土木工程材料原理与方法13-超声法测缺解读课件.ppt
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- 土木工程 材料 原理 方法 13 超声 法测缺 解读 课件
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1、土木工程材料试验原理与方法(设计)东南大学材料学院庞超明Email: 办公电话:52090638 手机:13815885884土木工程材料试验原理与方法2超声法:重点超声法:重点一一 原理、方法、定义原理、方法、定义二二 声波的衰减声波的衰减三三 分贝分贝四四 混凝土中的超声波特征混凝土中的超声波特征五五 参数参数六六 影响因素影响因素七七 测强测试方法测强测试方法综合法综合法土木工程材料试验原理与方法3土木工程材料试验原理与方法定义:采用定义:采用能量转换能量转换的方法,运用的方法,运用电能转换电能转换为超声为超声能量,在材料中传播后,将其放大处能量,在材料中传播后,将其放大处理后又转换为电
2、能,用来测试材料性能的一理后又转换为电能,用来测试材料性能的一种测试方法。种测试方法。超声脉冲波速与材料的弹性性质有关,以最超声脉冲波速与材料的弹性性质有关,以最短距离传递。短距离传递。超声波超声波: :频率频率2210104 4HzHz的一种弹性介质的机的一种弹性介质的机械波,是声波的一种。械波,是声波的一种。参数:声压、声强和声阻抗参数:声压、声强和声阻抗4土木工程材料试验原理与方法衰减:振幅随传播距离的增大而逐渐减小。衰减:振幅随传播距离的增大而逐渐减小。声波衰减的大小取决:声波衰减的大小取决:一一超声波频率及其传播距离,超声波频率及其传播距离,二二被测材料的内部结构及性能。被测材料的内
3、部结构及性能。固体材料中三个原因:固体材料中三个原因:一一吸收衰减,散射衰减:吸收衰减,散射衰减: afafbfbf2 2cfcf4 4;二二扩散衰减:扩散衰减:取决于声辐射器取决于声辐射器的扩散性能及波的扩散性能及波的几何形状,与传播介质无关的几何形状,与传播介质无关分贝分贝(dB)(dB):声学、电学中,两个量纲相同的:声学、电学中,两个量纲相同的量的比。量的比。20lg20lg(A/A0A/A0)或)或10lg10lg (J/J0J/J0)5土木工程材料试验原理与方法重复间断发射,非持续、一定频率重复间断发射,非持续、一定频率(100Hz(100Hz或或50Hz)50Hz)间断发射。间断
4、发射。脉冲超声波不具有单一频率,而是由许多不同脉冲超声波不具有单一频率,而是由许多不同频率的余弦波组成的复频波,有固定主频率。频率的余弦波组成的复频波,有固定主频率。频散现象:不同频率的余弦波在媒质中传播时频散现象:不同频率的余弦波在媒质中传播时,波速不同,波形将随距离的增大而发生畸变,波速不同,波形将随距离的增大而发生畸变:脉冲开始部分的频率比后面的频率要高,越:脉冲开始部分的频率比后面的频率要高,越来越平、宽。来越平、宽。频漂:频率越高,衰减越大,引起主频率向低频漂:频率越高,衰减越大,引起主频率向低频侧的漂移频侧的漂移62022-6-23声速:声速即超声波在砼中的传播速度。声速:声速即超
5、声波在砼中的传播速度。振幅:首波振幅与接受换能器处被测介质超声声首波振幅与接受换能器处被测介质超声声压成正比,大小反映衰减情况;绕过裂缝和缺陷压成正比,大小反映衰减情况;绕过裂缝和缺陷而传播,振幅减小。振幅的大小还取决于仪器设而传播,振幅减小。振幅的大小还取决于仪器设备的性能、所处的状态、耦合状况及测距大小等备的性能、所处的状态、耦合状况及测距大小等。频率:高频成分首先被吸收和散射频率:高频成分首先被吸收和散射波形:直达波,反射波和绕射波相继达到接受换波形:直达波,反射波和绕射波相继达到接受换能器,由于频率和相位的不同,不同波的叠加有能器,由于频率和相位的不同,不同波的叠加有时也会使波形发畸变
6、。时也会使波形发畸变。2022-6-231 1横向尺寸效应横向尺寸效应2 2温度和湿度温度和湿度3 3钢筋钢筋4 4粗骨料品种、粒径和含量粗骨料品种、粒径和含量5 5水灰比和水泥用量水灰比和水泥用量6 6龄期和养护方法龄期和养护方法7 7砼的缺陷和损伤砼的缺陷和损伤2022-6-23分为统一曲线、地区性曲线和校准曲线。分为统一曲线、地区性曲线和校准曲线。测强曲线的建立测强曲线的建立与回弹法相似与回弹法相似常用砼测强曲线常用砼测强曲线f-Vf-V的关系曲线形式:的关系曲线形式: ( (二次函数二次函数) ) ( (指数函数指数函数) ) ( (幂函数幂函数) )2cvbvafcubvcuaefb
7、cuavf2022-6-23综合法特点:减少龄期和含水率的影响;弥补相综合法特点:减少龄期和含水率的影响;弥补相互不足,提高测试精度互不足,提高测试精度主要影响因素主要影响因素一一石子品种、用量及粒径石子品种、用量及粒径二二含水率含水率/ /测试面测试面三其他因素的分析l水泥品种水泥品种POPO、PSPS、PFPF,水泥用量,水泥用量200200450450/m/m3 3 : :无显无显著影响著影响l粗砂、中砂及细砂、砂率在粗砂、中砂及细砂、砂率在28284444无显著影响。无显著影响。l碳化深度每碳化深度每1 1,高,高0.60.6左右;仅影响回弹值,碳左右;仅影响回弹值,碳化深度较大,含水
8、量低,声速下降。化深度较大,含水量低,声速下降。超声法测缺:重点超声法测缺:重点一一裂缝裂缝二二缺陷缺陷其他无损检测法其他无损检测法一一电磁法电磁法二二红外技术红外技术三三共振法共振法四四冲击回波法冲击回波法五五声发射声发射土木工程材料试验原理与方法112022-6-23原理:最短距离、最快速度传输原理:最短距离、最快速度传输砼:裂缝中含水或空气砼:裂缝中含水或空气, , 两种两种阻抗差别很大阻抗差别很大的物质,能量几乎全部被反射,接收信号极的物质,能量几乎全部被反射,接收信号极其微弱。其微弱。采用较低频率,当探头置于裂缝两侧时,低采用较低频率,当探头置于裂缝两侧时,低频的超声波又可以从裂缝尾
9、端绕过而传到接频的超声波又可以从裂缝尾端绕过而传到接受换能器,传播时间变长、声时计算值变小受换能器,传播时间变长、声时计算值变小来判断裂缝。来判断裂缝。2022-6-23要求:要求:一一需检测的裂缝中,不得充水或泥浆;裂缝中需检测的裂缝中,不得充水或泥浆;裂缝中存在水分时,绝大部分超声波经水穿过裂缝传存在水分时,绝大部分超声波经水穿过裂缝传播到接受换能器,使得无裂缝的波幅值无明显播到接受换能器,使得无裂缝的波幅值无明显差异,但可使用横波换能器差异,但可使用横波换能器二二如有主筋穿过裂缝且于两探头的位置大致平如有主筋穿过裂缝且于两探头的位置大致平行,布置测点时,应注意使两探头所在位置的行,布置测
10、点时,应注意使两探头所在位置的连线至少与该主筋轴线相距连线至少与该主筋轴线相距1.51.5倍的裂缝隙预倍的裂缝隙预计深度。计深度。测试方法:平测法或斜测法等。当只有一测试方法:平测法或斜测法等。当只有一个可测面,可采用平测法检测。个可测面,可采用平测法检测。2022-6-23以不同测距同时测跨缝和不跨缝声时。以不同测距同时测跨缝和不跨缝声时。步骤:步骤:1.1.不跨缝隙声时测量,间距分别为不跨缝隙声时测量,间距分别为5050、100100、150150、200200、250mm250mm等,分别读取声时值等,分别读取声时值t tm m。2 2跨缝声时测量,换能器中心连线垂直于裂缝跨缝声时测量,
11、换能器中心连线垂直于裂缝方向,裂缝两侧间距分别为方向,裂缝两侧间距分别为5050、100100、150150、200200、250mm250mm等,读取声时值等,读取声时值t tf f。3 3计算裂缝隙深度计算裂缝隙深度hfhf声波传播速度一致,则声波传播速度一致,则mtLv 222)2()2.(Lttlhmff1)(22mffttLh 。.。 .。.。 。 . 。. 。. hl/2l/22022-6-23跨缝测量中,某测距跨缝测量中,某测距首波反相首波反相时,可取时,可取该测距及该测距及两个相邻测距两个相邻测距的测量值按上式计算,取三点的深的测量值按上式计算,取三点的深度度h h平均值作为该
12、裂缝的深度值平均值作为该裂缝的深度值h hc c。否则计算不同测距测得的深度否则计算不同测距测得的深度h hi i,并,并计算出深度平计算出深度平均值均值m mh h,将各测距与平均值,将各测距与平均值m mh h的测距相比较,凡测的测距相比较,凡测距小于平均值距小于平均值m mh h和大于和大于3m3mh h的数据组的数据组剔除剔除,然后取,然后取余下的余下的h hi i的平均值,作为该裂缝的深度。的平均值,作为该裂缝的深度。 2022-6-23 相互平行的测试表面。直观,可靠,相互平行的测试表面。直观,可靠, 保持通过缝与不通过缝的测试距离相等、倾斜角一致保持通过缝与不通过缝的测试距离相等
13、、倾斜角一致时,读取相应各点的声时值时,读取相应各点的声时值titi波幅波幅AiAi及频率及频率fifi。如发。如发射与接收探头的连线通过裂缝时,由于混凝土失去了射与接收探头的连线通过裂缝时,由于混凝土失去了连续性,在裂缝界面产生很大衰减,接收信号的波幅连续性,在裂缝界面产生很大衰减,接收信号的波幅及频率与不过缝相比较,存在显著差异,据此所可判及频率与不过缝相比较,存在显著差异,据此所可判断裂缝深度,及是否在水平方向贯通。断裂缝深度,及是否在水平方向贯通。 (三)对测法:两个换能器平行放置于同一水平面(三)对测法:两个换能器平行放置于同一水平面.。.。. .。.。. .。. .。.。. .。.
14、 .。.。.。. .。. .。.。.。.。. .。.。. .。. .。.。. .。.。.。.。. .。. .。. .。.。. .。. .。. .。. .。.。.2022-6-23 用于大体积,深度在用于大体积,深度在500mm500mm以上的裂缝检测。以上的裂缝检测。一一大体积结构中如施工管理不善,易产生深度裂缝,大体积结构中如施工管理不善,易产生深度裂缝, 因为水化热的散失相对较慢,内部温差较大,而产生拉因为水化热的散失相对较慢,内部温差较大,而产生拉应力,从而在混凝土表面产生裂缝。温差越大,产生的应力,从而在混凝土表面产生裂缝。温差越大,产生的拉应力越大,裂缝越深。拉应力越大,裂缝越深。
15、混凝土裂缝总是表面较宽,越向里深入越窄直至完全混凝土裂缝总是表面较宽,越向里深入越窄直至完全闭合闭合 跨缝与不跨缝的测点,其声时差异不明显,而波幅差跨缝与不跨缝的测点,其声时差异不明显,而波幅差异却很大,且随着裂缝宽度减小波幅值增大,直至裂异却很大,且随着裂缝宽度减小波幅值增大,直至裂缝末端,波幅才达最大值并基本保持稳定。缝末端,波幅才达最大值并基本保持稳定。 2022-6-23 允许在裂缝两旁钻孔测试;允许在裂缝两旁钻孔测试; 当裂缝中不得充水或水泥浆。当裂缝中不得充水或水泥浆。一一对所测试孔的要求:对所测试孔的要求:1.1.孔径比探头直径大孔径比探头直径大5 510mm10mm;二二2 2
16、对应的两个测试孔必须始终位于裂缝两侧,其轴对应的两个测试孔必须始终位于裂缝两侧,其轴线应保持平行;线应保持平行;三三3 3孔深应至少比裂缝预计深度深孔深应至少比裂缝预计深度深7070,经测试如浅,经测试如浅于裂缝深度,则应加深钻孔;于裂缝深度,则应加深钻孔;四四4 4对应测试孔的间距宜为对应测试孔的间距宜为20002000,同一结构的各对,同一结构的各对应测孔间距应相同;应测孔间距应相同;五五5 5孔中粉末碎屑,应清理干净;孔中粉末碎屑,应清理干净;六六6 6测试无缝砼的声学参数,供对比判别。测试无缝砼的声学参数,供对比判别。2022-6-23 将两探头置于裂缝两侧的对应将两探头置于裂缝两侧的
17、对应孔中,以相同高程等间距从上孔中,以相同高程等间距从上至下同步移动,逐步读取声时至下同步移动,逐步读取声时,波幅和探头所处的深度。,波幅和探头所处的深度。n以探头所处的深度(以探头所处的深度(d d)与对)与对应的波幅值(应的波幅值(A A)绘制)绘制d-Ad-A坐标坐标图,随着探头位置的下移,波图,随着探头位置的下移,波幅逐渐增大,当探头下移至某幅逐渐增大,当探头下移至某一位置后,波幅达最大并基本一位置后,波幅达最大并基本稳定,该位置所对应的深度便稳定,该位置所对应的深度便是裂缝深度是裂缝深度d d。01020304050607080900123振幅A深度h(mm)2022-6-23怀疑存
18、在缺陷,检测范围一般要大于所怀疑怀疑存在缺陷,检测范围一般要大于所怀疑的区域,或首先大范围粗测,再着重对可疑的区域,或首先大范围粗测,再着重对可疑区域细测。区域细测。波形畸变,可以根据声时,首波幅值及接收波形畸变,可以根据声时,首波幅值及接收信号频率的变化进行综合分析判断砼内部有信号频率的变化进行综合分析判断砼内部有无缺陷。无缺陷。当然混凝土内部密实性,强度存在一定的波当然混凝土内部密实性,强度存在一定的波动和离散,但只要符合质量保证率的条件下动和离散,但只要符合质量保证率的条件下,这种波动和离散是允许的,不应作缺陷处,这种波动和离散是允许的,不应作缺陷处理。理。2022-6-23砼强度服从正
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