專利名稱：鋼管砼強(qiáng)度和缺陷的超聲檢測法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼管砼非破損檢測技術(shù)領(lǐng)域，采用超聲脈沖對穿探測法，對鋼管砼組合結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和缺陷的判定。
鋼管砼結(jié)構(gòu)兼有鋼結(jié)構(gòu)與砼結(jié)構(gòu)的特征，但比鋼結(jié)構(gòu)耗用的鋼材大為減少，與鋼筋砼相比較，可以節(jié)省60-70%的砼用量的100%的木模。鋼管砼的承載力大約為空鋼管和核心砼的承載力之和的1.42倍。具有強(qiáng)度高、塑性變形大、抗震性能好、施工快等優(yōu)點(diǎn)。推廣鋼管砼組合結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)效果，是一種適合我國國情的建筑結(jié)構(gòu)形式，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼管砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景是廣闊的。
鑒于鋼管砼的施工工藝，是向豎向鋼管內(nèi)澆注砼，澆注后的管內(nèi)砼則是隱蔽的，看不見，摸不著，砼的強(qiáng)度、密實(shí)性及是否存在峰窩、麻面、夾渣、結(jié)合不良等缺陷，完全盲然無知，設(shè)計(jì)、施工和用戶三方面均感到束手無策，所以鋼管砼結(jié)構(gòu)的砼內(nèi)部強(qiáng)度和質(zhì)量的檢測方法急待解決，它將直接關(guān)系到鋼管砼結(jié)構(gòu)的砼組合結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用的前景。
為了檢測鋼管砼組合結(jié)構(gòu)內(nèi)部砼的抗壓強(qiáng)度和缺陷的判定，現(xiàn)有技術(shù)，曾采用管壁鉆小孔看水泥漿流出與否，鉆孔取管芯砼檢測，埋測聲導(dǎo)管用超聲法檢測等，這些均屬破損檢測法，也有用小錘敲管壁聽是否空鼓等方法，前三種破損檢測法，操作檢測麻煩，有損于鋼管砼等不足之處，后一種方法雖屬非破損檢測法，它依賴于人的經(jīng)驗(yàn)用聽覺判斷，隨人而異，且無科學(xué)依據(jù)。
經(jīng)國內(nèi)外檢索，砼非破損測試技術(shù)資料選編中登載李為杜、童壽光“鋼管砼質(zhì)量和強(qiáng)度超聲波檢測”文章，闡述了超聲波能夠探測鋼管砼強(qiáng)度和質(zhì)量的理論，但無完整的檢測技術(shù)方案。
本發(fā)明目的，為了克服現(xiàn)有傳統(tǒng)檢測方法不足之處，根據(jù)超聲波能夠探測鋼管砼的理論，提出一種準(zhǔn)確可靠、直觀、操作簡便，既能在澆灌過程中跟蹤檢測，又能在澆灌后檢測鋼管砼抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量的無破損超聲檢測方法。
本發(fā)明鋼管砼非破損檢測方法，利用非金屬超聲檢測儀(如CTS-25)，用對穿法，分層測出鋼管砼的超聲聲時(shí)、接收信號的首波幅度及顯示波形三參量，與同條件邊長為150mm立方體試體塊的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度及同條件各類缺陷試樣波形標(biāo)準(zhǔn)圖對照分析和綜合評定，判別鋼管內(nèi)砼的抗壓強(qiáng)度和缺陷。
用對穿法檢測，如

圖1所示，圖1為鋼管砼超聲脈沖對探測法示意圖。對穿法是指超聲檢測儀的發(fā)射換能器T和接收換能器R，分別置于鋼管混凝土被測層的同一軸線的鋼管外壁上。
為保證換能器T、R與鋼管表面耦合良好，換能器T、R的對測距離盡量準(zhǔn)確。
其分層檢測的測層布置應(yīng)均勻，每個(gè)構(gòu)件的測層數(shù)不小于10個(gè)，測層的間距不大于2m為宜。
經(jīng)理論分析和現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證，判定鋼管砼存在影響質(zhì)量的缺陷，其條件是VGHmin〈mGH→2SGH，同時(shí)波形在某部位出現(xiàn)異常。式中VGHmin為鋼管砼超聲聲速最小值，mGH為鋼管砼超聲聲速平均值，SGH為鋼管砼超聲聲速標(biāo)準(zhǔn)差，反之，當(dāng)VGHmin＞mGH→2SGH時(shí)，且各測點(diǎn)波形為正常狀態(tài)時(shí)，則鋼管砼抗壓強(qiáng)度可直接推定，分下面四種情況直接推定。
1)單個(gè)構(gòu)件的鋼管砼強(qiáng)度推定值fcu.e，取該構(gòu)件各測區(qū)中最小的鋼管砼強(qiáng)度換算值fccu.e·min。
2)當(dāng)按批軸樣檢測時(shí)，該批構(gòu)件的鋼管砼強(qiáng)度推定值應(yīng)按下列公式計(jì)算fcue＝mCfcu-1.645SCfcu，式中SCfcu為各測區(qū)砼強(qiáng)度換算值的平均值，SCfcu為各測區(qū)砼強(qiáng)度換算值的標(biāo)準(zhǔn)差。
3)按同批測區(qū)鋼管砼強(qiáng)度換算值標(biāo)準(zhǔn)差SCfcu過大時(shí)，批構(gòu)件的鋼管砼強(qiáng)度推定值，按該批每個(gè)構(gòu)件中最小的測區(qū)鋼管砼強(qiáng)度換算值的平均值fcue＝mcfcuemin。
4、用批構(gòu)件按批抽樣檢測時(shí)，當(dāng)全部測區(qū)鋼管砼強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)Scfou＞5.5N/mm2時(shí)，則該批鋼管砼構(gòu)件應(yīng)全部按單個(gè)構(gòu)件檢測。
根據(jù)施工中可能產(chǎn)生的缺陷，制成模擬鋼管砼試體塊，并用本發(fā)明檢測方法測出各模擬試體塊的聲速，見表1-7所示。
從超聲顯示屏上畫下各模擬試體塊的波形標(biāo)準(zhǔn)圖，如圖2-10所示。
圖2鋼管砼為密實(shí)區(qū)、疏松區(qū)，并且疏松區(qū)砼內(nèi)部有一木棒的波形;
圖3鋼管砼為石子砂子混合區(qū)、砼內(nèi)部孔洞區(qū)、砼與鋼管膠結(jié)不良區(qū)、中間還有木板的波形;
圖4鋼管砼為石子多、水泥漿少區(qū)、密實(shí)區(qū)、施工縫的波形;
圖5鋼管砼內(nèi)部為樺紗區(qū)、鐵區(qū)、木頭區(qū)、并且中間還有磚的波形;
圖6鋼管砼內(nèi)部孔洞區(qū)、孔洞區(qū)直徑大小分別為90mm、75mm、25mm的波形;
圖7鋼管砼分層離析波形;
圖8鋼管砼為自然麻面波形;
圖9鋼管砼為豎向施工縫波形;
圖10管中砼和鋼管壁膠結(jié)不良-鋼管壁上刷機(jī)油、隔離劑、塑料布、油氈時(shí)的波形圖。
附圖1-9的波形是模擬試體的不同缺陷波形標(biāo)準(zhǔn)圖，用此標(biāo)準(zhǔn)圖對照，并結(jié)合超聲脈沖對穿法測得的表1-7檢測的聲速首波波幅，綜合分析對照來判斷施工中鋼管砼的質(zhì)量-判斷現(xiàn)場施工中的鋼管內(nèi)砼中所存在不同類型的缺陷，也可在澆灌過程中跟蹤檢測，及時(shí)排除缺陷，消除施工中的隱患，確保工程質(zhì)量。
從附圖1、3可知，超聲波在密實(shí)鋼管砼區(qū)傳播時(shí)，聲時(shí)小，速度大。當(dāng)傳播路徑上遇到缺陷(如圖1的疏松區(qū)、圖2的膠結(jié)不良，圖3的施工縫等)由于繞射過缺陷，傳播路徑變長，即聲時(shí)變大，從而復(fù)合測距內(nèi)聲速變小(見表1-3)。
當(dāng)超聲波穿過密實(shí)鋼管砼時(shí)，波形好，首波幅度大，無畸變。當(dāng)超聲波穿過孔洞，膠結(jié)不良等這些缺陷時(shí)，它不象密實(shí)砼那樣均勻，其結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，使超聲波在內(nèi)部傳播發(fā)生變化，直達(dá)波、繞射波、反射波等各類波相繼被接收，由于這些波的頻率相位不同，在彼此疊加時(shí)，波形會發(fā)生變化。從附圖可見，存在缺陷的鋼管砼波形振幅都低，整個(gè)波形不像密集砼的波形好、與鋼管膠結(jié)不良處波形畸變。
本發(fā)明鋼管砼的強(qiáng)度和缺陷超聲檢測法，完全符合超聲波檢測原理的，下面從二方面闡述如下一、采用對穿法檢測超聲聲時(shí)，接收信號首波、波形的理論1、接收信號首波沿鋼管砼徑向傳播的。
一般核心砼設(shè)計(jì)標(biāo)號為300＃，超聲聲速約4400m/s，而鋼管的超聲聲速約5700m/s，鋼管的直徑為D。
超聲波徑向穿透鋼管砼的傳播聲時(shí)tGH＝ (D)/4400超聲波沿鋼管半周傳播的聲時(shí)tG＝ (πD)/(2X5700)(tg)/(tgh) = (π)/2 、 (VGH)/(VG) 則tG＝1.2tGH可見，只要砼與鋼管膠結(jié)密致牢固，接收信號的首波乃是沿鋼管砼徑各傳播的超聲縱波，該方向傳播的超聲能量較強(qiáng)，而沿管壁半周長傳播的時(shí)間tG較長，其傳播的超聲波滯后疊加于接收信號的首波之后。這就是檢測鋼管砼的強(qiáng)度和質(zhì)量采用超聲脈沖對穿法的基本原理之一。
2、混凝土強(qiáng)度與砼的令期有關(guān)。檢測的“聲時(shí)”隨著砼的令期增長而縮短。也即隨著砼令期增長而超聲聲速VGH逐漸增大，而不是穩(wěn)定于某一個(gè)數(shù)值?？梢?，超聲聲速提高反映了核心砼的強(qiáng)度發(fā)展。因此測定穿過砼的超聲脈沖速度是檢驗(yàn)砼質(zhì)量的一個(gè)非常重要的參數(shù)。
3、鋼管壁厚的穿透“聲時(shí)”對測量值偏低的影響可忽略不計(jì)。
超聲波通過T-R換能器接觸的兩層鋼管壁厚(每層厚4-12mm)對“聲時(shí)”檢測的影響不會比鋼筋砼中垂直聲波通過排置鋼筋的影響大。實(shí)測表明，超聲波穿透復(fù)合測距的聲速與徑向穿透核心砼的聲速沒有大的差異，僅有重復(fù)性的一些偏低。這是由于二種介質(zhì)的復(fù)合，在交界面處導(dǎo)致聲能的衰減大些，以及隨著砼硬化，鋼管壁封堵水分自由蒸發(fā)，因此交界處砼不如內(nèi)部砼致密，通過該處的聲時(shí)則偏長。雖然鋼的聲速比較快，但正反綜合，復(fù)合測距內(nèi)的聲速與核心砼的聲速沒有規(guī)律性的差異。
綜上所述，由于鋼管中聲波曲折傳播，接收到的能量較弱，而在復(fù)合測距內(nèi)的穿透能量較強(qiáng)，因此，只要砼的超聲聲速VH＞0.64V6，檢測的信號首波不受混響信號的干擾，使鋼管砼質(zhì)量和強(qiáng)度超聲波的檢測是可能的。
二、適用各類缺陷模擬試樣波形標(biāo)準(zhǔn)圖對照法，判斷缺陷的依據(jù)是可行的、有效的。
各類缺陷模擬試樣波形標(biāo)準(zhǔn)圖超聲質(zhì)量-聲時(shí)、首波、波形的變化與鋼管砼的密實(shí)性、勻質(zhì)性有密切相關(guān)。
1、聲時(shí)當(dāng)砼內(nèi)部和表層存在缺陷時(shí)，在超聲波發(fā)-收通路上形成了不連續(xù)的介質(zhì)、在缺陷的孔、縫或疏松空間充有較低聲阻抗的氣體或水，聲波透過率極低，低頻超聲波將繞過缺陷向前傳播，在測距內(nèi)，其繞射到達(dá)所需要的“聲時(shí)”比超聲波在致密的砼中直接傳播所需要的“聲時(shí)”長，反映了存在缺陷的砼的超聲波聲速小。對穿法的T-R換能器一旦順著密實(shí)→缺陷→密實(shí)區(qū)域的砼檢測，聲速VGH則從大→小→大過渡變化。則聲速變小，表示鋼管內(nèi)砼存在缺陷。所以聲速的差異是判斷缺陷參量之一。
2、首波幅度由于砼存在的缺陷，不連續(xù)介質(zhì)構(gòu)成固-氣、固-液的界面，由于二種介質(zhì)的聲阻抗顯著的不同(空氣的聲阻抗PCL＝0.04×104g，水的PCL＝14.8×104g，混凝土PCL＝90.6×104g/cm2·s)，使投射的聲波產(chǎn)生不規(guī)則的散射，在界面上，聲波垂直入射時(shí)，聲壓或聲強(qiáng)的反射率分別以r或k表示r = (P2C2- P1C1)/(P2C2+ P1C1) ,K = (P2C2- P1C1)/(P2C2+ P1C1) = r2式中P1C1、P2C2分別為第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的聲阻抗。
可見，當(dāng)二個(gè)介質(zhì)的聲阻抗相等時(shí)P1C1＝P2C2，則r或k均為零，即所謂全透射。而當(dāng) (P2C2)/(P2C2) →∝或零時(shí)，則r或k均等于1，即接近全反射。超聲波在砼中傳播，垂直射到充氣缺陷的界面上，其能量反射近乎100%，即繞射到達(dá)的信號微弱，相對于無缺陷致密的砼而言，此時(shí)超聲波能量損失較甚，接收信號首波幅下降，即反映了聲能衰減，所以，首波幅度高低變化是缺陷判斷的參量之二。
3、波形由于超聲波在缺陷的界面上復(fù)雜反射、折射，使聲波傳播的相位發(fā)生差異，選加的結(jié)果導(dǎo)致接收信號的波形發(fā)生畸變，所以波形的變化是缺陷判斷的參量之三。
綜上所述，采用聲時(shí)、首波、波形的變化三個(gè)超聲參量綜合評定砼的缺陷性質(zhì)和范圍，要比單一指標(biāo)的分析更為合理、有效。
鋼管內(nèi)砼的質(zhì)量主要指強(qiáng)度、密實(shí)性、勻質(zhì)性及與鋼管膠結(jié)緊密的程度等，尤其后者，一旦二種介質(zhì)結(jié)合不良，而超聲波諸參數(shù)均敏感，往往有聲波在鋼管壁傳播的混響為背景的接收波形發(fā)生嚴(yán)重畸變的圖象。所以波形對照是判斷缺陷最直觀最簡便的方法。
本發(fā)明鋼管砼超聲脈沖對穿探測方法，結(jié)合利用模擬試體塊的波形標(biāo)準(zhǔn)圖的對照分析探測法，已在太原供電局侯村變電站500KV架構(gòu)工程中的鋼管砼進(jìn)行了現(xiàn)場施工澆注跟蹤檢測。邊澆注邊檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷就當(dāng)場及時(shí)消除，從而保證了施工質(zhì)量。并對其澆注后的質(zhì)量和強(qiáng)度進(jìn)行全面檢測，檢測結(jié)果完全符合中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會標(biāo)準(zhǔn)(CECS01∶88CECE21∶90)。
本發(fā)明解決了對鋼管砼抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量的檢測，從理論分析、模擬塊試驗(yàn)和工程驗(yàn)證，證明了本發(fā)明檢測方法是可行的、有效的，既能事后檢測，亦能在澆灌過程中跟蹤檢測;檢測的三個(gè)超聲參量準(zhǔn)確，綜合判斷可靠，完全符合國家檢測標(biāo)準(zhǔn)，本方法為鋼管砼構(gòu)件施工中能夠及時(shí)排除隱患，保證了施工質(zhì)量，解決了鋼管砼構(gòu)件推廣應(yīng)用中探測難題，打開了鋼管砼構(gòu)件應(yīng)用前景，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.鋼管砼強(qiáng)度和缺陷的超聲檢測法，其特征在于采用非金屬超聲檢測儀，用對穿法均勻分層測出鋼管砼超聲聲時(shí)、接收信號的首波幅度及顯示波形三個(gè)參量，與同條件邊長為150mm立方體試體塊的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度及同條件各類缺陷模擬塊波形標(biāo)準(zhǔn)圖對照判別和綜合評定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼管砼強(qiáng)度和缺陷的超聲檢測法，其特征在于對穿法是指超聲檢測儀的發(fā)射換能器T和接收換能器R，分別置于鋼管砼被測層的同一軸線的鋼管外壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述鋼管砼強(qiáng)度和缺陷的超聲檢測法，其特征在于超聲檢測儀的發(fā)射、接收換能器，采用弧形換能器并帶彈性固定托板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋼管砼強(qiáng)度和缺陷的超聲檢測法，其特征在于判定鋼管砼存在影響質(zhì)量的缺陷，其條件是VGHmin〈mGH→2SGH和波形在某部位出現(xiàn)異常，式中VGHmin為鋼管凝土超聲聲速最小值，mGH為鋼管砼超聲聲速平均值，SGH為鋼管砼超聲聲速標(biāo)準(zhǔn)差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述鋼管砼強(qiáng)度和缺陷的超聲檢測法，其特征在于鋼管砼抗壓強(qiáng)度直接推定，必須滿足條件VGHmin〈mGH→2SGH，且各點(diǎn)波形為正常狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明采用超聲檢測儀，將其發(fā)射、接收換能器T、R分別置于鋼管砼被測層的同一軸線的鋼管外壁上，用對穿法均勻分層測出鋼管砼超聲聲時(shí)、接收信號的首波幅度及顯示波形，與同條件邊長為150mm立方體試體塊的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度及各類缺陷模擬試體塊波形標(biāo)準(zhǔn)圖對照判別和綜合評定的方法。本方法經(jīng)工程驗(yàn)證，既能事后檢測，亦能在澆灌過程中跟蹤檢測，操作簡便、檢測準(zhǔn)確、判斷直觀，從而使鋼管砼構(gòu)件施工中能夠及時(shí)排除隱患。
文檔編號G01N29/04GK1093805SQ94100220
公開日1994年10月19日 申請日期1994年1月6日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月6日
發(fā)明者周信法, 高補(bǔ)榮, 王振杰, 陶潤橋, 連繼生, 蘭麗萍, 張春林 申請人:山西省電力公司電力建設(shè)三公司