超聲有限幅度法檢測混凝土孔洞缺陷

陳　軍，黃　燦，王　豪

(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063;

2.北京航空航天大學 交通科學與工程學院, 北京 100191)

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超聲有限幅度法檢測混凝土孔洞缺陷

陳軍1,2，黃燦2，王豪2

(1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063;

2.北京航空航天大學 交通科學與工程學院, 北京 100191)

摘要：超聲有限幅度法是用超聲波在受損材料中傳播時產生的高次諧波與材料非線性參數的關系，來檢測材料損傷的方法，其在材料的微觀損傷檢測中已有較成熟的應用。用有限幅度法檢測含有不同大小孔洞缺陷的混凝土試塊，檢測結果表明，非線性參數能反映出混凝土孔洞缺陷的大小。

關鍵詞：有限幅度法；非線性超聲技術；混凝土;孔洞缺陷

混凝土在澆注過程中產生的內部孔洞缺陷會極大地影響混凝土的承載力，尤其是復合材料[1]更是如此，如鋼板混凝土、鋼管混凝土等鋼-混凝土粘結界面上的孔洞，對結構的整體力學性能影響更大。因此對混凝土的孔洞缺陷進行無損檢測有著極其重要的意義。混凝土的無損檢測方法主要有回彈法、雷達法、沖擊回波法及超聲波法等[2]。回彈法最為常用，但只能測得混凝土表面強度；雷達法可以定位混凝土內部缺陷，但儀器昂貴，且受鋼筋低阻屏蔽影響非常大；沖擊回波法可測得混凝土內部缺陷及混凝土構件的厚度，但對混凝土內部縱向尺寸較小的缺陷體的下界面卻難以分辨；超聲波、聲波檢測方法具有穿透能力較強，檢測設備簡單，操作方便，檢測成本低等優點，在工程上已經得到廣泛應用，尤其在混凝土大壩、橋墩、灌注樁等大體積混凝土結構的質量檢測中應用更廣。傳統的線性超聲檢測技術主要根據聲時和聲速，或波的反射、散射和能量的吸收、衰減等來確定缺陷的位置與大小,可以測得數十厘米以上的較大缺陷[3];但對于較小的孔洞，例如鋼板與混凝土粘結界面上的蜂窩面，其檢測精度和可靠性都很難保證。而非線性超聲在微觀缺陷檢測上有很高的精度，但由于要對接收信號進行頻譜分析，很難從接收的信號上判斷缺陷的位置，目前多用于評價材料結構的微觀變化。筆者采用了一種非線性超聲方法——有限幅度法來檢測孔洞缺陷，并盡可能貼近工程實際制作了較大尺寸的混凝土試塊，證明了非線性參數能反映出混凝土的孔洞缺陷的大小。

1超聲有限幅度法原理

從19世紀60年代開始，國外開始出現利用聲學非線性效應對材料性能進行無損評價的試驗[4]。有試驗發現:頻率為f的超聲波在傳播一段距離后，材料損傷產生的聲學非線性的影響會使頻率的分布產生變化，導致高階諧波的產生，即會產生2f和3f的高頻成分[5-6]。根據這種現象，利用有限振幅聲波在材料中傳播時，介質或微小缺陷與其相互作用的非線性效應，實現材料性能評估和微小缺陷的檢測，稱為有限幅度法[7-8]，通常可以使用它來觀測諧波的產生[9-12]。

大部分材料在應力與應變成非線性關系時，材料非線性特征可在本構關系中引入二階模量，有：

(1)

式中:E為一階材料常數;β為二階非線性系數；σ為應力;ε為應變。

理論研究表明，二階非線性系數對材料出現的微損傷極為敏感，這在金屬材料和混凝土材料中已得到大量試驗證實[13-17]。

將材料的非線性本構方程代入一維波動控制方程，得到的非線性波動方程表示為：

(2)

式中:c為一維波的相速度,其與材料的彈性模量E和密度ρ有關。

(3)

若方程的初始條件為：

(4)

式中:τ=t-x/c。

則可求得波動方程的近似解為：

(5)

式中:A0為基波幅值。

設二次諧波幅值為A2,即可得到：

(6)

則二階非線性系數為:

(7)

實際測試中k與x為定值,諧波幅值比非線性參數β的變化情況為:

(8)

通過測得β來表征材料損傷，這就是基于二次諧波產生的有限幅度法測量非線性的基本原理。

2試驗過程

2.1試塊的制備

為了保持試塊的一致性，研究不同大小孔洞對非線性參數的影響，并盡可能模擬鋼板混凝土界面上的孔洞，制作了尺寸為450 mm×350 mm×120 mm的板狀混凝土試件(見圖1)。混凝土采用強制式攪拌站拌和，灑水覆膜養護，經測試其28天立方體抗壓強度為37 MPa。為排除超聲波探頭和試塊接觸面上的干擾，試塊養護結束后，對上表面進行打磨拋光。

將試件450 mm×350 mm的表面平均劃分為4個區域，每個區域鉆出4組模擬孔洞，第一組為1個直徑8 mm的圓孔洞,第二組為2個直徑8 mm的圓孔洞,第三組為3個直徑8 mm的圓孔洞，第四組為4個直徑8 mm的圓孔洞，確保每組孔洞均分布在接收探頭探測尺寸內，深度約1 cm。

圖1　混凝土孔洞試件外觀

圖2　探頭夾具和彈簧外觀

為了減少各組試驗超聲波探頭之間壓力大小的差異，同時排除探頭夾具產生的偏心壓力，制作了絲徑10 mm的強力彈簧，安裝在木制探頭夾具中(見圖2)。

圖3　有限幅度法測混凝土孔洞缺陷試驗系統

2.2基于有限幅度法的試驗步驟

根據有限幅度法的理論，設計了如圖3所示的試驗系統。

試驗中測量混凝土非線性參數β的基本步驟為：

(1) 調節信號發生器(RIGOL DG1022)，依次產生10組不同頻率均為25 kHz的正弦信號，通過信號放大器(KROHN-HITE 7500)放大10倍后，用中心頻率為25 kHz的發射探頭發射聲波并在試件中傳播，由中心頻率為50 kHz的接收換能器接收，接收到的信號用數字示波器(TEKTRONIX DPO2014)收集并存儲。

圖4　混凝土孔洞試件波形時域

圖5　混凝土孔洞試件波形頻域

圖6　混凝土孔洞試件線形擬合斜率β

3試驗結果與分析

3.1有限幅度法的結果

用均勻涂抹了耦合劑的接收探頭覆蓋在制作的各組孔洞上，形成若干個直徑8 mm，深度1 cm的空氣囊，模擬混凝土在澆注中產生的氣泡(或鋼板混凝土界面將產生的孔洞缺陷)。其各組孔洞投影面積與接收探頭接觸面的比例如表1所示。

表1　孔洞投影面積與接收探頭接觸面的比例

各組孔洞通過有限幅度法測得的非線性參數β如表2所示。

表2　混凝土孔洞試件非線性參數β

圖7　歸一化處理后不同孔洞比例線性擬合圖

圖8是用試驗測得的β平均值與孔洞投影面積比例建立的關系，并進行線性擬合，可以直觀地看出其變化規律。

圖8　非線性參數β與孔洞投影面積比例關系

3.2與超聲波衰減法作對比

利用超聲波在混凝土中傳播的衰減可以大致判斷混凝土的缺陷情況，常用于檢測工程實際中混凝土構件的質量。用超聲波衰減法檢測，表3是相同幅值的超聲波通過試件后接收到的超聲波強度，可以看出數據離散性很大，其算術平均值有著隨孔洞投影面積增大，超聲波衰減加大的規律;但由于孔洞體積較小，超聲波強度測試中誤差較大，數據較為離散。

表3　相同幅值的超聲波通過試件后接收到的

圖9是超聲波衰減法測得的平均幅值與孔洞投影面積比例的關系曲線。可以看出，通過有限幅度法來檢測混凝土的孔洞缺陷更為敏感和準確。

圖9　平均幅值與孔洞投影面積比例的關系

4結論

運用有限幅度法檢測混凝土中的孔洞缺陷，研究了孔洞投影面積比例與非線性參數的相互關系。結果表明，在接近工程實際的較大體積混凝土上，孔洞正投影面積較小時，非線性參數能敏感地反映出混凝土的孔洞缺陷大小。當孔洞投影面積比例增大時，非線性參數明顯增大。

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Characterization of Concrete Hole Defects by Ultrasonic Finite Amplitude Method

CHEN Jun1,2, HUANG Can2, WANG Hao2

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China;2.School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract：The finite amplitude method is a nonlinear ultrasonic technique that uses the relation of higher order ultrasonic harmonics with nonlinear parameters of damaged materials and structures for the characterization of material defects, which has been more often used in material microscopic damage diagnostics. The finite amplitude method is used in detecting concrete with different sizes of holes. The results show that the nonlinear parameter can sensitively reflect the extent of the hole defect.

Key words:Finite amplitude method; Nonlinear ultrasonic technique; Concrete; Defect characterization

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0026-04

DOI:10.11973/wsjc201601007

作者簡介：陳 軍(1979-),男,副教授,博士,主要從事材料無損檢測和結構健康監測的研究工作。

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51308020);國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2014CB047003);教育部博士點基金資助項目(20121102120034)

收稿日期：2015-06-03