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混凝土孔洞难发现 超声波检测出新招
发布:kittyll   时间:2016/3/31 14:42:15   阅读:1653 
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混凝土墙 图片来源:网络
 
混凝土在浇注过程中产生的内部孔洞缺陷会极大地影响混凝土的承载力,尤其是复合材料更是如此,如钢板混凝土、钢管混凝土等钢-混凝土粘结界面上的孔洞,对结构的整体力学性能影响更大。因此对混凝土的孔洞缺陷进行无损检测有着极其重要的意义。
 

混凝土墙 图片来源:网络
 
混凝土的无损检测方法主要有回弹法、雷达法、冲击回波法及超声波法等。回弹法最为常用,但只能测得混凝土的表面强度;雷达法可以定位混凝土内部缺陷,但仪器昂贵,且受钢筋低阻屏蔽影响非常大;冲击回波法可测得混凝土内部缺陷及混凝土构件的厚度,但对混凝土内部纵向尺寸较小的缺陷体的下界面却难以分辨;超声波、声波检测方法具有穿透能力较强,检测设备简单,操作方便,检测成本低等优点,在工程上已经得到广泛应用,尤其在混凝土大坝、桥墩、灌注桩等大体积混凝土结构的质量检测中应用更广。
 
传统的线性超声检测技术主要根据声时和声速,或波的反射、散射和能量的吸收、衰减等来确定缺陷的位置与大小,可以测得数十厘米以上的较大缺陷;但对于较小的孔洞,例如钢板与混凝土粘结界面上的蜂窝面,其检测精度和可靠性都很难保证。而非线性超声在微观缺陷检测上有很高的精度,但由于要对接收信号进行频谱分析,很难从接收的信号上判断缺陷的位置,目前多用于评价材料结构的微观变化。南昌航空大学和北京航空航天大学的陈军等研究人员采用一种非线性超声方法——有限幅度法来检测孔洞缺陷,并尽可能贴近工程实际制作了较大尺寸的混凝土试块,证明了非线性参数能反映出混凝土的孔洞缺陷的大小。
 

混凝土墙 图片来源:网络
 
1 超声有限幅度法的原理
 
19世纪60年代,国外开始出现利用声学非线性效应对材料性能进行无损评价的试验。有试验发现:频率为f的超声波在传播一段距离后,材料损伤产生的声学非线性的影响会使频率的分布产生变化,导致高阶谐波的产生,即会产生2f和3f的高频成分。根据这种现象,利用有限振幅声波在材料中传播时,介质或微小缺陷与其相互作用的非线性效应,实现材料性能评估和微小缺陷的检测,称为有限幅度法,通常可以使用它来观测谐波的产生。
 
2 试块的制备
 

为了保持试块的一致性,研究不同大小孔洞对非线性参数的影响,并尽可能模拟钢板混凝土界面上的孔洞,研究人员制作了尺寸为450mm×350mm×120mm的板状混凝土试件,见图1。
 

图1 混凝土孔洞试件外观
 
混凝土采用强制式搅拌站拌和,洒水覆膜养护,经测试其28天立方体抗压强度为37MPa。为排除超声波探头和试块接触面上的干扰,试块养护结束后,对上表面进行打磨抛光。
 
将试件450mm×350mm的表面平均划分为4个区域,每个区域钻出4组模拟孔洞,第一组为一个直径8mm的圆孔洞,第二组为两个直径8mm的圆孔洞,第三组为3个直径8mm的圆孔洞,第四组为4个直径8mm的圆孔洞,确保每组孔洞均分布在接收探头探测尺寸内,深度约1cm。
 
为了减少各组试验超声波探头之间压力大小的差异,同时排除探头夹具产生的偏心压力,制作了丝径10mm的强力弹簧,安装在木制探头夹具中,见图2。
 

图2 探头夹具和弹簧外观
 
3 基于有限幅度法的试验步骤
 
根据有限幅度法的理论,设计了如图3所示的试验系统。
 

图3 有限幅度法测混凝土孔洞缺陷试验系统
 
试验中测量混凝土非线性参数β的基本步骤为:
 
(1)调节信号发生器(RIGOL DG1022),依次产生10组频率均为25kHz的正弦信号,通过信号放大器(KROHN-HITE 7500)放大10倍后,用中心频率为25kHz的发射探头发射声波并在试件中传播,由中心频率为50kHz的接收换能器接收,接收到的信号用数字示波器(TEKTRONIXDPO2014)收集并存储。
 
(2)存储的声波信号经汉宁窗(hanning window)处理后,用MATLAB软件进行快速傅里叶变换(FFT),把时域图转化为频域图。
 
4 试验结果
 
(1)有限幅度法的结果
 
用均匀涂抹了耦合剂的接收探头覆盖在制作的各组孔洞上,形成若干个直径8mm,深度1cm的空气囊,模拟混凝土在浇注中产生的气泡(或钢板混凝土界面将产生的孔洞缺陷)。其各组孔洞投影面积与接收探头接触面的比例如表1所示。

表1 孔洞投影面积与接收探头接触面的比例
孔洞个数/个 孔洞投影到探头的面积
(每个孔洞直径8mm)/mm2
接收探头面积
(直径35mm)
/mm2
孔洞投影面积与探头接触面百分比/%
1个 50.24 961.625 5.22%
2个 100.48 961.625 10.45%
3个 150.72 961.625 15.67%
4个 200.96 961.625 20.90%


各组孔洞通过有限幅度法测得的非线性参数β如表2所示。
 
表2 混凝土孔洞试件非线性参数β
β值 1个孔洞 2个孔洞 3个孔洞 4个孔洞
第一组 0.0002 0.0007 0.001 0.0019
第二组 0.0004 0.0006 0.0009 0.0012
第三组 0.0002 0.0008 0.0017 0.003
平均值 0.0003 0.0007 0.0012 0.002

(2)与超声波衰减法作对比
 
利用超声波在混凝土中传播的衰减可以大致判断混凝土的缺陷情况,常用于检测工程实际中混凝土构件的质量。用超声波衰减法检测,表3是相同幅值的超声波通过试件后接收到的超声波强度,可以看出数据离散性很大,其算术平均值有着随孔洞投影面积增大,超声波衰减加大的规律;但由于孔洞体积较小,超声波强度测试中误差较大,数据较为离散。

表3 相同幅值的超声波通过试件后接收到的超声波强度
孔洞个数 第一组 第二组 第三组 平均幅值
1个孔洞
面积比例5%
41.89 29.35 50.65 40.63
2个孔洞
面积比例10%
21.62 21.33 32.82 25.26
3个孔洞
面积比例16%
7.20 29.49 9.05 15.24
4个孔洞
面积比例21%
24.77 26.44 9.01 20.07
 
5 结论
 
运用有限幅度法检测混凝土中的孔洞缺陷,研究了孔洞投影面积比例与非线性参数的相互关系。结果表明,在接近工程实际的较大体积混凝土上,孔洞正投影面积较小时,非线性参数能敏感地反映出混凝土的孔洞缺陷大小。当孔洞投影面积比例增大时,非线性参数明显增大。


节选自《无损检测》2016年第38卷第1期
 
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本文作者:陈军,南昌航空大学副教授,博士,主要从事材料无损检测和结构健康监测的研究工作。
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