一种钢壳-混凝土脱空检测装置的制作方法

本实用新型涉及放射性同位素技术应用领域，特别是一种钢壳-混凝土两种异构介质间脱空定理检测装置。

背景技术：

大型水利水电、海底隧道工程常有一些钢壳-混凝土结构物，如水电站发电机组的压力管道、水轮机蜗壳、转轮室，核电站机组核岛及海底隧道大型沉管。这些带有钢板里衬的混凝土结构物在进行混凝土浇筑施工时，由于钢里衬的存在而且内部有较密的钢筋，浇筑施工很不方便，振捣相当困难，混凝土难以充实，因此混凝土与钢板里衬之间常会存在脱空缺陷，从而影响结构物的安全性和耐久性。

鉴于此，必须借助一定检测手段探查脱空缺陷分布范围及其大小，为进一步的工程处理措施及质量评定提供依据。目前，工程上常用的常规方法是槌击法，该方法凭个人感官经验判断，结果可靠性差，准确率低，常会因此误打钻孔破坏钢结构和原有强度。而其他的无损检测方法如X-射线法、γ-射线法、超声波法以及冲击回波法都不能很好地解决以上技术难题，更不能对脱空缺陷深度进行定量测量。

申请人于1992年11月17日申请的申请号为92112969.6的实用新型专利申请，其实用新型创造的名称为“用中子技术检测钢板下混凝土空洞的方法”，该方法需要先对中子探测仪进行室内标定，标定时需要制备标准的混凝土平板模块，如含水量240kg/m³，然后在混凝土平板模块上分别覆盖厚度不等的钢板，如1.0cm，2.0cm，3.0cm，4.0cm厚的钢板。

上述混凝土平板模块在标定使用过程中，存在着如下不足：

1.混凝土平板模块制作周期长，如浇筑完成后，需放置28天以上等，进而影响标定周期。

2.混凝土平板模块制作过程与完成后，受当时外界环境温度和湿度影响，混凝土平板模块中的实际含水量会发生变化，从而导致混凝土平板模块中实际含水量与设定含水量偏差大。然而，混凝土平板模块中实际含水量对中子探测仪的室内标定结果影响巨大。中子探测仪正是利用混凝土平板模块内含水量中的氢原子进行探测的。氢原子是最强的中子慢化剂，氢原子的慢化能力要比一般土壤元素如氧、硅、铝、钙、镁包括铁在内要大2～3个数量级，因此混凝土平板模块对快中子的慢化减速作用主要是由混凝土平板模块中所含氢的多少决定的。

3.一块混凝土平板模块只能对应一种含水量，当混凝土含水量变化时，则需要制作新的混凝土平板模块。然而，钢壳-混凝土结构随着使用环境的变化，如作为水电站发电站组的管形座和尾水管使用时，混凝土中含水量高。在同一钢板厚度条件下相同的热中子计数率，当混凝土中含水量不同时，脱空深度也是不同的。在申请号为92112969.6的专利中，空洞深度与热中子计数率相关曲线标定时，没有考虑混凝土含水量不同，所导致的脱空深度的变化，因而标定结果是不准确的。当考虑混凝土含水量不同进行标定时，则需要制作很多块混凝土平板模块，因而室内标定空间需要大，以便于进行混凝土平板模块的存储。

4.依据《JGJ55-2011混凝土配合比设计规程》，不同强度的混凝土其水泥、骨料(石子、砂子)、水的配比不同，而热中子主要是快中子受到混凝土中氢原子的慢化减速作用形成，氢原子主要以化合水和游离水的形式均匀分布于混凝土中，因此标定试验制备不同含水量的混凝土模拟标块即可对应不同强度等级的混凝土，为了满足钢壳混凝土脱空检测仪标定试验对不同强度混凝土模拟标块的要求，同时消除小尺寸标块受大气温度和湿度影响，因而需要制作不同含水量的混凝土模拟标块。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种钢壳-混凝土脱空检测装置，该钢壳-混凝土脱空检测装置巧妙利用混凝土中氢原子的含量决定快中子的慢化减速作用原理，创造性地制作了混凝土模拟块，该混凝土模拟块能够拆卸，并快速模拟不同含水量的混凝土，制作周期短，进而使得室内标定周期短，能对不同含水量的混凝土进行钢壳下脱空深度的标定。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种钢壳-混凝土脱空检测装置，包括热中子探测器、钢板和混凝土模拟标块。

钢板架放在混凝土模拟标块上方，钢板底部与混凝土标块顶部之间具有间隙，间隙≥0，间隙尺寸大小能够调节；当间隙＝0时，钢板底部与混凝土标块顶部之间能完全贴合。

热中子探测器能够标定间隙尺寸大小。

混凝土模拟标块包括若干个竖向或横向重复叠放的配比单元，每个配比单元均包括若干块金属标准板和若干块有机材料标准板；金属标准板和有机材料标准板的数量比值能根据所需的混凝土含水量进行调整。

金属标准板和有机材料标准板的长度和宽度尺寸均相同。

每块有机材料标准板中的含氢量范围为14％±2％。

混凝土模拟标块还包括两块夹板，若干个配比单元以竖向或横向的方式重复叠放在两块夹板之间。

混凝土模拟标块还包括底座，夹板、金属标准板和有机材料标准板底部均放置在底座顶部，底座上设置有两块相平行的侧挡板，每个侧挡部均与夹板相垂直。

混凝土模拟标块还包括螺纹导杆，两块夹板通过螺纹导杆进行夹紧固定。

金属标准板为铝板或镁板。

有机材料标准板为聚乙烯板或石蜡板。

金属标准板和有机材料标准板的长、宽尺寸均大于等于40cm，厚度为1.0mm～2.0mm。

若干个配比单元的叠放厚度尺寸大于等于40cm。

热中子探测器中内置有无线通讯单元，该无线通讯单元能与计算机和探测头进行无线通讯。

热中子探测器一侧设置有拉杆和滚轮。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型巧妙利用混凝土中氢原子的含量决定快中子的慢化减速作用原理，创造性地制作了混凝土模拟块，该混凝土模拟块能够拆卸，并能快速模拟不同含水量的混凝土，制作周期短，进而使得室内标定周期短，能对不同含水量的混凝土进行脱空深度及强度的标定。

附图说明

图1显示了本实用新型一种钢壳-混凝土脱空检测装置的结构示意图。

图2显示了混凝土模拟块中配比单元竖向重复叠放时的示意图。

图3显示了混凝土模拟块中配比单元横向重复叠放时的示意图。

其中有：

10.热中子探测器；11.拉杆；12.滚轮；13.操作面板；

20.混凝土模拟标块；

21.底座；211.侧挡部；22.夹板；221.螺纹导杆；222.螺母；

23.金属标准板；24.有机材料标准板；

30.钢板；40.空隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种钢壳-混凝土脱空检测装置，包括热中子探测器10、钢板30和混凝土模拟标块20。

钢板厚度h取值范围为0＜h≤60mm，钢板架放在混凝土模拟标块上方，钢板底部与混凝土标块顶部之间具有间隙40，该间隙尺寸大小能够调节，间隙≥0，间隙尺寸大小也即相当于钢壳与混凝土之间的脱空深度。

当间隙等于0时，钢板底部与混凝土标块顶部之间能完全贴合，也即钢板和与钢板接触的混凝土模拟标块顶部均为水平平面。

热中子探测器能够标定间隙尺寸大小，标定方法同申请号为92112969.6的专利申请。热中子探测器中优选内置有无线通讯单元，该无线通讯单元能与计算机和探测头进行无线通讯。

热中子探测器的一侧优选设置有拉杆11和滚轮12，类似于拉杆书包的设计，当需要对不同的脱空检测点进行测试时，只需拉动拉杆，即可实现热中子探测器的移动。

热中子探测器的顶部优选设置有操作面板13，该操作面板上优选设置有功能键和显示屏。

混凝土模拟标块的设计，有如下两种优选实施例。

实施例1

如图2所示，混凝土模拟标块包括底座21、两块夹板22、螺纹导杆221和若干个竖向重复夹紧叠放的配比单元。

若干个配比单元的竖向叠放厚度优选大于等于40cm。

上述夹板和若干个配比单元底部均优选放置在底座顶部，夹板和若干个配比单元顶部位于同一水平面上。

上述底座上有优选设置有两块相平行的侧挡板211，每个侧挡部均与夹板相垂直。侧挡部能对夹紧叠放的配比单元进行底部限位。

两块夹板优选通过螺纹导杆进行夹紧固定。螺纹导杆中部为光杆，能对夹紧交错叠放的金属标准板和有机材料标准板进行中部和顶部限位。螺纹导杆两端采用螺母222固定。当一种规格含水量的混凝土标定完成后，只需拧开螺母，通过调整相邻两块金属标准板之间设置的有机材料标准板数量，即可实现不同含水量混凝土的快速调整，调整完成后，拧紧螺母，即可快速实现混凝土模拟标块的制作，因而制作周期短，且含水量的均一性高，不受制作时的环境温度和湿度影响。

作为替换，若干个竖向叠放的配比单元外周采用皮筋、扎带等其他物件进行捆扎固定的方式，也在本申请的保护范围之内。

每个上述配比单元均包括若干块金属标准板23和若干块有机材料标准板24；金属标准板和有机材料标准板的数量比值能根据所需的混凝土含水量进行调整。当混凝土含水量越高时，相邻两块金属标准板之间设置的有机材料标准板数量将越多。

金属标准板和有机材料标准板的长度和宽度尺寸均相同，其中，长、宽尺寸均优选大于等于40cm，厚度优选为1.0mm～2.0mm。

金属标准板优选为铝板或镁板等，但也可以为其他金属板。

每块有机材料标准板中的含氢量范围为14％±2％。有机材料标准板优选为聚乙烯板或石蜡板等。

下面以具体实施例对本申请的配比单元，进行详细说明。

使用1.5mm厚的聚乙烯板和2.0mm厚铝板按不同比例组合成具有如下五种等效含水量的配比单元(也即混凝土模拟标块)。

实施例2

混凝土模拟标块包括若干个横向重复叠放的配比单元，横向叠放厚度大于等于40cm。配比单元优选在重力作用下进行压紧重复叠放，也可在配比单元的两侧设置夹板和螺纹导杆等。

每个配比单元除放置方向不同外，其余与实施例1相同，这里不再赘述。

一种钢壳下混凝土脱空深度检测方法，包括如下步骤。

步骤1，建立脱空深度标定曲线库：通过改变钢板与混凝土模拟标块之间的脱空深度l、钢板厚度h以及混凝土模拟标块中的含水量ω，采用热中子探测器对脱空深度l进行标定，获得脱空深度标定曲线库；脱空深度标定曲线库中包含若干组含水量不同的脱空深度标定曲线单元；每组脱空深度标定曲线单元包括三种不同钢板厚度的脱空标定曲线。

混凝土模拟标块的结构如上述实施例1和实施例2所述。

针对含水量为ω的混凝土，脱空深度标定曲线单元表示为：

当0＜h≤20mm时，脱空深度标定曲线为：l＝aN+b。

当20＜h≤40mm时，脱空深度标定曲线为：l＝aN²+bN+c。

当40＜h≤60mm时，脱空深度标定曲线为：l＝aN³+bN²+cN+d。

其中，a、b、c、d均为标定拟合常数，N为热中子探测器测得的热中子计数率。

步骤2，测点布置：在待测的铺设于混凝土上的钢壳表面进行均匀布设测点，测点间距根据钢壳厚度进行布设。

上述测点布置时，根据快中子的穿透能力和热中子探测器的探测半径，当钢板厚度0＜h ≤20mm时，按照40cm×40cm布置测量网格；当钢板厚度20＜h≤40mm时，按照35cm× 35cm布置测量网格；当钢板厚度40＜h≤60mm时，按照30cm×30cm布置测量网格。

步骤3，脱空深度标定曲线选择确定：对待测的钢壳厚度进行测量，对位于钢壳下方的混凝土进行含水量测试；根据测量所得的混凝土含水量，从步骤1中查找与其对应的脱空深度标定曲线单元；然后，再从已查找出的脱空深度标定曲线单元中查找出与所测得的钢壳厚度相对应的脱空深度标定曲线，查找出的脱空深度标定曲线即为选择确定的脱空深度标定曲线。

当未从步骤1中查找到与其对应的脱空深度标定曲线单元时，采用相邻两条标定曲线差值的方法拟合生成；假设同一钢板厚度条件下，在步骤1的脱空深度标定曲线单元中，与步骤3所测得的混凝土含水量ω相邻近的两种已知含水量分别为ω1和ω2；其中，

含水量为ω1的标定曲线为l＝a1N²+b1N+c1。

含水量为ω2的标定曲线为l＝a2N²+b2N+c2。

则含水量ω的标定曲线可插值生成l＝aN²+bN+c，则：

a＝(ω-ω1)(a1-a2)/(ω1-ω2)+a1

b＝(ω-ω1)(b1-b2)/(ω1-ω2)+b1

c＝(ω-ω1)(c1-c2)/(ω1-ω2)+c1。

步骤4，脱空深度测量确定：将热中子探测器放置于步骤2布置的每个测点中心进行测量，当其中某个测点确定为脱空区域时，将该脱空区域所对应的热中子计数率代入步骤3确定的脱空深度标定曲线中，得出该脱空区域的脱空深度。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。