大学生创新项目混凝土结构无损检测方法研究结题.docx
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大学生创新项目混凝土结构无损检测方法研究结题
目录
第一章绪论
第一节问题的提出
第二节结构无损检测技术发展概况与研究现状
第三节本文的主要工作
第二章超声波检测混凝土裂缝的无损方法
第一节超声波单面平测法原理及方法
第二节超声波首波相位反转法及其原理
第三章超声波检测混凝土不密实区和空洞的基本方法
第一节平面对测法检测混凝土不密实区和空洞
第二节平面斜测法检测混凝土不密实区和空洞
第三节钻孔测法检测混凝土不密实区和空洞
第四节混凝土不密实区和空洞的判定
第四章实验方法与成果分析
第一节超声波测试系统主要仪器设备及混凝土试件参数
第二节混凝土裂缝测试过程与结果分析
第三节混凝土不密实区、空洞测试结果与分析
第五章超声波测试弹性模量在混凝土缺陷检测中的运用
第一节超声波测试系统主要仪器设备及混凝土试件参数
第二节普通混凝土弹性模量的测试结果与分析
第六章总结与展望
第一节本文本工作总结
第二节有待进一步研究的问题
附件一学生参与项目研究感悟一
附件二学生参与项目研究感悟二
第一章绪论
第一节问题的提出
建筑结构与人类的生活息息相关，除了各种灾害性破坏（如地震、强风、火灾、意外撞击等）之外，建筑结构投入使用后，在外部环境条件的作用下，其材料的性能会随着时间的推移而逐步发生蜕化，主要表现为材料强度或结构刚度等力学性能的降低，进而在结构局部范围内积累起裂缝、腐蚀、变形等损伤。
虽然这些局部损伤一般不会立即导致整个结构的毁坏，但它往往对结构的安全构成很大的潜在威胁。
再者，由于传统的建筑结构可靠性是通过设计方法来保障的，而建筑物建成后的实际结构形态与结构设计模型并不完全一致。
因此，如何用结构的实测试验数据来检测已建结构的损伤并评判其现有的可靠度水平，已经成为现实工程中一个亟待解决的问题。
近几十年来,世界范围的建筑工业重心正在从大规模新建转向新建与维修、加固并举。
就我国的情况而言,五六十年代建造的大量建筑物,包括工业厂房、民用住宅、办公楼、桥梁等,有的己经接近设计基准期;有的由于种种原因,在不同程度上受到了破损。
改革开放以后建造的许多建筑物,由于施工质量管理制度的不健全,也存在着一些安全隐患"因结构破坏造成严重的人员伤亡及财产损失在国内外都不乏其例,如:
1994年在韩国发生的断桥事件、1998年重庆纂江彩虹桥坍塌事件、2001年的宜宾市南门大桥（1990年7月通车,当年号称“亚洲第一拱”）突然断裂等等。
据有关统计资料显示[1]我国在役结构物中约有二分之一以上存在不同程度的损伤,有许多结构已经进入服役的后期,如不采取措施,到本世纪中叶,我国将至少有一半以上的在役结构由于安全度过低而退役。
美国2001年度基础设施报告书中称有近1/3-1/2的道路、桥梁、建筑等基础设施存在结构性损伤,其交通部报告每年有5600座桥梁被更新[2]。
日本到2020年预计因结构损伤需要维修的桥梁将占到总数的1/2。
实践表明,对建筑结构进行定期检测和维修加固有利于消除因结构损伤而存在的安全隐患“避免结构突然倒塌事故的发生”因此,加强建筑结构的质量监测和控制刻不容缓。
第二节结构无损检测技术发展概况与研究现状
结构的损伤检测问题的提出是较早的，实际上它是伴随着结构物的诞生而产生的，从方法简单的原始专家经验方法过渡到依靠科学仪器检测的规范方法。
随着结构的老化及病害事例的增多，该项工作的重要性已逐渐被人们认识，随着现代科学技术的发展，对既有结构物的可靠性评定，已越来越依赖仪器进行检测和实验了。
传统的损伤检测方法主要包括外观检查、无破损或微破损检测、现场荷载试验，以及在特殊情况下进行抽样破坏性试验等。
一般来说，传统检查的方法难以获得结构的全面信息，尤其是结构中的隐蔽部位，而且检查结果的准确程度往往依赖于检查者的工程经验和主观判断，难以对结构的安全储备及退化的途径做出系统的评估。
于是近十年来，国内外学者一直在寻找能适用于复杂结构整体损伤评估的方法。
目前普遍认可的一种最有前途的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析、智能型传感器等跨学科技术的试验模态分析法，这种方法在发达国家己被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、荷载识别和动力修改等问题之中[3]。
动力破损评估法是近二十年来国内外研究非常活跃的损伤诊断方法，是基于结构物的刚度、质量以及材料等物理参数与结构动力参数的对应关系。
基于动力参数对结构进行损伤诊断时，对结构损伤敏感参数的选择是结构损伤诊断结果准确可靠的保证，这些敏感参数主要包括：
固有频率、阻尼比、振型、应变模态、应变能、频响函数、时域响应等。
第三节本文的主要工作
本文主要针对混凝土材料及悬臂梁结构损伤的无损检测方法展开研究，主要进行了以下的工作：
开展混凝土缺陷无损检测的实验研究。
针对混凝土构件的特点，对普通混凝土在成形之后的前期，采用超声波来检测混凝土表面浅裂缝与内部不密实区和空洞，测试方法简单，适用性强。
从中获取了大量的实验数据，通过实验研究和数据处理与分析，得到混凝土构件缺陷的具体情况，效果较理想，用于现场工程无损检测是可行和适用的。
第二章超声波检测混凝土缺陷的实验研究
第一节引言
随着社会的发展，混凝土材料被越来越多的用来建造各种建筑物。
然而在使用过程中，表面产生的浅裂缝是最常见的混凝土缺陷之一，由于浇注的原因，在混凝土的内部还会产生不密实区或空洞等缺陷。
裂缝对建筑物的危害很大，严重的会恶化结构应力状态，破坏其整体性和水工建筑物的抗渗性，危及建筑物的安全运行，轻微的也会影响建筑物的耐久性和美观，有的还会发展成为严重裂缝。
不密实区或空洞的存在将降低混凝土的密实性、抗渗性、抗冻性、强度和容重，当空洞与止水相通时会导致漏水，轻则影响建筑物的美观，重则影响结构物的整体强度，降低结构物的使用寿命，危害建筑物的安全运行。
为此，有必要对混凝土的质量状况做出判断。
而其中的关键问题是寻找有效的检测手段，以快速、准确地发现混凝土中存在的隐患及病害，即快速地对混凝土的损伤进行有效地检测，有效地预报其安全状况，为建筑物的安全评价提供可靠的方法，并为处理病险工程提供科学依据，这对工程的安全运行有着极为重要的意义。
混凝土质量检测有众多的方法[4]，其中的超声波法是一种重要的方法。
混凝土是由多种材料配制而成的非均质材料，对超声脉冲波的吸收、散射衰减较大，其中高频成份衰减更大，因此，超声波检测混凝土缺陷一般采用较低的探测频率。
当混凝土的组成材料、工艺条件、内部质量及测试距离一定时，超声波在其中传播的速度、首波的幅度和接收信号的频率等声学参数的测量值应该基本一致。
如果某部分混凝土存在空洞、不密实或裂缝，便破坏了混凝土的整体性，其中空气所占的体积比相应增大，而空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率，脉冲波在混凝土中的“固一气”界面传播时几乎产生全反射，只有一部分脉冲波绕过空洞或其他缺陷区，才能传播到接收换能器。
与无缺陷混凝土相比，可用如下的方法判断混凝土的损伤：
根据声时或声速的变化，可判断缺陷的存在和估算缺陷的大小；混凝土存在缺陷时，超声波在传播过程中将发生反射、折射，相对而言，其高频成份比低频成份衰减快，分析其接收信号频率产生的变化，根据这一变化也可作为判断混凝土缺陷存在的参量；超声波在缺陷的界面上的复杂反射、折射同时也使声波传播的相位发生叠加，叠加的结果导致接收信号的波形发生不同程度的畸变，根据波形畸变，也可判别缺陷的存在。
第二节超声波检测混凝土裂缝的无损方法
一．超声波单面平测法原理及方法
对于大型建筑的大体积混凝土结构，一般都体积庞大、结构复杂，在结构的裂缝部位，通常只有一个可测的临空界面。
此时可采用单面平测法进行检测。
单面平测法是在裂缝的被测部位，以不同的测距，用跨缝和不跨缝布置测点进行检测。
先将T、R换能器（T为激发端，R为接收端）置于裂缝的同一侧，以2个换能器不同内边缘间距，i分别读取声时值
，通过平测“时--距”曲线或用统计的方法求出每测点超声波实际传播距离和混凝土时速值v。
运用统计法求得t与，之间的回归直线式为，
，a、b一待求的回归系数，求得的回归系数b即为混凝土时速值v。
跨缝平测时的裂缝深度可按以下公式计算[5]：
（2.1）
（2.2）
（2.3）
式中，
-第i点计算的裂缝深度：
-第i点跨缝平测的声时值；
-不跨缝平测第i点的超声波实际传播距离；
-换能器内边缘之间的距离；a一声程的综合修正值；
一各测点计算裂缝深度的平均值；n一测点数。
图2.1为平测“时-距”图，图2.2为单面平测法跨缝测试示意图。
计算时应考虑声程的综合修正值a，因为声时读取过程中存在一个声时初读数及首波信号并非沿混凝土表面直接传播等带来的综合误差。
图2.1平测“时-距”图图2.2裂缝测试示意图
跨缝测量时，当发现在某测距首波相位反转时，可用该测距及2个相邻测距的测量值按（2.1）式计算，取此三点的平均值作为该裂缝的深度值，如测量中难于发现首波相位反转，则将各测距于
相比较，凡是测距小于
和大于3
，应该剔除这组数据，然后取余下的
的平均值作为该裂缝的深度值。
基于超声波直线传播的平测法在工程中具有较广泛的应用。
二．超声波首波相位反转法及其原理
超声波技术运用于结构混凝土强度和缺陷的非破损检测，尤其是在现场混凝土的缺陷检测中已广泛应用。
超声波检测技术的水平和精度日益提高，对确保工程质量、加快工程施工进度起了积极的作用，取得了显著的社会及经济效益。
随着新工艺、新技术的不断发展，混凝土无损检测技术也日益完善。
通过对数种超声波推定混凝土裂缝深度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。
该方法就是建立在此规律之上。
图2.3首波幅度及其振幅相位反转变化规律
如图2.3所示，若置换能器位于裂缝两侧，当换能器与裂缝间距a分别大于、等于、小于裂缝深度
时，超声波接收波形如（a），（b），（c）所示。
首波的振幅相位先后发生了
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2.3（b），当a
时回折角
约为
。
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问而变。
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，时问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2.3中（a）缩短成（b）状态时，计数门控的关门点由t点瞬间改变为
点，数码管显示时间值产生突变，这显然是由丢波引起的。
所以，此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
。
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误差，进一步提高测读精度。
图2.4转换器不对称裂缝两侧布置图2.5转换器连线与裂缝不垂直布置
若受现场条件所限，换能器不能对称于裂缝两侧布置，如图2.4所示，可先固定某一换能器，再移动另一换能器，则也可以观察到首波相位的反转变化现象。
（a），（b），（c）点波形参见图2.3（a），（b），（c），此时可取二换能器连线的距离之半，推定裂缝深度。
若布置换能器的连线方向与裂缝方向不垂直，如图2.5所示，同样存在首波相位变化的临界点，此时两换能器间距之半a相当于混凝土裂缝的深度。
第三节超声波检测混凝土不密实区和空洞的基本方法
一．平面对测法
当结构被测部位具有两对互相平行的测试面时，可采用一对厚度振动式换能器，分别在两对互相平行的表面上进行对测，如图2.6所示，先在测区的两对平行表面上，分别画出间距为200mm--300mm的网格，并逐点编号，定出对应测点的位置，然后将T，R换能器经耦合剂分别置于对应测点上，逐点读取相应的声时（
）、波幅（
）和频率（
），并量取测试距离（
）。
图2.6平面对测法换能器布置
二．平面斜测法
当结构物的被测部位只有一对平行表面可供测试，或被测部位处于结构的特殊位置，可采用厚度振动式换能器在任意两个表面进行交叉斜测。
测点布置如图2.7所示。
图2.7平面斜测法测点布置
三．钻孔测法
对于大体积混凝土结构，由于其断面尺寸较大，如直接进行平面对测，接收到的脉冲信号很微弱，甚至无法识别首波的起始位置，不利于声学参数的读取和分析。
为了缩短测试距离，提高检测灵敏度，可在结构适当的位置钻一个或多个平行于侧面的测孔。
测孔的直径一般为40mm--50mm，测孔深度视检测需要而定。
结构的侧面采用厚度振动式换能器，一般用黄油耦合，测孔中用径向振动式换能器，用清水作耦合剂。
换能器的布置如图2.8所示。
检测时根据需要，可以将孔中和侧面的换能器置于同一高度，也可以将二者保持一定的高度差，同步上下移动，逐点读取声时、波幅和频率值，并记下孔中换能器的位置。
图2.8钻孔测法换能器布置
四．混凝土不密实区和空洞的判定
由于混凝土本身的不均匀性即使是没有缺陷的混凝土，测得的声时、波幅等参数值也在一定范围波动，更何况混凝土的原材料品种、用量及混凝土的湿度和测距等因素都不同程度的影响着声学参数值。
因此不可能确定一个固定的临界指标作为判断缺陷的标准，一般都利用统计的方法进行判别。
统计学方法的基本思想在于，给定一置信概率（如0．99或0．95），并确定一个相应的置信范围（如
），凡超过这个范围的观测值，就认为它由于观测失误或者是被测对象性质改变所造成的异常值。
如果在一系列观测值中混有异常值，为了能真实地反映被测对象，应剔除测试数据中的异常值。
对于超声测缺技术来讲，认为一般正常混凝土的质量服从正态分布，在测试条件基本一致，且无其他因素影响的条件下，其声速、频率和波幅观测值也基本属于正态分布。
在一系列观测数据中，凡属于混凝土本身质量的不均匀性或测试中的随机误差带来的数值波动，都应服从统计规律，在给定的置信范围以内。
当某些观测值超过了置信范围，可以判断它是属于异常值。
在超声检测中，凡遇着读数异常的测点，一般都要检查其表面是否平整、干净或是否存在别的干扰因素，必要时还要加密测点进行重复测试。
因此，应该说不存在观测失误的问题，出现的异常观测值，必然是混凝土本身性质改变所致。
这就是利用统计学方法判定混凝土内部存在不密实区和空洞的基本思想。
一个构件或一个测区的混凝土声时（或声速）、波幅及频率等声学参数的平均值和标准差应分别按下式计算[6]：
（2.4）
（2.5）
式中
-分别代表某一声学参数的平均值和标准差；
-第i点某一声学参数的观测值；
n-参与统计的测点数。
在通过以上统计方法得到各声学参数的情况下，就可以利用这些数据进行异常数据的判别了。
在数理统计学中，较典型的判别异常观测值的方法有：
拉依达法、肖维勒法、格拉布斯法和狄克逊法。
以上四种判别异常值的方法，都是以被测对象均匀一致为条件，判别因观测失误造成的异常值。
而混凝土缺陷检测，则是在尽可能避免观测失误的条件下，判别因被测对象本身性质改变所产生的异常值，两者之间有较大差异。
由于混凝土的不均匀性，就是不存在缺陷，其声学参数观测值也会出现一定离散，统计的标准差
最一般比较大，硬套上述某一种判别方法，都易造成缺陷的漏判。
因此现行规程参考了肖维勒的格拉布斯法，综合混凝土缺陷检测的特点，制定了如下判别异常值的方法：
1．将一测区各测点的声时值有小到大按顺序排列，即
，将排在后面的明显大的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最小的一个（假定
）连同其前面的数据按式（2.4）、（2.5）计算出
，
并代入式（2.6），算出异常情况的判断值（
）。
（2.6）
式中：
-异常值判定系数，应按表2.1[5]取值。
把
值与可疑数据中的最小值（
）相比较，若
大于或等于
则
及排在其后的各声时值均为异常值；当
小于
时，应再将
放进去重新进行统计计算和判别。
2．将一测区各测点的波幅、频率或由声时计算的声速值由大到小按顺序排列，即
，将排在后面明显小的数据视为可疑，再将这些可疑数据中最大的一个（假定
）连同前面的数据按式（2.4）、（2.5）计算出
值，并代入式（2.7）计算出异常情况的判断值（
）。
（2.7）
将判断值（
）与可疑数据的最大值（
）相比较，如
小于或等于
，则
及排列于其后的各数据均为异常值；当
大于
，应再将
放进去重新进行统计计算和判别。
3．当判别出异常测点时，根据异常测点的分布情况，再利用式（2.6）、（2.7）进一步判别其相邻测点是否异常。
4．当测区中某些测点的声时值（或声速值）、波幅值（或频率值）被判为异常值时，可结合异常测点的分布及波形情况确定混凝土内部存在不密实区和空洞的范围。
值得注意的是，在进行混凝土内部缺陷判定时，不仅依靠检测数据的分析和判别，还包含着检验人员的实践经验。
经验不足者，容易产生漏判和误判。
另外，实践证明，波幅测量值虽然对缺陷的反映很敏感，但由于受声耦合状态的影响较大，一般不太服从正态分布，在统计和判别过程中作为正态分布来处理的，若以波幅为判别缺陷的主要依据时，应特别注意，尤其在耦合条件较差，难以保证波幅的准确测量时，更应慎重。
表2.1统计数的个数n与对应的
值
n
14
16
18
20
22
24
26
28
30
λ1
1.47
1.53
1.59
1.64
1.69
1.73
1.77
1.80
1.83
n
32
34
36
38
40
42
44
46
48
λ1
1.86
1.89
1.92
1.94
1.96
1.98
2.00
2.02
2.04
n
50
52
54
56
58
60
62
64
66
λ1
2.05
2.07
2.09
2.10
2.12
2.13
2.14
2.155
2.17
n
68
70
74
78
80
84
88
90
95
λ1
2.18
2.19
2.21
2.23
2.24
2.26
2.28
2.29
2.31
n
100
105
110
115
120
125
130
135
140
λ1
2.32
2.34
2.36
2.38
2.40
2.41
2.42
2.43
2.45
n
145
150
155
160
170
180
190
200
210
λ1
2.46
2.48
2.49
2.50
2.52
2.54
2.56
2.57
2.59
第四节实验方法与成果分析
一．超声波测试系统主要仪器设备及混凝土试件参数
试验采用的仪器是北京智博联科技有限公司生产的ZBL．U520非金属超声检测仪，该仪器用于对混凝土、岩石、陶瓷、塑料等非金属材料进行检测的数字化、便携式超声仪。
此仪器采用超声脉冲技术，可用于混凝土缺陷检测等。
BL-U520非金属超声检测仪的主要性能指标如表2.2所示。
表2．2ZBL-U520非金属超声检测仪的主要性能指标
项目
指标
生时测读精度
±0.1μs
生时测读范围
0～19999.9μs
增益范围
82dB
幅度分辨率
0.39%
放大器宽带
10kHz-250kHz
接收灵敏度
≦30μV
采样周期（μs）
0.5、0.、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4
最大采样长度
32K
信号采集方式
连续信号
通道
2个接收通道
发射电压（V）
65、125、250、500、1000
供电方式
交流：
220V±10%，直流：
12V
本试验采用的水泥是南京市生产的普通32.5级，骨料的最大粒径为20mm，混凝土的配比是：
水泥423
，黄沙605
，碎石1176
，水24
，水灰比为O．53，混凝土设计强度为C30。
混凝土构件尺寸为500mm*300mm*300mm，共4块，2块为普通混凝土，2块为钢纤维混凝土，钢纤维混凝土的钢纤维掺量为100
。
2块普通混凝土中一块设有裂缝，裂缝的设置方法：
在木质模型中未浇注混凝土之前，利用预制有机玻璃来人工设置裂缝深度，一条裂缝的深度为200mm，另外一条为100mm，在混凝土浇注之后可以拔取有机玻璃，这样就人工形成了200mm和1OOmm的两条裂缝；另一块设有不密实区、空洞，不密实区、空洞区域的设置方法：
先在木质模型底部浇注厚度为50mm的混凝土，然后在离木质模型左右两侧各距150mm，前后两侧各距75mm的区域内，放入4个体积为270mm*150mm*50mm塑料泡沫袋，最后在上面浇注厚度为50mm的混凝土，这样就在混凝土内部人工形成了不密实区、空洞区域。
钢纤维混凝土的裂缝和不密实区、空洞与普通混凝土设置一致（如图2.9）。
采用立模、振捣成型。
构件置于室外自然养护。
图2．9裂缝和不密实区、空洞设置图
二．混凝土裂缝测试过程与结果分析
分不同龄期对混凝土构件进行裂缝测试，采用2.2.1所提出的单面平测法进行裂缝检测。
对1OOmm裂缝测试时，不跨缝和跨缝的换能器内边缘之间的距离分别为90mm、1OOmm和110mm；对200mm裂缝测试时，不跨缝和跨缝的换能器内边缘之间的距离分别为180mm、190mm和200mm。
通过实验测试所得到的各声学参数，利用式（2.1）、式（2.2）和式（2.3），可得到测试裂缝深度以及回归直线式系数。
实验结果见表2.3、2.4、2.5、2.6。
表2．3普通混凝土200mm裂缝深度及回归直线式系数结果
项目
单位
试验龄期d（天）
1
4
7
14
21
28
回归直线式系数a---截距
mm
19.16
16.48
11.15
17.81
13.65
20.38
回归直线式系数b---声速
Km/s
3.173
3.328
3.328
3.328
3.365
3.365
裂缝深度
mm
217.0
216.2
212.1
214.7
213.7
210.6
表2．4普通混凝土100mm裂缝深度及回归直线式系数结果
项目
单位
试验龄期d（天）
1
4
7
14
21
28
回归直线式系数a---截距
mm
1．6
2．63
3．95
2．63
-1.43
0.00
回归直线式系数b---声速
Km/s
3.061
3.389
3.389
3.389
3.571
3.571
裂缝深度
mm
105．3
104．7
101．4
99．1
99.79
102.62
表2．5钢纤维混凝土200mm裂缝深度及回归直线式系数结果
项目
单位
试验龄期d（天）
1
4
7
14
21
28
回归直线式系数a---截距
mm
22.74
25.71
21.71
18.38
16.38
25.08
回归直线式系数b---声速
Km/s
2.938
2.976
3.109
3.102
3.108
3.204
裂缝深度
mm
198.2
199.7
204.9
202.1
201.1
201.0
表2．6钢纤维混凝土1OOmm裂缝深度及回归直线式系数结果
项目
单位
试验龄期d（天）
1
4
7
升级会员 