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用于确定混凝土厚度的敲击反射波与宽频输入的比较
发布时间:2021-01-05
摘要 
现有的混凝土板和地面经常不知厚度和其它情况。ACT混凝土厚度测试仪敲击回波技术经常被使用来确定混凝土板和地面的厚度。这种方法采用一个敲击仪器来激发结构,再采用 FFT 分析来确定反应中的共振频率。但是,每个敲击仪器都有其输入和频率特性,并和实际混凝土厚度、硬度和结构有关,从而影响频率成份并影响结果。新的技术采用脉冲晶体(脉冲回波)来产生宽频输入,只会激发板或地面的真实的共振频率。自行率定和试验程序的要求得到了讨论。不同的厚度和混凝土表面情况进行了比较和介绍,说明宽频法比传统的敲击回波法更优越。
 
输入特性和频率
 
敲击回波法
 
敲击回波法(IE)基于短暂的机械敲击产生的混凝土试样中的过渡性的应力波。敲击持续时间(接触时间),即敲击仪器接触试验表面的时间,是敲击回波法成功的关键。敲击持续时间取决于敲击仪器尺寸和种类和敲击点处混凝土的状态。标准敲击仪器是不同尺寸的钢球或螺旋管。当给定一个敲击仪器时,光滑和坚硬的表面与粗软的表面相比,会产生的短的敲击时间。
 
脉冲回波法
 
脉冲回波法(PE)基于采用发射/感应器来管理混凝土表面的宽频波。传感器采用压电晶体元件(PZT)。在 PZT 元件上施加短的高压脉冲。施加的电压产生晶体收缩/膨胀。收缩/膨胀产生压力脉冲,并在混凝土中产生宽频波场。由晶体产生的波场不同于机械波,不取决于表面条件(硬度和结构)。这些特性包括在了桩动力学公司的声波混凝土测试仪(ACT)中,用于产生这个文章的所有的脉冲回波试验。
 
接触时间
 
接触时间是混凝土试样厚度测量中最重要的。幅射波场的很宽的频率范围保证了有一个频率与混凝土厚度对应。波场包括的频率范围与接触时间的倒数成正比,频率幅度与接触时间成正比(即当接触时间下降时,频率范围增加,但频率成份幅度减少)。
 
接触时间可以通过波形的最初部分的来测量。对于脉冲和敲击产生于不同硬度和结构试样的表面波的接触时间都进行测量。仪器包括一个宽频 PZT 传感器接受表面波的到达,一个数字式示波仪来显示和分析接受的信号。脉冲回波试验设备用于脉冲生产的波输入,敲击回波设备用于机械敲击产生的波输入。施加输入波于宽频接受器旁。图 1 显示光滑表面施加的脉冲回波法和敲击回波法产生的波形的接触时间。表 1 列出了测量的接触时间和采用同样的记录仪对于不同表面的相应限定频率。
 
 
混凝土表面 PE 接触时间μs PE 频率成份KHz IE 接触时间μs IE 频率成份KHz
光滑混凝土 24 42 55 18
粗糙混凝土 24 42 65 15
非常粗糙混凝土 24 42 75 13
贴片混凝土 24 42 80 12.5
沥青 24 42 125 8
 1         脉冲和敲击法的测量接触时间和频率
 
由表 1 可知,脉冲回波(PE)波场的频率成份与接触表面的硬度和结构无关,而某个敲击回波(IE)波场的频率成份取决于接触表面的硬度和结构。当接触时间变长时,最大频率成份减少,因此测量薄试样的能力减少。因此短持续时间和高频率成份的脉冲回波输入法容易测量较薄的试样。

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1 脉冲回波(宽频晶体)和敲击回波(Solenoid)在光滑混凝土面产生的表面波形共振法
 
通过脉冲或敲击回波法产生的波可以通过共振法来测量混凝土厚度。由脉冲或敲击产生的波场在混凝土中传播。由于在薄混凝土中的传播途径短,会产生重复性的反射。持续时间 T 的波形(相应于物件厚度的 2 倍,TH)会产生。采用高采样频率和实时 FFT(快速富利埃变换),把波形转换到频率域,并确定主频度,该主频与背景反射回波相对应(由于混凝土和空气或混凝土与骨料界面的不连续性)。当试样中有其它的不连续性,如碎片、分层或水平缺陷,频率谱会显示附加的频率。
 
厚度测量
 
对任何一种方法(脉冲输入或敲击输入),厚度测量通过共振频率得到,共振频率与试验厚度的两倍对应。试样厚度用下面公式得到:

TH=Ws/{2F}

这里 Ws 为 P 波波速,F 为共振主频。
 
脉冲回波法的厚度测量时最好把接受器和发射器靠近放置,混凝土表面要清洁,再施加宽频脉冲。试验混凝土表面可以油漆或盖有地板砖。图 2 为频率谱,其中的主峰值与共振厚度 TH 对应(试验点 T9)。
 
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2 频率谱包括结果厚度 TH-试验点 T9
 
 
敲击回波法的厚度测量通过把接受传感放在干净混凝土表面,并在旁边施加机械敲击(即通过 solenoid 施加)。混凝土表面可以油漆,或者贴上地板砖。标准商业敲击回波试验设备没有能力产生结果频率反应的硬考贝。

波速测量
 
如方程 1 所注,波速(测量的或假定的)用于转换测量的共振频率为混凝土厚度。根据 ASTM C1383,一个未知厚度的混凝土的 P 波波速可以直接测量混凝土表面 P 波来确定。
 
  1. 波波速可以通过把两个传感器之间的间距d用到达时间差t来除。测量得到的 P 波波速比假定波速能给出更准确的厚度。
 
基本敲击回波法设备的设置可以测量未知厚度的表面P 波波速。如果一个试样已知厚度,波速可以率定。如果厚度未知,可以采用破坏性试样来确定厚度,但要假定波速(有一定的不确定性)。但是,标准的脉冲试验设备(ACT)装置成可以测量未知厚度的 P 波波速。发
 
射器和接受器在混凝土表面间隔大约 24 英寸(610mm)。测量的t为直接表面 P 波最初
 
到达接受器的时间(T1)减去 P 波初始时间(T0)。图 3 为结果 P 波波速测量结果(地点
 
T9)。
 
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3T9 点的波速测量
 
现在调查一下由脉冲和敲击产生的直接表面 P 波的测量结果。试验使用两个宽频 PZT 传感器来感应施加的波场、 导向表面 P 波,用数字式示波器显示分析信号。脉冲回波法和敲击回波产生的波场施加点离第一个接受器的距离为 6 英寸(152mm)。对于脉冲产生的波场接受的 P 波非常明显,而对于敲击产生的波场则不明显。
 
由脉冲回波发射器传入混凝土的波场的幅度比敲击回波仪产生的波场幅度强。波场的强度非常重要,来保证直接 P 波被接受。大的波场强度对于粗糙表面和基层条件情况提供了好的操作性能。
 
脉冲回波与敲击回波混凝土厚度测量比较
 
混凝土 P 波波速和厚度测量试验采用了脉冲系统(ACT)和敲击回波系统。混凝土试样有不同的厚度、波速和表面条件、支撑条件和形状。试验的混凝土试样可以分为 1)光滑表面混凝土板包括基层(实际的厚度不知道);2)光滑混凝土板没有基层(背景界面为空气或者已经实际厚度);3)粗糙表面混凝土板有基层(实际厚度不知);和 4)光滑表面混凝土管没有基层(已知实际厚度)。
 
采用脉冲回波法的厚度测量基于的速度,是采用脉冲回波试验设备测量得到的直接 P 波速度。
 
采用敲击回波方法的厚度测量基于建议缺省的波速 12000 英尺/秒(3657m/s),在试样的厚度未知时。而对于已经厚度的试样,采用率定波速。所谓的率定波速由已知厚度和共振频率测量得到,采用敲击回波试验设备。因为率定可以由已知厚度确定未知的速度,厚度测量就变成了已经完成的先知行为。
 
对 12 个不同的试样进行了厚度测量。每个试样在四个点测量厚度,四个点矩形分布,点间距 6 英寸(152mm)。四个点中每一点最多会有五次测量。对于每个试样,取四个测量点的平均值并记录在表 2 中。
 
试样 T1、T2 和 T3 光滑表面,并在基层上面(仓库地板)。实际的厚度是无法测量的。对于 T1 和 T2,PE 和 IE 厚度测量的差别为不同的波速的原因(PE 采用测量的 P 波波速, IE 采用假定的波速)。对于 T3,PE 和 IE 厚度测量结果的不同是由于不同的波速和不同的峰值共振频率。
 
试样 T5、T6、T7 和 T12 都有粗糙的表面,并在基层上。实际的厚度是无法测量的。在粗糙表面上,敲击回波法设备经常要求多次试验尝试才能得到一个测量厚度值。如果经过
 
  1. 次尝试没有一个结果,那个测点就没有数据(对于每个试样测量四个点,每个点最多两次测量)。T5 点就没有数据(四个点只有三个点可用)。T6 有三个点没有数据(只有一个点有数据)。T12 四个点都没有数据(四个点都没有结果)。T12 为最粗糙的表面,为深冲刷的人行道。脉冲回波法在第一次尝试时在每个试样的四个点都得到了测量结果。当得到测量结果时,PE 和 IE 厚度测量的差别是波速差别造成的(即 PE 采用测量的 P 波速,IE 采用假定
 
的波速),说明实际波速测量重要。误差率与设计 TH 值之比如表 2 所示。
 
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2     脉冲回波(PE)和敲击回波(IE)法测量的厚度

*试样的顶部和底部可以到达,并且实际厚度可测。
 
**厚度测量和计算误差不能够得到(没有信号)。
 
 
试样 T4、T8 和 T9 都有光滑表面,没有基层。实际厚度 T4 为 8 英寸(203mm),T8
 
为 19 英寸(483mm),T9 为 9 英寸(229mm)。采用脉冲回波设备测量到的厚度与实际厚度相差 1.3%, 采用测量到的直接表面波确定的波速。正像期望那样,采用敲击回波法设备测量到的厚度与实际厚度相比差 1.1%,因为波速根据用户输入的实际厚度进行了率定。
 
厚度测量中的误差 是由于在四个不同测量点波速的变化、设备频率和波速的分辨率。
 
 
试样 T10 和 T11 为混凝土管,有光滑的弯曲的表面,没有基层。需要测量实际的厚度 7 英寸(178mm)。T10 的内径为 72 英寸(1829mm),T11 的外径为 86 英寸(2184mm)。采用脉冲回波,基于 P 波波速得到的厚度与实际厚度吻合。已知厚度用于敲击回波法来率定波速。
 
 
 
结论
 
在确定混凝土厚度方面,混凝土厚度测试仪脉冲回波法比敲击回波法表现出更高的优点。脉冲回波产生的波场的频率成份与材料的硬度和结构无关,并保持常值。测量薄试样的能力不会由于软的、粗糙的表面而降低,如同敲击回波那样。采用脉冲回波法传入混凝土的波场强度更强,在粗糙表面和较厚试样条件下,具有更高的厚度测量能力和 P 波波速测量能力。On grade 和粗糙表面条件的试样采用敲击回波法时有一定的困难,而脉冲回波法却有一致性很好的信号。
 
标准脉冲回波设备(没有附加的设备)允许未知厚度试样的 P 波波速的测量。这个能力大大地改进结果的可靠性。
 
在已知实际厚度的情况下,采用脉冲回波测量得到的 P 波波速给出精确的厚度。当实际厚度不知道的情况下,采用脉冲回波法的 P 波波速的结果与设计厚度相比,比采用假定波速的敲击回波法更精确。在所有的试验条件下,脉冲回波法结果与设计厚度相一致,最大的误差少于 0.8 英寸(20mm)。与设计厚度相比,对于较厚的试样,敲击回波法的误差经常被低估 2 英寸(51mm)或者更多。脉冲回波法比敲击回波法的测量结果通常要好很多。
 
参考文献
 
  1. ASTM C1383-04, “Standard Test Method for Measuring the P-Wave speed and the Thickness of concrete plates using the impact echo method”
  2. ACT Manual, April 2006, Pile Dynamics Inc.
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