一种基于水变化的掺碎石古青砖超声评价系统及方法与流程

本发明涉及古建筑修复，特别是涉及一种基于水变化的掺碎石古青砖超声评价系统及方法。

背景技术：

1、超声波检测技术是一种应用广泛的无损检测方法，其基本原理是利用超声波在介质中传播时的反射、折射和衍射等现象来探测物体内部的缺陷和不均匀性。超声波测试仪器产生高频超声波，通过换能器将电能转换为声能并发射出去。当超声波穿过待检测部件时，遇到缺陷或材料界面时会产生反射、折射等现象。接收探头检测到这些反射回来的超声波，通过分析回波的波形参数，可以对材料的强度和完整性进行评估。目前超声波检测技术已经使用在混凝土强度、桩基础完整性检测等多个混凝土质量检测中。

2、在某些情况下，古代砖砌体结构建筑中的古砖是通过将旧砖的碎片或其他碎石材料融入到原始粘土中而制成的，这些碎石可能没有与新的粘土完全融合，导致明显的块状物或内含物具有不同的颜色和纹理。这些块状物的存在又会使砖体产生区域强度差异，简单的无损检测获得的数据偏差较大，不能很好的检测评估其强度。

3、古砖由于长时间暴露在外部环境中，受到外部环境侵蚀，其强度、孔隙度均存在一定程度的变化。因此，强度、孔隙度成为判定古青砖侵蚀程度的关键指标，也是进行修复的一个重要依据。现有的对古砖强度检测的方法主要是超声法或超声回弹方法，这种方法能在无损或低损的情况下，利用超声波波速和回弹值进行计算，能较好的评定古砖的强度，与常规古砖试样单轴抗压所测强度拟合程度在50％至70％之间。

4、常见的超声回弹检测方法，需要对古砖进行超声测试和回弹检测，最后将二者的数据进行拟合获得砖石的强度。然而，由于不同的砖石组成成分不同，损伤情况各异，并不能以统一的公式进行计算，而现有方案需要对古砖进行大量的有损试验来求得一个拟合公式进行计算，一定程度上违背了尽可能少的损伤古砖结构的初衷。此外，对于内部掺有较大碎石的古青砖而言，不同位置回弹值相差较大，且如果碎石距离测点较近，则会使所得数据出现明显偏差。

5、总之，亟需一种能够快速、精准地无损检测砖石的结构强度，并能准确检测古砖受损程度及侵蚀方向的方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于水变化的掺碎石古青砖超声评价系统及方法，实现保证砖石完整性的前提下，快速准确地判定砖石的结构强度，从而准确确定古青砖受损程度及侵蚀方向。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于水变化的掺碎石古青砖超声评价系统，包括：

4、含水率测湿仪，用于对需要测试区域的多块古青砖进行干燥状态含水率检测，经过含水率检测的古青砖标记为待测古青砖；

5、毛细吸水装置，布置在待测古青砖的上面一行的上层古青砖上，用于给待测古青砖提供毛细饱水条件；所述毛细吸水装置包括渗流仓、固定装置，所述渗流仓通过所述固定装置贴合固定在所述上层古青砖的表面，所述渗流仓贴合所述上层古青砖的一侧面设置有若干渗流口，在所述渗流仓中位于所述渗流口的对立侧面设置有渗流与注水连接口，所述渗流与注水连接口与注水管道螺纹连接，使得注水管道能扭转角度；所述注水管道内部设置有内部螺纹，所述注水管道上设置有注水口；

6、超声探头，设置于被标记的待测古青砖对立两侧，用于分别在干燥条件下和毛细饱水条件下测试所述被标记的待测古青砖的超声速度、超声幅值；

7、数据处理装置，所述数据处理装置包括数据分析模块以及聚类分析模块；

8、所述数据分析模块，用于根据在干燥条件下和毛细饱水条件下实际测量的所述被标记的待测古青砖的超声速度、超声幅值、以及干燥状态含水率，进行计算优化，来消除干燥状态含水率不同带来的影响；

9、所述聚类分析模块，用于基于肘部法、轮廓指数法和davies-bouldin指数，利用所测干燥条件下及毛细饱水条件下测量的超声速度及幅值、超声速度差值、幅值差值共六组数据进行k值计算，确定最佳k值；利用k-means聚类划分法将上述六组数据划分为k类，通过对比这k类数据情况，对待测古青砖的结构强度进行评判，并划分待测古青砖等级，分析待测古青砖的受损情况及侵蚀方向。

10、进一步的，所述注水管道为弧形。

11、进一步的，所述渗流口为橡胶环渗流口。

12、进一步的，所述系统还包括水瓶，通过所述内部螺纹将所述水瓶组装于注水口上，再通过扭转注水管道使得水瓶呈倒立状态。

13、进一步的，所述固定装置为固定3m双面胶，所述固定3m双面胶粘贴渗流仓的表面，使得所述渗流口与所述上层古青砖表面紧密结合。

14、本发明还提供了一种基于水变化的掺碎石古青砖超声评价方法，应用于所述的基于水变化的掺碎石古青砖超声评价系统，包括以下步骤：

15、s1、选点并测量古青砖含水率：对需要测试区域进行选点，挑选具有区域代表性的多块古青砖用含水率测湿仪进行干燥状态含水率检测，并将经过含水率检测的古青砖标记为待测古青砖；

16、s2、干燥条件超声测试：在干燥条件下，在待测古青砖对立两侧布置超声探头，对其进行超声测试，并记录超声速度vdry测、超声幅值hdry测；

17、s3、布置毛细吸水装置：将毛细吸水装置布置在所述待测古青砖上面一行的上层古青砖上，使得渗流口与所述待测古青砖表面紧密结合；

18、s4、毛细饱水条件超声测试：利用毛细吸水装置在所述待测古青砖中加注清水，使其处于毛细饱水状态，并在所述待测古青砖对立两侧布置超声探头，对其进行超声测试，并记录超声速度vsat测、超声幅值hsat测；

19、s5、数据分析：利用下式进行计算优化，来消除干燥状态含水率不同带来的影响，公式如下：

20、

21、

22、vdry测及vsat测为实际测试中干燥与毛细饱水下的超声速度，hdry测及hsat测为实际测试中干燥与毛细饱水下的超声幅值，p为干燥状态含水率大小；

23、s6、聚类分析：基于肘部法、轮廓指数法和davies-bouldin指数，利用所测干燥条件下及毛细饱水条件下测量的超声速度及幅值、超声速度差值、幅值差值共六组数据进行k值计算，确定最佳k值；利用k-means聚类划分法将上述六组数据划分为k类，通过对比这k类数据情况，对待测古青砖的结构强度进行评判，并划分待测古青砖等级，分析待测古青砖的受损情况及侵蚀方向。

24、进一步的，所述基于肘部法、轮廓指数法和davies-bouldin指数，利用所测干燥条件下及毛细饱水条件下的超声速度及幅值、超声速度差值、幅值差值共六组数据进行k值计算，确定最佳k值，具体包括：

25、计算方法：

26、

27、

28、

29、

30、其中，k是簇的数量；ci是第i个簇；q是ci中的一个数据点；mi是第i个簇的中心；a是簇内平均距离，b是簇间平均距离；di,j是第i和第j簇的簇间距比；是第i个簇中每个点与第i个簇的质心之间的平均距离，是第i个簇中每个点与第j个簇的质心之间的平均距离，是第i个和第j个簇的质心之间的欧几里得距离；sse表示各项的误差平方和；si表示轮廓指数值；db表示davies-bouldin指数值。

31、根据肘部法、轮廓指数法和davies-bouldin指数绘制曲线图，在肘部法的sse图线中选择减少速度开始放缓的点，轮廓指数的值越大表示样本越适合其所属的簇，davies-bouldin指数越小表示聚类之间的分离度较大，且每个聚类内部的散布较小；将通过肘部法、轮廓指数法和davies-bouldin指数得到的结果作为三个指标，通过判断，取最符合这三个指标的点对应的簇数为最佳k值。

32、进一步的，所述s1中，进行干燥状态含水率检测，具体包括：在天气干燥时，用含水率测湿仪进行含水率检测，以使所述待测古青砖的含水率控制在25％以下。

33、进一步的，所述s4中，利用毛细吸水装置在所述待测古青砖中加注清水，具体方法为：

34、用水瓶通过注水口向注水管道内加注清水，清水依次经过渗流仓、渗流口，渗入待测古青砖内，等待水瓶内的清水耗尽后再次加注，反复多次，保证注水总量不低于2000ml，随后将毛细吸水装置取下。

35、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于水变化的掺碎石古青砖超声评价系统及方法，本发明通过对工程区域内不同区位的古青砖进行超声测试，结合毛细饱水装置，获取干燥及毛细饱水条件下的超声数据，通过根据所测干燥及毛细饱水条件下的超声速度及超声幅值、超声速度差值、幅值差值共六组数据进行k值计算，确定最佳簇数。然后用聚类分析划分聚类，根据聚类情况划分古青砖等级，最后，再根据聚类判定古青砖受损程度，为工程维护及修缮补强提供技术指导

36、本发明不仅适用于古砖结构，也适用于砂浆、混凝土、普通砌体结构，由于判定依据是通过现场聚类计算而得，标准由现场聚类划分而定，对该区域的检测具有代表性。本发明考虑了多种数据分析方法，能有效降低偶然性所产生的偏差，且可以通过增减相关评定指标(如回弹值等无损测试数据)进一步优化聚类分类。因此，较于一般常见的检测方法，本发明适用范围更广、准确度更高。