石材质量的超声波检测技术

童寿兴,伍根伙

(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 200092)

对石材质量进行研究的起因来源于上海博物馆的一个委托检测项目。为了对文物采取保护措施,要求对某明代墓前的一块记事石碑的石材内部质量以及表面裂缝的深度进行无损检测和鉴定。超声波检测混凝土缺陷的技术已日臻完善,目前国内对混凝土缺陷的检测都采用标准CECS 21：2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[1]。在石材上进行超声波无损检测的工作国内开展较少,笔者依据参考文献[1],运用超声波检测缺陷的声速异常值判据以及裂缝深度的计算公式对该石碑进行了无损检测。

1 检测对象

被检石碑长、宽各约105 cm,高约200 cm,石碑的四面均刻有长篇碑文,系400多年前的历史文物。该石碑当年曾置于亭内,文革时遭破坏被推弃于河边,现经吊装、搬运重置于某档案馆内保存。因受自然风化和人为破坏的影响,现石碑四周的棱边存在不同程度的勒损和崩裂。石碑四周立面均有大小不等的表观裂纹,其中有两条较大且具有典型性：南立面中下半部有一条较长的西高东低裂缝(以下简称1号斜裂缝);西立面的中部有一条水平裂缝(以下简称2号水平裂缝)。

2 超声法检测石材缺陷基本原理

超声脉冲波在检测石材内部的缺陷界面产生散射和反射,使到达接收换能器的声波能量(波幅)显著降低,可根据波幅变化的程度判断缺陷。

超声脉冲波通过缺陷时,部分声波会产生路径和相位变化,不同路径或不同相位的声波叠加后,造成接收信号波形畸变,可参考畸变波形分析判断缺陷的性质。

超声脉冲波在检测石材中遇到缺陷时产生绕射,可根据声时及声程的变化,判别和计算缺陷的范围。

当检测石材的组成、内部质量及测试距离一定时,各测点超声传播速度、首波幅度等声学参数一般无明显差异。如果某部分检测石材中存在裂纹或损伤等缺陷,破坏了石材的整体性,通过该处的超声波与无缺陷处相比较,声时明显偏长,波幅和频率明显降低。根据这一基本原理,对相同条件下的检测石材进行声速、波幅测量值的相对比较,从而可判断其缺陷情况。

3 现场检测

3.1 检测设备

检测设备采用ZBL-U510非金属超声检测仪。

3.2 检测方案

3.2.1 石碑青石材内部质量的检测

在石碑的南、北对称两侧立面,水平及垂直方向各间隔15 cm(水平布线11条,垂直布线7条)呈网格状组成检测区域及测点,采用水平对测法逐点进行超声波检测。异常数据判断值X0的计算公式为：

3.2.2 石碑表观裂缝深度的检测

对南立面中下半部的1号斜裂缝以及西立面中部的2号水平裂缝,参照CECS 21：2000标准,单面平测法检测裂缝深度的计算公式为：

4 检测数据的处理

4.1 石碑青石材内部质量的检测

在南、北对称相对两个侧面以15 cm见方网格普测,共布置超声测点77对。检测得到77对声测点的λ1=2.225,平均声速mv=6.098 km/s、声速标准差Sv=0.157 8 km/s、异常数据判断值X0=5.75 km/s,最小声速vmin=5.770 km/s,小于X0声速值的测点数为0。

测点中没有声速数据小于异常数据判断值X0的测点,参照CECS 21：2000规程,可判定石碑检测部位的青石材内部质量正常,无结构破坏性缺陷。

在超声法检测混凝土内部缺陷的历史研究过程中,曾经采用2倍或 3倍标准差的指标评判其质量[2]。一般而言,mv-2Sv的小概率为2.27%,mv-3Sv的小概率为0.13%。如采用mv-3Sv的小概率判断混凝土内部是否有缺陷,判准率比mv-2Sv高,即不会错判,但有可能承担缺陷被漏判的风险。被检石碑曾遭自然风化和搬运等人为破坏的影响,四周的棱边存在不同程度的勒损和崩裂,表观裂纹明显可见,但参照CECS 21：2000规程,采用异常数据判断值X0=mv-λ1×Sv计算公式来评判却未能发现缺陷。

在材料存在缺陷的场合,其声速波动的离散性随缺陷的严重程度而变大,即标准差偏大,用3倍或由测点数对应的λ1倍的标准差作为判据的X0值较小,亦有可能存在缺陷被漏判的风险。对于检测要求高的如匀质石材质量的超声波检测,可用声速平均值减1倍标准差mv-Sv的值X01作为判据。由检测数据计算得X01=mv-Sv=5.94 km/s,考查77对超声测点中,有12对数值小于X01。即有12对异常数值的可疑缺陷测点,这些测点主要分布于石碑南立面的东侧以及1号斜裂缝的附近,这和石碑的外观表层勒损等情况相符。如采用1倍标准差作为判据,即缺陷不会漏判,但存有被错判的可能,结合检测部位的77对测点超声波波形正常、无严重畸变,首波幅度较高,最终综合判定12对低数值测点部位属表层缺损,石碑青石材的内部质量为正常。

4.2 石碑表观裂缝深度的检测

4.2.1 单面平测法检测

参照CECS 21：2000规程,布置跨缝、不跨缝超声测点,代入hci的公式计算裂缝深度,得两条较大且具有典型性的表观裂缝为：南立面下半部1号斜裂缝的深度为69 mm,西立面中部2号水平裂裂纹的深度为40 mm。

4.2.2 首波相位的反转现象

在检测混凝土裂缝深度时,常有当两换能器的跨缝间距大于2倍裂缝深度时,超声接收波的首波为向下的负波,此时换能器相近移动,改变两换能器的跨缝间距至不足2倍裂缝深度时,首波反转向上为正波[3]。该规律在石碑上同样呈现,而且在匀质石材上的反转现象比在混凝土中更明确。这对佐证以公式计算得到的裂缝深度有良好的辅助作用,而且在实际工程检测时,对裂缝深度的信息来源比裂缝深度计算公式得到的结果更早更直观,有利于在工程检测中及时调整换能器的布置位置。

4.3 对测声速与平测声速的相关关系

检测裂缝深度时,参照CECS 21：2000规程,需以平测法检测不跨缝的声速。石碑超声平测的声程-声时回归声速v平测=5.870 km/s,77对超声对测平均声速v对测 =6.098 km/s,则v对测与v平测的比值为1.04,这与在混凝土中的检测结果相当[4]。

5 结论

(1)针对混凝土非均质材料的超声检测技术完全适用于在石材上的无损试验。

(2)对于检测要求高的如均质石材内部质量的判据,采用统计方法检测石碑的均匀性,判断石碑的缺陷,应比混凝土更严格些。为避免缺陷可能被漏判,建议异常值的判据可提高至用声速平均值减一倍标准差X01=mv-Sv的临界值来评判。

(3)当两换能器的跨缝间距在2倍裂缝深度左右时,首波相位会发生反转现象：大于2倍裂缝深度时首波向下为负波;2倍裂缝深度以内时反转向上为正波。匀质石材上的反转现象比混凝土更明显。

(4)匀质石材上的对测声速比平测声速高,其比值约为1.04,与混凝土的检测结果相当。

[1]CECS 21—2000 超声法检测混凝土缺陷技术规程[S].

[2]李为杜.混凝土无损检测技术[M].上海：同济大学出版社,1989：62-63.

[3]林维正.土木工程质量无损检测技术[M].北京：中国电力出版社,2008：142-144.

[4]童寿兴,王征,商涛平.混凝土强度超声波平测法检测技术[J].无损检测,2004,26(1)：24-27.