石材質(zhì)量的超聲波檢測(cè)技術(shù)

童壽興,伍根伙

(同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

對(duì)石材質(zhì)量進(jìn)行研究的起因來源于上海博物館的一個(gè)委托檢測(cè)項(xiàng)目。為了對(duì)文物采取保護(hù)措施,要求對(duì)某明代墓前的一塊記事石碑的石材內(nèi)部質(zhì)量以及表面裂縫的深度進(jìn)行無損檢測(cè)和鑒定。超聲波檢測(cè)混凝土缺陷的技術(shù)已日臻完善,目前國內(nèi)對(duì)混凝土缺陷的檢測(cè)都采用標(biāo)準(zhǔn)CECS 21：2000《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[1]。在石材上進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)的工作國內(nèi)開展較少,筆者依據(jù)參考文獻(xiàn)[1],運(yùn)用超聲波檢測(cè)缺陷的聲速異常值判據(jù)以及裂縫深度的計(jì)算公式對(duì)該石碑進(jìn)行了無損檢測(cè)。

1 檢測(cè)對(duì)象

被檢石碑長、寬各約105 cm,高約200 cm,石碑的四面均刻有長篇碑文,系400多年前的歷史文物。該石碑當(dāng)年曾置于亭內(nèi),文革時(shí)遭破壞被推棄于河邊,現(xiàn)經(jīng)吊裝、搬運(yùn)重置于某檔案館內(nèi)保存。因受自然風(fēng)化和人為破壞的影響,現(xiàn)石碑四周的棱邊存在不同程度的勒損和崩裂。石碑四周立面均有大小不等的表觀裂紋,其中有兩條較大且具有典型性：南立面中下半部有一條較長的西高東低裂縫(以下簡(jiǎn)稱1號(hào)斜裂縫);西立面的中部有一條水平裂縫(以下簡(jiǎn)稱2號(hào)水平裂縫)。

2 超聲法檢測(cè)石材缺陷基本原理

超聲脈沖波在檢測(cè)石材內(nèi)部的缺陷界面產(chǎn)生散射和反射,使到達(dá)接收換能器的聲波能量(波幅)顯著降低,可根據(jù)波幅變化的程度判斷缺陷。

超聲脈沖波通過缺陷時(shí),部分聲波會(huì)產(chǎn)生路徑和相位變化,不同路徑或不同相位的聲波疊加后,造成接收信號(hào)波形畸變,可參考畸變波形分析判斷缺陷的性質(zhì)。

超聲脈沖波在檢測(cè)石材中遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生繞射,可根據(jù)聲時(shí)及聲程的變化,判別和計(jì)算缺陷的范圍。

當(dāng)檢測(cè)石材的組成、內(nèi)部質(zhì)量及測(cè)試距離一定時(shí),各測(cè)點(diǎn)超聲傳播速度、首波幅度等聲學(xué)參數(shù)一般無明顯差異。如果某部分檢測(cè)石材中存在裂紋或損傷等缺陷,破壞了石材的整體性,通過該處的超聲波與無缺陷處相比較,聲時(shí)明顯偏長,波幅和頻率明顯降低。根據(jù)這一基本原理,對(duì)相同條件下的檢測(cè)石材進(jìn)行聲速、波幅測(cè)量值的相對(duì)比較,從而可判斷其缺陷情況。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)設(shè)備采用ZBL-U510非金屬超聲檢測(cè)儀。

3.2 檢測(cè)方案

3.2.1 石碑青石材內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)

在石碑的南、北對(duì)稱兩側(cè)立面,水平及垂直方向各間隔15 cm(水平布線11條,垂直布線7條)呈網(wǎng)格狀組成檢測(cè)區(qū)域及測(cè)點(diǎn),采用水平對(duì)測(cè)法逐點(diǎn)進(jìn)行超聲波檢測(cè)。異常數(shù)據(jù)判斷值X0的計(jì)算公式為：

3.2.2 石碑表觀裂縫深度的檢測(cè)

對(duì)南立面中下半部的1號(hào)斜裂縫以及西立面中部的2號(hào)水平裂縫,參照CECS 21：2000標(biāo)準(zhǔn),單面平測(cè)法檢測(cè)裂縫深度的計(jì)算公式為：

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理

4.1 石碑青石材內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)

在南、北對(duì)稱相對(duì)兩個(gè)側(cè)面以15 cm見方網(wǎng)格普測(cè),共布置超聲測(cè)點(diǎn)77對(duì)。檢測(cè)得到77對(duì)聲測(cè)點(diǎn)的λ1=2.225,平均聲速mv=6.098 km/s、聲速標(biāo)準(zhǔn)差Sv=0.157 8 km/s、異常數(shù)據(jù)判斷值X0=5.75 km/s,最小聲速vmin=5.770 km/s,小于X0聲速值的測(cè)點(diǎn)數(shù)為0。

測(cè)點(diǎn)中沒有聲速數(shù)據(jù)小于異常數(shù)據(jù)判斷值X0的測(cè)點(diǎn),參照CECS 21：2000規(guī)程,可判定石碑檢測(cè)部位的青石材內(nèi)部質(zhì)量正常,無結(jié)構(gòu)破壞性缺陷。

在超聲法檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的歷史研究過程中,曾經(jīng)采用2倍或 3倍標(biāo)準(zhǔn)差的指標(biāo)評(píng)判其質(zhì)量[2]。一般而言,mv-2Sv的小概率為2.27%,mv-3Sv的小概率為0.13%。如采用mv-3Sv的小概率判斷混凝土內(nèi)部是否有缺陷,判準(zhǔn)率比mv-2Sv高,即不會(huì)錯(cuò)判,但有可能承擔(dān)缺陷被漏判的風(fēng)險(xiǎn)。被檢石碑曾遭自然風(fēng)化和搬運(yùn)等人為破壞的影響,四周的棱邊存在不同程度的勒損和崩裂,表觀裂紋明顯可見,但參照CECS 21：2000規(guī)程,采用異常數(shù)據(jù)判斷值X0=mv-λ1×Sv計(jì)算公式來評(píng)判卻未能發(fā)現(xiàn)缺陷。

在材料存在缺陷的場(chǎng)合,其聲速波動(dòng)的離散性隨缺陷的嚴(yán)重程度而變大,即標(biāo)準(zhǔn)差偏大,用3倍或由測(cè)點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的λ1倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為判據(jù)的X0值較小,亦有可能存在缺陷被漏判的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于檢測(cè)要求高的如勻質(zhì)石材質(zhì)量的超聲波檢測(cè),可用聲速平均值減1倍標(biāo)準(zhǔn)差mv-Sv的值X01作為判據(jù)。由檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得X01=mv-Sv=5.94 km/s,考查77對(duì)超聲測(cè)點(diǎn)中,有12對(duì)數(shù)值小于X01。即有12對(duì)異常數(shù)值的可疑缺陷測(cè)點(diǎn),這些測(cè)點(diǎn)主要分布于石碑南立面的東側(cè)以及1號(hào)斜裂縫的附近,這和石碑的外觀表層勒損等情況相符。如采用1倍標(biāo)準(zhǔn)差作為判據(jù),即缺陷不會(huì)漏判,但存有被錯(cuò)判的可能,結(jié)合檢測(cè)部位的77對(duì)測(cè)點(diǎn)超聲波波形正常、無嚴(yán)重畸變,首波幅度較高,最終綜合判定12對(duì)低數(shù)值測(cè)點(diǎn)部位屬表層缺損,石碑青石材的內(nèi)部質(zhì)量為正常。

4.2 石碑表觀裂縫深度的檢測(cè)

4.2.1 單面平測(cè)法檢測(cè)

參照CECS 21：2000規(guī)程,布置跨縫、不跨縫超聲測(cè)點(diǎn),代入hci的公式計(jì)算裂縫深度,得兩條較大且具有典型性的表觀裂縫為：南立面下半部1號(hào)斜裂縫的深度為69 mm,西立面中部2號(hào)水平裂裂紋的深度為40 mm。

4.2.2 首波相位的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

在檢測(cè)混凝土裂縫深度時(shí),常有當(dāng)兩換能器的跨縫間距大于2倍裂縫深度時(shí),超聲接收波的首波為向下的負(fù)波,此時(shí)換能器相近移動(dòng),改變兩換能器的跨縫間距至不足2倍裂縫深度時(shí),首波反轉(zhuǎn)向上為正波[3]。該規(guī)律在石碑上同樣呈現(xiàn),而且在勻質(zhì)石材上的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象比在混凝土中更明確。這對(duì)佐證以公式計(jì)算得到的裂縫深度有良好的輔助作用,而且在實(shí)際工程檢測(cè)時(shí),對(duì)裂縫深度的信息來源比裂縫深度計(jì)算公式得到的結(jié)果更早更直觀,有利于在工程檢測(cè)中及時(shí)調(diào)整換能器的布置位置。

4.3 對(duì)測(cè)聲速與平測(cè)聲速的相關(guān)關(guān)系

檢測(cè)裂縫深度時(shí),參照CECS 21：2000規(guī)程,需以平測(cè)法檢測(cè)不跨縫的聲速。石碑超聲平測(cè)的聲程-聲時(shí)回歸聲速v平測(cè)=5.870 km/s,77對(duì)超聲對(duì)測(cè)平均聲速v對(duì)測(cè) =6.098 km/s,則v對(duì)測(cè)與v平測(cè)的比值為1.04,這與在混凝土中的檢測(cè)結(jié)果相當(dāng)[4]。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)混凝土非均質(zhì)材料的超聲檢測(cè)技術(shù)完全適用于在石材上的無損試驗(yàn)。

(2)對(duì)于檢測(cè)要求高的如均質(zhì)石材內(nèi)部質(zhì)量的判據(jù),采用統(tǒng)計(jì)方法檢測(cè)石碑的均勻性,判斷石碑的缺陷,應(yīng)比混凝土更嚴(yán)格些。為避免缺陷可能被漏判,建議異常值的判據(jù)可提高至用聲速平均值減一倍標(biāo)準(zhǔn)差X01=mv-Sv的臨界值來評(píng)判。

(3)當(dāng)兩換能器的跨縫間距在2倍裂縫深度左右時(shí),首波相位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象：大于2倍裂縫深度時(shí)首波向下為負(fù)波;2倍裂縫深度以內(nèi)時(shí)反轉(zhuǎn)向上為正波。勻質(zhì)石材上的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象比混凝土更明顯。

(4)勻質(zhì)石材上的對(duì)測(cè)聲速比平測(cè)聲速高,其比值約為1.04,與混凝土的檢測(cè)結(jié)果相當(dāng)。

[1]CECS 21—2000 超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[S].

[2]李為杜.混凝土無損檢測(cè)技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1989：62-63.

[3]林維正.土木工程質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2008：142-144.

[4]童壽興,王征,商濤平.混凝土強(qiáng)度超聲波平測(cè)法檢測(cè)技術(shù)[J].無損檢測(cè),2004,26(1)：24-27.