混凝土表面淺裂縫深度的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混凝土表面淺裂縫深度的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法，包括如下步驟：1）清除被檢對(duì)象表面的浮塵、污垢，觀察裂縫縫隙中是否存在水、鋼筋或其他異物，確保被檢對(duì)象干燥；2）以受檢裂縫為中心兩兩對(duì)稱布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離；3）在受檢裂縫的一側(cè)成對(duì)的布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離；4）不跨縫的聲時(shí)測(cè)量；5）跨縫的聲時(shí)測(cè)量；6）跨縫測(cè)量中，當(dāng)在某測(cè)距發(fā)現(xiàn)首波反相時(shí)，用該測(cè)距及兩個(gè)相鄰測(cè)距的測(cè)量值計(jì)算裂縫的深度值。本發(fā)明通過觀察首波相位變化來判斷超聲波是否已繞射至裂縫底部，從而準(zhǔn)確檢測(cè)混凝土表面淺裂縫的深度。
【專利說明】 混凝土表面淺裂縫深度的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于主體結(jié)構(gòu)混凝土非破損檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種利用超聲波首波相位變化測(cè)試混凝土表面淺裂縫深度的方法，適用于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件原位測(cè)試。

【背景技術(shù)】
[0002]混凝土是一種非勻質(zhì)脆性材料，由骨料、膠凝材料以及留存其中的氣體和水組成。在溫度和濕度變化的條件下，混凝土硬化的過程中會(huì)發(fā)生體積變形。由于各種材料變形不一致，互相約束而產(chǎn)生初始應(yīng)力(拉應(yīng)力或剪應(yīng)力)，使得在骨料與水泥石之間的粘結(jié)面或水泥石本身出現(xiàn)肉眼能觀察到的細(xì)微裂縫。
[0003]為得知這些裂縫的深度范圍，得知裂縫是否會(huì)給建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來安全隱患，現(xiàn)有技術(shù)通常采用單面平測(cè)法測(cè)試混凝土表面淺裂縫深度。測(cè)試時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境的多變、檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)匱乏、各廠商生產(chǎn)的檢測(cè)設(shè)備的性能差異，導(dǎo)致在具體工程實(shí)踐中往往不能準(zhǔn)確得到檢測(cè)結(jié)果。
[0004]如何保證在不破壞原有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況下通過原位無損檢測(cè)的方法來獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，是現(xiàn)有技術(shù)中亟需解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)試方法在具體工程實(shí)踐中往往不能得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果的不足，提供一種混凝土表面淺裂縫深度的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法，該測(cè)試方法的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率較高。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種混凝土表面淺裂縫深度的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法，包括如下步驟:
1)清除被檢對(duì)象表面的浮塵、污垢，觀察裂縫縫隙中是否存在水、鋼筋或其他異物，確保被檢對(duì)象處于干燥狀態(tài)；
2)以受檢裂縫為中心兩兩對(duì)稱布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離；
3)在受檢裂縫的一側(cè)成對(duì)的布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離；
4)不跨縫的聲時(shí)測(cè)量:將發(fā)射型換能器和接收型換能器置于裂縫附近同一側(cè)，以兩個(gè)換能器內(nèi)邊緣間距I’等于100、150、200、250mm……分別讀取聲時(shí)值ti;繪制“時(shí)-距”坐標(biāo)圖或用回歸分析的方法求出聲時(shí)與測(cè)距之間的回歸直線方程dea+bti ；
每測(cè)點(diǎn)超聲波實(shí)際傳播距離為: li=r +a,g a < O,取該數(shù)的相反數(shù)；
式中Ii—第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離；
a——“時(shí)-距”圖中y軸的截距或回歸直線方程的常數(shù)項(xiàng)；
v=b b—回歸系數(shù)；
5)跨縫的聲時(shí)測(cè)量:將發(fā)射型換能器和接收型換能分別置于以裂縫為對(duì)稱的兩側(cè)，取兩換能器內(nèi)邊緣間距I為100、150、200mm、……分別讀取聲時(shí)值 <，同時(shí)觀察首波相位的變化；
6)跨縫測(cè)量中，當(dāng)在某測(cè)距發(fā)現(xiàn)首波反相時(shí)，用該測(cè)距及兩個(gè)相鄰測(cè)距的測(cè)量值按下式計(jì)算L值，取此三點(diǎn)Iicd的平均值為該裂縫的深度值，
hci=l/2XliX [ Ct0iXvZli)-1]172
式中L——第i點(diǎn)計(jì)算的裂縫深度值；
Ii—不跨縫平測(cè)時(shí)第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離；
——第i點(diǎn)跨縫平測(cè)的聲時(shí)值。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法通過觀察首波相位變化來判斷超聲波是否已繞射至裂縫底部，從而準(zhǔn)確檢測(cè)混凝土表面淺裂縫的深度，本發(fā)明的測(cè)試方法的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率較高，并且易于操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是橫波折射原理圖；
圖2是不跨縫測(cè)試的“時(shí)-距”坐標(biāo)圖；
圖3是跨縫測(cè)試的原理圖；
圖4是兩換能器測(cè)距之半大于裂縫深度值時(shí)的首波相位的變化；
圖5是兩換能器測(cè)距之半等于或小于裂縫深度值時(shí)的首波相位的變化。

【具體實(shí)施方式】
[0009]測(cè)試方法機(jī)理
由物理學(xué)知:
I)不同聲速介質(zhì)的界面在反射和折射過程中可能發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)只發(fā)生在斜入射場(chǎng)合。
[0010]2)固體與氣體的交界面，波型轉(zhuǎn)換只發(fā)生在反射過程中；固體與固體的界面在反射、折射過程中都會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。固體與液體的界面，折射波中只有縱波，因液體介質(zhì)沒有剪切彈性，不能轉(zhuǎn)播橫波。
[0011]當(dāng)換能器分別置于裂縫表面兩側(cè)時(shí)，如圖1所示，由于混凝土檢測(cè)通常采用的是低頻(50kHz)超聲波，其特點(diǎn)是波長(zhǎng)長(zhǎng)，指向性差。當(dāng)發(fā)射換能器A置于混凝土表面時(shí)，其向裂縫側(cè)傳播相當(dāng)于斜入射場(chǎng)合，即具備了斜入射條件。超聲縱波在裂縫側(cè)面產(chǎn)生反射(反射波中有縱波，有橫波)，超聲縱波在裂縫的尾端產(chǎn)生折射(折射波中有縱波，有橫波)而且由圖1所示可知，橫波折射角βτ與水平面的夾角小于縱波折射角βρ
[0012]另根據(jù)惠更斯定理:橫波和縱波到達(dá)的每一個(gè)點(diǎn)都可以看作新的波源“次源”，每一個(gè)“次源”相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立波源，產(chǎn)生二次波動(dòng)，形成“次源”波前，新的波前就是這些“次源”波前的包跡。眾所周知:縱波速度大于橫波速度；測(cè)試時(shí)采用的是縱波換能器，接收換能器B理應(yīng)接收到縱波，但存在以下兩個(gè)事實(shí):
I)折射波中因波型轉(zhuǎn)換形成了橫波。
[0013]2)橫波的折射角與縱波的折射角不同，橫波與裂縫斷面的夾角小于縱波，即橫波折射在縱波之上。
[0014]首波相位反轉(zhuǎn)的機(jī)理是發(fā)射縱波與接收到的橫波之間存在相位差?？v波換能器在折射過程中發(fā)生波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了橫波。雖然橫波速度小于縱波波速，但橫波折射角與縱波折射角不同，兩者的繞射波前不同，在特定的首波相位反轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)(圖1接收換能器B的位置)至裂縫側(cè)的區(qū)域內(nèi)(參見圖1中T區(qū))繞射橫波先于繞射縱波到達(dá)。
[0015]根據(jù)以上機(jī)理，本發(fā)明的混凝土表面淺裂縫深度的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法包括如下步驟:
1、清除被檢對(duì)象表面的浮塵、污垢，觀察裂縫縫隙中是否存在水、鋼筋或其他異物，確保被檢對(duì)象處于干燥狀態(tài)；
2、以受檢裂縫為中心兩兩對(duì)稱的成對(duì)布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離；
3、在受檢裂縫的一側(cè)成對(duì)布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離；
4、不跨縫的聲時(shí)測(cè)量:將發(fā)射型換能器和接收型換能器置于裂縫附近同一側(cè)，以兩個(gè)換能器內(nèi)邊緣間距(I，)等于100,150,200,250mm.……分別讀取聲時(shí)值Ui)，繪制“時(shí)-距”坐標(biāo)圖(參見圖2)或用回歸分析的方法求出聲時(shí)與測(cè)距之間的回歸直線方程dea+bti(測(cè)點(diǎn)在9點(diǎn)為宜);
每測(cè)點(diǎn)超聲波實(shí)際傳播距離為:
1?=Γ +a (若a < 0，取該數(shù)的相反數(shù))；
式中Ii—第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離(mm)； a— “時(shí)-距”圖中y軸的截距或回歸直線方程的常數(shù)項(xiàng)(mm)。
[0016]v=b (km/s)
b——回歸系數(shù)；
5、跨縫的聲時(shí)測(cè)量:如圖3所示，將發(fā)射型換能器和接收型換能分別置于以裂縫為對(duì)稱的兩側(cè)，取兩換能器內(nèi)邊緣間距(I)為100、150、200mm、……分別讀取聲時(shí)值Ci，同時(shí)觀察首波相位的變化，參見圖4、圖5，存在正負(fù)波形轉(zhuǎn)換點(diǎn)；
6、跨縫測(cè)量中，當(dāng)在某測(cè)距發(fā)現(xiàn)首波反相時(shí)，用該測(cè)距及兩個(gè)相鄰測(cè)距的測(cè)量值按下式計(jì)算k值，取此三點(diǎn)Iicd的平均值作為該裂縫的深度值，
hci=l/2XliX [ Ct0iXvZli)-1]172
式中L-第i點(diǎn)計(jì)算的裂縫深度值(mm)；
Ii—不跨縫平測(cè)時(shí)第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離(mm)； t°i——第i點(diǎn)跨縫平測(cè)的聲時(shí)值(μ s);
由于縱、橫波首波幅度絕對(duì)值的變化規(guī)律相同，縱、橫波首波的相位始終相反，即由發(fā)射換能器同一個(gè)振源轉(zhuǎn)換成的橫波，其相位永遠(yuǎn)和縱波相反。根據(jù)這一定律，前文中如圖1所示，在正負(fù)波型轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)處α+β?90°，即兩換能器中心距離與裂縫深度存在約2倍比的關(guān)系。
[0017]被檢裂縫處于干燥狀態(tài)，且縫內(nèi)不存在水或鋼筋及其它異物時(shí)，換能器跨縫檢測(cè)時(shí)定有發(fā)生首波相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。利用超聲首波幅度及其振幅相位變化的規(guī)律可馬上定性推斷該混凝土裂縫深度小于或等于兩個(gè)換能器中心距之半。若現(xiàn)場(chǎng)觀察不到首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的裂縫，采用傳統(tǒng)單面平測(cè)法測(cè)試裂縫深度，其計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤判。
[0018]最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上內(nèi)容僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的簡(jiǎn)單修改或者等同替換，均不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種混凝土表面淺裂縫深度的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)測(cè)試法，其特征在于包括如下步驟: 1)清除被檢對(duì)象表面的浮塵、污垢，觀察裂縫縫隙中是否存在水、鋼筋或其他異物，確保被檢對(duì)象處于干燥狀態(tài)； 2)以受檢裂縫為中心兩兩對(duì)稱布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離； 3)在受檢裂縫的一側(cè)成對(duì)的布置超聲測(cè)點(diǎn)，并將各對(duì)測(cè)點(diǎn)兩兩編號(hào)，各測(cè)距為每對(duì)換能器的內(nèi)邊緣距離； 4)不跨縫的聲時(shí)測(cè)量:將發(fā)射型換能器和接收型換能器置于裂縫附近同一側(cè)，以兩個(gè)換能器內(nèi)邊緣間距I’等于100、150、200、250mm……分別讀取聲時(shí)值ti;繪制“時(shí)-距”坐標(biāo)圖或用回歸分析的方法求出聲時(shí)與測(cè)距之間的回歸直線方程dea+bti ； 每測(cè)點(diǎn)超聲波實(shí)際傳播距離為: li=r +a,g a < O,取該數(shù)的相反數(shù)； 式中Ii—第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離； a——“時(shí)-距”圖中y軸的截距或回歸直線方程的常數(shù)項(xiàng)；
v=b b—回歸系數(shù)； 5)跨縫的聲時(shí)測(cè)量:將發(fā)射型換能器和接收型換能分別置于以裂縫為對(duì)稱的兩側(cè)，取兩換能器內(nèi)邊緣間距I為100、150、200mm、……分別讀取聲時(shí)值 <，同時(shí)觀察首波相位的變化； 6)跨縫測(cè)量中，當(dāng)在某測(cè)距發(fā)現(xiàn)首波反相時(shí)，用該測(cè)距及兩個(gè)相鄰測(cè)距的測(cè)量值按下式計(jì)算L值，取此三點(diǎn)Iicd的平均值為該裂縫的深度值，
hci=l/2XliX [ Ct0iXvZli)-1]172
式中L——第i點(diǎn)計(jì)算的裂縫深度值； Ii—不跨縫平測(cè)時(shí)第i點(diǎn)的超聲波實(shí)際傳播距離； ——第i點(diǎn)跨縫平測(cè)的聲時(shí)值。
【文檔編號(hào)】G01B17/00GK104236490SQ201410250785
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】鄭翔 申請(qǐng)人:鄭翔