水泥混凝土路面厚度、強度超聲檢測方法(共7頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上水泥混凝土路面厚度、強度超聲檢測方法薛予生（河南許昌市交通局質監(jiān)站 ）摘 要：研究了水泥混凝土路面厚度和強度超聲檢測中的信號處理方法，設計了寬帶換能器，提出了水藕合法和聲時綜合處理法，現(xiàn)場檢測實驗證明，該系統(tǒng)可明顯提高檢測效率，厚度測量精度憂于5，強度測量精度優(yōu)于7%。關鍵詞：水泥混凝土路面；厚度；強度；超聲檢測；信號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輛的荷載作用，并保護路基免受各種自然因素的侵襲。自20世紀90年代以來，我國水泥混凝土路面以前所未有的速度快速發(fā)展。目前，我國已經(jīng)成為當今世界上擁有水泥混凝土路面里程最多的國家之一，水泥混凝土路

2、面每年在建規(guī)模超過25 000km。根據(jù)我國特重交通量與超重軸載的運營和路面的早期破損等情況，公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)提出我國一般水泥混凝土路面最薄設計厚度200mm，高速公路水泥混凝土路面最薄設計厚度260mm公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范(JTG F302003)按可靠度理論提高了水泥混凝土路面施工對配制彎拉強度的要求，希望能夠達到有效遏制特重交通量與超重軸載下的早期快速破損問題。 目前我國對水泥混凝土路面強度、厚度的檢測廣泛采用鉆孔取芯的方式，這種傳統(tǒng)的破損檢測方法費工、費時、成本高、抽樣率低，而且取樣后還要修補路面，對路面的各項質量指標都有所影響，這與優(yōu)質高

3、效修建公路的要求是不相適應的。雖然超聲波無損檢測技術早已應用于混凝土橋梁的質量檢測中，然而，在水泥混凝土路面檢測中，由于只能運用超聲反射法，信號中表面波、橫波、反射波疊加在一起，無法準確確定反射聲時，因此，水泥混凝土路面厚度超聲檢測一直是一個國際難題。本文從寬帶環(huán)能器入手，結合先進的數(shù)字處理方法，給出了有效的超聲反射信號的初至識別方法，提高了水泥混凝土路面厚度的測量精度。1 系統(tǒng)組成水泥混凝土路面厚度超聲檢測系統(tǒng)主要有硬件部分和檢測軟件兩部分組成。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、計算機控制部分。如圖1所示。 在超聲波檢測過程中，超聲換能器發(fā)射控制

4、電路主要是產生一個標準寬度的高壓脈沖，使換能器產生超聲波，高壓脈沖的幅值和寬度直接決定了超聲信號的能量和寬度。 在測量過程中如果高壓脈沖信號寬度太窄，電壓較低，通過換能器將得不到穩(wěn)定的超聲脈沖，如果信號太寬，或電壓太高，將使超聲信號余震很長，影響使用精度。實際應用時應根據(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，還要求發(fā)射電路具有較高的重復性和精度。設計中我們應用了自行設計制作的升壓電路以獲得穩(wěn)定的脈寬和高壓電平。 接受電路是信號處理的最前端，信號的頻響寬度、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鍵的一步。頻響范圍太大，勢必增加成本，或以損失其他方面做代價；頻

5、響范圍太小，將引起信號畸變，嚴重影響信號的判讀。為了和發(fā)射換能器的頻率響應范圍一致，我們采用了配對換能器，每個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幅值也差別很大，因此，采集電路的放大倍數(shù)必須設置成可調。 濾波電路也是接受電路的重要組成部分，合理地設計濾波電路特性可顯著提高信號的信噪比。 AD轉換電路是采集電路的核心，也是和計算機的接口電路，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。我們在此選用了10M、10位的高速AD轉換器件。 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轉換電路和接口電路組成。2解決的關鍵技術21 寬帶超聲換能器的設計 目前，普通的超聲換能器普遍存在余震長的問題，該問題在超聲透射檢測時，由于橫波速度慢，縱波最先到達，余震對測量縱波初至時間影響不大。但在混凝土路面厚度測量時，由于只能在路表面同時設置發(fā)射換能器和接受換能器，故該法被稱為反射法測量。反射法測厚的原理如圖2所示，透射法測量的原理如圖3所示。 理想的反射法測量信號如圖4所示，在圖4中直達波由于距離短最先到達，間隔一定時間后，反射縱波達到，反射縱波的到達時間即為我們要求的反射時間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)反射波到達時間，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，它主要指換能器在較寬的頻率范圍內，具有較平的幅度響應及線性相位響應，便于傳送窄脈沖信號，因而有著較高的時域分辨率。主要用于解決現(xiàn)有換能器余震長，難于辨識反射波初至的問題。為了提高靈敏度，改善寬帶特性，我們通過計算機模擬得到最佳匹配參數(shù)，并在設計時依次進行修正，經(jīng)過壓制余震設計的超聲換能器對零信號波形如圖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主波，余波也只有一個，這是目前國內傳感器難以達到的，基本解決了常用換能器余震長的難題。為混凝土厚度檢測奠定了基礎。

8、2.2 水耦合方法的研究由于超聲信號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題，否則嚴重影響厚度的檢測結果。反射波到時的準確拾取一直是測厚測試分析中的難點問題。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反射波的影響，同時，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，近垂直入射到換能器上，使換能器接收到比較強的垂直分量，橫波的干擾受到壓制，大大加強了測試效果。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，我們設計了特定的固定架水耦合方法的實施。2.3 聲時測定方法研究水泥混凝土路面強度和厚度的檢測，關鍵在于準確識別反射波。經(jīng)過反復實驗和研究，我們采用了下列多種識別反射波的有效方法。(1)首先，路面的設計厚度一般是預先可估計的(在一定范圍內)，由于路面直達波速容易測出，若用其代替路面層反射波速度，則可根據(jù)反射波的運動學特征，用正演的方法，求出路面層反射波理論到時。然后在波形圖上反射波理論到時附近的一段范圍內，尋找真正的反射波起跳點，尋找范圍可大大縮小。例如，在試驗中，已知混凝土試件厚度26.5cm，測出直達縱波速

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，可求出反射縱波的理論到時為154s；假定路面厚度誤差為10cm，則可求得相應的反射縱波理論到時分別為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)運用頻譜分析的方法，對原始信號進行濾波。(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，波形有一定相似性，且同一震相起跳拐點的到時值相近，而隨機干擾形成的拐點則一般不會同時出現(xiàn)，可予以排除。通過互相關的方法，可以確定反射拐點。(4)小波分析使我們能夠將一個信號分解成對時域(空間)和尺度的貢獻，在這種意義下小波

11、分析又可稱為多分辨力分析，我們在此運用小波分析的方法，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)回歸抗折強度的研究（1）聲速推定混凝土強度超聲波檢測混凝土強度的基本依據(jù)就是聲速值和混凝土的彈性性質有關，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)測得的不同的聲速值，便可以推斷混凝土的強度。荷蘭及羅馬尼亞采用，我國采用的聲速和強度之間的換算公式為和兩種非線性的數(shù)學公式，A和B為經(jīng)驗系數(shù)。（2）回彈法推斷混凝土強度 可參照交通部行業(yè)標準公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程(JTJ 059-95)中回彈儀檢測水泥混凝土強度試驗方法（T0954-95）中

12、的有關規(guī)定。通?；貜椃ê突炷恋目拐蹚姸认嚓P關系不太理想。但和超聲聲速綜合應用時，可補償濕度的影響。(3)主頻頻率和幅值混凝土路面強度不一樣，其對超聲波的吸收頻率成分也不一樣，強度越低，混凝土內部對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度f=g(v,N，f0)v超聲聲速N回彈值f0頻譜主頻3 試驗結果我們在實驗室依據(jù)現(xiàn)場設計的配比，通過調整砂率和水灰比，共設計了5種厚度，檢測結果如表1所示。表1 試驗室混凝土試件厚度檢測結果試件編號實際厚度cm聲速ms反射聲時s檢測厚度cm相對誤差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，共選擇測試了10個斷面進行檢測并和鉆孔取芯法對比。試驗結果如表2所示。4 結論 由實驗室試驗可知，多功能水泥混凝土路面檢測系統(tǒng)檢測厚度的誤差最大不超過3，由S237水泥混凝土路面超聲檢測結果可以看出，水泥混凝土路面檢測系統(tǒng)測厚最大誤差不大于4，測強度最大誤差不大于7，檢測一個測點，通常需要3min時間，同取芯法相比，測試效率提高了很多。同時，由于取芯法破壞路面，修補不好，容

14、易造成壞板，測點之間要間隔一定距離等，超聲無損厚度檢測必將代替取芯法。表2 S237水泥混凝土路面超聲檢測和取芯對比路段樁位混凝土厚度混凝土抗折強度取芯/cm測量/cm誤差/取芯/MPa測量/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:1 博竹武，混凝土路面強度與厚度無損檢測的超聲模擬J.云南大學學報(自然科學版)，2000，22(工程檢測專輯)2 程朝霞超聲波法檢測混凝土強度的發(fā)展J華中科技大學學報(城市科學版)，2003，(4)3 濮存亭國內外砼超聲脈沖檢測技術的現(xiàn)狀及發(fā)展前景J市政工程，2001.(3)4 余紅發(fā)混凝土非破損測強技術研究M中