中国工程建设标准化协会标准超声法检测混凝土缺陷技术规程CECS 21:2000 1
主编单位:陕西省建筑科学研究设计院 上海同济大学
批准单位:中国工程建设标准化协会
实施日期:2001年1月1日
前言
根据中国工程建设标准化协会(98)建标协字第08号《关于下达1998年第一批推荐胜标准编制计划的函》的要求，制订本标准。
本规程是在《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS21:90的基础上，吸收国内外超声检测仪器最新成果和超声检测技术的新经验，结合我国建设工程中混凝土质量控制与检测的实际需要进行修订的。
本规程的主要内容包括超声法检测混凝土缺陷的适用范围， 检测设备技术要求，声学参数测量方法，混凝土裂缝深度、混凝土不密实区、新老混凝土结合质量、灌注桩和钢管混凝土缺陷等的检测及判断方法。
本规程主要对"超声波检测设备" 及"声学参数测量" 两章作了全面修订:将原"浅裂缝检测"和"深裂缝检侧"两章合并成"裂缝深度检测"一章;删除了"匀质性检测"一章;对平测裂缝深度的判定、混凝土密实性检测的异常数据判断和表面损伤层检测的数据处理等方法做了补充和完善;增加了灌注桩和钢管混凝土缺陷检测。
现批准协会标准《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，编号为 CECS21:2000，推荐给工程建设设计、施工、使用单位采用。本规程由中国工程建设标准化协会混凝土结构委员会归口管理，由陕西省建筑科学研究设计院(陕西省西安市环城西路北段272号，邮编:710082)负责解释。在使用中如发现需要修改和补充之处，请将意见和资料寄解释单位。
主编单位：陕西省建筑科学研究设计院 上海同济大学
参编单位：中国建筑科学研究院结构研究所 水利电力部南京水利科学研究院 北京市建筑工程质检中心第三检测所 重庆市建筑科学研究院
主要起草人：张治泰 李乃平 李为杜 林维正 张仁瑜 罗骥先 楼存亭 林文修
中国工程建设标准化协会
2000 年 11月 10 日
1 总则
1.0.1 为了统一超声法检测混凝土缺陷的检测程序和测试判定方法，提高检测结果的可靠性，制定本规程。
1.0.2 本规程适用于超声法检测混凝土的缺陷。
1.0.3 缺陷检测系指对混凝土内部空洞和不密实区的位置和范围、裂缝深度、表面损伤层厚度、不同时间浇筑的混凝土结合面质量、灌注桩和钢管混凝土中的缺陷进行检测。
1.0.4 超声法(超声脉冲法)系指采用带波形显示功能的超声波检测仪，测量超声脉冲波在混凝土中的传播速度(简称声速)、首波幅度(简称波幅)和接收信号主频率(简称主频)等声学参数，并根据这些参数及其相对变化，判定混凝土中的缺陷情况。
1.0.5 按本规程进行缺陷检测时，尚应符合国家现行有关强制性标准的规定。
2 术语、符号
2.1 术语
2.1.1 超声法 ultrasonic method
本规程所指的超声法，系采用带波形显示的低频超声波检测仪和频率为20-250kHz的声波换能器， 测量混凝土的声速、波幅和主频等声学参数，并根据这些参数及其相对变化分析判断混凝土缺陷的方法。
2.1.2 混凝土缺陷 concrete defects
破坏混凝土的连续性和完整性，并在一定程度上降低混凝土的强度和耐久性的不密实区、空洞、裂缝或夹杂泥砂、杂物等。
2.1.3 声速 velocity of sound
超声脉冲波在混凝土中单位时间内传播的距离。
2. 1.4 波幅 amplitude
超声脉冲波通过混凝土后，由接收换能器接收，并由超声仪显示的首波信号幅度。
2.1.5 衰减attenuation
超声脉冲波在混凝土中传播时，随着传播距离的增大，由于散射、吸收和声束扩散等因素引起的声压减弱。
2.1.6 主频 main frequency
在被接收的超声脉冲波各颇率成分的幅度分布中，幅度最大的频率值。
2.2 主要符号
3 超声波检测设备
3.1 超声波检测仪的技术要求
3.1.1 用于混凝土的超声波检测仪分为下列两类:
1 模拟式:接收信号为连续模拟量，可由时域波形信号测读声学参数;
2 数字式:接收信号转化为离散数字量，具有采集、储存数字信号、测读声学参数和对数字信号处理的智能化功能。
3.1.2 超声波检测仪应符合国家现行有关标准的要求，并在法定计量检定有效期限内使用。
3.1.3 超声波检测仪应满足下列要求:
1 具 有波形清晰、显示稳定的示波装置;
2 声 时 最小分度为0.1μs；
3 具 有 最小分度为1dB的衰减系统;
4 接 收 放大器频响范围10～500kHz，总增益不小于80dB，接收灵敏度(在信噪比为3:1时)不大于50μV;
5 电 源 电压波动范围在标称值±10%的情况下能正常工作;
6 连 续 正常工作时间不少于4h。
3.1. 4 对于模拟式超声波检测仪还应满足下列要求：
1 具有手动游标和自动整形两种声时读数功能；
2 数字显示稳定。声时调节在20～30μs范围，连续1h，数字变化不大于±0.2μs。
3.1.5 对于数字式超声波检测仪还应满足下列要求：
1 具有手动游标测读和自动测读方式。当自动测读时，在同一测试条件下，1h内每隔5min测读一次声时的差异应不大于±2个采样点；
2 波形显示幅度分辨率应不低于1／256，并具有可显示、存储和输出打印数字化波形的功能，波形最大存储长度不宜小于4k bytes；
3 自动测读方式下，在显示的波形上应有光标指示声时、波幅的测读位置；
4 宜具有幅度谱分析功能(FFT功能)。
3.2 换能器的技术要求
3.2.1 常用换能器具有厚度振动方式和径向振动方式两种类型，可根据不同测试需要选用。
3.2.2 厚度振动式换能器的频率宜采用20～250kHz。径向振动式换能器的频率宜采用20～60kHz，直径不宜大于32mm。当接收信号较弱时，宜选用带前置放大器的接收换能器。
3.2.3 换能器的实测主频与标称频率相差应不大于±10％。对用于水中的换能器，其水密性应在1MPa水压下不渗漏。
3.3 超声波检测仪的检定
3.3.1 超声仪声时计量检验应按"时--距"法测量空气声速的实测值(见附录A)，并与按公式(3.3.1)计算的空气声速标准值相比较，二者的相对误差应不大于±0.5％。
（3.3.1 )
3.3.2 超声仪波幅计量检验。可将屏幕显示的首波幅度调至一定高度，然后把仪器衰减系统的衰减量增加或减少6dB，此时屏幕波幅高度应降低一半或升高1倍。
4 声学参数测量
4.1 一 般 规 定
4.1.1 检测前应取得下列有关资料：
1 工程名称；
2 检测目的与要求；
3 混凝土原材料品种和规格；
4 混凝土浇筑和养护情况；
5 构件尺寸和配筋施工图或钢筋隐蔽图；
6 构件外观质量及存在的问题。
4.1.2 依据检测要求和测试操作条件，确定缺陷测试的部位(简称测位)。
4.1.3 测位混凝土表面应清洁、平整，必要时可用砂轮磨平或用高强度的快凝砂浆抹平。抹平砂浆必须与混凝土粘结良好。
4.1.4 在满足首波幅度测读精度的条件下，应选用较高频率的换能器。
4.1.5 换能器应通过耦合剂与混凝土测试表面保持紧密结合，耦合层不得夹杂泥砂或空气。
4.1.6 检测时应避免超声传播路径与附近钢筋轴线平行，如无法避免，应使两个换能器连线与该钢筋的最短距离不小于超声测距的1／6。
4.1.7 检测中出现可疑数据时应及时查找原因，必要时进行复测校核或加密测点补测。
4.2 声学参数测量
4.2.1 采用模拟式超声检测仪测量应按下列方法操作：
1 检测之前应根据测距大小将仪器的发射电压调在某一挡，并以扫描基线不产生明显噪音干扰为前提，将仪器"增益"调至较大位置保持不动；
2 声时测量。应将发射换能器(简称T换能器)和接收换能器(简称R换能器)分别耦合在测位中的对应测点上。当首波幅度过低时可用"衰减器"调节至便于测读，再调节游标脉冲或扫描延时，使首波前沿基线弯曲的起始点对准游标脉冲前沿，读取声时值ti(读至0.1μs)；
3 波幅测量。应在保持换能器良好耦合状态下采用下列两种方法之一进行读取：
1)刻度法：将衰减器固定在某一衰减位置，在仪器荧光屏上读取首波幅度的格数。
2)衰减值法：采用衰减器将首波调至一定高度，读取衰减器上的dB值。
4 主频测量。应先将游标脉冲调至首波前半个周期的波谷(或波峰)，读取声时值t1(μs)，再将游标脉冲调至相邻的波谷(或波峰)，读取声值t2(μs)，按(4.2.1)式计算出该点(第i点)第一个周期波的主频fi(精确至0.1kHz)。
(4.2.1)
5 在进行声学参数测量的同时，应注意观察接收信号的波形或包络线的形状，必要时进行描绘或拍照。
4.2.2 采用数字式超声检测仪测量应按下列方法操作：
1 检测之前根据测距大小和混凝土外观质量情况，将仪器的发射电压、采样频率等参数设置在某一挡并保持不变。换能器与混凝土测试表面应始终保持良好的耦合状态；
2 声学参数自动测读：停止采样后即可自动读取声时，波幅、主频值。当声时自动测读光标所对应的位置与首波前沿基线弯曲的起始点有差异或者波幅自动测读光标所对应的位置与首波峰顶(或谷底)有差异时，应重新采样或改为手动游标读数；
3 声学参数手动测量：先将仪器设置为手动判读状态，停止采样后调节手动声时游标至首波前沿基线弯曲的起始位置，同时调节幅度游标使其与首波峰顶(或谷底)相切，读取声时和波幅值；再将声时光标分别调至首波及其相邻波的波谷(或波峰)，读取声时差值△t(μs)，取1000／△t即为首波的主频(kHz)；
4 波形记录：对于有分析价值的波形，应予以存储。
4.2.3 混凝土声时值应按下式计算：
(4.2.3)
当采用厚度振动式换能器时，to应参照仪器使用说明书的方法测得；当采用径向振动式换能器时，too应按附录B规定的"时--距"法测得。
4.2.4 超声传播距离(简称测距)测量：
1 当采用厚度振动式换能器对测时，宜用钢卷尺测量T、R换能器辐射面之间的距离；
2 当采用厚度振动式换能器平测时，宜用钢卷尺测量T、R换能器内边缘之间的距离；
3 当采用径向振动式换能器在钻孔或预埋管中检测时，宜用钢卷尺测量放置T、R换能器的钻孔或预埋管内边缘之间的距离；
4 测距的测量误差应不大于±1％。
5 裂缝深度检测
5.1 一 般 规 定
5.1. 1 本章适用于超声法检测混凝土裂缝的深度。
5.1.2 被测裂缝中不得有积水或泥浆等。
5.2 单面平测法
5.2.1 当结构的裂缝部位只有一个可测表面，估计裂缝深度又不大于500mm时，可采用单面平测法。平测时应在裂缝的被测部位，以不同的测距，按跨缝和不跨缝布置测点(布置测点时应避开钢筋的影响)进行检测，其检测步骤为：
1 不跨缝的声时测量：将T和R换能器置于裂缝附近同一侧，以两个换能器内边缘间距(l＇)等于100、150、200、250mm…分别读取声时值(ti，绘制"时--距"坐标图(图5.2.1-1)或用回归分析的方法求出声时与测距之间的回归直线方程：
5.3 双面斜测法
5.3.1 当结构的裂缝部位具有两个相互平行的测试表面时，可采用双面穿透斜测法检测。测点布置如图5.3.1所示，将T、R换能器分别置于两测试表面对应测点1、2、3…的位置，读取相应声时值ti、波幅值Ai，及主频率fi。
图5.3.1 斜测裂缝测点布置示意图
(a)平面图；(b)立面图
5.3.2 裂缝深度判定：当T、R换能器的连线通过裂缝，根据波幅、声时和主频的突变，可以判定裂缝深度以及是否在所处断面内贯通。
5.4 钻孔对测法
5.4.1 钻孔对测法适用于大体积混凝土，预计深度在500mm以上的裂缝检测。
5.4.2 被检测混凝土应允许在裂缝两侧钻测试孔。
5.4.3 所钻测试孔应满足下列要求：
1 孔径应比所用换能器直径大5～1Omm；
2 孔深应不小于比裂缝预计深度深700mm。经测试如浅于裂缝深度，则应加深钻孔；
3 对应的两个测试孔(A、B)，必须始终位于裂缝两侧，其轴线应保持平行；
4 两个对应测试孔的间距宜为2000mm，同一检测对象各对测孔间距应保持相同；
5 孔中粉末碎屑应清理干净；
6 如图5.4.3(a)所示，宜在裂缝一侧多钻一个孔距相同但较浅的孔(C)，通过B、C两孔测试无裂缝混凝土的声学参数。
图5.4.3 钻孔测裂缝深度示意图
(a)平面图 (C为比较孔)；(b) I-I剖面图
5.4.4 裂缝深度检测应选用频率为20～60kHz的径向振动式换能器。
5.4.5 测试前应先向测试孔中注满清水，然后将T、R换能器分别置于裂缝两侧的对应孔中，以相同高程等间距(100～400mm)从上到下同步移动，逐点读取声时、波幅和换能器所处的深度，如图5.4.3(b)所示。
图5.4.6 h-A坐标图
5.4.6 以换能器所处深度(h)与对应的波幅值(A)绘制h-A坐标图(如图5.4.6所示)。随换能器位置的下移，波幅逐渐增大，当换能器下移至某一位置后，波幅达到最大并基本稳定，该位置所对应的深度便是裂缝深度值hc 。
6 不密实区和空洞检测
6.1 一 般 规 定
6.1.1 本章适用于超声法检测混凝土内部不密实区、空洞的位置和范围。
6.1.2 检测不密实区和空洞时构件的被测部位应满足下列要求：
1 被测部位应具有一对(或两对)相互平行的测试面；
2 测试范围除应大于有怀疑的区域外，还应有同条件的正常混凝土进行对比，且对比测点数不应少于20。
6.2 测 试 方 法
6.2.1 根据被测构件实际情况，选择下列方法之一布置换能器：
1 当构件具有两对相互平行的测试面时，可采用对测法。如图6.2.1-1所示，在测试部位两对相互平行的测试面上，分别画出等间距的网格(网格间距：工业与民用建筑为100～300mm，其他大型结构物可适当放宽)，并编号确定对应的测点位置；
图6.2.1-1 对测法示意图
(a)平面田；(b)立面图
2 当构件只有一对相互平行的测试面时，可采用对测和斜测相结合的方法。如图6.2.1-2所示，在测位两个相互平行的测试面上分别画出网格线，可在对测的基础上进行交叉斜测；
图6.2.1-2 斜测法立面图
3 当测距较大时，可采用钻孔或预埋管测法。如图6.2.1-3所示，在测位预埋声测管或钻出竖向测试孔，预埋管内径或钻孔直径宜比换能器直径大5～1Omm，预埋管或钻孔间距宜为2～3m，其深度可根据测试需要确定。检测时可用两个径向振动式换能器分别置于两测孔中进行测试，或用一个径向振动式与一个厚度振动式换能器，分别置于测孔中和平行于测孔的侧面进行测试。
图6.2.1-3 钻孔法示意图
(a)平面田；(b)立面田
6.2.2 每一测点的声时、波幅、主频和测距，应按本规程第4.2节进行测量
6.3 数据处理及判断
6.3.1 测位混凝土声学参数的平均值(mx)和标准差(Sx)应按下式计算：
(6.3.1-1)
(6.3.1-2)
式中 Xi--第i点的声学参数测量值；
n--参与统计的测点数。
6.3.2 异常数据可按下列方法判别：
1 将测位各测点的波幅、声速或主频值由大至小按顺序分别排列，即X1≥X2≥…≥Xn≥xn＋1…，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Xn)连同其前面的数据按本规程第6.3.1条计算出mx及Sx值，并按下式计算异常情况的判断值(Xo)：
(6.3.2-1)
式中λ1按表6.3.2取值。
将判断值（Xo）与可疑数据的最大值(Xn)相比较，当Xn不大于Xo时，则Xn及排列于其后的各数据均为异常值，并且去掉Xn，再用X1～Xn-1，进行计算和判别，直至判不出异常值为止；当Xn大于Xo时，应再将Xn+1：放进去重新进行计算和判别；
2 当测位中判出异常测点时，可根据异常测点的分布情况，按下式进一步判别其相邻测点是否异常：
(6.3.2-2)
式中的λ2、λ3按表6.3.2取值。当测点布置为网格状时取λ2：；当单排布置测点时(如在声测孔中检测)取λ3。
注：若保证不了耦合条件的一致性，则波幅值不能作为统计法的判据。
表6.3.2 统计数的个数n与对应的λ1、λ2、λ3值
6.3.3 当测位中某些测点的声学参数被判为异常值时，可结合异常测点的分布及波形状况确定混凝土内部存在不密实区和空洞的位置及范围。
当判定缺陷是空洞，可按附录C估算空洞的当量尺寸。
7 混凝土结合面质量检测
7.1 一 般 规 定
7.1.1 本章适用于前后两次浇筑的混凝土之间接触面的结合质量检测。
7.1.2 检测混凝土结合面时，被测部位及测点的确定应满足下列要求：
1 测试前应查明结合面的位置及走向，明确被测部位及范围；
2 构件的被测部位应具有使声波垂直或斜穿结合面的测试条件。
7.2 测 试 方 法
7.2，1 混凝土结合面质量检测可采用对测法和斜测法，如图7.2.2所示。布置测点时应注意下列几点：
1 使测试范围覆盖全部结合面或有怀疑的部位；
2 各对T--R1(声波传播不经过结合面)和T--R2(声波传播经过结合面)换能器连线的倾斜角测距应相等；
3 测点的间距视构件尺寸和结合面外观质量情况而定，宜为100～300mm 。
7.2.2 按布置好的测点分别测出各点的声时、波幅和主频值。
图7.2.2 混凝土结合面质量检测示意图
(a)斜测法；(b)对测法
7.3 数据处理及判断
7.3.1 将同一测位各测点声速、波幅和主频值分别按本规程第6.3.1和6.3.2条进行统计和判断。
7.3.2 当测点数无法满足统计法判断时，可将T--R2：的声速、波幅等声学参数与T--R1进行比较，若T--R2的声学参数比T--R1显著低时，则该点可判为异常测点。
7.3.3 当通过结合面的某些测点的数据被判为异常，并查明无其他因素影响时，可判定混凝土结合面在该部位结合不良。
8 表面损伤层检测
8.1 一 般 规 定
8.1.1 本章适用于因冻害、高温或化学腐蚀等引起的混凝土表面损饬层厚度的检测。
8.1. 2 检测表面损伤层厚度时，被测部位和测点的确定应满足下列要求：
1 根据构件的损伤情况和外观质量选取有代表性的部位布置测位；
2 构件被测表面应平整并处于自然干燥状态，且无接缝和饰面层。
8.1. 3 本方法测试结果宜作局部破损验证。
8.2 测试方法
8.2.1 表面损伤层检测宜选用频率较低的厚度振动式换能器。
8.2.2 测试时T换能器应耦合好，并保持不动，然后将R换能器依次耦合在间距为30mm的测点1、2、3…位置上，如图8.2.2所示，读取相应的声时值t1、t2、t3…，并测量每次T、R换能器内边缘之间的距离。每一测位的测点数不得少于6个，当损伤层较厚时，应适当增加测点数。
8.2.3 当构件的损伤层厚度不均匀时，应适当增加测位数量。
图8.2.2 检测损伤层厚度示意图
8.3 数据处理及判断
8.3.1 求损伤和未损伤混凝土的回归直线方程：
用各测点的声时值ti和相应测距值li绘制"时--距"坐标图，如图8.3.1所示。由图可得到声速改变所形成的转折点，该点前、后分别表示损伤和未损伤混凝土的l与t相关直线。用回归分析方法分别求出损伤、未损伤混凝土l与t的回归直线方程：
损伤混凝土 (8.3.1-1)
未损伤混凝土 (8.3.1-2)
8.3.2 损伤层厚度应按下式计算：
(8.3.2-1)
(8.3.2-2)
式中 hf--损伤层厚度(mm)。
9 灌注桩混凝土缺陷检测
9.1 一 般 规 定
9.1.1 本章适用于桩径(或边长)不小于0.6m的灌注桩桩身混凝土缺陷检测。
9.2 埋设超声检测管
9.2.1 根据桩径大小预埋超声检测管(简称声测管)，桩径为0.6～1.Om时宜埋二根管；桩径为1.O～2.5m时宜埋3根管，按等边三角形布置；桩径为2.5m以上时宜埋四根管，按正方形布置，如图9.2.1所示。声测管之间应保持平行。
图9.2.1 声测管埋设示意图
(a)双管；(b)三管；(c)四臂
9.2.2 声测管宜采用钢管，对于桩身长度小于15m的短桩，可用硬质PVC塑料管。管的内径宜为35～50mm，各段声测管宜用外加套管连接并保持通直，管的下端应封闭，上端应加塞子。
9.2.3 声测管的埋设深度应与灌注桩的底部齐平，管的上端应高于桩顶表面300～500mm，同一根桩的声测管外露高度宜相同。