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空气耦合冲击回波和红外热像无损检测桥梁

Seong-Hoon Kee1; Taekeun Oh2; John S. Popovics,M.ASCE3;

Ralf W. Arndt4; and Jinying Zhu, A.M.ASCE5

摘要：双无损检测方法、空气耦合冲击波和红外热成像技术在一个全尺寸模拟钢筋混凝土桥面板中的模拟脱层和裂纹缺陷进行了评价。冲击回波的数据作为二维频率图和光谱扫描线。在混凝土表面的温度分布图的红外数据。对检测到的分层的横向边界也在图像显示。从每个单独的无损检测方法得到的结果显示合理的良好的协议与大多数实际的缺陷，每个方法的优点和局限性进行了讨论。每个方法的一致性和灵敏度也进行了研究。最后，一个简单的数据融合技术，提出了提高个人测试数据的有效性。从本研究结果表明，结合空气耦合工业工程和红外热像仪测试是原位评价的一致和快速的现实选择钢筋混凝土桥面。DOI:10.1061 /(第3期)be.1943 - 5592.0000350。copy;2012美国土木工程师学会。

CE数据库主题词:非破坏性试验；分层；混凝土桥梁；桥面；热因素

作者关键词：非破坏性试验；分层；空气耦合冲击回音；红外热感应；数据融合；混凝土桥面

（一）介绍和目的

混凝土在民用基础设施系统是容易因各种机制恶化，钢筋混凝土（RC）的桥面是早期恶化特别敏感，并且通常必须在整个桥结构的寿命进行修理或更换数次。在冬季适用的特定情况下，氯基除冰剂作出了显著的贡献，以钢筋混凝土桥面的恶化。甲板劣化表现为各种缺陷（例如，开裂，缩放和脱层）具有不同的严重程度。影响混凝土桥甲板的使用寿命的最严重的问题是一个分层，这是一个薄裂化区即直接位于甲板内的钢筋垫之上的形成。分层的存在可能会导致破坏运作模式及该结构进一步恶化（例如，产生纵裂纹和剥落），并在某些情况下，威胁公众的安全。

基础设施管理机构在美国把相当一部分施工预算,每年超过20亿美元,混凝土桥甲板的维修(科赫内皮素 铝 . 2002年)。与有限资源最大化工作效率,维护操作通常是优先基于预期的结构现状。在大多数情况下甲板条件评估主要依赖视觉检查和测深(链拖锤)与一些有限的破坏性测试;例如,核心的抽取。然而,只提供表面形成视觉检查,结果取决于人员的经验(摩尔内皮素 铝 . 2001年)。此外,视觉检查并不是有效的识别分层隐藏在混凝土桥甲板。电测深法在本质上是主观的,需要有经验的人员获得准确的结果。破坏性测试,如核心提取可以提供具体条件的详细信息;然而,他们是劳动密集型的,耗时的,不能无所不在地应用在大面积的结构。因此,无损检测(NDT)方法,它可以应用迅速,无所不在地跨桥面结构,找到很多实用程序。明智的无损检测方法的应用可以帮助确定检查的最佳时间和康复的总成本最小化的维护和服务中断。几个建立大桥通常应用于无损检测方法,包括冲击回波(IE)、红外(IR)温度记录,地质雷达(GPR),和测深(拖链)。这些方法有一定的优点和缺点(ACI 1998)。IE的主要优点是灵敏度高,内部分层的存在和它的根本基础,是植根于具体甲板材料的力学行为。红外的主要优势是它提供了一个细致的桥面表面的图像,它提供了一个理想的测试条件下准确描述近地表的分层位置、面积大小和形状。

（二）背景介绍

本研究的目的是提高无损检测方法评估钢筋混凝土桥甲板。两个更有前途的无损检测方法研究混凝土桥甲板,空气耦合和红外温度记录。作者部署空气耦合测试使用一个空气耦合式传感配置,它消除了传统空气耦合式方法的一些缺点,并试图找到提高无损检测性能通过简单的数据融合的两种技术。数据融合的概念是基于以下几点:

⑴收集数据从独立的无损检测方法；

⑵从每个数据集,提取最可靠的结果；

⑶这些结果合并成一套的结果数据，简要介绍每个无损检测方法。

（三）冲击回波无损检测方法

即是一种广泛使用的无损检测方法,它已被证明是有效的在检测分层光(没有沥青过捻)混凝土结构(Sansalone Tawhed和Gassman 2002;1996;朱和瑞尔2007)。即是一种机械波方法基于层状的结构的瞬态振动响应受到机械的影响。机械影响生成体波(P波,或纵向波,和S波,或横向波),导波和表面(如。瑞利面波)在固体材料。海浪把反映和制作的身体最终建立集固体材料内的无限振动共振模式(托尔斯泰和Usdin 1953)。固体结构的瞬态响应时间测量接触传感(如。位移传感器、加速度计)安装在接近表面的影响源。傅里叶变换(时间信号的振幅谱)将显示最大值(山峰)在特定的频率,代表特定的共振模式。两种振动模式与本研究相关的厚度拉伸模式和弯曲鼓模式。厚度拉伸模式家庭通常占主导地位的光谱响应层状的结构,不包含任何近地表的缺陷。在这种情况下,基本的频率厚度拉伸模式(也称为,即频率:5)可以与板的厚度有关。了解混凝土的纵波速度Cp、板厚度H 冲击回波的频率f_IE:

beta;校正系数从0.945到0.957的正常范围内混凝土(吉布森和瑞尔2005)。校正系数是基于弹性动态效应与S1兰姆波群速度为零的模式,这取决于泊松比。厚度拉伸模式也可能占据了光谱响应测试时进行相对较深缺陷或分层。然而,弯曲模式倾向于主导光谱响应测试时进行浅(近地表)缺陷或分层。这些模式通常比拉伸模式有更低的频率。不幸的是,一个简单的解析表达式,与缺陷深度的基本弯曲频率尚未建立,因为这个频率值取决于板几何形状和边界条件。尽管这个问题,即测试数据提供有价值的信息关于分层在混凝土板的存在;区域显示的主要响应频率相对较低的值可能会浅上方的分层缺陷,虽然不能直接估计缺陷的深度。

然而,在实践中一些基础设施工程师不愿意冲击回波应用于钢筋混凝土桥甲板,因为测试速度相对较慢和不一致的耦合条件时遇到传统接触传感器使用。对这个问题的一个有效的解决方案是使用非接触式传感器。激光振动计和空气耦合式声学传感器(麦克风)被用于此目的。激光振动计必须克服许多实际的挑战,如设备成本高,无法探测波在粗糙的混凝土表面,和不同环境光条件才能被广泛部署。相比之下,空气耦合式传感器已成功用于测量漏表面波(朱和瑞2005;Ryden 内皮素 铝. 2008;凯和朱2010;在内皮素 铝 . 2009年)和羊肉波(朱和瑞尔2007;荷兰和奇门蒂2003)在混凝土和其他固体材料。最近,空气耦合式传感器被证明是工作在一个IE测试设置评估各种缺陷(分层与各种大小和深度和体积缺陷)在混凝土板在实验室(2007年朱镕基和瑞尔)。然而,到目前为止空气耦合式冲击回波测试仅限于实验室标本。

（四）红外热成像无损检测方法

红外测温术利用随温度而变的电磁阀表面辐射红外波长探测地下的缺陷。红外测温术的应用分为两个类别,被动和主动,这取决于使用的热源。被动温度记录表面温度的分布及其相关热源只有由函数定义的组件本身和它的自然环境(盖尔和阿恩特1993),而且通常只有一个数据集在特定的时间。热流通过组件可以由稳态傅里叶描述方程：

beta;温度和x,y,和z beta;空间坐标。在活跃的温度记录温度梯度是由用户生成的,和随后的补偿过程监控在相关时间内允许定量表征缺陷的大小和深度。热流是瞬态受傅里叶方程：

比热容、密度、能源介质、热导率。

被动红外温度记录的主要优点是它允许全球表面温度分布的可视化精度高和速度没有残疾的深度信息。另一方面,积极的温度记录可以提供深度信息和由边界条件的影响较小。然而,更多的时间和成本。一种被动红外温度记录已成功应用于分层检测的桥甲板利用循环太阳能照亮了甲板上。1988年该方法标准化在ASTM D4788(ASTM 1997)。在这项研究中,使用修改后的方法,利用夜间冷却效果和通过定期测量。虽然一种被动温度记录,不稳定的热流可以描述傅里叶Eq。

（五）实验程序

5.1样品制备

图1所示，钢筋混凝土桥面标本:(a)计划的标本显示出缺陷的位置和测试网格名称(详细信息如表1所示);(b)截面视图(一)标本(浅分层由实线表示,深分层由虚线表示,名义栅格间距0.305米(1英尺)在两个方向)。

模拟桥面部分是德克萨斯大学埃尔帕索分校准备,作为一个研究项目的一部分,比较无损检测技术检测混凝土桥面恶化。作者应用各自的无损检测技术在这个测试网站。然而,验证通过破坏性的手段()的实际大小,位置和条件模拟的缺陷在甲板上是不允许的。部分由一个具体的甲板和三个支持混凝土梁,如图1所示。具体的甲板长度宽度3深度尺寸6.09米(20英尺)3 2.436米(8英尺)3 0.216 m(8.5),这是足以模拟全面RC桥部分。此外,桥面板建成两个垫的裸露的钢筋在60毫米(2.5 -)和150毫米(6)深度,分别。每个钢筋垫由5号钢筋间距为200毫米(8)在横向方向上和250毫米(10)在纵向方向。德州交通部(TxDOT)类S混凝土混合料用于甲板施工,由TxDOT广泛应用于桥面施工。混合设计的最低28天抗压强度28 MPa(4000 psi)。甲板板是扫帚完成对粗糙表面和水治好了铸造后7天。实际测量28天强度高于35 MPa(5000 psi)。

模拟甲板设计包含的分层(各种材料被用来模拟分层缺陷)插入泡沫碎片或聚酯织物不同大小和在两个不同的深度,浅分层在60毫米(2.5 -)深度和深度分层在150毫米(6)深度。模拟垂直裂缝也建在甲板上之前插入纸板件浇注混凝土。图1(a)展示了这些缺陷的水平分布的完满地建在甲板板。详细信息表1中提供的缺陷。在图1(a)和表1,DL表示分层和CK表示垂直裂缝。此外,天然垂直裂缝观察周围的甲板板两周后建设网格点我。

表1 详细信息的分层缺陷在a修改后混凝土试件

5.2空气耦合式冲击会波设备

两套原型空气耦合式冲击回波测试设备是分开坝镇伊利诺伊大学和德克萨斯大学。空气耦合即测试设备开发的伊利诺伊大学(称为原型)是图2所示(一个)。原型包含五个无防御的动态(非机动的)传声器(模型:SM58美国舒尔,Inc .),安装到一个小轧车水平安装框架。麦克风有平坦的频率响应从50 Hz 15 kHz,名义上的敏感性为1.85 mV / Pa 1 kHz。18-mm-直径(3/4-in.-直径)钢球作为源的影响。帧位置的麦克风150毫米(6)横向间距,它们大约12毫米(1/2)甲板表面之上。麦克风被连接到一个多通道模拟/数字转换器(a / D)(6259NI-USB) 1 MHz的总采样频率和4 ms持续时间。数字化数据被提供给笔记本电脑运行数据采集程序在MATLAB平台。一个独立的交流供电单元驱动的计算机和A / D转换器。所有的测试设备进行了购物车,可以很容易地沿着甲板上表面。两人需要操作的原型,一个操作数据采集设备和其他应用在每一个测试位置影响的事件。

图2所示,空气耦合式冲

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