概 述
在混凝土結(jié)構(gòu)物的施工及使用過(guò)程中，往往會(huì)構(gòu)成一些缺陷和損傷。形成這些缺陷和損傷的原因是多種多樣的，一般而言，主要有4個(gè)方面：
(1)施工原因，例如，振搗不足、鋼筋網(wǎng)過(guò)密而骨料*大粒徑選擇不當(dāng)、模板漏漿等所造成的內(nèi)部孔洞、不密實(shí)區(qū)、蜂窩及保護(hù)層不足、鋼筋外露等;
(2)由于混凝土非外力作用形成的裂縫，例如，在大體積混凝土中因水泥水化熱積蓄過(guò)多，在凝固及散熱過(guò)程中的不均勻收縮而造成的溫度裂縫，混凝土干縮及碳化收縮所造成的裂縫;
(3)長(zhǎng)期在腐蝕介質(zhì)或凍融作用下由表及里的層狀疏松;
(4)受外力作用所產(chǎn)生的裂縫，例如因齡期不足即行吊裝而產(chǎn)生的吊裝裂縫等。
雖然形成缺陷和損傷的原因很多，但是缺陷和損傷的形成不外乎圖6-1所示的幾種。
這些缺陷和損傷往往會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)物的承載能力和耐久性，因此，是事故處理、施工驗(yàn)收、陳舊建筑物**性鑒定、進(jìn)行維修和補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的檢測(cè)項(xiàng)目。
所謂混凝土探傷，就是以無(wú)損檢測(cè)的
手段，確定混凝土內(nèi)部缺陷的存在、大小、位置和性質(zhì)的一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)技術(shù)。
可用于混凝土探傷的無(wú)損檢測(cè)手段有聲脈沖法(包括沖擊回波法及超聲脈沖法)和射線法兩大類(lèi)，其中射線法因穿透能力有限，以及操作中需解決人體防護(hù)等問(wèn)題，在我國(guó)使用較少。目前*常用的方法是超聲脈沖法。
超聲波技術(shù)用于材料內(nèi)部缺陷的探傷始于1928年，首先用于金屬材料及其零件。當(dāng)時(shí)制成了**臺(tái)連續(xù)超聲波探傷儀，它只能探測(cè)缺陷的有無(wú)，而無(wú)法確定缺陷的大小和位置。1934年提出了用超聲脈沖技術(shù)進(jìn)行探傷。在**次世界大戰(zhàn)中雷達(dá)技術(shù)迅速發(fā)展，采用超聲脈沖技術(shù)的相應(yīng)儀器也隨之日臻完善。目前，在金屬材料中已應(yīng)用了超聲顯像、自動(dòng)報(bào)警等新技術(shù)，而且超聲波全息照相技術(shù)也得到應(yīng)用?；炷撂絺夹g(shù)的發(fā)展比金屬材料探傷的發(fā)展要晚得多，在這方面的研究工作直到50年代才逐步開(kāi)始。在我國(guó)，直到60年代才受到工程界的重視。1990年我國(guó)制定了《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS2 21：90)。
金屬材料的探傷主要是應(yīng)用超聲波在內(nèi)部缺陷界面上的反射特征，以反射波作為判斷缺陷狀態(tài)的基本依據(jù)。鑒于混凝土的非均質(zhì)特性，高頻超聲波在混凝土中傳播時(shí)，將受到無(wú)數(shù)個(gè)界面的反射，若用金屬超聲探傷儀進(jìn)行混凝土探傷，難以鑒別出缺陷。因此，混凝土超聲探傷的基本原理與金屬探傷不同。
混凝土超聲探傷采用以下4點(diǎn)作為判別缺陷的基本依據(jù)：
(1)根據(jù)低頻超聲在混凝土中遇到缺陷時(shí)的繞射現(xiàn)象，按聲時(shí)及聲程的變化，判別和計(jì)算缺陷的大小;
(2)根據(jù)超聲波在缺陷界面上產(chǎn)生散射，抵達(dá)接收探頭時(shí)能量顯著衰減的現(xiàn)象判斷缺陷的存在及大小;
(3)根據(jù)超聲脈沖各頻率成分在遇到缺陷時(shí)衰減的程度不同，接收頻率明顯降低，或接收波頻譜與反射波頻譜產(chǎn)生的差異，也可判別內(nèi)部缺陷;
(4)根據(jù)超聲波在缺陷處的波形轉(zhuǎn)換和疊加，造成接收波形畸變的現(xiàn)象判別缺陷。
以上4點(diǎn)可以單獨(dú)運(yùn)用，也可綜合運(yùn)用。
根據(jù)以上原理，在進(jìn)行混凝土探傷時(shí)所需測(cè)量的物理量是聲程、聲時(shí)、衰減量、接收波形及其頻譜，所以，凡是有波形顯示的混凝土超聲檢測(cè)儀均可用于探傷。而無(wú)波形顯示的數(shù)字顯式聲速儀，雖然也可用于探傷，但它只能提供聲時(shí)和聲速作為**的判別依據(jù)，因而容易造成誤判。
混凝土內(nèi)部缺陷的判別方法
一、混凝土內(nèi)部孔洞、裂縫及蜂窩狀缺陷的探測(cè)
(一)缺陷大小的實(shí)際聲程計(jì)算法
內(nèi)部缺陷的檢測(cè)應(yīng)采用穿透法，其發(fā)射及接收探頭的布置如圖6-2所示。在探測(cè)時(shí)首先在缺陷附近(圖6-2中)的(a)位置，測(cè)出無(wú)缺陷混凝土的聲時(shí)值，并按厚度算出聲速C(取數(shù)點(diǎn)的平均值)，然后將探頭移入缺陷區(qū)，并找到聲時(shí)*長(zhǎng)的一點(diǎn)，該點(diǎn)即為缺陷垂直于兩探頭連線平面的“中心”位置，然后測(cè)讀出聲時(shí)值。這時(shí)的聲時(shí)值應(yīng)為聲波繞過(guò)缺陷所需的時(shí)間。假定空洞正好居于厚度L的中心，則在超聲傳播方向上(即兩探頭連線方向上)的*小橫向尺寸
可按下式計(jì)算：(6-1)
式中，d為缺陷*小橫向尺寸;D為探頭直徑;
L為混凝土厚度;C為混凝土聲速(C=L/t1);t1為超聲過(guò)無(wú)混凝土?xí)r的聲時(shí);t2為探頭在缺陷中心位置時(shí)的聲時(shí)。
顯然，當(dāng)L與d之比越小時(shí)，t1與t2之差越大，探測(cè)準(zhǔn)確度越高，但當(dāng)缺陷形狀為扁平狀或片狀的內(nèi)部裂縫，而且其走向與超聲傳播方向平行時(shí)(見(jiàn)圖6-3中的a-a位置)，L/d將變得很大，t1與t2基本相等，這時(shí)，這種方法無(wú)效?？朔霓k法是在條件可能的情況下將探頭移過(guò)一個(gè)角度(見(jiàn)圖6-3中的b-b及e-e位置)。探頭位置移動(dòng)后，進(jìn)行缺陷尺寸計(jì)算，在(6-1)式中應(yīng)改用新的參數(shù)代入，例如探頭在e-e位置時(shí)，缺陷的尺寸d可近似計(jì)算如下：(6-2)
式中：d為片狀缺陷平面內(nèi)的*小尺寸;Lc為探頭間的*短距離;tc為探頭在e-e位置時(shí)，超聲繞過(guò)缺陷所需的聲時(shí);C為無(wú)缺陷混凝土的聲速;a為兩探頭連線與缺陷平面的夾角。
當(dāng)缺陷小于探頭直徑時(shí)，聲時(shí)無(wú)明顯變化，但因缺陷界面的散射將使衰減值增加，接收波的波高下降，這時(shí)應(yīng)改用衰減值(波高變化)或接收波頻率的下降程度作為判別缺陷是否存在的依據(jù)。當(dāng)探頭在某一面積上移動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中某一點(diǎn)接收波高顯著下降，而聲時(shí)無(wú)顯著變化，而且探頭連線轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度后有同樣現(xiàn)象，則可判為該點(diǎn)有小于探頭的缺陷存在(見(jiàn)圖6-4)。
(二)大面積掃測(cè)的缺陷判別
所謂內(nèi)部缺陷，是指在混凝土表面無(wú)外露痕跡的缺陷。在實(shí)際結(jié)構(gòu)及構(gòu)件檢測(cè)中，不可能在全部面積上進(jìn)行**探測(cè)，一般均選擇重要受力部位及對(duì)施工質(zhì)量有懷疑的部位進(jìn)行仔細(xì)探測(cè)。當(dāng)需仔細(xì)探測(cè)的面積較大時(shí)，可用多級(jí)網(wǎng)絡(luò)法描出等聲時(shí)線,并逐步縮小測(cè)區(qū)的方法(見(jiàn)圖6-5)，這樣可防止遺漏，同時(shí)又避免了大面積的細(xì)測(cè)。
網(wǎng)絡(luò)的大小可視構(gòu)件大小而定，例如***網(wǎng)絡(luò)采用30cm間距，然后在聲時(shí)變化的點(diǎn)上再劃出二級(jí)網(wǎng)絡(luò)(例如10cm)，將各等聲時(shí)點(diǎn)連接起來(lái)即成“等聲時(shí)線”，在等聲時(shí)線的范圍中，聲時(shí)*長(zhǎng)的點(diǎn)即為該缺陷區(qū)的“中心”位置。為了定量地確定缺陷的存在，近年來(lái)普遍采用統(tǒng)計(jì)方法。其具體方法是用被測(cè)構(gòu)件的各測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值t和超聲穿透距離L求出聲速C，然后根據(jù)已知的R=f(C)關(guān)系，換算出各測(cè)點(diǎn)的估算強(qiáng)度R。假定所有測(cè)值總體呈正態(tài)分布，求出其平均強(qiáng)度R和標(biāo)準(zhǔn)差S，則判定某點(diǎn)存在缺陷的依據(jù)為(6-3)
若第i點(diǎn)的強(qiáng)度值Ri符合上式，則該值出現(xiàn)的概度只有2.27%，即出現(xiàn)的機(jī)率極少，如果有，應(yīng)是一異常點(diǎn)，可視為存在缺陷的可疑位置。
當(dāng)被測(cè)對(duì)象的R=f(C)關(guān)系不明確，難以將C值換算成R值時(shí)，可直接用C值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為判別依據(jù)( 6-4)
式中， 為所有測(cè)點(diǎn)聲速平均值;Sc為聲速值的標(biāo)準(zhǔn)差;Ci為第i點(diǎn)的聲速值。
當(dāng)被測(cè)構(gòu)件的厚度不變(即聲程L不變)時(shí)，也可直接用聲時(shí)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為判別依據(jù)： ti <+2St (6-5)
式中： 為所有測(cè)點(diǎn)聲時(shí)平均值;St為聲時(shí)值的標(biāo)準(zhǔn)差;ti為第i點(diǎn)的聲時(shí)值。
以上判據(jù)中未反映測(cè)點(diǎn)的影響。為了更確切地判別缺陷，南京水利科學(xué)研究院曾提出如下判別方法：首先計(jì)算出結(jié)構(gòu)物各測(cè)點(diǎn)估算強(qiáng)度的平均值R及標(biāo)準(zhǔn)差S，然后分兩種情況對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行判斷。
1.孤立的低強(qiáng)度點(diǎn)
計(jì)算出該點(diǎn)強(qiáng)度和平均強(qiáng)度之差與樣本標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)z，即
(-Rmin)/S=z (6-6)
式中： 為所有測(cè)點(diǎn)的平均強(qiáng)度值;Rmin為孤立低強(qiáng)度點(diǎn)的強(qiáng)度值;S為強(qiáng)度值的標(biāo)準(zhǔn)差。再?gòu)恼龖B(tài)分布表上查得Rmin=-zS時(shí)出現(xiàn)的概率P，然后算出在N個(gè)測(cè)點(diǎn)中Rmin可能出現(xiàn)的次數(shù) M=NP (6-7)
式中：M為Rmin在正態(tài)分布的數(shù)值樣本中可能出現(xiàn)的次數(shù);N為測(cè)點(diǎn)總數(shù);P為Rmin在正態(tài)分布的樣本中的概率。
其判為缺陷的條件是 M<1 (6-8)
即在正常情況下，這樣的強(qiáng)度值是不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)的，現(xiàn)在出現(xiàn)了一個(gè)點(diǎn)，說(shuō)明是異常點(diǎn)，應(yīng)判為缺陷。
2.幾個(gè)相鄰點(diǎn)的強(qiáng)度都低于某一*小強(qiáng)度的區(qū)
通常取*小強(qiáng)度Rmin= -2S，即z=2。這時(shí)Rmin出現(xiàn)的概率為P=2.28%。
若在網(wǎng)絡(luò)測(cè)點(diǎn)中，某點(diǎn)A的強(qiáng)度低于Rmin，其相鄰四點(diǎn)中的任一點(diǎn)也低于Rmin，這種情況出現(xiàn)的概率為：
P=(2.28%)2×4=0.208%
同樣，當(dāng)NP<1時(shí)，則認(rèn)為此相鄰兩點(diǎn)處有缺陷。
當(dāng)被測(cè)對(duì)象的R=f(C)關(guān)系不明確時(shí)，也可直接用聲速C值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為判別依據(jù)。
中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)1990年公布的《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》(CECS21：90)中推薦采用下述方法進(jìn)行判別：
首先將測(cè)區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)值(ti)由小到大按順序排列，即t1≤t2≤…≤tn≤tn+1，將排在后面明顯偏大的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中*小的一個(gè)(假如是tn)連同其前面的數(shù)據(jù)，求出其平均值t和標(biāo)準(zhǔn)差St，并按下式算出異常情況的判斷值X0：
X0=+λ1•St (6-9)
式中：X0為異常情況判斷值;λ1為異常值判定系數(shù)，按表6-1選取。
把X0值與可疑數(shù)據(jù)中的*小值(假定為tn)相比較，若tn≥X0，則將tn及排在其后的各聲時(shí)值均為異常值;當(dāng)tn
如果在各測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)得波幅和頻率值，及按聲時(shí)算出的聲速值(以x代之)，則也可按上述方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，把它們分別按次序由大到小排列，排成x1≥x2≥…≥xn≥xn+1，將排在后面明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑。然后再將這些可疑數(shù)據(jù)中*大的一個(gè)(假定為xn)連同其前面的數(shù)據(jù)，算出平均值x和標(biāo)準(zhǔn)差Sx，并按下式求出判斷值X0。
X0=-λ1Sx (6-10)
式中： 為各測(cè)點(diǎn)波幅、頻率或聲速的平均值;Sx為波幅、頻率或聲速的標(biāo)準(zhǔn)差;其余各項(xiàng)含義同前。
再將判斷值X0與可疑數(shù)據(jù)的*大值Xn相比較，當(dāng)Xn≤X0時(shí)，則Xn及排在其后的各數(shù)據(jù)均為異常值;當(dāng)Xn>X0時(shí)，則應(yīng)再將Xn+1放進(jìn)去重新計(jì)算X和SX，并求出新的判斷值X0，把X0與Xn+1作比較。
當(dāng)測(cè)區(qū)中某些點(diǎn)聲時(shí)值(或聲速值)、波幅值(或頻率值)被判為異常值時(shí)，可結(jié)合異常測(cè)點(diǎn)的分布及波形狀況，確定混凝土內(nèi)部缺陷的范圍。
必須指出，波幅值和頻率值是與衰減密切相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)，因此，它們必然受耦合條件的明顯影響，若耦合條件保證不了波幅和頻率測(cè)值的穩(wěn)定，則該參數(shù)不能作為統(tǒng)計(jì)法的判據(jù)。
以上判據(jù)，改變了原來(lái)完全經(jīng)驗(yàn)性的判別方法，使缺陷的判別數(shù)值化。但這一判別方法尚待完善。其問(wèn)題在于：上述判據(jù)均假定缺陷檢測(cè)時(shí)，所有的測(cè)值的總體滿足正態(tài)分布規(guī)律。但事實(shí)上，在有缺陷存在的情況下，測(cè)值的分布與常用的混凝土強(qiáng)度分布規(guī)律不同，缺陷越多，則偏離正態(tài)分布規(guī)律越遠(yuǎn)。而且，S值隨著混凝土均一性的不同而變化，當(dāng)混凝土均勻性較差時(shí)，S值很大，這時(shí)很可能會(huì)掩蓋真正的缺陷。所以,一個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)均勻性很差或缺陷較多時(shí)，采用上述判據(jù)會(huì)產(chǎn)生漏判。
(三)缺陷的聲時(shí)、振幅、波形綜合判斷
在**節(jié)中已闡明，缺陷的存在，除了反映在超聲傳播時(shí)間延長(zhǎng)外，還反映在接收波幅度降低(衰減)和波形畸變。如能綜合運(yùn)用這些因素進(jìn)行判斷，必能提高判斷的準(zhǔn)確性。
若在探測(cè)時(shí)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)值t(或聲速C)、接收波波幅A(或衰減系數(shù)a)的相對(duì)值，則大體上可參考表6-2進(jìn)行定性判斷。同時(shí)，也可參考接收波的波形。如果聲時(shí)偏大，波幅偏小，而且波形畸變，則可以肯定混凝土質(zhì)量有缺陷。
為了能定量地用聲時(shí)、波幅和接收波頻率來(lái)判斷缺陷的存在，南京水利科學(xué)研究院提出了一個(gè)綜合質(zhì)量指標(biāo)
(6-11)
式中：為判斷缺陷的綜合值;fi為某測(cè)點(diǎn)接收波頻率，kHz;Ai為某測(cè)點(diǎn)接收波波幅，NP，dB或mm;ti為某測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值;μs，m，n為常數(shù)。
衰 減 聲 時(shí)
t正常(C正常) t正常(C偏大) t正常(C偏小)
A正常(a正常) 強(qiáng)度正常 強(qiáng)度較高 強(qiáng)度較低有局部缺陷
A正常(a偏小) 強(qiáng)度正?；蚱?強(qiáng)度較高質(zhì)量較好 強(qiáng)度正常混凝土漿多石少
強(qiáng)度正常但表面層 強(qiáng)度正常 強(qiáng)度偏低質(zhì)量**
A正常(a偏大) **或有內(nèi)部缺陷 混凝土石多漿少 內(nèi)部有缺陷
在綜合指標(biāo)中，引入m，n兩項(xiàng)常數(shù)項(xiàng)的原因是：由于混凝土質(zhì)量變化時(shí)，A、f、t的變化幅度很不一致，其中A的變化幅度*大，t的變化幅度*小，因而三者對(duì)Kcom的制約權(quán)數(shù)不等。為了改善這種狀況，引入m、n常項(xiàng)。
m、n值的確定，以使A、f、t三者的變異系數(shù)相等為原則，可按下式計(jì)算：
(6-12)
式中：SA為各測(cè)點(diǎn)接收波波幅測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)值; 為各測(cè)點(diǎn)接收波波幅測(cè)值的平均值;SF為各測(cè)點(diǎn)接收波頻率減去n后的標(biāo)準(zhǔn)差;為各測(cè)點(diǎn)接收頻率減去n后的平均值;ST為各測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值減去m??的標(biāo)準(zhǔn)差; 為各測(cè)點(diǎn)聲時(shí)值減去m后的平均值。
隨著超聲檢測(cè)儀器的迅速發(fā)展，在探傷中若能采用具有波形數(shù)字采集和處理功能的智能型儀器，則可通過(guò)機(jī)內(nèi)自動(dòng)判讀功能和頻譜分析功能，迅速而準(zhǔn)確地獲得各測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)、幅值、主頻率、頻譜畸變系數(shù)等許多參數(shù)。因此，多因素綜合判斷是缺陷判斷的必然趨勢(shì)。隨著可利用參數(shù)的增多，綜合判斷的模式也會(huì)不斷發(fā)展。近年來(lái)，聚類(lèi)分析、模糊綜合評(píng)判等模糊數(shù)學(xué)的多因素綜合判斷方法都已被引用于探傷技術(shù)，這些進(jìn)展必將使混凝土測(cè)缺陷的數(shù)值判據(jù)更準(zhǔn)確、更科學(xué)、更完善。
二、混凝土裂縫深度的探測(cè)
混凝土開(kāi)口垂直裂縫深度的探測(cè)，可視構(gòu)件的形狀及裂縫位置的不同，采用穿透法和平測(cè)法。
(1)當(dāng)垂直于裂縫的構(gòu)件斷面不大時(shí)，可在平行于裂縫的兩側(cè)面上用穿透法進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)時(shí)將探頭沿構(gòu)件側(cè)面逐點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)兩探頭連線未與裂縫平面相交時(shí)，聲時(shí)不變，兩者相交后聲時(shí)逐漸拉長(zhǎng)。
在采用這一探測(cè)方法時(shí)，假定裂縫中沒(méi)有積水和其它能夠傳聲的夾雜物，事實(shí)上這是不可能的。因此，用該法探測(cè)的裂縫深度往往小于實(shí)際深度。為了避免誤判，也可采用波高法作為輔助判據(jù)。當(dāng)接收信號(hào)的波高顯著下降，而且越來(lái)越低，不再回升時(shí)，即使聲時(shí)未明顯增大，也應(yīng)將波高開(kāi)始下降的那一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高度判為裂縫的深度。此外，由于裂縫中的某些夾雜物形成聲通路，聲時(shí)會(huì)突然減小，但波高不會(huì)完全恢復(fù)，因而據(jù)此還可排除夾雜物的影響。如果裂縫中充滿水，則可采用橫波探頭消除水的干擾。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
