非金属材料的超声波检测（二）

2.3混凝土道路裂纹深度的超声波检测

目前,对于混凝土结构件裂纹深度测量的方法主要有以下3种：

①“Tc-T0”法

如图4-7-3（b）所示。这种方法要求发射探头与接收探头相对裂纹距离对称放置，探头到裂缝的距离近似等于裂缝深度时，则能得到比较精准的测量结果，裂缝深度可按下式计算：

h=（L/2）[（Tc/T0）²-1]^(1/2),

式中L为两探头中心间距，Tc为发射超声波绕过裂缝尖端到达接收探头的传播时间，T0为距离L时无裂缝（完好）混凝土区域中的平均传播时间。

②“BS”法

如图4-7-3（c）所示。

发射探头与接收探头置于裂缝两侧，相对裂纹距离对称放置，第一次置两探头中心间距L1时测得首波声时T1，然后拉开两探头中心间距达到L2=2L1时T2，按几何声学推倒得到的裂缝深度应该是：h=（L1/2）[（4T1²-T2²）/（T2²-T1²）]，但是部分实验证明裂缝深度h=L[（4T1²-T2²）/（T2²-T1²）]时似乎反而有更好的准确度，式中的L是在L1时的两探头内侧间距。

在这种方法中，如果探头到裂缝之间的距离选择不合适时，也会有较大的误差，而且与所用频率未见明显的关系，但是在实际测试中，100KHz时表现出首波波形较复杂难辨认，容易造成读数误差。

作为“Tc-T0”和“BS”法，它们要求探头与裂缝之间的距离有一定的排列放置才有可能获得准确的结果。但是，实际裂缝的深度是事先未知的参数，因而在实际应用中难以实施。

③“T”法

如图4-7-3（d）所示。

先将发射探头置于裂缝一侧保持一定距离不变的固定位置，然后使接收探头从与发射探头置于裂缝同一侧开始，朝向裂缝以一定间距移动接收探头，逐步逼近裂缝，直到越过裂缝并继续延伸一段距离(此时探头接收的是穿透波)，在这种情况下逐次测量记录每一次探头相对距离和对应的声波传递时间(直通纵波的首波声时)，把这两组参数以直角坐标关系绘成一组“时间一距离”曲线(如图4-7-4所示)，

在裂缝处将有一个时间跃变段(时间不连续部分)，即裂缝的深度将表现在曲线上的跳跃突变部分，则裂缝深度可按下式计算:

h=T・ctgα(T・ctgα+2a)/2(T・ctgα+a),

式中:α为“时间一距离”参量曲线的倾角；T为裂缝处的不连续时间；a为裂缝与发射探头中心之间的距离。

“T”法的关键是测定接收探头逼近裂缝两侧位置上的时间变化“T”，这必须使接收探头尽可能逼近裂缝侧边边缘以减少误差。

尽管“T”法也有较大的误差，但在实际应用容易实施，所以，可先采用“T”法得到比较接近实际裂缝深度的数值范围，然后再进一步利用“Tc-T0”和“BS”法验证，综合应用这些方法将有可能使混凝土路面裂纹深度测量获得较高的准确性。

在实际测量操作中，很重要的问题是要正确识别首波（首先到达接收探头的声波前沿）和精准读出首波声时。在非金属超声波探伤仪上读取的首波传递时间是以μs为单位，而且在“Tc-T0”法中的一个基本参数是无裂纹情况下混凝土的平均速度T0，即直通纵波第一个波到达接收探头的时间，按照V=L/T计算混凝土的平均速度，式中L为两个探头的间距，T为首波声时。

在测量裂缝深度之前，应在无裂缝试样上测定两个探头间的不同距离L和相对应的首声波时，经多次测量，取T0的平均值作为基数。这里应当注意测定T0的试样应与被检测的混凝土是同批、同配方浇注的，否则误差会很大（混凝土的批次、配方不同时，其声速有差异），还应注意频率的选择，不同配方的混凝土对超声波的衰减不同，导致首波形状受影响，例如在低频（例如50KHz）情况下，首波声时较100KHz容易判读，为了正确、准确判读首波，适当频率的选择是很重要的。当然，首波波形还受首波幅度（灵敏度）、仪器电噪声干扰、路面平整程度（耦合状态）等影响。

此外，在测量混凝土声速时，两个探头之间的距离不宜太小，建议至少在100mm以上，也有资料认为至少应在300mm以上，因为这种用于混凝土检测的低频超声波探头的直径一般都较大，当探头间距很近时，探头直径相对探头间距就较大，实际上声波从探头边缘开始激发，首先到达的也是探头边缘，结果会导致声速计算误差。也就是说，两探头的中心间距应该至少从100mm以上开始测量，因为探头间距较大时探头直径的影响变小，有利于获得较平稳的声速曲线。

混凝土路面或者构件的超声波检测所使用的的耦合剂一般为容易用水去除的水玻璃（硅酸钠NO2SiO3水溶液）较好，如果混凝土表面比较平整光滑，也可以使用粘稠度较高的化学糨糊，检测以后很容易用水去除，以避免影响混凝土路面或构件的使用性能，例如防止打滑。

参考资料：工业超声波无损检测技术

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