水泥混凝土路面厚度、强度超声检测方法

水泥混凝土路面厚度和强度的超声波检测方法薛玉生(河南许昌市交通局质量监督站)摘要：研究了超声波检测水泥混凝土路面厚度和强度的信号处理方法，设计了宽带换能器，提出了水耦合法和声时综合处理法。现场测试实验证明，该系统能明显提高测试效率，厚度测量精度小于5%，强度测量精度小于7%。关键词：水泥混凝土路面；厚度；力量。超声波检测；信号处理路面是公路工程的重要组成部分之一。它直接承受和传递行驶车辆的载荷，保护路基免受各种自然因素的影响。20世纪90年代以来，中国水泥混凝土路面以前所未有的速度发展。目前，中国已成为世界上水泥混凝土路面里程最多的国家之一，水泥混凝土路面建设规模每年超过2.5万公里。根据我国大交通量、大轴重的运营和路面早期损坏情况，公路水泥混凝土路面设计规范 (JTG D402002)提出我国普通水泥混凝土路面最薄设计厚度为200mm，高速公路水泥混凝土路面最薄设计厚度为260 mm 公路水泥混凝土路面施工技术规范 (JTG F30-2003)根据可靠性理论提出水泥混凝土路面施工对弯拉强度准备的要求，希望能有效遏制重载下的早期快速损坏问题目前，我国水泥混凝土路面的强度和厚度普遍采用钻芯法检测。这种传统的损伤检测方法费时、费力、成本高且采样率低。此外，路面取样后需要进行修补，影响路面的各项质量指标，不适应高质量、高效率公路建设的要求。虽然超声波无损检测技术长期以来被应用于混凝土桥梁的质量检测，但是，在水泥混凝土路面检测中，由于只能采用超声波反射法，信号中的表面波、横波和反射波叠加在一起，反射声无法准确确定，因此，水泥混凝土路面厚度的超声波检测一直是国际难题。本文从宽带能量环行器入手，结合先进的数字处理方法，给出了一种有效的超声波反射信号初至识别方法，提高了水泥混凝土路面厚度的测量精度。1系统组成水泥混凝土路面厚度超声波检测系统主要由硬件部分和检测软件部分组成。硬件部分包括电源部分、传感器部分、同步振荡部分、同步接收部分、模数采集部分和计算机控制部分。如图1所示。在超声波检测过程中，超声波换能器发射控制电路主要产生标准宽度的高压脉冲，使换能器产生超声波。高压脉冲的幅度和宽度直接决定超声波信号的能量和宽度。在测量过程中，如果高压脉冲信号的宽度太窄且电压太低，将无法通过换能器获得稳定的超声脉冲。如果信号太宽或电压太高，超声波信号的余震会很长，影响使用精度。在实际应用中，应根据不同情况选择不同的激励电压和脉冲宽度。为了获得稳定的信号，还要求发射器电路具有更高的可重复性和准确性。在设计中，我们采用了自行设计的升压电路来获得稳定的脉冲宽度和高电压电平。接收电路是信号处理的前端，其频率响应宽度、信噪比和分辨率都由其决定。选择合适的接收器是采集电路中最关键的一步。如果频率响应范围太大，势必会增加成本或以其他方面为代价。频率响应范围太小，会造成信号失真，严重影响信号解释。为了与发射的频率响应范围一致模数转换电路是采集电路的核心，是与计算机的接口电路。其采样频率和采样次数直接决定了数据处理的频率和精度。我们在这里选择了10M和10位高速模数转换器件。发射电路主要由稳压电路、升压电路和触发电路组成。接收电路主要由放大电路、滤波电路、采样电路、保持电路、模数转换电路和接口电路组成。2解决方案的关键技术2.1宽带超声换能器的设计目前，普通超声波换能器普遍存在余震时间长的问题。在超声波透射检测中，由于横波速度慢，纵波首先到达，余震对纵波的初至时间影响不大。然而，在测量混凝土路面厚度时，这种方法被称为反射法，因为只有发射传感器和接收传感器可以同时设置在路面上。反射法厚度测量的原理如图2所示，透射法厚度测量的原理如图3所示。测量信号的理想反射方法如图4所示。在图4中，由于距离短，直达波首先到达。经过一定的时间间隔后，反射的纵波到达。反射纵波的到达时间就是我们需要的反射时间t。根据公式(1)，可以获得路面的厚度。(1)式中：V为超声波在被测混凝土中的传播速度；l是发射换能器和接收换能器之间的距离，根据反射波的到达时间可以得到路面厚度。宽带换能器的概念已经提出很久了。主要是指换能器在较宽的频率范围内具有相对平坦的幅度响应和线性相位响应，便于传输窄脉冲信号，因此具有相对较高的时域分辨率。本发明主要解决现有换能器余震长，难以识别反射波初至的问题。为了提高灵敏度和宽带特性，我们通过计算机仿真得到了最佳匹配参数，并在设计过程中依次进行了修正。图5示出了设计用于抑制余震的超声波换能器的零信号波形。从图5可以看出，新的宽带换能器基本上只有一个主波和一次余震，这是目前国内传感器难以达到的，基本上解决了常用换能器的长余震问题。这为混凝土厚度检测奠定了基础。2.2水耦合方法研究由于超声波信号在空气中的传播速度仅为346米/秒，在水泥混凝土中的传播速度为4000米/秒，相差10倍，必须解决换能器与水泥混凝土路面之间的耦合问题，否则将严重影响厚度检测结果。反射波到达时间的准确拾取一直是厚度测量和分析中的一个难题。常用的偶联剂包括黄油和凡士林。然而，黄油和凡士林的耦合方法不能增加反射信号的信噪比。本次研究采用水耦合方法，示意图如图6所示。水耦合法可以有效地抑制面波对反射波的影响。同时，由于声波在水和水泥混凝土中的传播速度相差很大，当反射波进入水中时，几乎垂直于换能器，使换能器接收到较强的垂直分量，横波的干扰被抑制，从而大大提高了测试效果。然而，为了实现水耦合传输，传感器必须悬浮在空气中。同时，由于水中的声速较慢，换能器的高度每次都必须保持不变。因此，我们设计了一种具体的固定框架水耦合实现方法。2.3声学时间测量方法的研究检测水泥混凝土路面强度和厚度的关键是准确识别反射波。经过反复的实验和研究，我们采用了以下有效的方法来识别反射波。(1)首先，路面的设计厚度一般是预先估算的(在一定范围内)。由于路面的直达波速度容易测量，如果用它来代替路面层的反射波速度，则根据反射波的运动特性，通过正演模拟可以得到路面层反射波的理论到达时间。然后，在波形图上反射波理论到达时间附近的范围内，找到反射波的真实跳跃点，可以大大缩小搜索范围。例如，当混凝土样品的厚度已知为26.5厘米时，直接纵波速度测量为4300米/秒，这被认为是反射纵波速度。当发射和接收距离为40 cm时，反射纵波的理论到达时间为154s；假设路面厚度误差为10厘米，相应的反射纵波理论到达时间分别为121s和194s。这样，反射波的搜索范围可以限制在121 Ps到194Ps。(2)通过频谱分析对原始信号进行滤波。(3)其次，采用等间隔的多重接受。由于两个接收点位置相近，接收到的两个信号波形在一定程度上是相似的，同一个地震相位的拐点到达值也是相似的，而随机干扰形成的拐点一般不会同时出现，可以排除。反射拐点可通过互相关法确定。(4)小波分析使我们能够将信号分解成它对时域(空间)和尺度的贡献。从这个意义上说，小波分析也可以称为多分辨率分析。我们用小波分析来确定反射波和面波叠加的起始位置。最后，通过综合分析得到反射波的初始位置。2，4多参数回归弯曲强度的研究(1)用声速估算混凝土强度超声波检测混凝土强度的基本依据是声速值与混凝土的弹性有关。弹性模量越高，声速值越高。因此，不同的混凝土有不同的声速值。混凝土的强度可以从测得的声速值推断出来。荷兰和罗马尼亚采用中国采用的声速和声强换算公式以及两个非线性数学公式，A和B为经验系数。(2)回弹法推断混凝土强度请参考交通部行业标准公路路基路面现场测试规程(JTJ 059-95)回弹仪检测水泥混凝土强度试验方法(T0954-95)的相关规定。一般来说，回弹法与混凝土抗折强度的相关性并不理想。然而，当与超声波声速结合时，湿度的影响可以得到补偿。(3)主频率和振幅混凝土路面的强度不同，其对超声波的吸收频率成分也不同。强度越低，混凝土内部对超声波中高频成分的吸收越强，反射波的主频越低。相反，强度越高，混凝土反射波的主频越高，因此，多参数回归可用于混凝土的抗弯强度f=g(v，N，f0)V超声波速度N回弹值F0频谱主频3测试结果根据现场设计的配合比，通过调整砂率和水灰比，在实验室设计了5种厚度。测试结果如表1所示。表1实验室混凝土试件厚度测试结果试样编号实际厚度厘米声速m/s当反射声音时s测试厚度厘米相对误差%1154 24073.3215.120.82204 15098.2019.96-0.23254 310119.0325.220.94304 180148.3330.581.25404 320190.0440.61.5在河南省许昌市S237省道共选取10个路段进行测试，并与岩心钻探法进行对比。测试结果如表2所示。结论根据实验室试验，多功能水泥混凝土路面检测系统测量厚度的最大误差不超过3%。根据S237水泥混凝土路面的超声波检测结果，水泥混凝土路面检测系统测得的厚度最大误差不超过4%，测得的强度最大误差不超过4%-1.34.825.157.0S237K0 46023.624.53.85.325.493.2S237K0 48026.225.2-4.05.675.934.6S237KO 50026.527.43.35.825.62-3.4S237K0 52026.225.5-2.86.055.86-3.1S237K0 54023.524.43.94.985.235.2S237KO 56025.225.82.45.575.37-3.6S237K0 58026.425.4-3.76.136.06-1.1S237K0 60025.726.32.26.726.26-6.8参考文献：薄珠武，混凝土路面强度和厚度无损检测的超声模拟。云南大学学报(自然科学版)，2000，22(工程测试专刊)。2程。混凝土强度超声波检测技术的发展J华中科技大