1、结构混凝土强度的超声波法检测结构混凝土强度的超声波法检测第一节第一节 概述概述超声脉冲技术被用于结构混凝土检测的历史不算超声脉冲技术被用于结构混凝土检测的历史不算很长。人们很长。人们1928年制成了第一台连续超声波材料年制成了第一台连续超声波材料探伤仪。第二次世界大战期间，雷达技术发展很探伤仪。第二次世界大战期间，雷达技术发展很快，促进了超声脉冲技术的提高，战后，超声脉快，促进了超声脉冲技术的提高，战后，超声脉冲技术开始实用化。在此基础上，琼斯等人首先冲技术开始实用化。在此基础上，琼斯等人首先把该项技术引用于结构混凝土的检测，取得了满把该项技术引用于结构混凝土的检测，取得了满意的结果，引起世界
2、工程界的重视。随后的二十意的结果，引起世界工程界的重视。随后的二十多年中，在这方面的研究不断深入，工程应用也多年中，在这方面的研究不断深入，工程应用也逐渐普遍。至今，超声脉冲检测技术，已以为工逐渐普遍。至今，超声脉冲检测技术，已以为工程结构物质量的重要检测手段之一。程结构物质量的重要检测手段之一。我国自五十年代开始这一领域的研究以来，已取我国自五十年代开始这一领域的研究以来，已取得丰硕成果。在仪器研究方面，我们自得丰硕成果。在仪器研究方面，我们自1958年开年开始研制混凝土超声检测仪，六十年代即已制成多始研制混凝土超声检测仪，六十年代即已制成多种类型的仪器。近年来仪器的研究工作已向小型种类型的
3、仪器。近年来仪器的研究工作已向小型化、自动化和智能化的方向发展。在检测技术的化、自动化和智能化的方向发展。在检测技术的研究方面，近十年来投入了较大的力量，基本上研究方面，近十年来投入了较大的力量，基本上形成了适合我国特点的方法体系，并正在纳入标形成了适合我国特点的方法体系，并正在纳入标准。在工程应用方面，我国已积累较多的经验，准。在工程应用方面，我国已积累较多的经验，在许多工程的应用中，都取得了良好的效益。在许多工程的应用中，都取得了良好的效益。结构混凝土的超声脉冲法检测一般说应包括强度结构混凝土的超声脉冲法检测一般说应包括强度检测、缺陷探测、弹性或非弹性参数及其它参数检测、缺陷探测、弹性或非
4、弹性参数及其它参数的测定。的测定。结构混凝土强度的超声检测是以强度与超声波在结构混凝土强度的超声检测是以强度与超声波在混凝土中的传播参数混凝土中的传播参数(声速、衰减系数等声速、衰减系数等)之间的之间的相关关系为基础的。相关关系为基础的。从理论上来说，超声传播特性应是描述混凝土强从理论上来说，超声传播特性应是描述混凝土强度的理想参数。但是，由于混凝土强度是一项十度的理想参数。但是，由于混凝土强度是一项十分复杂的指标，它受许多因素的影响，要想起立分复杂的指标，它受许多因素的影响，要想起立强度和超声传播特性之间的简单关系是困难的。强度和超声传播特性之间的简单关系是困难的。至今超声测强还只能建立在试
5、验归纳的基础上，至今超声测强还只能建立在试验归纳的基础上，一般是通过试验建立强度与声速的关系曲线一般是通过试验建立强度与声速的关系曲线(即即RC曲线曲线)或经验公式，作为超声法测强的基本或经验公式，作为超声法测强的基本换算依据。所以超声脉冲法测强的关键，就在于换算依据。所以超声脉冲法测强的关键，就在于建立准确的建立准确的RC关系，精确地测量被测混凝土的关系，精确地测量被测混凝土的声速，以及搞清各种影响声速，以及搞清各种影响RC关系的因素这三个关系的因素这三个方面。方面。第二节第二节 声速测量技术声速测量技术 声速按下式计算：声速按下式计算：1.探头频率的选择及探头的布置探头频率的选择及探头的布
6、置 鉴于超声波在混凝土中传播时明显的衰减现鉴于超声波在混凝土中传播时明显的衰减现象，所采用的超声脉冲频率不宜太高，探头频率象，所采用的超声脉冲频率不宜太高，探头频率应随测试距离的增大而降低。应随测试距离的增大而降低。对于探头频率的选择，我国目前尚无统一规对于探头频率的选择，我国目前尚无统一规定，北京地区混凝土非破损测试技术研究组建议定，北京地区混凝土非破损测试技术研究组建议按下式选用按下式选用在测量声速时探头的布置方式在测量声速时探头的布置方式直穿法直穿法斜穿法斜穿法平测法平测法2.测点的选择与测面处理测点的选择与测面处理 在进行实验室标准立方体试块或棱柱体试块在进行实验室标准立方体试块或棱柱
7、体试块的测量时，应选择成型时的侧面进行测试，并将的测量时，应选择成型时的侧面进行测试，并将探头用直穿法测量上、中、下探头用直穿法测量上、中、下35个测点，布置个测点，布置方式见图，这样所测结果的平均声速能较全面地方式见图，这样所测结果的平均声速能较全面地反映试块状况。反映试块状况。在进行现场结构物测试时，应尽可能选择浇在进行现场结构物测试时，应尽可能选择浇筑时的模板侧面为测试面。若限于条件，必须在筑时的模板侧面为测试面。若限于条件，必须在混凝土浇筑的上表面与底面之间测试时，实测声混凝土浇筑的上表面与底面之间测试时，实测声速一般低于侧面测试的声速。需作如下修正：速一般低于侧面测试的声速。需作如下
8、修正：为使换能器与被测混凝土表面有良好的声耦为使换能器与被测混凝土表面有良好的声耦合，要求测区内混凝土表面要整洁档，应预先扫合，要求测区内混凝土表面要整洁档，应预先扫净砂土浮灰，如果混凝土表面粗糙，不平整，而净砂土浮灰，如果混凝土表面粗糙，不平整，而测区又无法移位时，应将表面用砂轮片打磨，或测区又无法移位时，应将表面用砂轮片打磨，或用快硬水泥浆取最小厚度填平。用快硬水泥浆取最小厚度填平。表面整平后，在换能器与试休之间仍需加耦表面整平后，在换能器与试休之间仍需加耦合剂，以减少声能反射损失。在混凝土测试中常合剂，以减少声能反射损失。在混凝土测试中常用黄油、凡土林、水破璃、水等。用黄油、凡土林、水破
9、璃、水等。探头与试件之间的压紧程度，也将对耦合情探头与试件之间的压紧程度，也将对耦合情况造成影响，因而也会影响衰减值而导致声时读况造成影响，因而也会影响衰减值而导致声时读数的误差。为使探头压紧力稳定，可采用图所示数的误差。为使探头压紧力稳定，可采用图所示的压紧装置。的压紧装置。3.测距的影响和声程的计算测距的影响和声程的计算测距的影响测距的影响测距对声速具有一定影响。测距对声速具有一定影响。关于测距对声速造成影响的原因，说法不一，如果混凝土的质量关于测距对声速造成影响的原因，说法不一，如果混凝土的质量是均一例，则从理论上来说，测距对声速应无影响，目前所造成的影是均一例，则从理论上来说，测距对声
10、速应无影响，目前所造成的影响，主要是由于混凝土的衰减作用及仪器测读时人为视差的综合结果。响，主要是由于混凝土的衰减作用及仪器测读时人为视差的综合结果。关于混凝土检测时的最小测试距离，国际材关于混凝土检测时的最小测试距离，国际材料与结构试验研究协会料与结构试验研究协会(RILEM)建议根据粗骨科建议根据粗骨科的最大粒径予以限制，具体限制值见表。的最大粒径予以限制，具体限制值见表。声程的计算声程的计算 声脉冲从发射探头至接收探头所传播的距离称为声脉冲从发射探头至接收探头所传播的距离称为声程，它是计算声速时的要素之一，在直透法和声程，它是计算声速时的要素之一，在直透法和斜透法的测试中，声程即为两探头
11、平面几何中心斜透法的测试中，声程即为两探头平面几何中心连线的长度，只要用直尺量即可。连线的长度，只要用直尺量即可。当采用平测法时，因换能器与试件接触的面当采用平测法时，因换能器与试件接触的面积有一定大小，决定声程时，应选择整个探头面积有一定大小，决定声程时，应选择整个探头面积上的哪一点作为测量探头间距的依据有一定困积上的哪一点作为测量探头间距的依据有一定困难。考虑到换能器间的相互作用，发射探头与接难。考虑到换能器间的相互作用，发射探头与接收探头间的收探头间的“有效距离有效距离”(即声程即声程)，并不等几何，并不等几何中心间的距离，而要略小中心间的距离，而要略小些，因此，必须对几些，因此，必须对
12、几何中心间的距离作一定的修正。何中心间的距离作一定的修正。声速：声速：4.声时的测读声时的测读 声脉冲在材料中传播一定的声程所需的时间声脉冲在材料中传播一定的声程所需的时间称为声的。声时也是计算声速的要素之一，需要称为声的。声时也是计算声速的要素之一，需要准确地测读声时。准确地测读声时。第三节第三节 用声速推定混凝土强度的方法用声速推定混凝土强度的方法1.声速分级法声速分级法 这种分级方法是超声法测定混凝土强度的最这种分级方法是超声法测定混凝土强度的最原始的应用。它丝毫没有考虑各种因素对混凝土原始的应用。它丝毫没有考虑各种因素对混凝土强度与声速关系的影响，显然是十分粗略的，而强度与声速关系的影
13、响，显然是十分粗略的，而且各级混凝土的质量并无定量概念，不能满足现且各级混凝土的质量并无定量概念，不能满足现代质量检测的要求。因此，这种方法用于粗略地代质量检测的要求。因此，这种方法用于粗略地估计混凝土质量，已被淘汰。估计混凝土质量，已被淘汰。2.标准曲线法标准曲线法校准曲线法就是在试验室里制作一定数量的立方校准曲线法就是在试验室里制作一定数量的立方体试块，同时对试块用非破损方法体试块，同时对试块用非破损方法(测量试块声速测量试块声速)与破损方法与破损方法(用压力机实测抗压强度用压力机实测抗压强度)进行测定，进行测定，然后根据上述实测值建立强度和声速的关系曲线。然后根据上述实测值建立强度和声速
14、的关系曲线。在对结构物或建筑构件进行非破损检查时，则用在对结构物或建筑构件进行非破损检查时，则用该曲线作为确定强度的查考依据。该曲线作为确定强度的查考依据。鉴于在一定的地区范国内，原材料条件、配鉴于在一定的地区范国内，原材料条件、配比设计方法及施工方法等均较接近的特点，我国比设计方法及施工方法等均较接近的特点，我国于于1977年在北京召开的年在北京召开的“混凝土超声波测强技术混凝土超声波测强技术座谈会座谈会”上决定建立地区校准曲线，至今已有许上决定建立地区校准曲线，至今已有许多地区提出了各自的校准曲线。若求出这些曲线多地区提出了各自的校准曲线。若求出这些曲线的回归方程，则可得一系列的回归方程，
15、则可得一系列RC关系的经验公式。关系的经验公式。凡测试地区和测试条件与所得地区经验公式基本凡测试地区和测试条件与所得地区经验公式基本一致，则可将所测的声速值代入经验公式或直接一致，则可将所测的声速值代入经验公式或直接查对曲线，求出混凝土强度。查对曲线，求出混凝土强度。3.修正系数法修正系数法 修正系数法实际上是校准曲线法的一种发展，它修正系数法实际上是校准曲线法的一种发展，它首先选定某种工程上常用的混凝土作为基准，称首先选定某种工程上常用的混凝土作为基准，称标准混凝土，然后用实测的方法求出标准混凝土标准混凝土，然后用实测的方法求出标准混凝土的抗压强度的抗压强度R与声速与声速C的校准曲线，并用数
16、理统的校准曲线，并用数理统计方法计方法(求出该曲线的回归方程。此后，凡待测的求出该曲线的回归方程。此后，凡待测的混凝土的具体技术条件，如原材料、配比、期混凝土的具体技术条件，如原材料、配比、期龄龄等，与标准混凝土有差异时，则乘以一定等，与标准混凝土有差异时，则乘以一定的修正系数予以修正。的修正系数予以修正。首先确定标准混凝土的首先确定标准混凝土的Rs和和C的回归方程，的回归方程，假定该方程为假定该方程为 当实际待测的混凝土的具体技术条件与标当实际待测的混凝土的具体技术条件与标准混凝土不同时，待测混凝土的抗压强度与标准混凝土不同时，待测混凝土的抗压强度与标准混凝土抗压强度之间的关系为准混凝土抗压
17、强度之间的关系为 4.水泥净浆声速换算法水泥净浆声速换算法在整个混凝土多相复合体系中，粗细骨料所占比在整个混凝土多相复合体系中，粗细骨料所占比例甚大，它的品种、特性、含量等往往对混凝土例甚大，它的品种、特性、含量等往往对混凝土的总声速造成极大影响，但在一定的范围内，它的总声速造成极大影响，但在一定的范围内，它对混凝土强度的贡献却远不如对声速的影响那么对混凝土强度的贡献却远不如对声速的影响那么大。而混凝土中水泥石的强度及其与骨料粘结能大。而混凝土中水泥石的强度及其与骨料粘结能力是对混凝土强度起决定作用的。但由于它所占力是对混凝土强度起决定作用的。但由于它所占比例较少，对混凝土总声速的影响却很小，
18、这就比例较少，对混凝土总声速的影响却很小，这就是当混凝土原材料及配比不同时，声速与强度关是当混凝土原材料及配比不同时，声速与强度关系发生明显变化，使声速系发生明显变化，使声速强度曲钱无法普遍强度曲钱无法普遍应用的根本原因。应用的根本原因。基于以上认识，若能将混凝土中硬化水泥净基于以上认识，若能将混凝土中硬化水泥净浆的声速，从混凝土总声速中通过换算离析出来，浆的声速，从混凝土总声速中通过换算离析出来，建立换算的硬化水泥净浆声速与混凝土强度的关建立换算的硬化水泥净浆声速与混凝土强度的关系，则可消除骨料品种、含量等因素的影响。从系，则可消除骨料品种、含量等因素的影响。从而只要建立少数几种不同水泥品种
19、的而只要建立少数几种不同水泥品种的“硬化水泥硬化水泥净浆声速净浆声速混凝土强度混凝土强度”关系曲线或公式，就关系曲线或公式，就能适应各种不同配合比的混凝土的需要。这种消能适应各种不同配合比的混凝土的需要。这种消除配比因素影响的方法，即所谓水泥净浆声速换除配比因素影响的方法，即所谓水泥净浆声速换算法。算法。我国建筑材料科学研究院的研究成果表明，我国建筑材料科学研究院的研究成果表明，该关系式应采用下面的函数形式，即该关系式应采用下面的函数形式，即(1)普通硅酸盐水泥，控制拌合物坍落度为普通硅酸盐水泥，控制拌合物坍落度为7cm以上，以上，混凝土强度与混凝土中硬化水泥浆换算声速混凝土强度与混凝土中硬化
20、水泥浆换算声速Cc之之间的关系：间的关系：(2)矿渣硅酸盐水泥，控制拌合物坍落度为矿渣硅酸盐水泥，控制拌合物坍落度为7cm以以上的混凝土：上的混凝土：5.水泥砂浆声速换算法水泥砂浆声速换算法 该法的基本思路与水泥净浆声速换算法相近，都该法的基本思路与水泥净浆声速换算法相近，都是用换算法来排除骨科的影响。主要区别是：水是用换算法来排除骨科的影响。主要区别是：水泥砂浆声速换算法把混凝土视为由水泥砂浆和粗泥砂浆声速换算法把混凝土视为由水泥砂浆和粗骨科复合而成的两相复合体系。骨科复合而成的两相复合体系。我国陕西省建筑科学研究所首先提出了这种我国陕西省建筑科学研究所首先提出了这种方法，并进行了系统研究，
21、他们用杭州、贵阳、方法，并进行了系统研究，他们用杭州、贵阳、重庆、成都、咸阳、湘潭、南京、北京等不同地重庆、成都、咸阳、湘潭、南京、北京等不同地区的区的15种石子的试验数据进行换算处理后，得出种石子的试验数据进行换算处理后，得出的混凝土强度与砂浆换算声速的回归方程为的混凝土强度与砂浆换算声速的回归方程为结构混凝土强度的超声回弹综合法检测结构混凝土强度的超声回弹综合法检测1.超声回弹综合法的基本依据超声回弹综合法的基本依据 超声和回弹法都是以材料的应力应变行为与强超声和回弹法都是以材料的应力应变行为与强度的关系为依据的。但超声速度主要反映材料的度的关系为依据的。但超声速度主要反映材料的弹性性质，
22、同时，由于它穿过材料，因而也反映弹性性质，同时，由于它穿过材料，因而也反映了材料内部构造的某些信息。回弹法反映了材料了材料内部构造的某些信息。回弹法反映了材料的弹性弹质，同时在一定程度上也反映了材料的的弹性弹质，同时在一定程度上也反映了材料的塑性性质，但它只能确切反映混凝土表层塑性性质，但它只能确切反映混凝土表层(约约3厘厘米左右米左右)的状态。因此，超声与回弹的综合，既能的状态。因此，超声与回弹的综合，既能反映混凝土的弹性，又能反映混凝土的塑性，既反映混凝土的弹性，又能反映混凝土的塑性，既能反映表层的状态，又能反映内部的构造，自然能反映表层的状态，又能反映内部的构造，自然能较确切地反映照凝土
23、的强度。能较确切地反映照凝土的强度。基本依据的另一方面是，实践证明声速基本依据的另一方面是，实践证明声速C和回和回弹值弹值N合理综合后，能消除原来影响合理综合后，能消除原来影响R一一C与与R一一N关系的许多因素。例如，水泥品种的影响，试关系的许多因素。例如，水泥品种的影响，试件含水量的影响及碳化影响等，都不再像原来单件含水量的影响及碳化影响等，都不再像原来单一指标时那么显著。这就使综合的一指标时那么显著。这就使综合的R一一N一一C关系关系有更广的适应性和更高的精度，而且使不同条件有更广的适应性和更高的精度，而且使不同条件的修正大为简化了。的修正大为简化了。2.“超声一回弹超声一回弹”综台法的影
24、响因素综台法的影响因素3.“超声超声回弹回弹”综合法检测的若干规定综合法检测的若干规定（一）应用范围（一）应用范围（1）对原有预留试块的抗压强度有怀疑，或没有对原有预留试块的抗压强度有怀疑，或没有预留试块时；预留试块时；（2）因原材料，配合比以及成型与养护不良而发因原材料，配合比以及成型与养护不良而发生质量问题时；生质量问题时；（3）已使用多年的老结构，为了维修加固处理，已使用多年的老结构，为了维修加固处理，需取得混凝土实际强度值，而且有从结构上钻取需取得混凝土实际强度值，而且有从结构上钻取的芯样进行校核的情况下。的芯样进行校核的情况下。（二）测区的布置和抽样办法（二）测区的布置和抽样办法 测
25、区的数量分为按单个构件检测或按批检测两种测区的数量分为按单个构件检测或按批检测两种情况：按单个构件检测时，测区数放不少于情况：按单个构件检测时，测区数放不少于10个。个。若构件长度不足两米，测区数可适当减少，但最若构件长度不足两米，测区数可适当减少，但最少不得少于少不得少于3个；按批检测时，同一批的构件抽个；按批检测时，同一批的构件抽样数量应不少于同批构件总数的样数量应不少于同批构件总数的30，而且不少，而且不少于于4个，每个构件上测区数不少于个，每个构件上测区数不少于10个。个。（三）回弹值的测量与计算（三）回弹值的测量与计算（四）超声值的测量与计算（四）超声值的测量与计算超声的测试点应布置
26、在同一超声的测试点应布置在同一个测区的回弹值测试而上，个测区的回弹值测试而上，但探头安放位置不宜与弹击但探头安放位置不宜与弹击点重叠。每个测区内应在相点重叠。每个测区内应在相对测试面上对应地布置三个对测试面上对应地布置三个测点，相对面上的收、发探测点，相对面上的收、发探头应在同一轴线上。只有在头应在同一轴线上。只有在同一个测区内所测得的回弹同一个测区内所测得的回弹值和声速值才能作为推算强值和声速值才能作为推算强度的综合参数，不同测区的度的综合参数，不同测区的测值不可混淆。测值不可混淆。4.R-C-N关系曲线关系曲线在综合法测强中，结构或构件上每一个测区的混在综合法测强中，结构或构件上每一个测区
27、的混凝土强度，是根据该测区实测的并经必要修正的凝土强度，是根据该测区实测的并经必要修正的起声波声速值起声波声速值C，及回弹平均值，及回弹平均值N，按事先建立的，按事先建立的R一一C一一N关系曲线推算出来的，因此必须建立靠关系曲线推算出来的，因此必须建立靠的的R一一CN关系曲线。关系曲线。曲线的制定方法是：采用常用的水泥、粗骨曲线的制定方法是：采用常用的水泥、粗骨料、细骨料按最佳配合比配制强度为料、细骨料按最佳配合比配制强度为C10C50级的混凝土，并制成边长为级的混凝土，并制成边长为150毫米的立方体试毫米的立方体试块，按龄期块，按龄期7、14、28、60、90、180、365天进天进行回弹、
28、超声及抗压强度测试。每一龄期每组试行回弹、超声及抗压强度测试。每一龄期每组试块须块须3个个(或或6个个)，每种强度等级的试块不少于，每种强度等级的试块不少于30块，并应在同一天内成型。块，并应在同一天内成型。试件进行标准养护后，试件进行标准养护后，按规定的龄期进行测试。测按规定的龄期进行测试。测定声时值时，测点的布置如图定声时值时，测点的布置如图所示。所示。测定回弹值时，应将试块放测定回弹值时，应将试块放在压力机上，用在压力机上，用3050千牛压千牛压力固定，然后在两相对面上各弹力固定，然后在两相对面上各弹击击8个点，并按规定计算回弹平均值，然后加荷至个点，并按规定计算回弹平均值，然后加荷至破
29、坏，得强度值。破坏，得强度值。将此测得的声速将此测得的声速C，回弹值，回弹值N及强度及强度R汇总后汇总后进行回归分析。并计算其标准差。进行回归分析。并计算其标准差。并按下式计算相对标准误差：并按下式计算相对标准误差：通用曲线的应用通用曲线的应用我国建筑科学研究院收集了北京、上海、天津、黑龙江、我国建筑科学研究院收集了北京、上海、天津、黑龙江、吉林、山西、内蒙、安微、河南、陕西、新疆、青海、四吉林、山西、内蒙、安微、河南、陕西、新疆、青海、四川、江苏、湖北、江西、湖南、广西、福建、贵州、重庆川、江苏、湖北、江西、湖南、广西、福建、贵州、重庆等等22个省、市、自治区的建筑科学研究所、建筑工程公司、
30、个省、市、自治区的建筑科学研究所、建筑工程公司、高等院校等高等院校等29个单位所提供的资料，共个单位所提供的资料，共8096个试块的声个试块的声速值、回弹值、碳化深度值及抗压强度值。这些试块的制速值、回弹值、碳化深度值及抗压强度值。这些试块的制作基本上与各地现场同条件，或根据制定地区曲线的要求作基本上与各地现场同条件，或根据制定地区曲线的要求制作。回弹仪进行标准率定，超声仪虽然型号不同，但均制作。回弹仪进行标准率定，超声仪虽然型号不同，但均采用统一率定，测试技术基本统一。因此，所得试验数据采用统一率定，测试技术基本统一。因此，所得试验数据的测试条件基本统一。然后，将这批数据进行统计分析，的测试条件基本统一。然后，将这批数据进行统计分析，选用选用10种综合法回归方程式种综合法回归方程式33种组合，最后选定了按卵种组合，最后选定了按卵石、碎石两种回归方程式作为通用基准曲线。石、碎石两种回归方程式作为通用基准曲线。卵石混凝土和碎石混凝土的通用基准曲线的卵石混凝土和碎石混凝土的通用基准曲线的公式如下：公式如下：卵石混凝土卵石混凝土 碎石混凝土碎石混凝土5.回弹法、超声法、回弹法、超声法、“回弹超声回弹超声”综合法的比较综合法的比较
