超声波在混凝土早期损伤识别的应用分析
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摘要：文章简要介绍了超声波法在混凝土早期损伤识别中的应用技术，简要设计了一个检测试验方案，介绍了试验所需仪器设备，以及检测试验的具体方法和要点。
关键词：超声波；早期混凝土损伤；无损检测
中图分类号：TU112.7文献标识码：B文章编号：1009-9166（2011）017(C)-0152-01
引言：在混凝土工程中，主要以抗压强度来评定混凝土的质量，目前大多数国家都是以标准试验方法来获得混凝土的强度，即检测经过标准养护、龄期为28天的混凝土试块的抗压强度。但随着建筑工业与结构设计理论的发展，原来的需时28天才能获得结果的试验方法，已经逐渐不满满足快速施工及控制混凝土质量的要求。因此，本文将探讨超声波法对于混凝土早期损伤的检测技术，通过超声波相关声学参数的变化来反映混凝土的损伤情况。
一、超声波检测混凝土早期损伤试验方案设计
先按一定级配制作混凝土试块，按依次递增压力的加载水平加载，使混凝土试件出现内部损伤，并通过超声试验来测量试件在不同加载水平的有关数据，最后通过相关的分析和处理后得出波形等数据的特征。
二、超声波检测混凝土早期损伤试验的实施
1、试验的仪器。（1）超声检测仪。试验选用武汉岩土力学研究所生产的RSM-SYS智能声波检测仪，其自带的配套软件可进行初步的数据处理，将采集到的数字信号输入电脑进行分析。（2）超声换能器。换能器是声电能量的转换器件，发射换能器可将声波仪发射机输出的电信号转换成声信号向试件发射，接收换能器是将声信号又转换成电信号。（3）压力试验机。YE―30液压式压力试验机进行加压，可在一定程度上确保加载精度。（4）耦合剂。被测混凝土表面不可能绝对平整，其表面与换能辐射器接触时，二者之间难免会存在空气夹层，通常空气和固体的特性阻抗相差非常大，使得大多数的超声能量被反射，所以在混凝土和换能器之间加上液体或膏体耦合剂，填充它们间的缝隙，以便超声波能够顺利进入混凝土中。藕合剂一般采用黄油、凡士林等较廉价的膏体。
2、试验前的准备。（1）试件制作。试验采用水泥、粗集料、细集料和自来水拌制混凝土，混凝土设计强度为C25，制作4块尺寸为150mm×150mm×150mm的试件。取出混凝土试块，将其表面残余水分、碎屑等擦干净，并对试件进行编号。（2）加载方式的确定。由于实际工程各构件中的尺寸比混凝土试块尺寸大得多，为更好地取得模拟效果，并尽可能地减小超声波在混凝土试件中发生的偏角，降低探头的超声声能衰减，在试验时仅检测试块的中点，这样还可防止信号偏移，避免检测时产生波形畸变现象。根据混凝土结构的检测的相关规定，按估算破坏荷载的1/15―1/10分级对试块进行加载。每次加载后沿与加载垂直的两个方向进行超声测试，将相应的波形数据记录下来。
3、超声波检测混凝土试验。超声波检测仪可产生重复的电脉冲去激励发射换能器，后者发射的超声波经耦合后进入混凝土中继续传播，最后由接收换能器接收并转换成电信号，返回超声波检测仪，并在显示屏上显示波的基本形态。具体的检测过程如下：（1）检测前应做好仪器各部分的检查，插上电源后查看其工作是否正常；开机预热10分钟并检查无误后，仪器工作稳定时便可开始测量。（2）换能器频率的选择，须同时考虑检测灵敏度及穿透的测距。如果检测所选用的超声波的频率较低，则能量衰减小，穿透的距离长；不过低频的超声波的波长较大，会降低传播的方向性，使得检测的灵敏度将有所下降；如果检测所选用的超声波的频率较高，会因波长较短而提高超声波的方向性，也会相应地提高检测灵敏度，但高频的能力衰减大，故只能检测到较短的距离。所以在混凝土早期损伤的检测中，选择超声波的频率时首先应能保证接受到明晰的探测信号，并在此基础上选择较高的探测频率以提高检测的灵敏度。本试验频率选择100kHz。（3）检测参数的设置、调零。因混凝土中的超声波的能量衰减大，并且传播的方向性较差，一般采用低频绕射法进行混凝土的探伤。本试验设置采样的频率为1MHz，采样时域波形长度为1024。试验的调零采用标准棒的方法调零，将换能器与标准棒对准，测出仪器的测读时间tl，其与标准棒所标出的时间差即为仪器的零读数t0。（4）检测。将试块取出并放在压力机上，将耦合剂（凡士林）涂抹在换能器的检测面上，使其与混凝土较好的耦合，然后进行检测。检测时作用在试块上的荷载按照20kN为一级的标准进行分级加载，直至试件破坏。将混凝土在每级加载条件下的超声波情况进行记录并保存，然后进行分析。
4、试验数据分析及处理。超声波探测仪的波形数据存储的格式为*.RWV格式，文件包含有文件头和文件体两个部分，前者主要有分频次数、采样长度、显示延时、零声时、放大倍数等一些有用的参数，可从后者读取波形样本点，采样点的个数即为采样长度，每个采样点为一个十进制数，代表波形中的一个采样点的幅度，对应一个声时值，采样周期就是相邻采样点的声时差。
将在检测过程中得到的.RWV文件取文件体部分，用MATLAB内部函数fopen和fscanf将文件体的时域数据读到一个MATLAB变量中，可用MATLAB相应命令得到信号的时域波形图；调用MATLAB中的FFT函数，得到试块在各加载条件下的频谱图。最后根据波形数据来分析混凝土的损伤情况。
结束语：对早期混凝土进行超声检测，可通过得出的声波的波速、能量、频率等的变化来对混凝土材料早期结构变化的动态监测，有助于及早发现混凝土结构的早期损伤和缺陷，并及时采取相应的加固措施，确保混凝土结构的安全。
作者单位：广东荣基鸿业建筑工程总公司
参考文献：
[1]吴新璇.混凝土无损检测技术手册[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2]林维正.土木工程质量无损检测技术[M].北京:中国电力出版社,2008.
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