1、混凝土裂缝深度检测 超声首波相位反转机理解析,童寿兴 上海市建设工程检测行业协会 2014年度主体结构混凝土 非破损检测培训,05:55,1,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,05:55,2,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法1,1.1 单面平测 CECS：21 标准法 裂缝深度的计算公式 90版公式2000版公式,（a）等距不跨缝检测 （b）等距跨缝检测图1 CECS：21 标准检测混凝土裂缝深度,基本假设：1）裂缝附近混凝土质量基本一致；2）跨缝与不跨缝检测，其声速相同；(不跨缝检测的声速其实是平测声速）3) 跨缝测读的首波信号绕裂缝末端至接收换能器。,05:55,3,1 超声波检测混凝
2、土裂缝深度的方法,BS-1881标准检测混凝土裂缝深度的方法1的原理是，两次选取不同的a1、a2测距测量， a2 =2a1 ，假设超声波在混凝土中两次传播的速度不变 v1=v2 ，根据速度相同的条件可以得到声时和裂缝深度之间的计算公式。,1.2 BS-1881标准法 （90年代 BS-4408）,定义：v1=v2, a1=15cm, a2=2a1=30cm, 得：,图2 BS-1881法检测混凝土裂缝深度,05:55,4,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,超声波首波相位反转法如图所示，1982年笔者发现2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、小于裂缝深度dc时，超声波接收
3、波形如(a),(b),(c)所示。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，换能器间距与缝深比存在1.72倍的关系。,1.3 超声波首波相位反转法,图3 超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度,05:55,5,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,超声波首波相位反转法泊松比与回折角的关系 1990年在日本，笔者浏览到1988年日本同行有关于首波反向发生时测距裂缝深度的近似2倍关系的论文发表。当adc时回折角约为900。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。1991年日本関西大
4、学工学部的中野正吉推导出泊松比与回折角的关系3，中野正吉提出由于混凝土的泊松比在0.200.25之间，若取中值，则回折角+=90。,1.3 超声波首波相位反转法,表1 泊松比与回折角的关系,05:55,6,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,换能器不对称布置时的超声波首波相位反转现象在以往的研究中，笔者又发现4 5当换能器不对称布置在裂缝两侧的场合,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。如图4所示(a)，(b)，(c)点波形参见图3(a)，(b)，(c)，在首波振幅相位反转的临界点处,回转角 + 也均约为90度。移动R换能器当观察到首波相位反转变化时的A
5、CB为直角三角形（可在小方格纸上按尺寸比例作图 验证）。 裂缝深度dc与二换能器的中心距的近似关系式： 。作为特例，当换能器距裂缝对称布置时，dc a，参见图3 (b)。,1.3 超声波首波相位反转法,图4 换能器不对称布置,05:55,7,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,1.3 超声波首波相位反转法换能器间距与缝深比1982年2采用同济大学自制的超声波检测仪，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现象，笔者提出了换能器间距与缝深比存在1.72倍的关系。平均1.85倍。,05:55,8,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,换能器间距与缝深比换能器裂缝间距与裂缝
6、深度的关系国内不同研究单位意见不大一致，有的研究者（陕西院） 6 认为反相点处间距/缝深比为1.0倍（换能器间距为两换能器的内边距）。康科瑞濮存亭，孙刚柱在论文 “超声平测法检测混凝土裂缝深度测试方法的试验研究与建议” 7 中 关于首波反相点出现的位置在进行了一系列的试验研究后：得出“反相点处间距/缝深比一般在1.5倍附近。（同上：此时换能器间距为两换能器的内边距） 基于同济大学1.72倍(平均1.85倍）和陕西院1.0倍以及康科瑞1.5倍的不同研究结果， 濮、孙的论文得出：“说明反相点处间距/缝深比并不能确定”的结论，间接否认了超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度的方法。 。,1.3 超声
7、波首波相位反转法,05:55,9,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,换能器间距与缝深比考察到濮存亭，孙刚柱论文7的实验数据在缝深较小时对应的间距/缝深比较小的事实， 这应该是与换能器的直径尺寸效应有关，即换能器的直径尺寸对越小缝深的影响越大。众所周知在平测法检测混凝土裂缝深度的计算公式中换能器的间距不取内间距。如果考虑换能器的直径尺寸，（设换能器的直径为38 mm）笔者尝试重新计算了该论文7中反相点出现的位置一节中列出的全部试验数据，得出：当考虑了换能器直径的影响因素后，其对应的间距/缝深比的平均值为1.853倍。右图换能器间距2a为两换能器中心距。与1982年的同济大学结果一致。研究表明：
8、首波相位发生反转变化的临界点， 同济大学关于换能器的中心距与缝深比为1.72倍的观点是正确的。,05:55,10,1 超声波检测混凝土裂缝深度的方法,下表引自： 濮存亭，孙刚柱7 反相点出现的位置 反相点处间距/缝深比一般在1.5倍附近。（换能器间距为两换能器的内边距）,笔者考察结果：当考虑了换能器直径的影响因素后，其对应的间距/缝深比的平均值为1.853倍（换能器间距为两换能器中心距） 【 设换能器直径为38 mm计算】,05:55,11,三种方法对应的混凝土裂缝深度检测仪,1.北京智博联根据CECS 21:2000规程，采用单面平测Tc-T0法研发的ZBL-F610裂缝测深仪附带一根定位尺
9、，简化了测试方法，提高了测试效率和效果。 2.北京康科瑞研发的KON-FSY裂缝深度测试仪近视采用了修改BS-1881方法，该测试仪附有一个探头支架，将发射与接收换能器分别置于裂缝为对称的两侧，第一测点间距l1取100mm，读取声时值t1；第二测点间距取50mm 或150mm，读取声时值t2，分别计算缝深h1、h2后取两次裂缝深度的平均值。3.廊坊大地华龙依照首波振幅相位反转现象，利用回折角与裂缝深度的几何关系在国内率先研发的DJCS-05裂缝测深仪，这款仪器的特点是不用计算，便可现场直接显示裂缝深度。,05:55,12,2 首波相位反转机理解释,由“反转现象缺失”引出的思考,实验介绍,基础理
10、论知识,横波折射假说,4,1,2,3,4,总结,5,05:55,13,2 首波相位反转机理解释,2.1 由“首波相位反转现象缺失”引出的思考,图5 实验装置示意图,其中：1水槽； 2水面（控制水面高度模拟不同的混凝土裂缝深度）；3、6混凝土试块（尺寸为151555cm）； 4、5超声波换能器（直径38mm）； 7实验专用尺寸标定工具； 8黄油（用于换能器与混凝土耦合）；9混凝土试块间隙3mm,05:55,14,2 首波相位反转机理解释,模拟裂缝试样及辅助工具 如图5所示将两块150150550mm混凝土试块留有间隙后对接放入水槽中，在水槽中放入不同深度的水达到形成不同深度裂缝的目的。如水深从1
11、0mm到140mm每次以10mm递增，相应模拟裂缝深度即为140，130，120，110，100，90，80，70，60，50，40，30，20，10（mm）；另制作了600，300，150，75，38，19（mm）；500，250，125，63，32（mm）和400，200，100，50，25（mm）三个倍数系列的专用尺寸标定工具，对每一个模拟裂缝深度值，两换能器测距都分别以600，500，400，300，250，200，150，125，100，75，63，50，38，32，25，19（mm）共计16次检测并记录其声时值。,05:55,15,2 首波相位反转机理解释,实验步骤 向水槽中加入自
12、来水，测量水深为140mm（此时模拟裂缝深度为10mm）。两换能器对称置于裂缝两侧，底部涂黄油耦合，内侧紧靠600mm专用尺寸标定工具木尺。保持施加在换能器上的压力不变，首波等幅度4格读数，重复3次，取最稳定状态时采样、储存声时读数。依次更换木尺，直至减小测距到19mm，共记录一系列16个声时值。 重复上面的步骤，依次取出水槽中约10mm深的水量，待水面平稳后分别测量水深为130mm、120mm10mm时，依次更换木尺，记录不同裂缝深度、不同测距对应的声时值（共14组16个声时数据）。 混凝土的裂缝深度分别按CECS标准、BS-1881标准进行计算、比较。,05:55,16,2 首波相位反转机
13、理解释,几年前在 指导学生毕业论文的实验过程中，在任何短测距（即两换能器间距小于2倍缝深） 的场合， 均没有观察到作者早年前提出的首波相位反转的现象。,05:55,17,2 首波相位反转机理解释,笔者将两块4040160mm的水泥砂浆条，图6在两者端部留有1mm间隙的下部用5mm高度的环氧树脂把它们粘结成一个整体，即形成裂缝深度为35mm的试件。把试件放入水盆，在未盛水时，超声检测在两换能器的中心距70mm附近，有首播相位反转点。保持正波状态下换能器不移动，往水盆中加水，当水面高于5mm时，正波转为负波。此时，无论再相近移动换能器直至两换能器几乎接触，屏显波形依然是负波。将换能器中心距改为65
14、mm后，从水盘中提起（连同耦合着的换能器一起）试件出水面，屏显波形还是负波。略倾斜试件吹除缝中的剩水后，屏显波形转为正波。,2.2 “首波相位反转现象缺失”的实验1,05:55,18,2 首波相位反转机理解释,（图6） 实验1介绍 试件裂缝深度约35mm,无水,水高5mm,无水,有水,05:55,19,2 首波相位反转机理解释,另在一块60010001000mm的原制有100mm裂缝深度的长龄期混凝土试块上继续超声实验。图7在两换能器中心距200mm处发现正负波形转换临界点。略相近移动换能器，使其保持正波状态，往裂缝中注水，正波即转为负波，再相近移动换能器，屏显依然是负波。用钢尺将裂缝中水分赶
15、出些后插入纸吸水，当裂缝中的水吸干时，首波相位反转现象如期而至。,2.2 “首波相位反转现象缺失”的实验2,05:55,20,2 首波相位反转机理解释,（图7） 实验2介绍 试件裂缝深度约100mm,存在正负波形转换点,加水后，正波变负波,除水后，负波变正波,05:55,21,2 首波相位反转机理解释,不同声速介质的界面在反射和折射过程可能发生波型转换。波型转换现象只发生在斜入射的场合。 2) 固体与气体的交界面，波型转换只发生在反射过程中；固体与固体 的界面在反射、折射过程中都会发生波型的转换。固体与液体的界面，折射波中只有纵波，因液体介质没有剪切弹性，不能传播横波。3）另根据惠更斯定理：横
16、波和纵波到达的每一个点都可以看作新的波源“次源”，每一个“次源”相当于一个单独波源，产生二次波动，形成“次源”波前，新的波前就是这些“次源”波前的包迹。,2.3 基础理论知识,05:55,22,2 首波相位反转机理解释,当换能器分别置于裂缝表面的两侧如图8所示，由于混凝土检测通常采用的是低频（50KHz）超声波，其特点是波长长，指向性差。当发射换能器A置于混凝土表面时，其向裂缝侧传播相当于斜入射的场合，即具备了斜入射的条件。超声纵波在裂缝侧面产生反射（反射波中有纵波，有横波），超声纵波在裂缝的尾端产生折射（折射波中有纵波，有横波）而且由图8所示，横波折射角与水平面的夹角小于纵波折射角。,2.4
17、（横波折射假说）,图8 横波折射假说示意图,05:55,23,2 首波相位反转机理解释,众所周知：纵波速度大于横波速度；本实验采用的是纵波换能器，换能器A发射出纵波，接收换能器B理应接收到纵波，但存在以下事实：1)折射波中因波型转换形成了横波。2)横波的折射角与纵波的折射角不同，横波与裂缝断面的夹角小于纵波，即横波折射在纵波之上。,2.4 （横波折射假说）,05:55,24,2 首波相位反转机理解释,首波相位反转的机理解释：超声波检测混凝土裂缝深度时，采用的纵波换能器在折射过程中发生波型转换产生了横波，发射纵波与接收到的横波之间存在相位差。虽然横波速度小于纵波速度，但横波折射角与纵波折射角不同
18、，两者的绕射波前不同，在特定的首波相位反转临界点，参见图8接收换能器B至裂缝侧的区域内（图8 中T区）绕射横波先于绕射纵波到达。首波相位反转临界点的T区以外是折射纵波L区。（在“S处”有水的场合 ）,2.4 （横波折射假说）,05:55,25,2 首波相位反转机理解释,1）李 宁的论文8 “纵、横波首波相位关系实验现象的解释及其对全波测井的意义”：纵、横波首波幅度绝对值的变化规律相同；纵、横波首波的相位始终相反。即由发射换能器同一个振源转换成的横波，其相位永远和纵波反相。2) 在没有水的场合，换能器跨缝检测时定有发生首播相位反转的现象，笔者以往在国内外所有的实验室内人为制作的裂缝试件上，全部都
19、能观察到首波相位反转的事实。在施工现场能观察到首播相位反转现象的场合，可马上定性推断该混凝土的裂缝深度小于、等于两个换能器中心距之半。,2.5 总结,05:55,26,2 首波相位反转机理解释,2.5 总结3) 在裂缝中有水的实验场合，见图8设水面高度S处，纵波在裂缝左侧面反射发生波型转换（能产生横波）、同时经过水的媒介通过裂缝在裂缝的右侧折射，因液体介质没有剪切弹性，横波不能在水中传播，右侧面折射波中只有纵波。而本文中的实验（包括前期学生毕业论文）采用以水形成裂缝的特定方案，在有水的场合波型转换折射波中没有横波，固没有首波相位反转的现象发生。曾有报道在工地有时会观察不到反相现象，可能原因是裂
20、缝中有水或钢筋及其它杂物所致。工地观察不到首播相位反转现象的裂缝不具备检测条件，其检测的声时数据不正确，如按规程计算公式的检测结果一定会误判。（不是误差，而是错误）大胆推论：依照首波振幅相位反转现象，利用回折角与裂缝深度的几何关系研制的混凝土裂缝深度检测仪在裂缝中有水的场合将会出现盲区。,05:55,27,超声波首波相位反转法的应用经验,当被测结构断面尺寸较大，且不存在边界面及钢筋等影响的情况下，尤其是实验室中的人为垂直裂缝，首波反向近似2倍关系最为明显。在工地有时会观察不到反相现象，可能原因之一是裂缝深度很浅（小于换能器的间距）；原因之二混凝土裂缝细小、走向不确定时，超声波在裂缝接触界面反射
21、叠加、畸变所致；主要原因之三是裂缝中有水或潮湿的测试环境。 凡在工地上观察不到首播相位反转现象的裂缝不具备检测条件，其检测得到的声时数据往往不正确，此时如按规程计算公式的检测结果一定会误判。当能够观察到首波相位反转时，要注意排除钢筋（或者混凝土底模是钢承板）的影响因素。此时，可判定换能器的中心距之半为混凝土的裂缝深度。,05:55,28,参 考 文 献,1 谷川恭雄，童寿興，中村正行超音波法割深推定方法関研究 C 日本工学協会：非破壊試験法関論文集19914 ：5560 2 李为杜，林维正，童寿兴等 超声脉冲法探测混凝土模拟缺陷的研究报 告同济大学科学技术情报站（编号：82262）1982，1
22、1 3 中野正吉深測定理論解析谷川恭雄教授手稿 124 4 童寿兴，张晓燕，金元. 超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度J.建筑材料学报，1998，1（3）：287290. 5 童寿兴，商涛平，李为杜，方之枰超声波检测混凝土裂缝深度方法的研究 C. 第七届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集.2001.4：8287 6 吴新璇主编.混凝土无损检测技术手册M. 北京：人民交通出版社，2003：178179 7 濮存亭，孙刚柱. 超声平测法检测混凝土裂缝深度测试方法的试验研究与建 议 C. 第九届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集.2006.11：4350 8 李 宁纵、横波首波相位关系实验现象的解释及其对全波测井的意义J.地球物理测井，1989第4期：1420,05:55,29,自1982年作者发现超声首波相位反转现象至今（2012年）现提出横波折射解析已经过去30年了，谨以此讲座（30张 PPT）作为“超声首波相位反转”首发30周年纪，也期望“超声首波相位反转机理的横波折射解析”与同行商榷并得到指正。Thank You!,05:55,30,
