石材質量的超聲波檢測技術

童壽興,伍根伙

(同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室,上海 200092)

對石材質量進行研究的起因來源于上海博物館的一個委托檢測項目。為了對文物采取保護措施,要求對某明代墓前的一塊記事石碑的石材內部質量以及表面裂縫的深度進行無損檢測和鑒定。超聲波檢測混凝土缺陷的技術已日臻完善,目前國內對混凝土缺陷的檢測都采用標準CECS 21：2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》[1]。在石材上進行超聲波無損檢測的工作國內開展較少,筆者依據參考文獻[1],運用超聲波檢測缺陷的聲速異常值判據以及裂縫深度的計算公式對該石碑進行了無損檢測。

1 檢測對象

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。該石碑當年曾置于亭內,文革時遭破壞被推棄于河邊,現經吊裝、搬運重置于某檔案館內保存。因受自然風化和人為破壞的影響,現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(以下簡稱1號斜裂縫);西立面的中部有一條水平裂縫(以下簡稱2號水平裂縫)。

2 超聲法檢測石材缺陷基本原理

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

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

超聲脈沖波在檢測石材中遇到缺陷時產生繞射,可根據聲時及聲程的變化,判別和計算缺陷的范圍。

當檢測石材的組成、內部質量及測試距離一定時,各測點超聲傳播速度、首波幅度等聲學參數一般無明顯差異。如果某部分檢測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,聲時明顯偏長,波幅和頻率明顯降低。根據這一基本原理,對相同條件下的檢測石材進行聲速、波幅測量值的相對比較,從而可判斷其缺陷情況。

3 現場檢測

3.1 檢測設備

檢測設備采用ZBL-U510非金屬超聲檢測儀。

3.2 檢測方案

3.2.1 石碑青石材內部質量的檢測

在石碑的南、北對稱兩側立面,水平及垂直方向各間隔15 cm(水平布線11條,垂直布線7條)呈網格狀組成檢測區域及測點,采用水平對測法逐點進行超聲波檢測。異常數據判斷值X0的計算公式為：

3.2.2 石碑表觀裂縫深度的檢測

對南立面中下半部的1號斜裂縫以及西立面中部的2號水平裂縫,參照CECS 21：2000標準,單面平測法檢測裂縫深度的計算公式為：

4 檢測數據的處理

4.1 石碑青石材內部質量的檢測

在南、北對稱相對兩個側面以15 cm見方網格普測,共布置超聲測點77對。檢測得到77對聲測點的λ1=2.225,平均聲速mv=6.098 km/s、聲速標準差Sv=0.157 8 km/s、異常數據判斷值X0=5.75 km/s,最小聲速vmin=5.770 km/s,小于X0聲速值的測點數為0。

測點中沒有聲速數據小于異常數據判斷值X0的測點,參照CECS 21：2000規程,可判定石碑檢測部位的青石材內部質量正常,無結構破壞性缺陷。

在超聲法檢測混凝土內部缺陷的歷史研究過程中,曾經采用2倍或 3倍標準差的指標評判其質量[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部是否有缺陷,判準率比mv-2Sv高,即不會錯判,但有可能承擔缺陷被漏判的風險。被檢石碑曾遭自然風化和搬運等人為破壞的影響,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規程,采用異常數據判斷值X0=mv-λ1×Sv計算公式來評判卻未能發現缺陷。

在材料存在缺陷的場合,其聲速波動的離散性隨缺陷的嚴重程度而變大,即標準差偏大,用3倍或由測點數對應的λ1倍的標準差作為判據的X0值較小,亦有可能存在缺陷被漏判的風險。對于檢測要求高的如勻質石材質量的超聲波檢測,可用聲速平均值減1倍標準差mv-Sv的值X01作為判據。由檢測數據計算得X01=mv-Sv=5.94 km/s,考查77對超聲測點中,有12對數值小于X01。即有12對異常數值的可疑缺陷測點,這些測點主要分布于石碑南立面的東側以及1號斜裂縫的附近,這和石碑的外觀表層勒損等情況相符。如采用1倍標準差作為判據,即缺陷不會漏判,但存有被錯判的可能,結合檢測部位的77對測點超聲波波形正常、無嚴重畸變,首波幅度較高,最終綜合判定12對低數值測點部位屬表層缺損,石碑青石材的內部質量為正常。

4.2 石碑表觀裂縫深度的檢測

4.2.1 單面平測法檢測

參照CECS 21：2000規程,布置跨縫、不跨縫超聲測點,代入hci的公式計算裂縫深度,得兩條較大且具有典型性的表觀裂縫為：南立面下半部1號斜裂縫的深度為69 mm,西立面中部2號水平裂裂紋的深度為40 mm。

4.2.2 首波相位的反轉現象

在檢測混凝土裂縫深度時,常有當兩換能器的跨縫間距大于2倍裂縫深度時,超聲接收波的首波為向下的負波,此時換能器相近移動,改變兩換能器的跨縫間距至不足2倍裂縫深度時,首波反轉向上為正波[3]。該規律在石碑上同樣呈現,而且在勻質石材上的反轉現象比在混凝土中更明確。這對佐證以公式計算得到的裂縫深度有良好的輔助作用,而且在實際工程檢測時,對裂縫深度的信息來源比裂縫深度計算公式得到的結果更早更直觀,有利于在工程檢測中及時調整換能器的布置位置。

4.3 對測聲速與平測聲速的相關關系

檢測裂縫深度時,參照CECS 21：2000規程,需以平測法檢測不跨縫的聲速。石碑超聲平測的聲程-聲時回歸聲速v平測=5.870 km/s,77對超聲對測平均聲速v對測 =6.098 km/s,則v對測與v平測的比值為1.04,這與在混凝土中的檢測結果相當[4]。

5 結論

(1)針對混凝土非均質材料的超聲檢測技術完全適用于在石材上的無損試驗。

(2)對于檢測要求高的如均質石材內部質量的判據,采用統計方法檢測石碑的均勻性,判斷石碑的缺陷,應比混凝土更嚴格些。為避免缺陷可能被漏判,建議異常值的判據可提高至用聲速平均值減一倍標準差X01=mv-Sv的臨界值來評判。

(3)當兩換能器的跨縫間距在2倍裂縫深度左右時,首波相位會發生反轉現象：大于2倍裂縫深度時首波向下為負波;2倍裂縫深度以內時反轉向上為正波。勻質石材上的反轉現象比混凝土更明顯。

(4)勻質石材上的對測聲速比平測聲速高,其比值約為1.04,與混凝土的檢測結果相當。

[1]CECS 21—2000 超聲法檢測混凝土缺陷技術規程[S].

[2]李為杜.混凝土無損檢測技術[M].上海：同濟大學出版社,1989：62-63.

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

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