超声波法探测混凝土内部缺陷

结构混凝土内部缺陷（空洞或非密实区）不像表面裂缝、剥落、外露的蜂窝及孔洞等外部缺损易于发现和测定。作为内部隐患，其对结构或构件的危害较严重，是既有建筑物可靠性评定中的必测项目，需采用能获得声时、声程、衰减、波形等多个物理量的超声波仪，以便较准确地判断内部缺陷的存在、位置、大小和性质。

（一）缺陷的存在和部位的判别

1.初步判断

（1）普测。当对结构混凝土内部质量有怀疑时，可先在构件两相对侧面上划出较稀疏的一级网格，见图2-23。网格间距视构件尺寸大小而定（例如30cm 左右），测定网格交点的声时值。

（2）细测。在包络声时变化较大的异常点的区域内，以较小的间距（例如10cm）划出二级网格，测定网格交点的声时值。将声时较大的各等声时测点连接为“等声时线”，在该等声时线范围内可初步确定为缺陷区。

声时值异常的判别：一般采用统计方法定量判别测点声时值是否异常。若测点i 的声速值符合下式，则可判为异常点

式中：vi 为第i 个测点的声速值；为测点声速的均值；Sv 为测点声速的标准差。

当被测构件的厚度（即声程）不变时，也可直接用声时值的统计结果作为判别依据

图2-23　网格法探测混凝土缺陷区示意图

式中：ti 为第i 个测点的声时值；为测点声时的均值；St 为测点声时的标准差。

根据声速（或声时）值的变化可以判别缺陷的存在，但因该变化幅度一般不是很大，特别是当测试距离较大，垂直于测试方向的缺陷尺寸又较小时，可判别性较差。

2.准确判断

在测定各测点声时值时，若同时检测和计算接收波的频率、首波波幅（或衰减）和观察波形的畸变（必要时可用拍照记录）等参数，可提高判断的准确性。

图2-24　接收波波形示意图

（1）由接收波波形（图2-24）按下式计算频率

或

式中：t1、t2、t6 分别为图2-24所示接收波对应点的声时值。

（2）衰减系数α。α为波幅随声程增大而减小的参数，可按下式计算

式中：A0 为x =0 时的波幅值，在显示屏上用直读法测得；A为x = x 时的波幅值；x 为超声波在混凝土中的传播距离。

接收波衰减值用衰减器法测得。衰减系数α可取用下列单位。

1）奈培数（NP）：奈培数

显然，当（NP）。(www.xing528.com)

2）分贝数（dB）：分贝数

衰减系数α的单位分别为NP/cm 或dB/cm。两单位之间的转换关系为

在测得各测点的声时值t（或声速值v）、首波幅A（或衰减系数α）的相对值后，则可参考表2-29 对混凝土质量进行较准确的定性判断。

表2-29　混凝土质量综合定性判断表

同时，还可结合接收波的波形特征按表2-30进行较准确的定性判断。

表2-30　结合波形定性判断表

（3）无缺陷混凝土的波形特征。无缺陷混凝土的波形有下述特征：①首波陡峭，波幅大；②第一个周波的后半个波即达到较高的波幅值，接收波的包络线呈半圆形；③第一个周期的波形无畸变。

（4）有缺陷混凝土的波形特征。超声波在有缺陷混凝土中的波形具有下述特征：①首波较平缓、波幅小；②第一个周波的后半波，甚至到第二个周波，其幅度增加还不多，包络线呈喇叭形；③前一、二周期波形有畸变。

定量判别可用缺陷综合质量指标KZ 进行

式中：Ai 为第i 个测点首波波幅，mm或NP、dB；fi 为第i 个测点接收波频率，kHz；ti 为第i 个测点声时值，μs；m、n 均为常数，以使A、f、t 三者的变异系数相等为原则，按下式试算（式中Sf 和St 分别包含m 和n 值）：

式中：SA 为各测点接收波波幅值的标准差；为各测点接收波波幅值的平均值；Sf 为各测点接收波频率减去n值后的标准差；为各测点接收波频率减去n 值后的平均值；St 为各测点接收波声时值减去m 值后的标准差；为各测点接收波声时值减去m 值后的平均值。

（二）内部缺陷大小的测定

图2-25　用对测法测定内部空洞尺寸

按上述方法确定了混凝土内部孔洞、蜂窝等缺陷的位置后，便可采用如图2-25 所示的对测法测缺陷尺寸大小。首先测位于缺陷区附近但无缺陷的a点混凝土（其厚度与缺陷区相等）的声时值，然后将探头移入缺陷区，所测声时最长的b点，即为缺陷垂直于两探头连线平面的“中心”位置。b 点的声时值即为超声波绕过缺陷的时间。

缺陷（孔洞、蜂窝）垂直于两探头连线方向的横向尺寸按下式计算

式中：d 为缺陷（孔洞）的横向尺寸；D 为探头直径；L 为两探头间直线距离；t0 为无缺陷混凝土声时值；t1 为缺陷（孔洞）“中心”点的声时值。

对如图2-26所示的横向尺寸小于或接近探头直径的扁平状孔洞或裂隙的内部缺陷，若使用上述对测法准确性就很差。此时可采用图2-26所示的斜测法，将两换能器以同样的相对位置在无缺陷处测出两探头间的声时值t0，然后再将两探头同步同速向有缺陷处移动，即保持Lc 值不变，当测得声时值为最大值tc时，如图2-26所示，则可按下式估算缺陷尺寸d：

图2-26　用斜测法测定内部空洞尺寸

式中：Lc 为两探头间的直线距离；α为两探头连线与缺陷平面的夹角。