童壽興,伍根伙

(同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實驗室,上海 200092)

因超聲首波波幅不同而使聲時讀數(shù)值產(chǎn)生差異的現(xiàn)象在混凝土無損檢測界已成共識[1-2],但由此對混凝土強(qiáng)度測值影響程度的評價較少。筆者通過調(diào)節(jié)超聲波檢測儀的衰減器,實現(xiàn)對接收波首波在不同的波幅狀態(tài)下進(jìn)行聲時讀數(shù),嘗試用定量的方式分析超聲波首波波幅變化對混凝土聲速及其強(qiáng)度計算值的影響關(guān)系。在同一個試件上將所得的不同波幅的聲時值與聲程計算得到的聲速值,按測強(qiáng)公式換算成強(qiáng)度值,從提取的一系列首波波幅與強(qiáng)度對應(yīng)的關(guān)系數(shù)據(jù)中,得出用超聲法檢測混凝土?xí)r首波波幅對強(qiáng)度測值的影響程度。試驗表明,同一試件的首波在超聲儀調(diào)節(jié)不同的衰減器dB值時,由于首波波幅的差異而造成聲時測值延長或縮短的誤判,對混凝土強(qiáng)度值的計算將產(chǎn)生很大的誤差。

1 儀器

試驗采用CTS-25型非金屬超聲波檢測儀,換能器頻率50 k Hz,儀器讀數(shù)精度為0.1μs。超聲儀產(chǎn)生重復(fù)的電脈沖去激勵發(fā)射換能器,發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合進(jìn)入混凝土,在混凝土中傳播后被接收換能器所接收并轉(zhuǎn)換成電信號,電信號被送回至超聲儀,經(jīng)放大后顯示在示波屏上。試驗時記錄超聲儀測量超聲波傳播的時間、接收波首波振幅、衰減器dB值等參數(shù)。

2 試件與等壓裝置

所用的試樣全部為100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊,混凝土強(qiáng)度范圍10～60 MPa。從過去的經(jīng)驗得知：在檢測過程中需要保持穩(wěn)定的換能器壓緊力,這是保證試驗成功的必備條件,因此特采用了混凝土試塊的等壓裝置,它恰到好處地固定了換能器并保證了換能器與試件之間的良好耦合,在對同一塊混凝土試塊的檢測過程中,當(dāng)衰減器未經(jīng)調(diào)節(jié)的情況下,能使首波波幅一直處于穩(wěn)定狀態(tài),從而大大降低了聲時讀數(shù)的誤差。

3 試驗方法

試驗采用超聲縱波對測法進(jìn)行檢測,具體的操作方法和步驟如下：

(1)在換能器中心位置處涂抹適量黃油,使換能器和待測混凝土表面良好地耦合。通過等壓裝置以恒定壓力將發(fā)射換能器和接收換能器置于試塊的相對兩面,在測量過程中特制的橡皮條能使換能器與試塊良好地耦合并能一直保持在同一法線上,在等壓的狀態(tài)下得到穩(wěn)定的接收波信號。

(2)首先固定超聲檢測儀的發(fā)射電壓為200 V、衰減器為30 dB;調(diào)節(jié)增益,將首波的波幅調(diào)節(jié)到40 mm的高度時讀取聲時值。固定此時的增益,以后僅調(diào)節(jié)衰減器,將首波的波幅分別調(diào)節(jié)到30,20,10和5 mm的高度,讀取對應(yīng)的聲時值。

(3)當(dāng)首波波幅分別為30,20,10和5 mm的高度讀取的聲時值完成后,再繼續(xù)調(diào)節(jié)衰減器,分別將衰減值調(diào)節(jié)至25,20,15和10 dB狀態(tài)。衰減器dB值越小,波幅越大,此時接收波的首波波幅很大,都超過示波器的下邊緣范圍,無法讀出首波波幅的具體數(shù)值,僅讀取相對應(yīng)的聲時值即可。

(4)根據(jù)聲時值和聲程,計算不同波幅下各自的聲速值。并用超聲波檢測混凝土強(qiáng)度公式f=0.001 2v6.8808(公式源于1985年度上海市科技進(jìn)步二等獎獲獎項目,式中f,v分別表示混凝土強(qiáng)度和超聲波聲速)計算混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖1是某一塊混凝土試塊首波波幅分別調(diào)節(jié)為40,30,20和10 mm時的波形及聲時值。對于同一塊試塊在壓力相等的前提下,當(dāng)調(diào)節(jié)衰減器使首波形成不同波幅時,其聲時值產(chǎn)生了明顯的變化,由圖1可以清晰地看出被分別調(diào)節(jié)過的首波波幅與聲時測值的關(guān)系：即首波波幅越小,聲時值讀數(shù)越大。

4 結(jié)果與討論

圖1 同一試塊不同首波波幅時的波形與聲時值

對一系列的混凝土試塊進(jìn)行了超聲波檢測。試驗時首先將超聲波檢測儀的衰減器調(diào)至30 dB,再調(diào)節(jié)增益旋鈕,使其首波波幅達(dá)到40 mm,此即為各試塊的基準(zhǔn)起始狀態(tài)。以此為基準(zhǔn),逐步增大衰減值,將首波波幅分別調(diào)至30,20,10和5 mm,記錄對應(yīng)的聲時讀數(shù)。然后將衰減值逐步減小為25,20,15和10 dB,此時首波波幅增大超出了示波器熒光屏的顯示范圍,雖然波幅值無法具體檢出,但可記錄下不同衰減值時對應(yīng)的聲時讀數(shù)。全部試塊均遵循該步驟,每塊試塊能獲得9組數(shù)據(jù)。以其中一塊試塊為例參見表1。

表1 不同首波波幅的試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明,首波波幅對混凝土強(qiáng)度測值的影響很大,同一試塊因首波波幅不同,其強(qiáng)度測值之間存在極大偏差。首波波幅高低變化與強(qiáng)度測值有著明顯的規(guī)律：首波波幅越小,聲時值越大,即聲速值越低,強(qiáng)度越小;反之,首波波幅越大,聲時值越小,即聲速值越高,強(qiáng)度越大。綜合分析所有混凝土試塊的超聲波檢測的結(jié)果表明,混凝土強(qiáng)度越低,其相對誤差越大：當(dāng)試驗最低混凝土強(qiáng)度為17.5 MPa時,分別調(diào)節(jié)首波波幅為5 mm～超屏顯(十分陡峭),同一試塊的強(qiáng)度偏差(表1)為-42.3%～59.4%,其強(qiáng)度測值的平均相對誤差達(dá)到了30.3%;當(dāng)混凝土強(qiáng)度較高,在30～60MPa范圍時,首波波幅對強(qiáng)度測值的影響程度較低強(qiáng)度混凝土減小,同一試塊的強(qiáng)度測值其平均相對誤差約在20%左右。

5 結(jié)論

(1)在試驗方案的制定中,設(shè)計采用了混凝土試塊的等壓裝置,它恰到好處地固定了換能器并保證了換能器與試件之間的良好耦合,并在整個試驗過程中能一直處于穩(wěn)定等壓狀態(tài),為試驗提供了必不可缺的關(guān)鍵條件。

(2)模擬型超聲儀測到的聲時測值隨著首波波幅值逐漸變小而不斷增大,同時聲速值的減小造成由此換算而得的強(qiáng)度值的偏小;反之亦然。聲速值的增大則強(qiáng)度偏大。

(3)由超聲首波波幅的差異引起的混凝土強(qiáng)度換算值的誤差與混凝土的強(qiáng)度等級有關(guān)?；诒驹囼?當(dāng)首波波幅為5mm～超屏顯檢測方法的統(tǒng)計結(jié)果,對小于20MPa的低強(qiáng)度混凝土影響程度很大,同一試塊的強(qiáng)度平均相對誤差超過30%;對30～60MPa的較高混凝土強(qiáng)度測值的影響程度要較小一點(diǎn),平均相對誤差約在20%左右。

(4)超聲首波幅度的取值與強(qiáng)度測值密切相關(guān)。對于混凝土超聲波對測法來說,模擬型超聲儀通常應(yīng)取首波波幅為40mm時讀取聲時值,這是必須嚴(yán)格遵守的規(guī)則。在聲時值的測量中隨意設(shè)定首波波幅必然導(dǎo)致強(qiáng)度值的換算誤差,這在超聲試驗和工程檢測中都應(yīng)受到重視。

[1]吳慧敏.結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場檢測技術(shù)[M].長沙：湖南大學(xué)出版社,1988：66-67.

[2]童壽興,伍根伙.超聲波首波波幅差異與聲時測量值的關(guān)系研究[J].無損檢測,2010,32(5)：367-369.