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1、混凝土裂缝深度超声波检测方法林维正1原来裂缝深度检测方法对混凝土浅裂缝深度（50cm以下）超声法检测主要有以下几种方法，如图 1所示的tc-10 法，图2所示的英国标准 BS 4408法等，“测缺规程”推荐使用 tc- to法2 3。1T5 环=15 I=1味也1）您-/神图2 BSH408法（尺寸单位为cm）上述方法中，声通路测距 BS 4408法以二换能器的边到边计算，而tc- to法则以二换能器的中到中计算，实际上声通路既不是二换能器的边到边距离，也不是中到中距离，“测缺规程”中介绍了以平测“时距”坐标图中L轴的截矩，即直线议程回归系数的常数项作为修正值，修正后的测距提高了 tct。法测
2、试精度，但增加了检测工作量，实际操作较麻烦，且 复测时，往往由于二换能器的耦合状态程度及其间距的变化，使检测结果重复性不良。 应用BS- 4408法时，当二换能器跨缝间距为60cm,发射换能器声能在裂缝处产生很大衰减，绕过裂缝传播到接收换能器的超声信号已很微弱，因此日本国提出了 “修改BS-4408法”方案，此方案将换能器到裂缝的距离改为ai 1.5dc这一要求，如国科 3表示，表1给出了相邻钢管的间距 S值。 表1 检测不受钢筋影响的相邻钢筋最小间距S值RIO I*4-裂缝深度 dc/cm1.5dc/cmS/cm57.515+中101530+中203060+中304590+中4060120+
3、 中5075150+ 中在工程中，如现浇混凝土楼板一般钢管的间距S为1520cm,即当混凝土裂缝深度大于 5cm时，按tcto法检测，声通路就有被钢筋“短路”之虑。由于混凝土工程中总要配置钢筋，tc-to法检测钢筋混凝土裂缝深度必然受到这一影响因素的制约，有些场合因不能满足a1.5dc的条件，而使tc- to法检测方案难以实施。2超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度的新方法笔者曾对数种超声波推定混凝土裂缝深度的方法进行反复的试验比较，并在裂缝检测实践中发现了因换能器平置裂缝两侧的间距不同而引起首波幅度及其振幅相位变化的规律。如图4所示，若置换能器于裂缝两侧，当换能器与裂缝间距a分别大于、等于
4、、小于裂缝深度dc时，超声波接收波形如(a), (b), (c)所示。图4首波幅度及其振幅相段反转变化规捧首波的振幅相位先后发生了 180的反转变化，即在平移换能器时，随着 a的变化，存在着一 个使首波相位发生反转变化的临界点，参见图4 (b)，当a dc时回折角a + 6约为90 。在该临界点左右，波形变化特别敏感，只要把换能器稍作来回移动，首波振幅相位反转瞬间 而变，此时，如采用超声仪的自动档整形读数方式，当首波相位瞬间变化时，时间数码管中 声时读数值呈突变状态，因为采用自动档读数时， 超声仪设计时间显示取其前沿首波作为计时门控的关门信号，当首波波形由图4中(a)缩短成(b)状态时，计数门
5、控的关门点由t点瞬间改变为t点。数码管显示时间值产生突变，这显然是丢波引起的。所以，此新方法无论采用观察示波器首波振幅反转法或采用自动档声时读数突变法，都能确定首波相位反转临界点，测量此时的a值，即为裂缝深度dc。当然，如示波器波形观察、数码管声时读数二者同时兼顾，则能减少相位反转临界点判断的人为差别，进一步统一测读精度。比2J杲刀攻明(b)留定为理四VX(d)/mm殳缢深crw傍播夕酎的笑系ssanjBn*-5u(/?in3!3n；iis以岳二彳匕道胃于由配，u t/fl性幻睥暮t: 令的m *切最奉堤*1anUftn3采用表面波/横波的传播声时测量裂缝深度测量裂缝深度采用100kHz SH
6、横波斜探头，其声压在水平和90角方向有峰值。50角方向的峰值是由斜楔造成的，而水平方向峰值则是由表面波引起的。对于这种测试，发射与接收探头分放在裂缝两边同一平面上一一发射探头至裂缝中心的距离Li为20mm,接收探头至裂缝中心的距离L2为40mm。实验结果证明了裂缝深度与声传播时间指数相关，相关系数为0.977,两者之间的回归方程为：t = 51.54X exp(0.00897 X d)(2)式中：d以mm为单位，而t以秒计算。接着，研究超声波的传播途径，图 3中显示了 4种可能的路径：(1)R到S:发射探头所激发(2) R到R:表面波沿的表面波，传播到裂缝尖端时发生模式转换为横波传播直到被接收
7、;裂缝表面传播直到被接收。(3) S到S:发射探头所激发的横波沿整个裂缝传播而直到被接收。(4) S到R:发射探头所激发的横波在裂缝尖端发生模式转换产生表面波，直到被接收。S和R分别表示为横波和表面波。上述各路径的声传播时间 t可以通过图3下面方程式计算得出。RrS：t = (Li +d)/V十l4 + d2 /Vs Rr R：t =(L +L2 +2d)/VrSr S：t = W +d2 + jL； +d2)/VsSr r： t = (. L.d2) /Vs (L d) /Vs I式中 t 声传播时间Li发射探头至裂缝距离L2接收探头至裂缝距离Vs横波声速Vr表面波声速d裂缝深度4冲击回波检
8、测裂缝深度根据P波在上表面和裂缝底部边缘间反射的频率，就可以利用式C h = 2f来确定裂缝的深度。测试结果的频谱如图 33所示。fc-R :霞面波 S ；横 St s H图3裂罐蛀起声辅福路径50W0M33采用对穿法测得混凝土板的声速为 3941m / s。在图的频谱中可以看到，其主频位于9.16KHZ处，对应的厚度为 21.5cm，这是厚度的振动频率(标准厚度为 22cm);在频率为13.06KHZ处也有一个峰值，对应的厚度为i5.0cm,这就是裂缝的振动频率(裂缝的实际深度为i4.5cm),这些都与实际相吻合。 在图26的频谱中还有一些次要的峰，这是由于在测试样品由边界引起的谐振，或是平
9、板界面反射谐振以及裂缝边缘衍射波的谐振等。基于时域的混凝土表面裂缝分析在大多数情况下，冲击回波法的共振频率可以成功地用于定位混凝土结构内部裂缝和孔洞的位置。但有时在频谱中辩认出来对应于缺陷的同适龄规地遇到了困难，这里我们采用一种基于时域分析的测试法解决这个问题。在测试中用两个接收换能器分别布置裂疑缝两侧。图34和图35分别表示了实验布置图的切H接收所冲击接收器1接收器2图34图35俯觇图面和俯视面。在图35中显示了第一个接收换能器位于冲击点H0处，第二个接收换能器位于裂缝相对的一侧。由冲击源冲击后，表面波第一个到达接换能器并且激发了监控系统。假如R波到达的时间为ti，已知R波波速为Cr,那么冲
10、击开始的时间为(ti - Ho/Cr)。由于冲击产生的 P波直 到在裂缝底部发生衍射时才到达裂缝后面的区域，此时第二个接收换能器才开始接收衍射的P波。若衍射P波到达第二个接收换能器的时间为t2,那么P波从冲击点到第二个接收换能器的最短时间可由下式获得： t= t2 (ti-H o/CR)=t2-ti+H o/Cr(24)若在混凝土板中已知 P波的声速为Cp,从冲击点到第二个接收换能器最短的传播距离可以 计算为CpX t。假如从裂缝到冲击点和第二个接收换能器之间的距离相应的为Hi和H2,那么裂缝的深度可根据几何关系求得并由下式计算：-Hi2(25)在实验中，我们测得表面波声速Cr为36i0m/s
11、, P波声速Cp为394im/s,采用四通道示波器(Gould采样频率20MHz)来记录波形，并通过改变接收换能器相对位置进行了三组 实验，其结果如下： 第一组：波形图其中，第一个接收换能器位于冲击点2cm (H0)处；裂缝离冲击点和第二个接收换能器之间的距离分别为 9cm (H)和9cm (H?)。从图中可以看出 R波引起的最初触发时间为 0.6s (ti);而由在裂缝底部的 P波衍射引起的最初触发时间为80.4 s化)。利用等式(24)可以计算出P波从冲击点到第二个接收换能器的最短时间为86.5 a s ( t),然后把结果代入等式(25)计算出裂缝的深度为14.47cm。裂缝的实际深度为
12、14.50cm,所以相对误差为：(14.50-14.47)/14.50 X 100%= 0.2% 第二组：波形图其中，(H0) = 2cm, ( H1) = 5cm, (H2) = 9cm, t1 = 0 s, t2= 77.9 s代入等式(24),即 t = 83.4 s代入等式(25),得出d = 14.75cm相对误差为：(14.75-14.50)/14.50 X 100%=1.7%第三组：波形图AUDATE：Ndv 17/98TIME0653CH1：O 50VJ00usCH2 lOOMv lOOus其中，&= 2cm, Hi= 11cm,出=7cm, t = 0 s, t2 = 82.9 s代入等式（24），即 t = 88.4 s；代入等式（25）,得出d= 14.80cm相对误差为：（14.80-14.50）/14.50 X 100%=2.1%由此可见，无论从频域或是时域分析，冲击回波法对于测量混凝土板垂直表面裂缝深度都是一种既有效又精确的方法。
混凝土裂缝深度超声波检测方法完整
