。试块在试模中停置两天拆模、标准养护8天后，在室内自然养护。混凝土试块按10天、20天、28天、40天、50天、60天、70天、90天龄期进行超声波声速测定。

1.2 声速测试方法及步骤

在每块混凝土试块的2个1503600mm侧面中选择一个侧面作为平测面，两个1503150mm的端面作为对测面。声速测试面上换能器测点布置如图1所示：平测面上取7对测点，间距a=50mm，检测时固定发射换能器、接收换能器以间距a的整数倍移动；对测面上布置5对测点。使用CTS-25型非金属超声波检测仪，测试时固定发射电压200V、增益2，超声波换能器频率50 kHz。

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1.2.1 对测

直接采用常规方法，在两个对测面5对测点上用等压力等幅分别测得各点的超声波传播时间，计算出各点的超声声速值，然后求5对测点的平均声速Vd。对测时首波等幅4cm。

1.2.2 平测

在平测面一条中线上固定发射换能器于第一点，等间距移动接收换能器，使两换能器边-边间距d为50mm、100mm、??、350mm，共7对间距，分别测得不同距离时各自的超声波传播时间ti，然后采用时-距回归法求得di=a0 + Vp2ti的线性方程。式中Vp为回归系数，即平测声速值。平测时首波等幅2cm。

2．试验数据处理

各组试块各个龄期所测得的Vd、Vp值如下表2所示：

表2 测试结果Vd、Vp值

编号 C15-10 C20-10 C30-10 C40-10 C50-10 C15-20 Vd(km/s) 3.541 3.829 3.904 4.074 4.130 3.742 Vp(km/s) 3.451 3.748 3.804 4.037 4.049 3.689 编号 C15-50 C20-50 C30-50 C40-50 C50-50 C15-60 Vd(km/s) Vp(km/s) 4.033 4.128 4.279 4.408 4.460 4.058 3.899 4.067 4.154 4.334 4.381 3.891 超声波检测混凝土技术资料整理 第3页 整理人：x

C20-20 C30-20 C40-20 C50-20 C15-28 C20-28 C30-28 C40-28 C50-28 C15-40 C20-40 C30-40 C40-40 C50-40 Vd平均值 3.889 4.061 4.225 4.264 3.860 4.002 4.171 4.312 4.365 3.931 4.050 4.208 4.354 4.410 3.799 3.935 4.191 4.160 3.790 3.914 4.047 4.242 4.202 3.845 4.002 4.071 4.280 4.299 C20-60 C30-60 C40-60 C50-60 C15-70 C20-70 C30-70 C40-70 C50-70 C15-90 C20-90 C30-90 C40-90 C50-90 Vp平均值 4.181 4.331 4.451 4.502 4.094 4.224 4.370 4.474 4.525 4.152 4.274 4.422 4.515 4.573 4.121 4.222 4.374 4.387 4.009 4.187 4.273 4.428 4.420 4.045 4.186 4.376 4.461 4.486 4.194 4.106 注：C15-10表示混凝土强度等级为C15，龄期为10天

3．对测声速与平测声速相关关系

根据表2的对测声速Vd与平测声速Vp两组数据建立起Vd-Vp的散点图见图2所示。从图2的散点走势可以看出，图上各对数据散点基本都在某一直线附近波动，说明Vd与Vp之间具有良好的线性相关关系，则二者之间应该有一个可确定的比例系数。

由表2数据统计计算：

Vd平均/ Vp平均 = 4.194/4.106 = 1.0214

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Vdj=1.02143Vp （1）

式中Vdj为对测声速的理论计算值。

平均相对误差 (n=40)

相对标准误差

此外，如将表2 Vd与Vp值以最小二乘法作一元线性回归处理，其回归方程为：

Vdj =0.1599+0.9825 Vp （2） 即直线方程的截距为0.1599，斜率为0.9825。该直线方程经回归效果检验，相关系数γ=0.99，平均相对误差δ=±0.62%，相对标准误差er =0.79%。

4．讨论

4.1 比例系数的确定

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根据前节所述，Vdj 用简单的（1）式Vd/Vp算术平均值或用（2）式最小二乘法一元线性回归方程：Vdj=0.1599+0.9825 Vp，按这两种方法计算的误差都相当小（δ=±0.6%，er =0.8%），后者比前者精度略高，但前者采用1.0214的比例系数使用更方便且直观。

4.2 超声波频率和首波波幅对声速测量的影响

在90天龄期同时采用了50kHz和100kHz的换能器对各试块进行比对检测，且平测、对测均采用等幅2cm和等幅4cm的首波振幅进行重复试验，测试结果见表3和表4。

表3 首波不同等幅读数对声速的影响

90天 / 50kHz 对测等幅4cm 对测等幅2cm 声速差值(km/s) 平测等幅4cm 平测等幅2cm 声速差值(km/s) C15 C20 C30 C40 C50 平均差值 0.029 0.019 4.152 4.274 4.422 4.515 4.573 4.118 4.243 4.396 4.487 4.548 0.034 0.031 0.026 0.028 0.025 4.060 4.197 4.399 4.483 4.512 4.045 4.186 4.376 4.461 4.486 0.015 0.011 0.023 0.022 0.026 表4 不同频率换能器对声速的影响

90天 / 对测 100kHz等幅4cm 50kHz 等幅4cm 声速差值(km/s) 100kHz等幅2cm 50kHz 等幅2cm 声速差值(km/s) C15 C20 C30 C40 C50 平均差值 0.019 0.021 4.164 4.292 4.447 4.535 4.591 4.152 4.274 4.422 4.515 4.573 0.012 0.018 0.025 0.020 0.018 4.136 4.267 4.423 4.509 4.564 4.118 4.243 4.396 4.487 4.548 0.018 0.024 0.027 0.022 0.016 超声波检测混凝土技术资料整理 第6页 整理人：x

由表3可知对测和平测首波等幅4cm时测得的声速比等幅2cm时高，平均差值约为0.024km/s。原因是等幅4cm时首波陡峭，声时读数准确；而等幅2cm时波形首波幅值小，接收信号的前沿起弯点后移，使声时读数偏大，导致声速偏小。

由表4可知100kHz换能器测得的声速值比50kHz换能器测出的大，平均差值约为0.020km/s。这也是因为100kHz的首波陡峭程度优于50kHz的首波，声时读数较小，所以声速略高。

平测时采用频率为100kHz的换能器检测，当固定发射电压为200V、增益为2，首波幅度都能大于2cm，即等幅2cm的设计可以满足，但100kHz不能满足首波等幅4cm的要求；此时如改电压为500V、增益为6时，使超声仪接收信号的幅值增大，刻意使首波等幅达到4cm，此时示波器内基线、波形跳动厉害不稳定，极易产生读数偏差。

超声测强一般采用的频率范围为50～100 kHz，本试验采用频率为50 kHz的超声波换能器进行检测。在波幅选择上，参照规程要求：正常对测法检测时，宜以首波等幅4cm读数[2]，最佳选择应该建立首波幅度同为4cm的平测、对测相关关系，但是考虑到现场混凝土平测时，有时是在混凝土成型面上进行，表面毛糙、尤其是低强度等级或长龄期混凝土在350mm测距下，根据笔者实际检测经验，接收信号将达不到首波等幅4cm的要求。所以本试验统一采用平测法首波等幅2cm的读数标准，以适应工程中实测的需求。

5．结论

（1）在建筑物混凝土构件上只有一个可供超声波检测平面的情况下，采用超声平测法修正声速取代对测法声速，无损检测可按常规通式推定混凝土强度的技术是可行有效的。平测法声速取自多点表面平测声时，不受结构物尺寸和形状的影响，不苛求对测法必需的两个平行检测面，有时往往比对测法检测实体结构更具可操作性。

（2）既使在同一试体上，当选用的换能器频率不同或读取首波幅度不同时，其测得的声速值有一定差异，本文特定了对测法首波幅度取4cm，平测首波等幅2cm的试验条件，既结合了规程，又能保证现场实用要求。

（3）对测声速与平测声速之间具有良好的线性相关关系，选用50kHz换能器，并在对测首波等幅4cm，平测首波等幅2cm的试验条件下，建立的对测声速与平测声速之间的比例系数为1.0214。

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第二章 超声波检测混凝土裂缝深度方法的

研究

1． 概述

本文对超声波的接收波形作了这样的规定：首波向下呈山谷状为负波；首波向上呈山峰状为正波。

任何一台数显混凝土超声波检测仪，比如CTS-25型非金属超声波检测仪当换能器作（超声、回弹综合法测强）对测法布置时，其首波的相位是不发生改变的，通常首波为负波。但如果将某一换能器内的压电陶瓷晶片反向改装，其首波将变成正波。这种首波相位反转的变化是因为压电晶体的正、负极反向改变引起的。而当换能器作平测法布置，在混凝土裂缝深度的检测过程中，随二换能器测距的不同，有首波相位反转变化的现象。

国内外对混凝土裂缝深度（50cm以下）的超声波检测主要有dc=L/2 [(t1/t21/2和英国标准BS-4408法。在这些方法中，都采用了超声波首波为负波读2)-1]取声时值。从工程实测中得到：对20cm以上的裂缝深度的检测，由于二换能器跨距大，超声信号衰减的结果致使首波幅度降低，声时测读的误差较大。采用前述的负波读数方法，裂缝深度计算的可靠性和有效性较差。实际上，当二换能器的间距小于二倍裂缝深度时，超声波接收波形的首波为正波。针对这种情况，本文对9~30cm的一系列裂缝，首波分别采用二换能器间距较小布置呈正波和二换能器间距较大布置时的负波读数，从而进行对比检测试验，验证这二种读时方法对混凝土裂缝深度检测的精度。

其次，对原混凝土测缺规程法检测混凝土裂缝深度时的声时读取方法略作变动，即仅跨缝检测读取t1值，即其对应测距的未跨缝检测的t2值，用“时~距”回归分析，确定换能器间距修正值a时的同一回归方程式验算得出。

本论文再次讨论了混凝土裂缝深度采用首波相位反转法检测，给出裂缝深度dc与二换能器间距的普通关系式，作为特例，当换能器距裂缝对称布置时，dc=L/2。

2．试验方法

2.1正波、负波检测混凝土裂缝深度

根据dc=L/2 [(t1/t2)2-1]1/2计算裂缝深度，当两换能器间距在两倍裂缝深度以内时，超声波接收波形的首波出现正波；在两倍裂缝深度之外则出现负波。

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根据这一现象，先用首波相位反转法找出“临界点”，再在“临界点”的里、外各测3~5个点，即分别采用正波和负波读取声时t1。混凝土测缺规程中对不同测距的t2只读一次，读取数值时带有偶然性，并有产生误差的可能性，本试验中t2的声时读数利用换能器间距修正值a时的“时~距”回归分析计算而得。具体做法为：在表观完好的无裂缝混凝土表面以二换能器间距为5、10、15、20、25cm测5个点，建立“时~距”回归方程L= -a+V2t2,回归系数常数项a为二换能器间距修正值，把跨缝检测的各测距L代入回归方程t2=(L+a)/V即可求出相等未跨缝测距下的t2值或超声检测混凝土裂缝深度直接改用dc=L/2 [(t12V/L)2-1]1/2公式计算。L= -a+V2t2公式一举数得，既减少了t2的检测工作量，又使t2的数值直接在线性回归系统中获得，显然比原方法每点对应只测读一次误差小，尤其是可改善、提高当二换能器间距相隔较远因衰减大首波幅度较低时的读数精度。

2.2首波相位反转法检测裂缝深度

根据换能器平置于裂缝两侧时，因两换能器之间的距离不同而引起的首波幅度及相位变化的“首波相位反转现象”，在首波相位发生反转变化的临界点上，直接用尺量出两换能器到裂缝中心的距离，计算出裂缝的深度。

3．试验结果及讨论

3.1正、负波检测裂缝深度结果及讨论

表1 各组裂缝测量平均误差

裂缝实际深度/cm 9.3 13.8 17.2 22.0 26.0 正波测量平均误差/% 4.0 5.5 2.1 0.9 8.5 负波测量平均误差/% 7.2 4.6 1.0 45.6 12.0 对不同深度的裂缝进行检测，试验结果见表1。 从表1可以看出：

(1)当裂缝深度不超过20cm时，正、负波测量误差均很小，两者相差不大。 (2)随着裂缝深度的增加，尤其超过20cm时，负波测量的平均误差明显增大，主要原因是采用负波测量时，换能器间距大于两倍的裂缝深度，发射波绕

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过裂缝传播到达接收换能器的信号已经很微弱，即声能的衰减很大，首波幅度相当低（一般在5mm左右），使得在读取声时难以识别首波信号而误读后续波，采用估读的结果易产生较大的误差，甚至导致检测错误。如表1中裂缝深度为22.0cm时，负波测量值的平均相对误差竟达到45.6%。

（3）当裂缝深度超过20cm时，正波测量所产生的误差明显小于负波，主要原因是用正波读数时，换能器间距在两倍裂缝深度以内，声能的衰减远小于负波测量时的衰减，接收换能器收到的信号比较强，首波幅度较高（一般在20mm左右），在读取声时时明显比负波精确，测量的误差也小。

同时，在试验中发现，正波波形清晰可鉴，并且随着测距的增大，振幅下降幅度较小，因此能够保证检测数据的可靠性。而随着测距的增大，负波的振幅下降却很快，检测时的重复性差，声时的读取带有较大的偶然性。 由于超声仪示波器的基线（计数门前后二段水平线）为左低右高，常规检测采用首波负波读数时，当负波从右高的水平段下降至左低的水平线处，此时首波前沿恰好有一明显的缺口，按此规律读取声时值重复性极好。而当采用“正波法”检测混凝土裂缝深度时，正波和计数门相切处没有这一明显的标志，相切点难以把握，会产生人为的读数误差。作者根据换能器压电陶瓷晶片极性相反时首波产生倒相原理，为混凝土裂缝深度的检测，专用一只晶片极性反装的换能器，此时在裂缝深度的检测过程中，当换能器间距大于两倍裂缝深度时为正波，而小于两倍裂缝深度时为负波，即换能器在二倍裂缝深度以内的短跨距中，仍呈现负波，采用负波按缺口规律读数，有利于读数的准确性。

3.2首波相位反转法试验分析

试验中发现了因换能器平置于裂缝两侧的间距不同，而引起首波幅度及相位变化的现象。若置换能器于裂缝两侧，当换能器与裂缝间距离L0分别大于、小于裂缝深度dc时，首波的振幅相位将先后发生180°的反转变化，即在平移换能器时，随着L0的变化，存在一个使首波相位发生反转变化的临界点。对不同深度的裂缝进行了反复的观察，试验发现当两换能器采用对称布置的方式移至临界点上时，测得的回转角α+β均约为90°，此时L0≈dc，如图1(a)所示。并且发现，当换能器不对称布置在裂缝两侧（如图1(b)所示），或当换能器连线与裂缝不垂直时，在正负波转相的临界点上，回转角均约为90o。

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当换能器对称布置时，如图1(a)所示，裂缝深度即为：

dc=L0

当换能器不对称布置在裂缝两侧时，如图1(b)所示，在首波相位发生反转变化的临界点上，ΔABC为直角三角形。

在RtΔAOC中：

在RtΔBOC中：

即：

因此，只需在临界点上测出L1,L2即可方便地计算出裂缝深度。检测数据见表2。

表2 首波相位反转法检测结果

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测距L1/cm 5.5 12.5 9.8 18.6 15.8 测距L2/cm 16.1 15.6 32.0 28.5 45.7 裂缝实际深度/cm 裂缝计算深度/cm 9.3 13.8 17.2 22.0 26.0 9.4 14.0 17.7 23.0 26.9 误差/% 1.1 1.4 2.9 4.5 3.5 由表2中数据可以看出，首波相位反转法测量裂缝深度，能够较快、较方便地估算出裂缝深度，并且误差更小，检测数据更可靠。

采用不对称布置法检测时，还具有以下优点：

（1）在实际检测过程中，当不具备对称检测条件时，可灵活采用不对称法来测量；

（2）当钢筋穿过裂缝而又靠近换能器时，钢筋将使信号“短路”，读取的声时不反映裂缝深度，因此换能器的连线应避开平行钢筋一定距离。在工程中，如现浇混凝土楼板，一般钢筋的间距S为15~20cm，当混凝土裂缝深度大于5cm时，按Tc-T0法检测时，声通道就有被钢筋“短路”之虑，因而Tc-T0法便无法检测。而不对称法可以不要求换能器连线与裂缝垂直，因此，可以使换能器连线与钢筋纵横走向呈斜角布置，利用首波相位反转法进行估测，有效地解决了超声波检测混凝土裂缝深度中钢筋“短路”的问题。

4．结论

1．当裂缝深度不超过20cm时，“正波法”是“负波法”有效的补偿，两种方法均可采用。

2．当裂缝深度超过20cm时，采用负波测量时，衰减很大，估算值的误差也大，用正波测量可以得到较精确的估算值，从而为20cm以上的裂缝深度的检测提供了可行、有效的方法。

3．无论在“正波法”还是“负波法”检测中，混凝土裂缝深度计算公式中的t2，原来通行的方法均采用一次取样，具有一定的偶然性和误差。现利用“时~距”回归方程，在得出换能器间距修正值a的同时获得t2值，既省略了t2的检测工作量，又使具有统计意义的t2误差小、合理、方便，进而有效地提高了检测精度。

4．首波相位反转法测量裂缝深度，能够较快、较方便、较准确地估算出裂缝深度，且采用不对称法布置时，更具灵活性，值得在实际工程检测中推广使

用。

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第三章 混凝土表面损伤层厚度的超声波检

测方法研究

当混凝土遭受冻害、火灾或化学物质侵蚀，表层会受到不同程度的损伤产生裂缝或疏松，降低对钢筋的保护作用，影响结构的承载力和耐久性。用超声波检测表面损伤层厚度，既能反映混凝土被损害的程度，又为结构加固补强提供技术依据。超声法测缺规程(CECS21:90)以单面平测法检测混凝土损伤层厚度，即把发射和接收换能器置于混凝土的表面,耦合固定好其中的一个换能器，将另一个换能器按相等的间距连续扫测，测定两换能器之间的间距及相应的声时值，单纯采用用作图法求得损伤层中的声速Vf、未损伤层中的声速Va和声时突变时的距离l0值后计算出损伤层厚度dfc。该方法在数据处理过程中过于繁杂，并且，往往由于在作图过程中的人为主观因素和其它客观原因，求得的数值误差较大。笔者尝试使用回归分析的方法来计算表面损伤层厚度，提高了检测精度。并针对实际工程中存在钢筋的问题，对厚度相同的加钢筋与不加钢筋的模拟损伤层的检测进行了对比研究。分析了钢筋的影响程度，并指出了避免钢筋影响的方法。

1．混凝土表面损伤层的厚度检测原理

检测原理如图1所示，发射换能器A固定，接收换能器分别置于B1、B2、B3?沿混凝土表面按一定的间距连续扫测，当接收换能器置于B0位置，部分声波穿过损伤层沿未损伤层混凝土传播一定距离后，再穿过损伤层到达接收换能器的时间，恰好与声波沿损伤层直接传播到达接收换能器的时间相等。

超声波传播的时间满足方程式：

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(1-1)

由式（1-1）可得损伤层厚度df的计算公式:

(1-2)

2．试验

2.1 试验样品制备

试验配制成型三组试件，试件尺寸为15cm315cm360cm。中间层为混凝土层，设计强度为C30，采用振动台振捣；表层和底层为砂浆层，设计强度为M15，直接采用人工抹平，用来模拟损伤层。损伤层设计厚度为20mm、30mm、40mm、50mm、60mm(无钢筋)及60mm(在距表面20mm处预埋钢筋)。

2.2 试验方法及数据处理

如图1(a)所示，发射换能器A固定,接收换能器B沿混凝土表面以25mm的间距连续扫测，可作出声时-测距关系曲线。根据时-距图1(b),以l0为界，将 t0、l0前后的时、距数值分段回归，得两条直线方程，即：

损伤层的回归方程：

L1=A1+Vf.*t (1-3) 未损伤层的回归方程：

L2=A2+Va *t (1-4)

回归系数A1、A2、Vf、Va即为直线上的截距和斜率，其中Vf、Va分别为损伤层、未损伤层中的超声波波速。声时发生突变时的l0值可用下式求得：

(1-5)

试验模拟实际表面损伤层的厚度及对检测数据用公式(1-2)计算出的损伤层厚度值见表1。

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同时采用传统作图法计算出损伤层厚度dfc’，并与回归分析法的计算结果进行对比，见表2。

根据上述检测数据可以看出：

(1)用回归分析的方法计算得到的表面损伤层厚度与实际测量得到的损伤层厚度之间的误差较小，比单纯用作图法求得的结果精确，前者的误差比后者平均低4.3%左右。

(2)表1中第5组数据，由于在损伤层中埋有钢筋，检测误差达到64.7%。有必要对混凝土中钢筋对超声波传播的影响进行进一步的分析。

钢筋的影响分两种情况：一是钢筋配置的轴向垂直于超声波传播方向，二是钢筋的轴向平行于超声波传播方向。

第一种情况，通常会使整个计算声速有所提高。但在一般配筋情况下，钢筋断面所占整个声通路径比较小，所以影响也小（对高标号混凝土影响更小），往往被测量误差所掩盖。

第二种情况，超声波传播方向与钢筋轴向平行时，由于超声波在钢筋中的传播速度比在普通混凝土中快得多，因此，测读的“声时”可能是部分或全部通过钢筋的传播信号，计算所得到的未损伤混凝土的声速Va必定偏高，接近于钢筋中的声速，l0的值也发生相应的改变，按公式(1-2)计算得到的dfc值应等于钢筋到混凝土表面的距离。

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正如表1中第5组数据Va=5.53km/s，接近于超声波在钢筋中的传播速度（Vs=5.85km/s）。实测损伤层厚度为58.0mm。钢筋布置在距表面20mm处，直径为20mm，计算所得dfc=20.5mm实际为混凝土表面到钢筋的距离，钢筋的存在成为检测错误产生的根源。

试验重新进行，但检测时两换能器连线与钢筋轴向成45°角，计算得损伤层厚度为55.8mm，误差3.8%，效果较为理想。

（3）随着损伤层厚度的增加，l0的值也随之增大，即对不同厚度的损伤层来说，转折点距离l0的变化很大。因此，在实际测量时，必须能够保证l0的前后各有一定量的有效计算数据。为了便于检测较薄的损伤层，换能器每次移动的距离不宜太大，建议一般可取25mm（测缺规程定为每次移动50mm）。同时，为了能对较厚的损伤层进行检测，可以适当增加测点，建议测8~10个点为宜。

3．结论

（1）本文试验采用的回归分析方法，以回归直线方程上的斜率Va、Vf确定损伤层、未损伤层中的超声波波速，以回归系数确定声时突变时的l0值，检测混凝土损伤层厚度，比作图法能够进一步提高检测精度。

（2）对钢筋混凝土结构来说，钢筋通常呈纵-横双向排布，为了避免钢筋对超声波传播的“短路”，建议在进行损伤层厚度检测时，使换能器连线与钢筋纵横走向呈斜角布置（如45°）。

（3）在实际测量时，必须能够保证l0的前后各有一定量的有效计算数据。建议每次移动的距离为25mm,测点为8~10个。它在声学中称为“振动方式”。

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第四章 混凝土声波检测的工作方法汇总

1．测试前的准备工作

1.1确定换能器的频率

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λ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≥（２－５）λ，同时要求λ≥ｄ（ｄ为混凝土平均粒径）。反过来确定换能器的频率ｆ，ｆ＝（２－５）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１ＭＨｚ的纵波换能器，在声速为4000ｍ/Sec的混凝土中，其波长λ＝４ｍｍ，而换能器的辐射面约２０ｍｍ，其线度已大于波长4倍，指向角约35°已表现出一定的指向性，有利于发射声波的能量充分传播至接收点。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５%。

1.2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ｔ0，故每更换一次换能器需重复此相工作一次。ｔ0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ｔ0。此外尚有标准棒法，即一个一定长度的铝棒或有机玻璃棒，事先在精密仪器上标定了它的声波传播时间ｔ0时，只需将此标准棒的声波传播时间测试一下，肯定所测之值要大于ｔn，如果是ｔm,则 ｔ0＝ｔm－ｔn，ｔn值已在棒上标出，故ｔ0可以获取。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25mm、50mm、75mm、100mm、120mm数段，分别用仪器依次测取其声波传播时间，如为ｔ１、ｔ２、ｔ、ｔ４、ｔ５，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0.1微秒内，即相当于一个偶合油层的声波传波时间。

３

1.3测取混凝土样品尺寸

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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，改换角度多次测量，以求得两被测面中心点至中心点间的距离。

1.4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。

1.4.1获得波形剖面的方法

①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，②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。③根据研究目的和波形特点，适当选取收、发探头的频率。④换能器的电－声及声－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明或加偶合剂的办法来改善换能器与混凝土的偶合状态。⑤选择最佳的观测系统。⑥消除干扰波。通过实测取得一张完整的波形剖面图后，就要对剖面进行震相辨认，区分出直达纵波、直达横波、反射波、折射波及其它各种转换波的到时及波形特点，并计算波速和研究各类波的所携带的有用信息。图8-1 透射法实测波形图。

8-1 透射法实测波形图。

从图上可以看出：由时标可分别计算发射脉冲到接收探头之间纵波的初至点及时间间隔，从而计算波速。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

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第五章 金属超声检测中的缺陷

超声检测技术中对缺陷评定的三大关键内容是缺陷的定位、定量和定性评定。前面已经介绍了目前超声检测技术中对缺陷的定位与定量评定所取得的比较成熟的方法，然而在定性评定方面仍存在许多实际困难，这主要是由于缺陷对超声波的反射特性取决于缺陷的取向、几何形状、相对超声波传播方向的长度与厚度、缺陷的表面粗糙度、缺陷内含物以及缺陷本身的性质与种类等等，并且还与所使用的超声检测系统特性及显示方式有关。因此，超声检测时所获得缺陷的超声响应是一个复杂的综合响应。就目前的超声检测技术还难以将上述各因素从综合响应中分离并识别，从而给定性评定带来了困难。

在实际检测过程中，由于难以判明缺陷的性质，往往会使一些含有对使用性能为非危险性的，或者在后续加工过程中可以被改善甚至被清除的缺陷的产品也被拒收，造成不必要的浪费，同时也可能忽视了一些含有危险性缺陷（例如裂纹）的产品，对产品的安全使用造成潜在的威胁。

目前超声检测技术中对缺陷定性评定的方法主要有：

1.波形判断法

目前工业超声检测应用最广泛的是A型显示的脉冲超声检测仪。通过长期的超声检测实践，许多超声检测人员对其日常大量接触的材料、产品及制造工艺有充分的了解，通过大量的检测与解剖分析验证积累了丰富的经验，在检测时能通过示波屏显示的缺陷回波的静态波形与动态波形、视频或射频显示，根据其起波速度、回波前沿的陡峭程度与回波后沿的下降斜率、波峰形状、回波占宽，移动探头时缺陷回波的波幅、位置和数量的变化以及形成的动态包络形状，多次反射底波的次数与波幅下降规律、底波高度损失情况...等等，再根据缺陷在被检件中的位置、分布状况、缺陷当量大小、缺陷延伸情况，结合具体产品和材料的特点以及制造工艺等等，做出综合的判断，从而评估出缺陷的性质或种类。有时还可以通过改变超声检测仪的发射脉冲宽度、超声波频率、超声束的直径（采用聚焦或不同压电晶片尺寸的探头）等来观察缺陷回波的变化特征，从而识别是冶金缺陷还是显微组织的反射。

总之，这不是仅仅凭借示波屏上显示的波形就能判断的，这种判断方法在很大程度上必须依赖超声检测人员的经验、技术水平，特别是对特定产品、材料及制造工艺的充分了解，因此这种判断方法的局限性是很大的，难以推广成为通用的评定方法。

此外，还必须指出，作为A型显示的缺陷回波所显现的缺陷信息也是极其有限的，它主要显示的是缺陷回波幅度的大小、位置以及回波包络形状，而缺陷对入射其上的超声波所响应的相位、频谱等信息则是无法显现出来的，而这后两者恰恰又是与缺陷性质或种类密切相关的。

下面举出一部分常见缺陷的回波特征：

1、钢锻件中的粗晶与疏松：多以杂波、丛状波形式，或者表现为底波高度损失增大、底波反射次数减少并且波幅下降斜率增大等形式表现。

2、棒材的中心裂纹：在作周面径向入射纵波检测时，由于裂纹存在辐射方

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向性，在探头沿周面移动时，其反射波幅度有明显的高低变化和不同程度的移动，若探头沿棒材轴向移动时，反射波的幅度和位置变化不太明显并表现有一定的延伸长度。

3、锻件中的裂纹：裂纹型缺陷的内含物中多有气体存在，与基体材料声阻抗差异很大，故超声波的反射率高、起波速度快、回波前沿陡峭、波峰尖锐、回波后沿斜率很大，移动探头扫查时可见其有一定延伸长度，在裂纹两端起波迅速，消失也迅速。

4、钢锻件中的白点：波峰尖锐、波形清晰，常为多峰状，反射强烈，起波速度快，回波前沿陡峭，后沿斜率大，在移动探头时，回波位置变化迅速并此起彼伏，多处于被检件厚度中心到二分之一半径范围内，且位于锻件截面厚度最大的部分。白点有成批出现的特点（与冶炼炉批号和热加工因素有关）。当白点数量多、面积大或密集分布时，还常常伴有底波高度降低甚至消失。

5、锻件中的非金属夹杂物：多为单个反射信号，起波较慢，回波前沿不太陡峭，波峰较圆钝，回波后沿斜率不太大，而且回波占宽也相对较大。

6、钛合金锻件中的高密度夹杂物：例如钼夹杂、钨夹杂，多为单个反射信号，回波占宽不大（但比裂纹回波大些），回波前沿也相对较陡，后沿斜率较大，当改变检测频率和声束直径时，其反射当量变化不大（若是大晶粒或其他粗大的显微组织引起的反射在这种情况下其回波高度将会有显著的变化）。

7、铸件或焊缝中的气孔：起波速度快、波幅较低，用探头围绕该缺陷检测时可发现其具有点状缺陷的特征（无延伸长度）。

8、焊缝中的未焊透：有中间未焊透和根部未焊透（和焊缝的坡口形式有关），特别是对于根部未焊透，其起波速度快、反射强烈，一般在焊缝两侧探查都能发现，沿焊道方向移动探头时，可发现其有一定的延伸长度且回波高度变化不显著，处在坡口钝边的位置，有规则形状的长条形缺陷特征，当探头声束相对于其延伸方向改变垂直度时，回波迅速降低。

9、焊缝中的夹渣：夹渣回波的位置没有规律，波形一般较紊乱，移动探头时回波的波形变化相对迟缓，反射率较低，起波速度较慢，波峰较圆钝，后沿斜率不大，回波占宽较大，当探头声束改变对其延伸方向的垂直度时，波幅变化不太显著，表现为形状不规则的长条形缺陷特征。

除了从上述的波形特征判断外，为了进一步确认缺陷性质，还应采用其他无损检测手段，例如X射线照相、磁粉、渗透等方法辅助判断。

未完

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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。同时改变探头的偶合条件和倾斜方向，力争使各测点初动方向一致。

1.4.2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。根据经验我们认为可采用如下措施： ①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，在加大增益，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致。 ⑸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，通过调节微机按键测出相应于各间距的声时t1，t2，t

3

?..。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。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。

2.声波探测的基本方法

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：

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（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。

2.1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。

有时混凝土间的距离不易丈量，这时可采用多点测定。

如图8－2假定混凝土是均匀的，在混凝土壁上发射，在另一测接收，OA垂直于混凝土壁，（如果不知是否垂直，可在混凝土壁上、下左右测定一些点，找出纵波走时最小 的点（A），这时最好采用优选法寻找）。也可以通过A点作一测线BC或DE，假定AB＝X则：Vta＝OA

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Vtb=OB＝√OA2＋x2

∴（OA）2＝（Vtb）2－x2 则：（Vtb）2－x2＝（Vta）2 X2 ∴ V=√tb2-ta2

从而可以求出混凝土壁内的速度。如果OA线并不垂直于岩壁，则也可以过A点以X作图测定B、C、D、E各点的到时，然后利用余弦定理，进行计算，寻找A点，如图8-3所示当rc等于rb时a＝90，如果固定C点，则不断移动并测试B、A或D、E各点就可以找出垂直于BC及DE线的OA线，并确定A点，如图8－3从而可以迅速的求出穿透混凝土壁的超声波速度。

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，顾不在计较to的值。

2.2反射波（回波）法

2.2.1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8－4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

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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，在考虑其它因素。

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。由持此，在应用反射法时应注意以下几个问题：

I．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。

II．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。

III．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。

2.2.2用力锤做震源传感器接收反射波。

对于混凝土桩基这样较长的被测体，若用一个换能器作为发射另一个换能器做接收，根本无法推定较深缺陷的类型及其在桩身中的位置，我们通常采用反射波法。其原理是弹性固体内应力波的传播理论，当桩的长、径比很大时，可将其视为一维介质，从桩顶以手锤激发一弹性波，此波动将沿桩的轴线向下传播，当其波动到达桩底的波阻抗界面时即向上反射。如果桩身存在破损(如断裂、离析、夹泥、缩径、蜂窝及不均匀等缺陷)，亦会形成波阻差异，从而在这些破损界面上产生反射。反射波被安装在桩顶的传感器接收并记录在接收仪器上，通过对反射波的初至、振幅及相位分析，可得出桩身的声波平均传播速度(强度)，缺陷程度及深度位置。现场检测过程：平整、清理被测桩桩头，被测桩应凿去浮浆，切除外露的主钢筋。以黄油偶合固定传感器于桩顶；初进现场，首先检查仪器工作状况；对首根桩进行多次反复观测，以确定最佳激振方式和接收条件。锤击点保持于桩头中心部位,传感器应稳固的安装在桩头上。对于桩径大于350mm的桩可安置两个或多个传感器。当随机干扰信号较大时，可采用信

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号增强方式，进行多次重复激振与接收。为提高检测的分辨率，应使用小能量激振，并选用高质量截止频率的传感器和放大器。判断桩身浅部缺陷，可同时采用横向激振和水平速度型传感器接收，进行辅助判定。每一根被检测的单桩应进行二次及以上重复检测。出现异常波形应在现场及时研究，排除影响测试的不良因素后再重复测试。重复测试的波形与原波形应具有相似性。

检测数据的处理与判定：应依据波列图中的入射波和反射波的波形、相位、振幅、频率及波的到达时间等特征，推定单桩的完整性。桩身混凝土的波速vp、、桩身缺陷的深度L‘可分别按下列公式计算：vp＝2L/tr L’=vpmtr 其中L－桩身全长；tr－桩低反射波的到达时间；tr’-桩身缺陷部位反射波的到达时间；vpm－同一工地内多根已测合格桩桩身纵波速度的平均值。反射波波形规则，波列清晰，桩底反射波明显，易于读取反射波到达时间，及桩身混凝土平均速度较高的桩为完整性好的桩。反射波到达时间小于桩底反射波到达时间；且振幅较大，往往出现多次反射，难以观测到桩底反射波的桩，系桩身断裂。桩身混凝土严重离隙时，其波速较低，反射波幅减少，频率降低。缩径与扩径的部位可按反射历时进行估算，类型可按相位特征进行判别。当有多处缺陷时，将记录到多个相互干涉的反射波组，形成复杂波列。此时应仔细分析，并应结合工程地质资料、施工原始记录进行综合判断。桩体浅部断裂是定性评价，可通过横向激振比较同类桩横向振动特征之间的差异进行辅助判断。在上述时域分析的基础上，尚可采用频谱分析技术，利用振幅谱进行辅助判断。桩身混凝土的强度等级可依据波速来估计。波速与混凝土抗压强度的换算系数，应通过对混凝土试件的波速测定和抗压强度对比试验确定。

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