基于聲發(fā)射技術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)射技術定位缺陷的基本依據(jù)

1.1 聲發(fā)射技術理論基礎

在斷裂時，裂紋出現(xiàn)與應變能釋放。由于微裂紋的結果，一些所存儲的應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，所述結構經(jīng)受應力和產(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)，從而進行進一步的分析。

圖1 聲發(fā)射波應力激發(fā)手段示意圖

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

圖2 兩類無損檢測技術示意圖

1.2 幾種形態(tài)裂縫聲發(fā)射對應狀態(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)生的標志。兩類裂紋分類方法用于通過聲發(fā)射技術對混凝土裂縫的力學類型分類已行之有年。聲發(fā)射技術具有檢測聲發(fā)射傳感器靈敏度范圍內(nèi)的復雜裂縫的能力，這也使實時監(jiān)測具有可行性，因為聲發(fā)射信號作為檢測裂紋產(chǎn)生的標志。聲發(fā)射技術不需要主動加載或加應力波對樣本進行激勵或激發(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，它是測試實際荷載條件下結構，而不受該結構的正常工作的干擾，記錄可能的出現(xiàn)故障的非常有用的技術。

損壞的方式是不可預見的，由于傳播途徑和衰減無法事先預知。這可能會導致聲發(fā)射信號以低幅值到達換能器，并且導致系統(tǒng)無法識別該信號，因為它可能被環(huán)境噪聲影響。傳播會在觸發(fā)電平以下衰減信號，導致信號缺失，而發(fā)生多個聲發(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，采集時間段的不可預測性。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測性導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)電機組。當獲取聲發(fā)射信號時，結構與損傷特征對聲發(fā)射的關系需要指定。

圖3 三種類型裂縫的聲發(fā)射圖

2 混凝土路面聲發(fā)射實驗

2.1 試件準備

在信號為基礎的方法，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，更好的傳感器以及更高的計算資源都需要采集。這也被稱為基于波形分析。這種技術具有的能力，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，圖示化的軟件進行后處理，可以用來對數(shù)據(jù)進行分析。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現(xiàn)時間-頻率分析方法，如短時傅立葉變換(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系，速度試驗。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?；炷僚浜媳瓤稍诒?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 實驗過程

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傳感器的速度時是固定的。傳感器2與聲發(fā)射源和鉛筆移動到的位置在從聲發(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。四個點每個距離的測試。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，使用兩個傳感器的起始時間之差實現(xiàn)計算。

圖4 斷筆實驗

3 混凝土中聲發(fā)射試驗計算結果分析

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系進行了調(diào)查。鉛筆芯斷測試越接近傳感器1，聲發(fā)射信號計數(shù)衰減越嚴重。如圖5中所示，當確定了水灰比，隨著距離的增加，骨料粒徑越大，聲發(fā)射信號幅度和計數(shù)降低。例如，當水灰比為0.55，最大骨料粒徑為25 mm，幅度和計數(shù)分別減少26.7%和32.4%。最大骨料尺寸為4.75 mm時，振幅和數(shù)量分別減少了16.7%和24.1%。當最大骨料粒徑大小確定時，隨著距離的增加，水灰比越大，幅值和計數(shù)越小。例如，當最大骨料粒徑為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%；當水灰比為0.5時，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數(shù)和幅度圖

4 結 論

當水灰比確定之后，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)，更多毛細孔將由此產(chǎn)生。在一方面，這相當于增加了聲發(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。以上綜合將導致，平均波速度降低。