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使用超声波脉冲速度法监测混凝土结构

摘要：

混凝土材料大多数由人类制造的。它的流行主要是基于其低生产成本和结构设计的灵活性。它的操作和环境载荷包括环境影响产生巨大影响的性能和总体成本混凝土结构。因此，质量控制、结构评估、维护和可靠的运行寿命的延长现有的混凝土结构成为一个主要的问题。近年来，无损检测(NDT) 不仅对在新混凝土结构的建设中的可靠性和负担得起的质量控制以及完整性评估越来越重要，而且对现有的混凝土结构也是这样。选择正确的检验技术总是伴随着它的效果和成本之间的折衷。超声波脉冲速度(UPV)方法是最被人所知的和被广泛接受的超声波混凝土无损检测方法，本文是对这种方法彻底的回顾和于其他完善的无损检测方法的比较。我们对他们的原则、固有的局限性和可靠性进行了回顾。此外，虽然大多数当前超声波脉冲速度技术是基于固定在混凝土的表面压电传感器的使用，特别注意的是一种非常有前景的技术—在材料中嵌入低成本的和集料尺寸的压电传感器。这种技术已经被基于一系列的参数，例如易用性、成本、可靠性和性能进行了评估。

关键字：无损检测、超声波脉冲速度、水泥基材料、早期、缺陷检测和监控、嵌入式传感器

1. 引言

混凝土是一种使用水泥浆绑定聚集在一起的高度复杂的准脆性非均匀和各向异性复合的材料，它的特征是在拉伸应力下的变形能力低。在凝结和硬化期间的凝固的效率对实现混凝土混合物全部潜能是至关重要的。虽然混凝土的特征就是高耐用性和高抗压强度，但它在一系列的操作和环境恶化的因素中是脆弱的，这些因素会严重降低其使用寿命。机械负载、有害的化学反应和环境影响会导致混凝土上有害拉应力的发展。这些拉伸应力会过于频繁造成破坏混凝土性能的裂纹。大多数混凝土结构刚开始恶化很缓慢，最后逐渐失效。图1列举了在混凝土结构水化或硬化状态期间裂纹产生的最常见的原因。因此，有计划监测、维护和修复损伤可以可靠地延长它们的使用寿命。在混凝土结构中，钢筋被用来抵消混凝土的低抗拉强度和塑性并且作为把混把凝土结构的元素连在一起的桥梁。在正常情况下，混凝土覆盖并保护钢筋不被腐蚀。在混凝土结构产生重要的拉应力之后，一些裂纹是预料中的。根据发展中的裂缝的大小和位置， 这些裂缝要么是在结构表面可以通过肉眼看到，要么是在结构内部一个不可接触的点。除了造成审美问题，混凝土裂化还会导致刚度损失和钢筋的腐蚀，这对结构的完整性和使用寿命都是有害的，并且不再受保证。此外，混凝土结构的操作、检测和维护成本高度依赖裂纹的产生和监控。

图1.混凝土结构产生裂纹的常见原因

根据在测试过程中损害的发展程度,混凝土测试可以是破坏性或者非破坏性的。尽管破坏性实验会对结构的完整性和混凝土质量提供直接、准确、可靠的信息，但是这些方法对新的建筑物有害的，更不用说对已经退化了的建筑物。长期以来，检查和诊断混凝土设施的通用方法一直是对取自现存结构的一些小样本进行破坏性强度测试和材料分析。但是对混凝土结构评估使用破坏性测试技术并不总是可行的（例如：不可接触的混凝土的体积）。此外,像大坝、隧道等大型混凝土设施都有很大的空间变异性并且通过定义一个可靠条件的评价是非常昂贵和耗时。反之，无害的非破坏性测试可以以一个相对较低的成本迅速应用，但这种方法提供的信息需要进一步处理。

自从二十世纪四十年代以来，人们不仅在实验室而且在施工现场都对早龄和硬化混凝土的非破坏性测试（无损检测）产生了很大兴趣，迄今为止已经取得了重大进步。混凝土结构的现场无损评价对监控它们的安全性和防止不可逆性破坏是至关重要的。无损检测方法的主要任务包括完整性评估、缺陷描述、不仅对新混凝土结构也对已经退化的结构在做必要的修复工作前后进行质量控制和力学和物理特性评估。现代土木工程中一些最具挑战性的任务是实现几种目前在使用并且主要是基于压力波传播,电磁波传播,放射物,光学和热成像技术的无损检测方法的使用。这些技术最重要的特点是它们使用成熟的关系间接地把观察到的现象和力学性能，例如刚度、弹性模量或抗压强度联系起来。通过对已经从原测试位置附近区域钻出的核心样品进行测试，那些先进的关系可以把被测混凝土的抗压强度和无损检测数据联系起来。通过回归分析，由此产生的方程和混凝土抗压强度的估计置信度得到完善。因此,现场无损检测可以减少核心样品的数量但不能消除它们。在施工期间不损害结构、全方位的、合算可靠的无损检测测试是可行的,其结果可用于混凝土强度的估计、保证安全操作的连续性。

因为它在合理的成本下易于使用，所以在这些无损检测方法中,超声检测中起着重要的作用。超声波的传播系统是使用最广泛的无损检测方法之一,它们可以分为 两个主要部分：通过传输超声波脉冲速度(UPV)和回波脉冲系统。因为混凝土有很大的异质性，早期对使用脉冲反射波设备的尝试并不理想，但是通过传输超声波脉冲速度的方法的使用仍然很成功并且在持续发展。各种超声波传播特征如速度、振幅、衰减、频率和能量可以用来确定性能,检测损伤和评估其严重性以及正确地校准数值模型来估计被监测混凝土结构的剩余使用寿命。如今,脉冲速度法科学界结构健康监测领域（SHM）取得了进一步的成功。现场测量数据被用来与参考数据相比较以便对材料的条件进行评估。这些测量数据的比率显示了材料的退化程度。尽管当前技术的大多数是基于在混凝土表面使用压电传感器,但人们特别注意到一种非常有前途的技术——把压电传感器嵌入到混凝土结构中。到目前为止的结果与传统的使用外部传感器超声波测试表现出很好的一致性。

由于混凝土结构的稳固增长表明结构退化的迹象，所以对现场测量需求很大，并且基础设施机构正在努力把建造新的混凝土结构转变为评估和修复现有的混凝土结构。很明显，对现有结构的混凝土强度和完整性的无误的评估需要可靠的工具，以便最合算的康复策略可以被采用。使用实时在线监测系统来降低检查成本和意外故障的风险是极其重要的。在这方面，本文主要提供一个概述并且在已经成熟的并且不断发展的超声波脉冲速度法和可用的或者最近在易用性、成本、可靠性和操作性能等框架中发展的无损检测法之间做一个对比研究。

2.历史背景

传统上，无损质量评估和混凝土的结构完整性已经在很大程度上通过目测和表面测深完成，就是指撞击混凝土表面和分析所得的声音的特性。目测和明显的局限性，例如只有在结构可接触的位置上宏观可见的损伤才能被检测到并且不能获得量化信息，这通常使它不能被称为无损检测法。使用声音技术来评估结构的完整性可能和人们对于结构完整性的兴趣一样古老和失败。19世纪70年代，瑞利勋爵通过作品《声学原理》在这个方向迈出了第一步，在这本书中，声波在气体、液体和固体中的行为得到解释。可以通过在不同材料块中传输超声波来测量材料的弹性常数值。

总的来说，超声波是一种频率大于人类听力范围上限20000赫兹的声波的应用。在像混凝土这样的胶凝材料中，低频率的超声波可以用来探测缺陷和损伤。皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟在1880年发现的正压电效应和李普曼在1881年发现的逆压电效应都对产生和接收超声波的传感器的设计是至关重要的。第二次世界大战加速了关于对混凝土使用超声波无损检测方法的研究。最初的关于混凝土质量评估方法（动态弹性模量计算）涉及到固定在混凝土上的两个接收器，是被Long B G 等人完成的。锤击是与接收器线同时应用并且用同步计时器来测量产生的引力波从第一行接收器传播到第二个接收机所需的时间。二十世纪四十年代末，英国的琼斯和加拿大的莱斯利和奇斯曼独立地对混凝土无损检测质量评估提出了颇为相似的超声波测试仪。琼斯研制了超声波混凝土检测仪，莱斯利和奇斯曼开发了脉冲超声波探伤仪。

脉冲式超声波探伤仪是面向裂纹检测、监测堤坝以及确定所采用的混凝土的动态弹性模量。它包含一个能发射穿透力高达15米的超声应力波的压电传感器。该设备的基本测量值为3％精确度的应力波的传输时间，而所接收的信号的幅度是次要的，因为传感器和混凝土之间的能量传递不受控制。帕克报道，最初使用脉冲式超声探伤仪主要是面向对为了检测受损区域测量大块混凝土上的脉冲速度而不是强度评估。仅仅基于脉冲速度测量，已受损混凝土的存在很容易被检测到。他还报道了一个早起的尝试，把脉冲速度和混凝土的抗压强度联系起来。他对四十六个包含相同骨料、不同类型的水泥、不同添加剂的不同混凝土混合物进行了测试。结果很早就揭露了使用脉冲速度直接估计混凝土强度的内在的不确定性。1967年，怀特赫斯特报道，在美国脉冲超声波探伤仪的使用已经被现场应用。对使用脉冲速度作为标准混凝土（表1）质量指标的粗略分级也出版了。

表1：根据脉冲速度的标准混凝土的质量分级

琼斯开发的混凝土超声波检测仪主要集中在混凝土路面质量的检测上。由于混凝土路面路径短，超声波仪可以在一个比脉冲式超声波探伤仪更高的频率上操作。根据期望的穿透性，高谐振频率的传感器（从60到20千赫兹）被开发和使用，并且应力波的传输时间可以在plusmn;2微秒内测量。此外，水与水泥之比、聚合类型和含量对脉冲速度的影响以及脉冲速度和抗压强度之间的关系也被研究。

直到1967年超声波脉冲速度法才成为美国官方检测方法并且美国材料和试验协会（ASTM）通过了莱斯利于1955年出版的测试方法。在欧洲，国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)于1969年公布了使用该方法测试混凝土的建议草案。在同一时期， 荷兰应用科学研究组织（TNO）的研究员开发了一种便携和容易使用的超声波脉冲速度设备。该便携式系统具有低的精确度，特别是在短路径长度的测量上，而且穿透能力有限。一种类似的被称为便携式超声无损数字指示测试仪的便携设备也被Elvery开发出来了。很明显，不仅在施工期间也在其整个服务寿命期间对混凝土结构进行现场测试已经成为一种增长的趋势。混凝土强度可靠性评估的失败会导致建筑物悲剧，例如1973年维吉尼亚天际购物中心倒塌以及1978年西维吉尼亚州柳树岛的冷却塔事故。后一个灾难凸显了新混凝土强度检测的重要性。有趣的是，自从十九世纪八十年代以来，数字电子和计算机的创新对混凝土的无损检测方法产生了积极影响。在实时监测系统的发展中，检验正本的降低和意外故障的减少开始成为主要支柱。近年来在这个方向，为了发展现场应用的基于超声波传播的完全自动化的结构健康检测(SHM)系统已经做出了很多努力。目前，许多研究团队部署和进一步开发主要使用表面贴附式传感器的超声波脉冲速度法。这种方法不仅可以用于混凝土结构缺陷检测，也可以水化监测。因为通过混凝土结构的高频波对被测混凝土结构的完整性没有任何副作用，所以超声波脉冲速度法是一种真正的无损检测技术。

3.超声波脉冲速度法

3.1 工作原理

当突然在固体表面上施加压力或冲击时，就会产生超声应力波。所产生的干扰以类似于声音在空气中传播的方式在固体中传播。多个参数，诸如类型和增强体密度、材料成分，内部缺陷的严重性和位置，力学性能和表面条件会影响应力波在混凝土中的传播。 基于这样的粒子振动的方式，超声波的各种模式都可以在固体中传播。纵波（压缩波）、剪切波（横波）和表面(瑞利)波都是超声波检测最广泛使用的传播方式。纵波是传播速度最快的波而表面波是速度最慢的波。在纵波中，粒子振动的方向和波传播的方向平行。在横波中，粒子振动的方向和波传播的方向垂直。瑞利波沿着固体表面传播并颗粒运动是垂直分量比水平分量大的椭圆形。超声波脉冲速度法最被广泛使用和接受的混凝土无损检测法因为它可以判定材料特性、检测缺陷和评估结构的完整性。测试系统通常包括一个高压脉冲发生器，一个放大器，和包括一个同步的电子计时器和一对相似的压电传感器的主控制单元（例如.发射器和接收器）。压电传感器可被当作用来产生超声应力波的驱动器（例如.发射器和作为用来来检测传播中的波的传感器（例如.接收器）。对于混凝土应用，典型的传感器通过用平均频率范围在20千赫到300千赫的波刺激压电盘来产生超声应力波。使用的应力波的波长应该和每个测试任务相适应。波长太长会忽略小的缺陷，从而产生一个很大穿透深度的信号；波长太小会引发传输波的严重衰减，从而产生一个对各种尺寸的缺陷敏感性很大但穿透深度小的信号。该系统的主控制单元应具有非常高的时间测量分辨率，至少1微秒。首先，主控制单元会产生一个短持续时间的低幅电压脉冲，然后利用高电压脉冲发生器进行放大（高达1000V）。然后，它会被引到发射机并且发射机会产生一个出发脉冲来开启开始测量传输时间T的同步电子计时器。高振幅尖峰状信号激励发射机在其谐振频率振动并且该振动通过与广泛的超声频率联系来激励材料并产生应力波。所产生的应力波通过材料传播并且被固定在到发射器距离为L的被测样品的另一面接的收器检测。然后接收器会产生另一个触发脉冲来触发电子计时器关闭。在被存储到系统的主控单元之前，接收机获取到的信号由放大器调节。

由于反射、折射和有骨料、气孔、钢筋以及沿着混凝土样本上传输路线发现的缺陷引起模式转换，所传输的超声应力波会产生部分信号的损失和散射噪声（图2）。应力波主要在被测混凝土样本的接合面处产生反射，在这里由材料的密度和波速（方程（1））确定的声阻抗发生改变：

Z=rho;c (1)

其中：rho;是材料密度，c是材料波速。

基于所测量的通行时间

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