CN1093805A - 钢管砼强度和缺陷的超声检测法 - Google Patents

Abstract

本发明采用超声检测仪，将其发射、接收换能器 T、R分别置于钢管砼被测层的同一轴线的钢管外壁 上，用对穿法均匀分层测出钢管砼超声声时、接收信 号的首波幅度及显示波形，与同条件边长为150mm 立方体试体块的标准抗压强度及各类缺陷模拟试体 块波形标准图对照判别和综合评定的方法。本方法 经工程验证，既能事后检测，亦能在浇灌过程中跟踪 检测，操作简便、检测准确、判断直观，从而使钢管砼 构件施工中能够及时排除隐患。

Description

本发明涉及钢管砼非破损检测技术领域，采用超声脉冲对穿探测法，对钢管砼组合结构的抗压强度和缺陷的判定。

钢管砼结构兼有钢结构与砼结构的特征，但比钢结构耗用的钢材大为减少，与钢筋砼相比较，可以节省60-70%的砼用量的100%的木模。钢管砼的承载力大约为空钢管和核心砼的承载力之和的1.42倍。具有强度高、塑性变形大、抗震性能好、施工快等优点。推广钢管砼组合结构具有良好的经济效果，是一种适合我国国情的建筑结构形式，随着国民经济的发展，钢管砼结构的应用前景是广阔的。

鉴于钢管砼的施工工艺，是向竖向钢管内浇注砼，浇注后的管内砼则是隐蔽的，看不见，摸不着，砼的强度、密实性及是否存在峰窝、麻面、夹渣、结合不良等缺陷，完全盲然无知，设计、施工和用户三方面均感到束手无策，所以钢管砼结构的砼内部强度和质量的检测方法急待解决，它将直接关系到钢管砼结构的砼组合结构推广应用的前景。

为了检测钢管砼组合结构内部砼的抗压强度和缺陷的判定，现有技术，曾采用管壁钻小孔看水泥浆流出与否，钻孔取管芯砼检测，埋测声导管用超声法检测等，这些均属破损检测法，也有用小锤敲管壁听是否空鼓等方法，前三种破损检测法，操作检测麻烦，有损于钢管砼等不足之处，后一种方法虽属非破损检测法，它依赖于人的经验用听觉判断，随人而异，且无科学依据。

经国内外检索，砼非破损测试技术资料选编中登载李为杜、童寿光“钢管砼质量和强度超声波检测”文章，阐述了超声波能够探测钢管砼强度和质量的理论，但无完整的检测技术方案。

本发明目的，为了克服现有传统检测方法不足之处，根据超声波能够探测钢管砼的理论，提出一种准确可靠、直观、操作简便，既能在浇灌过程中跟踪检测，又能在浇灌后检测钢管砼抗压强度和质量的无破损超声检测方法。

本发明钢管砼非破损检测方法，利用非金属超声检测仪（如CTS-25），用对穿法，分层测出钢管砼的超声声时、接收信号的首波幅度及显示波形三参量，与同条件边长为150mm立方体试体块的标准抗压强度及同条件各类缺陷试样波形标准图对照分析和综合评定，判别钢管内砼的抗压强度和缺陷。

用对穿法检测，如图1所示，图1为钢管砼超声脉冲对探测法示意图。对穿法是指超声检测仪的发射换能器T和接收换能器R，分别置于钢管混凝土被测层的同一轴线的钢管外壁上。

为保证换能器T、R与钢管表面耦合良好，换能器T、R的对测距离尽量准确。

其分层检测的测层布置应均匀，每个构件的测层数不小于10个，测层的间距不大于2m为宜。

经理论分析和现场实践验证，判定钢管砼存在影响质量的缺陷，其条件是：V_GHmin〈m_GH→2S_GH，同时波形在某部位出现异常。式中：

V_GHmin为钢管砼超声声速最小值，

m_GH为钢管砼超声声速平均值，

S_GH为钢管砼超声声速标准差，

反之，当V_GHmin＞m_GH→2S_GH时，且各测点波形为正常状态时，则钢管砼抗压强度可直接推定，分下面四种情况直接推定。

1）单个构件的钢管砼强度推定值f_cu.e，取该构件各测区中最小的钢管砼强度换算值f^c _cu.e·min。

2）当按批轴样检测时，该批构件的钢管砼强度推定值应按下列公式计算：f_cue＝m^C _fcu-1.645S^C _fcu，式中：S^C _fcu为各测区砼强度换算值的平均值，S^C _fcu为各测区砼强度换算值的标准差。

3）按同批测区钢管砼强度换算值标准差S^C _fcu过大时，批构件的钢管砼强度推定值，按该批每个构件中最小的测区钢管砼强度换算值的平均值f_cue＝m^c _fcuemin。

4、用批构件按批抽样检测时，当全部测区钢管砼强度的标准差出现S^c _fou＞5.5N/mm²时，则该批钢管砼构件应全部按单个构件检测。

根据施工中可能产生的缺陷，制成模拟钢管砼试体块，并用本发明检测方法测出各模拟试体块的声速，见表1-7所示。

从超声显示屏上画下各模拟试体块的波形标准图，如图2-10所示。

图2钢管砼为密实区、疏松区，并且疏松区砼内部有一木棒的波形;

图3钢管砼为石子砂子混合区、砼内部孔洞区、砼与钢管胶结不良区、中间还有木板的波形;

图4钢管砼为石子多、水泥浆少区、密实区、施工缝的波形;

图5钢管砼内部为桦纱区、铁区、木头区、并且中间还有砖的波形;

图6钢管砼内部孔洞区、孔洞区直径大小分别为90mm、75mm、25mm的波形;

图7钢管砼分层离析波形;

图8钢管砼为自然麻面波形;

图9钢管砼为竖向施工缝波形;

图10管中砼和钢管壁胶结不良-钢管壁上刷机油、隔离剂、塑料布、油毡时的波形图。

附图1-9的波形是模拟试体的不同缺陷波形标准图，用此标准图对照，并结合超声脉冲对穿法测得的表1-7检测的声速首波波幅，综合分析对照来判断施工中钢管砼的质量-判断现场施工中的钢管内砼中所存在不同类型的缺陷，也可在浇灌过程中跟踪检测，及时排除缺陷，消除施工中的隐患，确保工程质量。

从附图1、3可知，超声波在密实钢管砼区传播时，声时小，速度大。当传播路径上遇到缺陷（如图1的疏松区、图2的胶结不良，图3的施工缝等）由于绕射过缺陷，传播路径变长，即声时变大，从而复合测距内声速变小（见表1-3）。

当超声波穿过密实钢管砼时，波形好，首波幅度大，无畸变。当超声波穿过孔洞，胶结不良等这些缺陷时，它不象密实砼那样均匀，其结构的连续性被破坏，使超声波在内部传播发生变化，直达波、绕射波、反射波等各类波相继被接收，由于这些波的频率相位不同，在彼此叠加时，波形会发生变化。从附图可见，存在缺陷的钢管砼波形振幅都低，整个波形不像密集砼的波形好、与钢管胶结不良处波形畸变。

本发明钢管砼的强度和缺陷超声检测法，完全符合超声波检测原理的，下面从二方面阐述如下：

一、采用对穿法检测超声声时，接收信号首波、波形的理论：

1、接收信号首波沿钢管砼径向传播的。

一般核心砼设计标号为300＃，超声声速约4400m/s，而钢管的超声声速约5700m/s，钢管的直径为D。

超声波径向穿透钢管砼的传播声时t_GH＝ (D)/4400

超声波沿钢管半周传播的声时t_G＝ (πD)/(2X5700)

(t_g)/(t_gh) = (π)/2 、 (V_GH)/(V_G) 则t_G＝1.2t_GH

可见，只要砼与钢管胶结密致牢固，接收信号的首波乃是沿钢管砼径各传播的超声纵波，该方向传播的超声能量较强，而沿管壁半周长传播的时间t_G较长，其传播的超声波滞后叠加于接收信号的首波之后。这就是检测钢管砼的强度和质量采用超声脉冲对穿法的基本原理之一。

2、混凝土强度与砼的令期有关。检测的“声时”随着砼的令期增长而缩短。也即随着砼令期增长而超声声速V_GH逐渐增大，而不是稳定于某一个数值。可见，超声声速提高反映了核心砼的强度发展。因此测定穿过砼的超声脉冲速度是检验砼质量的一个非常重要的参数。

3、钢管壁厚的穿透“声时”对测量值偏低的影响可忽略不计。

超声波通过T-R换能器接触的两层钢管壁厚（每层厚4-12mm）对“声时”检测的影响不会比钢筋砼中垂直声波通过排置钢筋的影响大。实测表明，超声波穿透复合测距的声速与径向穿透核心砼的声速没有大的差异，仅有重复性的一些偏低。这是由于二种介质的复合，在交界面处导致声能的衰减大些，以及随着砼硬化，钢管壁封堵水分自由蒸发，因此交界处砼不如内部砼致密，通过该处的声时则偏长。虽然钢的声速比较快，但正反综合，复合测距内的声速与核心砼的声速没有规律性的差异。

综上所述，由于钢管中声波曲折传播，接收到的能量较弱，而在复合测距内的穿透能量较强，因此，只要砼的超声声速V_H＞0.64V₆，检测的信号首波不受混响信号的干扰，使钢管砼质量和强度超声波的检测是可能的。

二、适用各类缺陷模拟试样波形标准图对照法，判断缺陷的依据是可行的、有效的。

各类缺陷模拟试样波形标准图超声质量-声时、首波、波形的变化与钢管砼的密实性、匀质性有密切相关。

1、声时：当砼内部和表层存在缺陷时，在超声波发-收通路上形成了不连续的介质、在缺陷的孔、缝或疏松空间充有较低声阻抗的气体或水，声波透过率极低，低频超声波将绕过缺陷向前传播，在测距内，其绕射到达所需要的“声时”比超声波在致密的砼中直接传播所需要的“声时”长，反映了存在缺陷的砼的超声波声速小。对穿法的T-R换能器一旦顺着密实→缺陷→密实区域的砼检测，声速V_GH则从大→小→大过渡变化。则声速变小，表示钢管内砼存在缺陷。所以声速的差异是判断缺陷参量之一。

2、首波幅度：由于砼存在的缺陷，不连续介质构成固-气、固-液的界面，由于二种介质的声阻抗显著的不同（空气的声阻抗PC_L＝0.04×10⁴g，水的PC_L＝14.8×10⁴g，混凝土PC_L＝90.6×10⁴g/cm²·s），使投射的声波产生不规则的散射，在界面上，声波垂直入射时，声压或声强的反射率分别以r或k表示：

r = (P₂C₂- P₁C₁)/(P₂C₂+ P₁C₁) ,K = (P₂C₂- P₁C₁)/(P₂C₂+ P₁C₁) = r²

式中P₁C₁、P₂C₂分别为第一介质和第二介质的声阻抗。

可见，当二个介质的声阻抗相等时P₁C₁＝P₂C₂，则r或k均为零，即所谓全透射。而当 (P₂C₂)/(P₂C₂) →∝或零时，则r或k均等于1，即接近全反射。超声波在砼中传播，垂直射到充气缺陷的界面上，其能量反射近乎100%，即绕射到达的信号微弱，相对于无缺陷致密的砼而言，此时超声波能量损失较甚，接收信号首波幅下降，即反映了声能衰减，所以，首波幅度高低变化是缺陷判断的参量之二。

3、波形：由于超声波在缺陷的界面上复杂反射、折射，使声波传播的相位发生差异，选加的结果导致接收信号的波形发生畸变，所以波形的变化是缺陷判断的参量之三。

综上所述，采用声时、首波、波形的变化三个超声参量综合评定砼的缺陷性质和范围，要比单一指标的分析更为合理、有效。

钢管内砼的质量主要指强度、密实性、匀质性及与钢管胶结紧密的程度等，尤其后者，一旦二种介质结合不良，而超声波诸参数均敏感，往往有声波在钢管壁传播的混响为背景的接收波形发生严重畸变的图象。所以波形对照是判断缺陷最直观最简便的方法。

本发明钢管砼超声脉冲对穿探测方法，结合利用模拟试体块的波形标准图的对照分析探测法，已在太原供电局侯村变电站500KV架构工程中的钢管砼进行了现场施工浇注跟踪检测。边浇注边检测，发现缺陷就当场及时消除，从而保证了施工质量。并对其浇注后的质量和强度进行全面检测，检测结果完全符合中国工程建设标准化委员会标准（CECS    01∶88    CECE    21∶90）。

本发明解决了对钢管砼抗压强度和质量的检测，从理论分析、模拟块试验和工程验证，证明了本发明检测方法是可行的、有效的，既能事后检测，亦能在浇灌过程中跟踪检测;检测的三个超声参量准确，综合判断可靠，完全符合国家检测标准，本方法为钢管砼构件施工中能够及时排除隐患，保证了施工质量，解决了钢管砼构件推广应用中探测难题，打开了钢管砼构件应用前景，具有良好的技术经济效益。

Claims (5)

1、钢管砼强度和缺陷的超声检测法，其特征在于：采用非金属超声检测仪，用对穿法均匀分层测出钢管砼超声声时、接收信号的首波幅度及显示波形三个参量，与同条件边长为150mm立方体试体块的标准抗压强度及同条件各类缺陷模拟块波形标准图对照判别和综合评定。

2、根据权利要求1所述的钢管砼强度和缺陷的超声检测法，其特征在于对穿法是指超声检测仪的发射换能器T和接收换能器R，分别置于钢管砼被测层的同一轴线的钢管外壁上。

3、根据权利要求1、2所述钢管砼强度和缺陷的超声检测法，其特征在于超声检测仪的发射、接收换能器，采用弧形换能器并带弹性固定托板。

4、根据权利要求1所述钢管砼强度和缺陷的超声检测法，其特征在于判定钢管砼存在影响质量的缺陷，其条件是：V_GHmin〈m_GH→2S_GH和波形在某部位出现异常，式中：V_GHmin为钢管凝土超声声速最小值，m_GH为钢管砼超声声速平均值，S_GH为钢管砼超声声速标准差。

5、根据权利要求1所述钢管砼强度和缺陷的超声检测法，其特征在于钢管砼抗压强度直接推定，必须满足条件：V_GHmin〈m_GH→2S_GH，且各点波形为正常状态。

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