基于接触式超声波的混凝土隐裂纹检测方法和系统与流程

本发明属于混凝土质量检测技术领域，具体涉及一种基于接触式超声波的混凝土隐裂纹检测方法和系统。

背景技术：

本发明所述的隐裂纹是指肉眼不可见的闭合裂纹或者裂纹宽度十分细小、超出了人眼分辨力的裂纹，而不是指覆盖在完好混凝土里面的裂纹。隐裂纹是可见裂纹发展的前期，对于判断混凝土结构安全性具有重要意义。专利申请201010290303.3公开了一种利用超声波选择性激励发现混凝土隐裂纹的方法和系统，但该方法和系统并未充分考虑被检测对象混凝土介质的特点，导致声能量进入混凝土中的效率低，检测结果准确度不够好。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能有效提高声能量进入混凝土中的效率的混凝土隐裂纹检测方法和系统。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于接触式超声波的混凝土隐裂纹检测方法，包括如下步骤：

1)采用接触式超声激励，在超声激励头和待测混凝土构件表面间辅以紫铜片作为耦合，将超声波输入待测混凝土构件，对其进行激励；

2)利用红外热像仪获取被测混凝土构件热图像；

3)根据混凝土构件热图像中的局部高温位置确定混凝土构件中裂纹的位置，所述裂纹包括裂纹和隐裂纹，其中，肉眼可见的为裂纹，肉眼不可见的即为隐裂纹。

优选的，上述步骤1)中，紫铜片厚度为0.5～1mm；可以直接将紫铜片设置在激励头和待测混凝土之间进行点接触，或以紫铜片包覆激励头，与激励头形成一体结构。由于紫铜片作为耦合材料，要始终处于激励头和待测混凝土构件接触面之间，以紫铜片包覆激励头，与激励头形成一体结构，便于切换检测点。紫铜片过厚或过薄都会影响激励的效果，紫铜片过厚还会增加装置的成本，0.5～1mm为优选的激励效果最佳的厚度范围。

上述步骤1)中，超声激励头上垂直施加500-3500n的荷载；激励头在激振混凝土的过程中，需要施加一定大小荷载于激励头上，所施加荷载的大小对超声能量的输入至关重要，只有合适大小(既不能太大又不能太小)的荷载才可以提高超声波发生装置的声能量输出值，有助于提高声能量输入混凝土中的总量，500-3500n为能检测出隐裂纹的荷载范围，优选1000～2000n。

上述步骤1)中，所述超声激励频率为20～40khz，相同的超声功率激励下，相对于通常使用的20khz的超声激励频率，40khz更容易在隐裂纹附近激励出显著温升区，是混凝土隐裂纹的敏感频率；优选40khz。

本发明还提供了一种基于接触式超声波的混凝土隐裂纹检测系统，所述系统能有效提高声能量进入混凝土中的效率，提高声能量输入率。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于接触式超声波的混凝土隐裂纹检测系统，包括超声波源、超声激励头和红外热像仪，所述超声波源通过电缆与超声激励头连接，所述超声激励头与待测混凝土构件接触，对其进行超声激励，所述红外热像仪用于监测被测混凝土构件热图像，所述超声激励头和待测混凝土构件接触面处设有紫铜片作为耦合。

优选的，紫铜片厚度为0.5～1mm；以紫铜片包覆激励头，与激励头形成一体结构。

所述超声激励头上垂直施加500-3500n的荷载；优选1000～2000n。

所述超声激励频率为20～40khz，优选40khz。

所述超声激励头选用超声波点焊枪或清洗用超声波振子。

本发明的方法和系统充分考虑被检测对象混凝土介质的特点：体积较大(一般40000cm³以上)、各向异性、非均质(尤其混掺粗骨料)；为在隐裂纹处激励出显著温升，需要输入混凝土中的超声能量远大于被激励对象为均质的材料。为有效提高声能量进入混凝土中的效率，本发明基于超声激励红外热像检测法，进行了一系列改进。

本发明的方法和系统采用接触式超声激励方式，并辅助以紫铜片作为耦合。紫铜片相对于常规超声检测中采用的凡士林、黄油等胶体耦合剂，能够更好地实现超声激励头与被激励对象(混凝土)间的声阻抗匹配，有助于提高声能量输入率。

附图说明

图1是为本发明系统的装置及其连接关系图。

图2是实施例1所用混凝土构件示意图。

图3是与激励头尺寸匹配的紫铜片结构示意图。

图4是不同垂直荷载下混凝土构件热图像。

图5是实施例1所用混凝土构件示意图。

图6是图4所示混凝土构件在不同激励频率激励下的热图像，图中数字为显著温升区。

图7是图2所示混凝土构件在不同激励频率激励下的热图像。

图8是紫铜片包覆激励头的一体结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

本实施例具体说明本法明的方法的实施方式，具体包括如下步骤：

1)采用接触式超声激励，在超声激励头和待测混凝土构件表面间辅以紫铜片作为耦合，将超声波输入待测混凝土构件，对其进行激励；其中，紫铜片厚度为0.5～1mm；紫铜片作为垫片置于混凝土构件和超声激励头接触面间(紫铜片结构如图3所示)，或以紫铜片包覆激励头(如图8所示)，与激励头形成一体结构；

2)利用红外热像仪获取被测混凝土构件热图像；

3)根据混凝土构件热图像中的局部高温位置确定混凝土构件中裂纹的位置，所述裂纹中，肉眼可见的为裂纹，肉眼不可见的即为隐裂纹。

在超声激励头垂直施加500-3500n的荷载，超声激励频率为40khz、功率50w，紫铜片厚度为0.5mm。被激励对象400mm×200mm×430mm混凝土裂纹标准体，如图2。该标准体中部有一条预制裂缝，经劈拉后出现一条贯穿微裂纹；该裂缝大部处于闭合状态，宽度小于1mm。

激励效果如表1所示。(激励效果优劣的判断标准是：所用换能器功率小、激励时间短，而被激励对象的温升区数目多、温升区相对环境温度的温升高，此为激励效果好。)

表1荷载大小对检测结果的影响

通过表1可知，垂直施加1000～2000n的荷载，具有更好的技术效果。受超声波发生器功率、换能器功率以及换能器输出频率的影响，施加在不同型号超声波换能器上的最佳压力值不尽相同；但随施加于换能器上压力的增加，不同型号超声波换能器的激励效果均存在由劣到优再到劣的情况；对于常见的超声波发生装置，压力的优选区间仍是所述区间。

选取100mm×100mm×400mm的含微裂纹混凝土试块、400mm×200mm×430mm的混凝土裂纹标准体作被激励对象，其中100mm×100mm×400mm的试块表面有一道横向预制裂缝，内部有不定数量的裂缝，如图5所示。超声激励频率分别为20khz、28khz、40khz。其中，频率为20khz的超声波换能器功率为1800w；其余频率的超声波换能器功率均为50w。各激励频率在各自的最佳压力作用下进行实验，紫铜片厚度为0.5mm。

激励效果如表2、3所示。

表2100mm×100mm×400mm含微裂纹的混凝土试块在不同频率作用下的激励效果

注：图中显著温升区集中在裂纹闭合的尖角处。

表3400mm×200mm×430mm混凝土裂纹标准体在不同频率作用下的激励效果

从表2、3中可以看出：40khz超声频率激励效果最好。

上述方法中，红外热像仪最小可测温差为0.06℃，测温范围为-20—100℃。调整红外热像仪的位置，使之与混凝土被测标准体在1.4—1.6m范围进行检测。

实施例2

本实施例具体说明本法明的系统的实施方式，具体如下：

如图1所示，一种基于接触式超声波的混凝土隐裂纹检测系统，包括超声波源1、超声激励头2和红外热像仪3，所述超声波源1通过电缆11与超声激励头2连接，所述超声激励头2与待测混凝土构件4接触，对其进行超声激励，所述红外热像仪3用于监测被测混凝土构件4的热图像，所述超声激励头1和待测混凝土构件4接触面处设有紫铜片5作为耦合。

超声激励的优选参数设置参照实施例1。

所述超声激励头选用超声波点焊枪或清洗用超声波振子。

紫铜片可设置为包覆激励头，并与之成为一体结构，这样可避免更换激励点时分别移动紫铜片和换能器，方便实际操作。具体如图8所示。