基于聲發(fā)射技術(shù)的混凝土路面裂縫檢測

林有濤

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070)

1 聲發(fā)射技術(shù)定位缺陷的基本依據(jù)

1.1 聲發(fā)射技術(shù)理論基礎(chǔ)

在斷裂時(shí)，裂紋出現(xiàn)與應(yīng)變能釋放。由于微裂紋的結(jié)果，一些所存儲(chǔ)的應(yīng)變能的釋放出彈性波，被稱為“聲發(fā)射”。根據(jù)ASTM規(guī)范提出，聲發(fā)射是一種短周期彈性波被從材料小區(qū)域內(nèi)“源”的能量的快速釋放所產(chǎn)生的現(xiàn)象。聲發(fā)射現(xiàn)象的示意圖如圖1所示，其中，所述結(jié)構(gòu)經(jīng)受應(yīng)力和產(chǎn)生裂紋看出。裂縫出現(xiàn)位置發(fā)出聲發(fā)射發(fā)出的彈性波，它通過混凝土材料作為媒介進(jìn)行傳播，并且可通過傳感器確定出“源”位置的來源范圍。聲波信號通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，并被發(fā)送到聲發(fā)射采集系統(tǒng)，從而進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖1 聲發(fā)射波應(yīng)力激發(fā)手段示意圖

一般的無損探傷技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)之間的差異的更主要的方法是定位所使用的技術(shù)的方式和從中得到的信息類型。聲發(fā)射技術(shù)源自從試件本身的檢測到的能量，相反，超聲檢測進(jìn)行研究的是響應(yīng)于外部施加的信號。因此，聲發(fā)射技術(shù)可以被認(rèn)為是被動(dòng)進(jìn)行無損檢測的技術(shù)，而其它技術(shù)例如超聲探傷，是主動(dòng)性的無損檢測技術(shù)。二者不同的概念如圖2所示。

圖2 兩類無損檢測技術(shù)示意圖

1.2 幾種形態(tài)裂縫聲發(fā)射對應(yīng)狀態(tài)

在素混凝土材料開裂過程中，斷裂模式通常由拉伸模式改變到剪切模式作為即將發(fā)生的標(biāo)志。兩類裂紋分類方法用于通過聲發(fā)射技術(shù)對混凝土裂縫的力學(xué)類型分類已行之有年。聲發(fā)射技術(shù)具有檢測聲發(fā)射傳感器靈敏度范圍內(nèi)的復(fù)雜裂縫的能力，這也使實(shí)時(shí)監(jiān)測具有可行性，因?yàn)槁暟l(fā)射信號作為檢測裂紋產(chǎn)生的標(biāo)志。聲發(fā)射技術(shù)不需要主動(dòng)加載或加應(yīng)力波對樣本進(jìn)行激勵(lì)或激發(fā)，從而發(fā)現(xiàn)缺陷的存在，這意味著從樣本內(nèi)的源產(chǎn)生被記錄且不使用任何外部能量的觸法。此外，它是測試實(shí)際荷載條件下結(jié)構(gòu)，而不受該結(jié)構(gòu)的正常工作的干擾，記錄可能的出現(xiàn)故障的非常有用的技術(shù)。

損壞的方式是不可預(yù)見的，由于傳播途徑和衰減無法事先預(yù)知。這可能會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射信號以低幅值到達(dá)換能器，并且導(dǎo)致系統(tǒng)無法識別該信號，因?yàn)樗赡鼙画h(huán)境噪聲影響。傳播會(huì)在觸發(fā)電平以下衰減信號，導(dǎo)致信號缺失，而發(fā)生多個(gè)聲發(fā)射事件可能是由于以下原因造成，信號丟失或部分信號采集，采集時(shí)間段的不可預(yù)測性。為了減少丟失或丟失的可能性由于首先檢測聲發(fā)射信號的換能器的不可預(yù)測性導(dǎo)致部分采集減少連續(xù)監(jiān)測中采集的數(shù)據(jù)量，建議采用多觸發(fā)習(xí)得方式。它通過邏輯平面放大器和觸發(fā)器(L-FAT)在硬件中執(zhí)行發(fā)電機(jī)組。當(dāng)獲取聲發(fā)射信號時(shí)，結(jié)構(gòu)與損傷特征對聲發(fā)射的關(guān)系需要指定。

圖3 三種類型裂縫的聲發(fā)射圖

2 混凝土路面聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

2.1 試件準(zhǔn)備

在信號為基礎(chǔ)的方法，聲發(fā)射信號與聲發(fā)射參數(shù)一起記錄為波形。對于這種技術(shù)，更好的傳感器以及更高的計(jì)算資源都需要采集。這也被稱為基于波形分析。這種技術(shù)具有的能力，以從基于波形所記錄的信號判別噪聲，如波形仍然測量之后可用。此外，圖示化的軟件進(jìn)行后處理，可以用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。盡管波形形狀是由幾何形狀和傳播的介質(zhì)的性質(zhì)的影響，但它仍然可以提供關(guān)于源的性質(zhì)的信息。頻率分析是在主要用于工具，這是由傅里葉變換實(shí)現(xiàn)時(shí)間-頻率分析方法，如短時(shí)傅立葉變換(STFT)和快速傅里葉變換(FFT)。

為了確定具體的和聲發(fā)射信號衰減的不均勻性之間的關(guān)系，速度試驗(yàn)。有必要在混凝土盡可能延長聲波傳播路徑。所有的混凝土試件尺寸為150×150×450 mm3。混凝土配合比可在表1中可以看出，水灰比分別為0.40，0.45，0.5和0.55，齡期為28 d。

表1 試件配合比

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

鉛筆芯斷測試執(zhí)行，以確定波速。傳感器1電子位置測量使用表面粘合WSA傳感器的速度時(shí)是固定的。傳感器2與聲發(fā)射源和鉛筆移動(dòng)到的位置在從聲發(fā)射源傳感器1，例如到傳感器1的距離分別為10，20，30，和40 cm。四個(gè)點(diǎn)每個(gè)距離的測試。圖4示出了使用表面粘合WSA傳感器的速度測量，電子波速度，使用兩個(gè)傳感器的起始時(shí)間之差實(shí)現(xiàn)計(jì)算。

圖4 斷筆實(shí)驗(yàn)

3 混凝土中聲發(fā)射試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分析

對聲發(fā)射信號和不同尺寸骨料或不同的水灰比之間的關(guān)系進(jìn)行了調(diào)查。鉛筆芯斷測試越接近傳感器1，聲發(fā)射信號計(jì)數(shù)衰減越嚴(yán)重。如圖5中所示，當(dāng)確定了水灰比，隨著距離的增加，骨料粒徑越大，聲發(fā)射信號幅度和計(jì)數(shù)降低。例如，當(dāng)水灰比為0.55，最大骨料粒徑為25 mm，幅度和計(jì)數(shù)分別減少26.7%和32.4%。最大骨料尺寸為4.75 mm時(shí)，振幅和數(shù)量分別減少了16.7%和24.1%。當(dāng)最大骨料粒徑大小確定時(shí)，隨著距離的增加，水灰比越大，幅值和計(jì)數(shù)越小。例如，當(dāng)最大骨料粒徑為4.75 mm，水灰比為0.4，振幅和數(shù)量分別減少為26.7%和32.4%；當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，振幅和數(shù)量分別減少為16.7%和24.1%。

圖5 在不同的水灰比和最大骨料粒徑情況下距離的計(jì)數(shù)和幅度圖

4 結(jié) 論

當(dāng)水灰比確定之后，所述骨料粒徑越大，氫氧化鈣晶體的在過渡區(qū)中出現(xiàn)更多的定向排列，從而削弱了表面積的界面過渡區(qū)(ITZ)，更多毛細(xì)孔將由此產(chǎn)生。在一方面，這相當(dāng)于增加了聲發(fā)射信號傳播路徑，并在空氣中的速度小于在混凝土中，這導(dǎo)致降低混凝土平均速度。在另一方面中，粗骨料和水泥之間的界面可能由于較大的骨料顆粒尺寸，這增加了反射，折射，和衍射的概率。以上綜合將導(dǎo)致，平均波速度降低。