超声波首波波幅对混凝土强度测值的影响

童寿兴,伍根伙

(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 200092)

因超声首波波幅不同而使声时读数值产生差异的现象在混凝土无损检测界已成共识[1-2],但由此对混凝土强度测值影响程度的评价较少。笔者通过调节超声波检测仪的衰减器,实现对接收波首波在不同的波幅状态下进行声时读数,尝试用定量的方式分析超声波首波波幅变化对混凝土声速及其强度计算值的影响关系。在同一个试件上将所得的不同波幅的声时值与声程计算得到的声速值,按测强公式换算成强度值,从提取的一系列首波波幅与强度对应的关系数据中,得出用超声法检测混凝土时首波波幅对强度测值的影响程度。试验表明,同一试件的首波在超声仪调节不同的衰减器dB值时,由于首波波幅的差异而造成声时测值延长或缩短的误判,对混凝土强度值的计算将产生很大的误差。

1 仪器

试验采用CTS-25型非金属超声波检测仪,换能器频率50 k Hz,仪器读数精度为0.1μs。超声仪产生重复的电脉冲去激励发射换能器,发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土,在混凝土中传播后被接收换能器所接收并转换成电信号,电信号被送回至超声仪,经放大后显示在示波屏上。试验时记录超声仪测量超声波传播的时间、接收波首波振幅、衰减器dB值等参数。

2 试件与等压装置

所用的试样全部为100 mm×100 mm×100 mm混凝土试块,混凝土强度范围10～60 MPa。从过去的经验得知：在检测过程中需要保持稳定的换能器压紧力,这是保证试验成功的必备条件,因此特采用了混凝土试块的等压装置,它恰到好处地固定了换能器并保证了换能器与试件之间的良好耦合,在对同一块混凝土试块的检测过程中,当衰减器未经调节的情况下,能使首波波幅一直处于稳定状态,从而大大降低了声时读数的误差。

3 试验方法

试验采用超声纵波对测法进行检测,具体的操作方法和步骤如下：

(1)在换能器中心位置处涂抹适量黄油,使换能器和待测混凝土表面良好地耦合。通过等压装置以恒定压力将发射换能器和接收换能器置于试块的相对两面,在测量过程中特制的橡皮条能使换能器与试块良好地耦合并能一直保持在同一法线上,在等压的状态下得到稳定的接收波信号。

(2)首先固定超声检测仪的发射电压为200 V、衰减器为30 dB;调节增益,将首波的波幅调节到40 mm的高度时读取声时值。固定此时的增益,以后仅调节衰减器,将首波的波幅分别调节到30,20,10和5 mm的高度,读取对应的声时值。

(3)当首波波幅分别为30,20,10和5 mm的高度读取的声时值完成后,再继续调节衰减器,分别将衰减值调节至25,20,15和10 dB状态。衰减器dB值越小,波幅越大,此时接收波的首波波幅很大,都超过示波器的下边缘范围,无法读出首波波幅的具体数值,仅读取相对应的声时值即可。

(4)根据声时值和声程,计算不同波幅下各自的声速值。并用超声波检测混凝土强度公式f=0.001 2v6.8808(公式源于1985年度上海市科技进步二等奖获奖项目,式中f,v分别表示混凝土强度和超声波声速)计算混凝土的抗压强度。

图1是某一块混凝土试块首波波幅分别调节为40,30,20和10 mm时的波形及声时值。对于同一块试块在压力相等的前提下,当调节衰减器使首波形成不同波幅时,其声时值产生了明显的变化,由图1可以清晰地看出被分别调节过的首波波幅与声时测值的关系：即首波波幅越小,声时值读数越大。

4 结果与讨论

图1 同一试块不同首波波幅时的波形与声时值

对一系列的混凝土试块进行了超声波检测。试验时首先将超声波检测仪的衰减器调至30 dB,再调节增益旋钮,使其首波波幅达到40 mm,此即为各试块的基准起始状态。以此为基准,逐步增大衰减值,将首波波幅分别调至30,20,10和5 mm,记录对应的声时读数。然后将衰减值逐步减小为25,20,15和10 dB,此时首波波幅增大超出了示波器荧光屏的显示范围,虽然波幅值无法具体检出,但可记录下不同衰减值时对应的声时读数。全部试块均遵循该步骤,每块试块能获得9组数据。以其中一块试块为例参见表1。

表1 不同首波波幅的试验结果

试验结果表明,首波波幅对混凝土强度测值的影响很大,同一试块因首波波幅不同,其强度测值之间存在极大偏差。首波波幅高低变化与强度测值有着明显的规律：首波波幅越小,声时值越大,即声速值越低,强度越小;反之,首波波幅越大,声时值越小,即声速值越高,强度越大。综合分析所有混凝土试块的超声波检测的结果表明,混凝土强度越低,其相对误差越大：当试验最低混凝土强度为17.5 MPa时,分别调节首波波幅为5 mm～超屏显(十分陡峭),同一试块的强度偏差(表1)为-42.3%～59.4%,其强度测值的平均相对误差达到了30.3%;当混凝土强度较高,在30～60MPa范围时,首波波幅对强度测值的影响程度较低强度混凝土减小,同一试块的强度测值其平均相对误差约在20%左右。

5 结论

(1)在试验方案的制定中,设计采用了混凝土试块的等压装置,它恰到好处地固定了换能器并保证了换能器与试件之间的良好耦合,并在整个试验过程中能一直处于稳定等压状态,为试验提供了必不可缺的关键条件。

(2)模拟型超声仪测到的声时测值随着首波波幅值逐渐变小而不断增大,同时声速值的减小造成由此换算而得的强度值的偏小;反之亦然。声速值的增大则强度偏大。

(3)由超声首波波幅的差异引起的混凝土强度换算值的误差与混凝土的强度等级有关。基于本试验,当首波波幅为5mm～超屏显检测方法的统计结果,对小于20MPa的低强度混凝土影响程度很大,同一试块的强度平均相对误差超过30%;对30～60MPa的较高混凝土强度测值的影响程度要较小一点,平均相对误差约在20%左右。

(4)超声首波幅度的取值与强度测值密切相关。对于混凝土超声波对测法来说,模拟型超声仪通常应取首波波幅为40mm时读取声时值,这是必须严格遵守的规则。在声时值的测量中随意设定首波波幅必然导致强度值的换算误差,这在超声试验和工程检测中都应受到重视。

[1]吴慧敏.结构混凝土现场检测技术[M].长沙：湖南大学出版社,1988：66-67.

[2]童寿兴,伍根伙.超声波首波波幅差异与声时测量值的关系研究[J].无损检测,2010,32(5)：367-369.