水泥混凝土路面厚度、強(qiáng)度超聲檢測(cè)方法(共7頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上水泥混凝土路面厚度、強(qiáng)度超聲檢測(cè)方法薛予生（河南許昌市交通局質(zhì)監(jiān)站 ）摘 要：研究了水泥混凝土路面厚度和強(qiáng)度超聲檢測(cè)中的信號(hào)處理方法，設(shè)計(jì)了寬帶換能器，提出了水藕合法和聲時(shí)綜合處理法，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可明顯提高檢測(cè)效率，厚度測(cè)量精度憂(yōu)于5，強(qiáng)度測(cè)量精度優(yōu)于7%。關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面；厚度；強(qiáng)度；超聲檢測(cè)；信號(hào)處理路面是公路工程的重要組成部分之一，它直接承受和傳遞行駛車(chē)輛的荷載作用，并保護(hù)路基免受各種自然因素的侵襲。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)水泥混凝土路面以前所未有的速度快速發(fā)展。目前，我國(guó)已經(jīng)成為當(dāng)今世界上擁有水泥混凝土路面里程最多的國(guó)家之一，水泥混凝土路

2、面每年在建規(guī)模超過(guò)25 000km。根據(jù)我國(guó)特重交通量與超重軸載的運(yùn)營(yíng)和路面的早期破損等情況，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D402002)提出我國(guó)一般水泥混凝土路面最薄設(shè)計(jì)厚度200mm，高速公路水泥混凝土路面最薄設(shè)計(jì)厚度260mm公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F302003)按可靠度理論提高了水泥混凝土路面施工對(duì)配制彎拉強(qiáng)度的要求，希望能夠達(dá)到有效遏制特重交通量與超重軸載下的早期快速破損問(wèn)題。 目前我國(guó)對(duì)水泥混凝土路面強(qiáng)度、厚度的檢測(cè)廣泛采用鉆孔取芯的方式，這種傳統(tǒng)的破損檢測(cè)方法費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、成本高、抽樣率低，而且取樣后還要修補(bǔ)路面，對(duì)路面的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)都有所影響，這與優(yōu)質(zhì)高

3、效修建公路的要求是不相適應(yīng)的。雖然超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)早已應(yīng)用于混凝土橋梁的質(zhì)量檢測(cè)中，然而，在水泥混凝土路面檢測(cè)中，由于只能運(yùn)用超聲反射法，信號(hào)中表面波、橫波、反射波疊加在一起，無(wú)法準(zhǔn)確確定反射聲時(shí)，因此，水泥混凝土路面厚度超聲檢測(cè)一直是一個(gè)國(guó)際難題。本文從寬帶環(huán)能器入手，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字處理方法，給出了有效的超聲反射信號(hào)的初至識(shí)別方法，提高了水泥混凝土路面厚度的測(cè)量精度。1 系統(tǒng)組成水泥混凝土路面厚度超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要有硬件部分和檢測(cè)軟件兩部分組成。其中硬件部分包括電源部分、換能器部分、同步震蕩部分、同步接收部分、AD采集部分、計(jì)算機(jī)控制部分。如圖1所示。 在超聲波檢測(cè)過(guò)程中，超聲換能器發(fā)射控制

4、電路主要是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寬度的高壓脈沖，使換能器產(chǎn)生超聲波，高壓脈沖的幅值和寬度直接決定了超聲信號(hào)的能量和寬度。 在測(cè)量過(guò)程中如果高壓脈沖信號(hào)寬度太窄，電壓較低，通過(guò)換能器將得不到穩(wěn)定的超聲脈沖，如果信號(hào)太寬，或電壓太高，將使超聲信號(hào)余震很長(zhǎng)，影響使用精度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的情況選用不同的激發(fā)電壓和脈寬。 為了得到穩(wěn)定的信號(hào)，還要求發(fā)射電路具有較高的重復(fù)性和精度。設(shè)計(jì)中我們應(yīng)用了自行設(shè)計(jì)制作的升壓電路以獲得穩(wěn)定的脈寬和高壓電平。 接受電路是信號(hào)處理的最前端，信號(hào)的頻響寬度、信噪比、分辨率都由它決定。選擇合適的接受器是采集電路最關(guān)鍵的一步。頻響范圍太大，勢(shì)必增加成本，或以損失其他方面做代價(jià)；頻

5、響范圍太小，將引起信號(hào)畸變，嚴(yán)重影響信號(hào)的判讀。為了和發(fā)射換能器的頻率響應(yīng)范圍一致，我們采用了配對(duì)換能器，每個(gè)換能器不但可作為發(fā)射器，也可作為接受器，性能基本一致。 由于不同配合比的水泥混凝土特性差別很大，接受換能器收到的信號(hào)幅值也差別很大，因此，采集電路的放大倍數(shù)必須設(shè)置成可調(diào)。 濾波電路也是接受電路的重要組成部分，合理地設(shè)計(jì)濾波電路特性可顯著提高信號(hào)的信噪比。 AD轉(zhuǎn)換電路是采集電路的核心，也是和計(jì)算機(jī)的接口電路，它的采樣頻率和采樣位數(shù)直接決定了數(shù)據(jù)處理的頻率和精度。我們?cè)诖诉x用了10M、10位的高速AD轉(zhuǎn)換器件。 發(fā)射電路基本由穩(wěn)壓電路、升壓電路和觸發(fā)電路組成。接受電路基本由放大電路、濾

6、波電路、采樣電路、保持電路、AD轉(zhuǎn)換電路和接口電路組成。2解決的關(guān)鍵技術(shù)21 寬帶超聲換能器的設(shè)計(jì) 目前，普通的超聲換能器普遍存在余震長(zhǎng)的問(wèn)題，該問(wèn)題在超聲透射檢測(cè)時(shí)，由于橫波速度慢，縱波最先到達(dá)，余震對(duì)測(cè)量縱波初至?xí)r間影響不大。但在混凝土路面厚度測(cè)量時(shí)，由于只能在路表面同時(shí)設(shè)置發(fā)射換能器和接受換能器，故該法被稱(chēng)為反射法測(cè)量。反射法測(cè)厚的原理如圖2所示，透射法測(cè)量的原理如圖3所示。 理想的反射法測(cè)量信號(hào)如圖4所示，在圖4中直達(dá)波由于距離短最先到達(dá)，間隔一定時(shí)間后，反射縱波達(dá)到，反射縱波的到達(dá)時(shí)間即為我們要求的反射時(shí)間t，依據(jù)公式(1)，就可求得路面的厚度。 (1) 式中：V為超聲波在被測(cè)混凝土

7、中的傳播速度；L為發(fā)射換能器和接受換能器之間的距離，根據(jù)反射波到達(dá)時(shí)間，即可求得道路厚度。寬頻帶換能器的概念很早就被人們提出來(lái)，它主要指換能器在較寬的頻率范圍內(nèi)，具有較平的幅度響應(yīng)及線(xiàn)性相位響應(yīng)，便于傳送窄脈沖信號(hào)，因而有著較高的時(shí)域分辨率。主要用于解決現(xiàn)有換能器余震長(zhǎng)，難于辨識(shí)反射波初至的問(wèn)題。為了提高靈敏度，改善寬帶特性，我們通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬得到最佳匹配參數(shù)，并在設(shè)計(jì)時(shí)依次進(jìn)行修正，經(jīng)過(guò)壓制余震設(shè)計(jì)的超聲換能器對(duì)零信號(hào)波形如圖5所示。由圖5可以看出，新型的寬帶換能器基本上只有一個(gè)主波，余波也只有一個(gè)，這是目前國(guó)內(nèi)傳感器難以達(dá)到的，基本解決了常用換能器余震長(zhǎng)的難題。為混凝土厚度檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

8、2.2 水耦合方法的研究由于超聲信號(hào)在空氣中的傳播速度只有346 ms，在水泥混凝土中傳播速度為 4 000ms，相差10倍，因此，必須解決好換能器和水泥混凝土路面的耦合問(wèn)題，否則嚴(yán)重影響厚度的檢測(cè)結(jié)果。反射波到時(shí)的準(zhǔn)確拾取一直是測(cè)厚測(cè)試分析中的難點(diǎn)問(wèn)題。通常采用的耦合劑有黃油和凡士林。但黃油和凡士林耦合法并不能增加反射信號(hào)的信噪比。在本次研究中采用了水耦合法，原理圖如圖6所示。水耦合法能夠有效地壓制面波對(duì)反射波的影響，同時(shí)，由于波在水和水泥混凝土中的傳播速度差異大，反射波到水中時(shí)，近垂直入射到換能器上，使換能器接收到比較強(qiáng)的垂直分量，橫波的干擾受到壓制，大大加強(qiáng)了測(cè)試效果。但是要真正做到水耦

9、合發(fā)射，必須將換能器懸空，同時(shí)由于水中聲速較慢，還要保證每次換能器的高度不變，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了特定的固定架水耦合方法的實(shí)施。2.3 聲時(shí)測(cè)定方法研究水泥混凝土路面強(qiáng)度和厚度的檢測(cè)，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確識(shí)別反射波。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和研究，我們采用了下列多種識(shí)別反射波的有效方法。(1)首先，路面的設(shè)計(jì)厚度一般是預(yù)先可估計(jì)的(在一定范圍內(nèi))，由于路面直達(dá)波速容易測(cè)出，若用其代替路面層反射波速度，則可根據(jù)反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，用正演的方法，求出路面層反射波理論到時(shí)。然后在波形圖上反射波理論到時(shí)附近的一段范圍內(nèi)，尋找真正的反射波起跳點(diǎn)，尋找范圍可大大縮小。例如，在試驗(yàn)中，已知混凝土試件厚度26.5cm，測(cè)出直達(dá)縱波速

10、度為4 300ms，將其視為反射縱波速度，在發(fā)射、接收距離為40 cm時(shí)，可求出反射縱波的理論到時(shí)為154s；假定路面厚度誤差為10cm，則可求得相應(yīng)的反射縱波理論到時(shí)分別為121s和194s。這樣，就可將尋找反射波的范圍限定在121 Ps到194Ps之間。(2)運(yùn)用頻譜分析的方法，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波。(3)其次，采用等間隔多次接受，由于相鄰2次接受位置相近，接收的兩道信號(hào)，波形有一定相似性，且同一震相起跳拐點(diǎn)的到時(shí)值相近，而隨機(jī)干擾形成的拐點(diǎn)則一般不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，可予以排除。通過(guò)互相關(guān)的方法，可以確定反射拐點(diǎn)。(4)小波分析使我們能夠?qū)⒁粋€(gè)信號(hào)分解成對(duì)時(shí)域(空間)和尺度的貢獻(xiàn)，在這種意義下小波

11、分析又可稱(chēng)為多分辨力分析，我們?cè)诖诉\(yùn)用小波分析的方法，確定反射波和面波疊加的起始位置。最后通過(guò)綜合分析，得到反射波的起始位置。2、4多參數(shù)回歸抗折強(qiáng)度的研究（1）聲速推定混凝土強(qiáng)度超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的基本依據(jù)就是聲速值和混凝土的彈性性質(zhì)有關(guān)，彈性模量越高，聲速值越高。因此，不同的混凝土，聲速值不同。根據(jù)測(cè)得的不同的聲速值，便可以推斷混凝土的強(qiáng)度。荷蘭及羅馬尼亞采用，我國(guó)采用的聲速和強(qiáng)度之間的換算公式為和兩種非線(xiàn)性的數(shù)學(xué)公式，A和B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。（2）回彈法推斷混凝土強(qiáng)度 可參照交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程(JTJ 059-95)中回彈儀檢測(cè)水泥混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)方法（T0954-95）中

12、的有關(guān)規(guī)定。通常回彈法和混凝土的抗折強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系不太理想。但和超聲聲速綜合應(yīng)用時(shí)，可補(bǔ)償濕度的影響。(3)主頻頻率和幅值混凝土路面強(qiáng)度不一樣，其對(duì)超聲波的吸收頻率成分也不一樣，強(qiáng)度越低，混凝土內(nèi)部對(duì)超聲波中的高頻成分吸收越厲害，反射波的主頻越低；反之，強(qiáng)度越高，混凝土反射波的主頻也越高，因此，可采用多參量回歸混凝土的抗折強(qiáng)度f(wàn)=g(v,N，f0)v超聲聲速N回彈值f0頻譜主頻3 試驗(yàn)結(jié)果我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的配比，通過(guò)調(diào)整砂率和水灰比，共設(shè)計(jì)了5種厚度，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。表1 試驗(yàn)室混凝土試件厚度檢測(cè)結(jié)果試件編號(hào)實(shí)際厚度cm聲速ms反射聲時(shí)s檢測(cè)厚度cm相對(duì)誤差1154 24073.32

13、15.120.82204 15098.2019.960.23254 310119.0325.220.94304 180148.3330.581.25404 320190.0440.61.5我們又在河南省許昌市S237省道上，共選擇測(cè)試了10個(gè)斷面進(jìn)行檢測(cè)并和鉆孔取芯法對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。4 結(jié)論 由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)可知，多功能水泥混凝土路面檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)厚度的誤差最大不超過(guò)3，由S237水泥混凝土路面超聲檢測(cè)結(jié)果可以看出，水泥混凝土路面檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)厚最大誤差不大于4，測(cè)強(qiáng)度最大誤差不大于7，檢測(cè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，通常需要3min時(shí)間，同取芯法相比，測(cè)試效率提高了很多。同時(shí)，由于取芯法破壞路面，修補(bǔ)不好，容

14、易造成壞板，測(cè)點(diǎn)之間要間隔一定距離等，超聲無(wú)損厚度檢測(cè)必將代替取芯法。表2 S237水泥混凝土路面超聲檢測(cè)和取芯對(duì)比路段樁位混凝土厚度混凝土抗折強(qiáng)度取芯/cm測(cè)量/cm誤差/取芯/MPa測(cè)量/MPa誤差/% S237K0+42026.327.13.25.125.313.8S237K0+44025.124.8-1.34.825.157.0S237K0+46023.624.53.85.325.493.2S237K0+48026.225.2-4.05.675.934.6S237KO+50026.527.43.35.825.62-3.4S237K0+52026.225.5-2.86.055.86-3.1S237K0+54023.524.43.94.985.235.2S237KO+56025.225.82.45.575.37-3.6S237K0+58026.425.4-3.76.136.06-1.1S237K0+60025.726.32.26.726.26-6.8參考文獻(xiàn):1 博竹武，混凝土路面強(qiáng)度與厚度無(wú)損檢測(cè)的超聲模擬J.云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，22(工程檢測(cè)專(zhuān)輯)2 程朝霞超聲波法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展J華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版)，2003，(4)3 濮存亭國(guó)內(nèi)外砼超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景J市政工程，2001.(3)4 余紅發(fā)混凝土非破損測(cè)強(qiáng)技術(shù)研究M中