表面波法检测混凝土裂缝深度
表面波法检测混凝土裂缝深度
(四川升拓检测技术有限责任公司,四川
成都
610045)
摘要:目前检测混凝土裂缝的方法林林种种,我公司研发了一种创新裂缝深度探测技术(简称“表面波法”)。该方法采用冲击弹性波中的瑞利波(表面波的一种)的衰减特性来测试混凝土构造物中的裂缝深度。该方法测试范围大,受充填物、钢筋、水分的影响小,特别适合测试较深的裂缝。
关键词:表面波法,混凝土裂缝检测,升拓技术,冲击弹性波
话说在目前检测混凝土裂缝的方法林林种种,如“相位反转法”“传播时间差法”的标准方法,这两种类型的方法都利用传播的波的初动成分(到达时间或者是初始相位)。尽管在金属探伤技术中有广泛应用,但在测试混凝土裂缝时,却会遇到很大的困难比如:接触面/充填物的影响、接受信号能量的影响和初始波成分(类型)不明的影响。
针对现有技术的不足,我们开发了一种新的裂缝深度探测技术(简称“表面波法”)。该方法采用冲击弹性波中的瑞利波(表面波的一种)的衰减特性来测试混凝土构造物中的裂缝深度。该方法测试范围大,受充填物、钢筋、水分的影响小,特别适合测试较深的裂缝。那么我们从冲击弹性波这点开始说吧。
冲击弹性波的产生
当某处物质粒子离开平衡位置,即发生应变时,该粒子在弹性力的作用下发生振动,同时又引起周围粒子的应变和振动,这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”;而通过机械冲击在对象材料中产生的弹性波,又称为冲击弹性波。冲击弹性波的产生一般有两种方法,即外力击打产生和由物体内部破损产生。 打击产生冲击弹性波
冲击锤打击或刚球落下是最一般的激振方式。
打击产生弹性波
改变打击锤,可以产生不同频率特性的冲击弹性波。一般来讲,小的硬质锤可产生高频的弹性波。相反大的硬质锤可产生低频的弹性波,即与锤和打击对象的接触时间有明显的关系。钢球打击时,刚球和混凝土的接触时间Ts可以近似为[6]:
TS=0.0043D
其中,Ts是接触时间,单位s;D为刚球的直径,单位m。打击的冲击信号和敲击引起的自由振动频率的关系如下:
fS=
1
.25TS
(a)冲击过程
损伤以及冲击弹性波的发生(AE)
(b)冲击过程的频率特性
冲击信号的频率特性
AE(AcousticEmission的缩写)的意思是“声的发射”,也是一种冲击弹性波。结构物的内部产生破坏现象时,萌生扩展过程中会释放一部分弹性波能量。借用习惯的说法,所以称为“声发射”。实际上,许多声发射的频率非常高,远远超过了人耳所能听到的范围(20-20KHz),需要用高频率、高灵敏度的传感器才可以检出。
AE传感器
裂缝进展
AE信号的发生、传播和检出
AE有以下特征:
(1)
频率高:混凝土的场合,大多在数百KHz以上;
(2)(3)
衰减快:衰减快,传播距离一般不超过数米;
信号弱、受周边环境影响大。
表面波法
1)表面波法的基本原理
瑞利波是由于P波和S波在媒体边界面上相互作用而形成,其传播速度比S波稍慢,并主要集中的媒体表面和浅层部分,其特性非常适合于探测裂缝的深度。
(1)瑞利波在媒体表面受冲击所产生的弹性波中,能量最大,信号采集容易;(2)依存于材料的剪切力学特性,从而对裂缝更为敏感;
(3)瑞利波大部分能量主要集中在从表面开始的1倍波长的范围内。瑞利波在传播过程中所发生的几何衰减和材料衰减。可以通过系统补正,而保持其振幅不变。但是,瑞利波在遇到裂缝时,其传播在某种程度上被遮断,在通过裂缝以后波的能量和振幅会减少。因此,根据裂缝前后的波的振幅的变化(振幅比),便可以推
算其深度。
图“表面波法”的概念
2)关键测试技术
“表面波法”最早于上世纪60年代被提出,但一直未能得到实用。其原因在于对能量衰减的测试误差较大,为此我们开发了基于“双方向激振技术”的高精度能量衰减测试技术(已获得国家发明专利,专利号:ZL[1**********]1.5),从而大大提高了“表
面波法”的测试精度和实用性。
3)表面波法的特点
(1)表面波法测试裂缝的范围很大,可达几米,受充填物、水分的影响较小。
特别是对贯穿裂缝精度非常高。但该方法属于半理论半经验的方法,理论不是特别严密。
(2)对于坝面等近似于半无限平面体,非常适合表面波法测试。但不适合狭窄
结构,因为表面波受边界条件(侧壁、边角等)的影响较大。(3)利用双方向发振回归技术降低了测试误差,提高了测试精度。
(4)选择测区希望避免剥离的地方,可提高其测试精度。因为有剥离的场合,
会引起板波和振动,导入测试误差大。
表裂缝深度测试方法比较
方法
使用弹性波的种类使用弹性波的成分基本测试原理测试原理的严密性弹性波波速裂缝填充物的影响钢筋的影响裂缝面压力的影响测试对象厚度的影响测试对象背面状况的影响
适用裂缝测试面的形状
必要
大大大小小浅、开口裂缝
灵活
传播时间差法
P/S波
初始成分
传播时间的迟延
初始相位的反转相位反转法
P
波
表面波法R(瑞利)波卓越成分瑞利波的衰减半理论半经验
不必
需要小小(可修正)
有有有深裂缝平坦、规则
比较严密
图裂缝深度的测试概念
裂缝延伸方向的测试
隧道天顶的塌落危险评估、以及结构内力分别的推算等均需要掌握裂缝的方向。本系统可以较方便地推算裂缝的延伸方向。
利用自振频率的变化测试
根据R波速度的变化测试
此外,我们开发的修正BS法不仅可以测试裂缝的速度,还可以测试裂缝的方向。
但该方法属于传播时间差法,其测试深度均较浅,测试精度也不十分理想。