CN101140265B - 采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法 - Google Patents
采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101140265B CN101140265B CN2007101339997A CN200710133999A CN101140265B CN 101140265 B CN101140265 B CN 101140265B CN 2007101339997 A CN2007101339997 A CN 2007101339997A CN 200710133999 A CN200710133999 A CN 200710133999A CN 101140265 B CN101140265 B CN 101140265B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- concrete
- resonance frequency
- water cut
- skew
- nonlinear resonance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Abstract
采用非线性共振频率偏移进行混凝土含水量和裂纹的方法，是先获得非线性共振频率的偏移与混凝土中的含水量和裂纹之间的关系：并拟合成一关系曲线；取相同的混凝土标样经液压式压力测试机在不同压力加压后产生不同的裂纹后的混凝土，分别测量不同压力裂纹标样的非线性共振频率的偏移，得到非线性共振频率的偏移与混凝土中的裂纹之间的关系；采用非线性共振频率偏移进行无损检测，灵敏度高，可早期发现混凝土裂纹的存在。
Description
一、技术领域
本发明涉及采用非经典非线性声学的方法来进行混凝土特性的分析，即采用超声中的非线性共振频率的偏移来无损检测混凝土含水量和裂纹的方法。
二、背景技术
混凝土材料是一种复杂的，多尺度的材料，并且在建筑材料中得到广泛使用，对它的无损检测的研究日益受到人们的重视。混凝土的无损检测的方法包括：超声脉冲法，回弹法、振动法、声发射技术及射线法等[1、朱金颖，陈龙珠，严细水，“混凝土受力状态下超声波传播特性研究”，第15卷第3期，工程力学，p.111-117，1998]。超声波是进行混凝土无损检测的重要手段之一，并且已得到广泛的应用。超声脉冲法作为一种较成熟的技术，但目前为止，还是基于线性参量，如声速和声衰减。1994年Popovics和Rose对应用超声进行混凝土的无损检测的发展作了综述[2 John S.Popovics and Joseph L. Rose.“A Survey of developments in Ultrasonic NDE of Concrete超声NDE对混凝土裂纹检测综述”，IEEE Transactions on ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control Vol.41，No.1，January 1994，p.140-143，1994]，Schubert等数值模拟了超声波在混凝土中的传播[3 Schubert and R.Marklein，“Numerical Computationof Ultrasonic Wave Propagation in Concrete using the Elastodynamic Finite IntegrationTechnique(EFIT)”，IEEE Ultrasonics Symposium，p.799-804，2002]，Etsuzo等研究了含水量对超声波声速的影响[4 Etsuzo Ohdaira，Nobuyoshi Masuzawa，“Water contentand its effect on ultrasound propagation in concrete-the possibility of NDE”，Ultrasonics38，p.546-552，2000]。
超声用于金属检测，已经有了一段历史，而用于混凝土检测，在国外始于40年代末，中国于50年代后期开始进行这项技术的研究应用，取得了相当进展，近几年来发展尤为迅速。水电、交通、建筑、铁道、冶金等部门均广泛地开展研究和应用，国内各项工程、包括葛州坝水电枢纽工程都曾应用超声检测技术进行检测，取得了很好的技术经济效果。交通部颁发的《港口工程混凝土试验方法》，水利电力部颁发的《水工混凝土试验规范》均已将超声检测混凝土强度和裂缝的方法编入试行[5仝秋红，“混凝土中超声波传播方式研究”，第11卷，第2期，中国公路学报，p.16-23，1998]。国际上对混凝土裂缝深度(＜50cm)的超声波检测主要有Tc-T0法和英国标准BS 4408所述方法[6、BS 4408：“Recommendations for Non-Destructive Methods ofTest for Concrete”[S]，1972]。1990年，我国颁布了《超声波检测混凝土缺陷技术规程》，2000年又颁布了新修订的《超声波检测混凝土缺陷技术规程》[董清华，“混凝土超声波、声波检测的某些进展”，Number 11，混凝土，p.32-35，2005]作为超声波检测混凝土缺陷的技术依据，该规程吸收了国内外超声检测的最新成果，使其适用范围更广，规定的裂缝深度检测方法有单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法三种。90年代中期以来，我国智能型数字化超声仪相继问世，它不仅可以自动测读声参数，并可进行相应的数据处理，为该项技术的推广应用提供了良好的硬件基础。
由于混凝土是各向异性的多相复合材料，内部存在广泛分布的砂浆与骨料的界面和各种缺陷，使超声波在混凝土中的传播要比在均匀介质中复杂得多，产生反射、折射和散射现象，并出现较大衰减，因此超声脉冲法检测混凝土强度虽然能够检测出混凝土内部存在的大缺陷问题，但是混凝土的强度和超声传播声速间的定量关系受到混凝土的原材料性质及配合比的影响，还受到测试试件的温度和含水率的影响等，只有综合考虑各种因素和条件，建立高拟合度的专门曲线，使用时才能得到比较满意的精度。所以采用现有的线性参量：声速和声衰减来进行混凝土强度和裂纹的检测存在一定的不足之处。混凝土的强度是衡量混凝土质量的一个重要的指标，而其强度与混凝土中的含水量和裂纹有关[J.M.Terill，M Richardson，A R Sekby.“Non-linear moisture profiles and shrinkage in concrete members”，Mag.ConcreteRes，Vol.38，p220-225，1986；C.M.Shilston，“Ultrasonic inspection of hardenedconcrete”，Soc.Nondestruct.Testing Vol.19，No.1，p.39，1961]，因此，发展一种新的方法来无损检测混凝土中的含水量和裂纹就显得非常必要。
三、发明内容
本发明目的是：克服现有的线性参量测量混凝土强度和裂纹的的不足，提供一种采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法，能对混凝土内部的含水量和裂纹无损检测。
本发明目的是这样实现的：采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法，其特征是先获得非线性共振频率的偏移与混凝土中的含水量和裂纹之间的关系：取相同的混凝土干化标样，秤出各样品在干化时重量，然后放入水浸泡并在不同干燥程度下称重，得到其含水量，然后分别测量不同水分的非线性共振频率的偏移测量；得到非线性共振频率的偏移与混凝土中的含水量的关系，并拟合成一关系曲线；取相同的混凝土标样经液压式压力测试机在不同压力加压后产生不同的裂纹后的混凝土，分别测量不同压力裂纹标样的非线性共振频率的偏移，得到非线性共振频率的偏移与混凝土中的裂纹之间的关系；
则根据上述的关系进行混凝土含水量和裂纹的检测：将上述预先测量非线性共振频率偏移与含水量和裂纹的之间的关系曲线数据存储在存储器内，通过测量得到混凝土的非线性共振频率的偏移就可根据非线性共振频率与含水量的关系曲线得到混凝土的含水量；通过测量混凝土的非线性共振频率的偏移就可根据非线性共振频率的偏移与裂纹关系预测裂纹的产生。
非线性共振频率的偏移与混凝土中的含水量之间的关系这样获得：各混凝土样品为长方体，首先用电子秤秤出样品在干化时重量，然后放入水中饱和浸泡后称重得到其含水量，然后进行非线性共振频率偏移的测量：使用超声发射换能器发射信号，加速度计用于接收信号；可编程信号发生器产生调制信号，信号的中心频率为7.6KHz，脉冲宽度1ms，脉冲重复频率为100Hz，经宽带功率放大器放大后加到发射换能器，作为发射信号，发射信号经过样品后由加速度计来接收，由此测量得到非线性共振频率的偏移；不同含水量的样品通过烘箱烘烤或自然干燥获得。
非线性共振频率的偏移与混凝土中的裂纹之间的关系这样获得：各混凝土样品为长方体，在2000千牛顿液压式压力试验机加压，每块样品加压的强度有所差别，样品产生不同程度的裂纹，然后测量这些样品的非线性共振频率的偏移的变化。激发换能器的信号的中心频率为19KHz，脉冲宽度0.4ms，脉冲重复频率为100Hz，通过功率放大器放大55dB后，加载到超声换能器上。检测换能器采用加速度计，频率范围为1-100KHz。接收后的信号由数字示波器采样，通过接口将数据传给计算机作进一步处理，可计算得到非线性共振频率的偏移。
本发明非线性共振频率的偏移进行含水量和裂纹测量的装置：包括以下单元组成：信号发生器(实际使用时可利用进行无损检测混凝土的超声)、测量用传感器使用超声换能器，功率放大器，另可设有数字示波器，还包括函数发生器、脉冲发生器、电子秤、加速度计等。用加速度计来接收所得的信号，用宽带放大器放大所得到的信号，用于测量非线性共振频率的偏移，相对于声速，非线性共振频率的偏移和对含水量的变化和裂纹的灵敏度高。
1、混凝土中的含水量与非线性共振频率的偏移的关系：
改变混凝土材料的含水量，分别得到含水量与非线性共振频率偏移的关系，结果见图1。由以上的表可知，非线性共振频率的偏移和含水量的关系基本是线性关系。声学参数随含水量的变化见表1。
2、混凝土中的裂纹与声学参数的关系：见表2。
本发明的有益效果是：非线性共振频率的偏移相对于声速对混凝土中含水量的灵敏度高，尤其是对裂纹的产生具有更好的灵敏度。采用非线性共振频率的偏移进行含水量和裂纹的无损检测，灵敏度高。该项目的应用可以帮助企业混凝土的无损检测的水平，在提高产品质量的同时节约大笔开支，本发明不仅可获得直接经济效益，而且可获得显著的社会效益。
四、附图说明
图1非线性共振频率偏移与含水量的关系
图2本发明机理验证的实验系统示意图
五、具体实施方式
A、非线性共振频率偏移与混凝土中含水量的关系
实验系统测量框图见图3所示，实验样品为长方形，样品尺寸为长为8cm，宽8cm，厚为5cm，首先用电子秤秤出样品在干化时重量，然后放入水中数十天，等水饱和时称重，可得到其含水量，然后进行实验。实验时，使用超声换能器谐振频率为50KHz，加速度计用于接收信号。可编程信号发生器(Agilent 33250A，美国)产生调制信号，信号的中心频率为7.6KHz，脉冲宽度1ms，脉冲重复频率为100Hz，经宽带功率放大器(ENI A150)放大后加到发射换能器，作为发射信号，发射信号经过样品后由加速度计来接收，由此测量得到非线性共振频率的偏移。接着将样品放入烘箱中，一段时间后拿出，重新测量重量，得到其含水量的变化，测量此样品的非线性共振频率偏移。重复以上过程可得到非线性共振频率偏移与混凝土含水量的关系(见图1和表1)。
B、非线性共振频率偏移与加压裂纹的关系：
实验使用样品参数为长、宽和厚度分别8cm、、5cm、5cm：分别用同一材料制作六块相同的混凝土样品，一块作为对照，其他几块样品分别采用采用2000千牛顿液压式压力试验机加压，加压的强度有所差别(分别加压为3.5Mpa、7Mpa、10.5Mpa、14Mpa、17.5Mpa、21MPa)，样品产生不同程度的裂纹，然后测量这些样品的非线性共振频率的偏移的变化。
实验系统测量框图仍见图2，此时由于在样品的厚度方向上测量，激发换能器的信号的频率为19KHz，脉冲宽度0.4ms，脉冲重复频率为100Hz，通过功率放大器放大55dB后，加载到超声换能器上。检测换能器采用加速度计，频率范围为1-100KHz。接收后的信号由数字示波器采样，通过接口将数据传给计算机作进一步处理，作FFT变化，可分析其谐波分量。
非线性共振频率的偏移和加压产生裂纹的压力的变化状况见表2，可见随着裂纹的增加，非线性共振频率的偏移发生明显的变化。
表1声学参数与含水量的关系(发射电压为300mV时)
| 含水量(％) | 7.62 | 5.37 | 3.00 | 0.26 |
| 非线性共振频率偏移(Hz) | 115 | 74 | 43 | 16 |
| 声速(m/s) | 2562 | 2654 | 2789 | 2927 |
表2声学参数与加压裂纹的关系(发射电压为300mV时)
| 加压(MPa) | 3.5 | 7.0 | 10.5 | 14.0 | 17.5 | 21.0 |
| 非线性共振频率偏移(Hz) | 18 | 56 | 85 | 111 | 150 | 171 |
| 声速(m/s) | 3750 | 3706 | 3672 | 3645 | 3612 | 3589 |
Claims (2)
1.采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量的方法，其特征是先获得非线性共振频率的偏移与混凝土中的含水量之间的关系：取相同的混凝土标样，秤出各混凝土标样在干化时重量，然后放入水浸泡并在不同干燥程度下称重，得到混凝土含水量，然后分别测量不同水分的混凝土标样的非线性共振频率的偏移；得到非线性共振频率的偏移与混凝土标样中的含水量的关系，并拟合成一关系曲线；
根据上述的关系进行混凝土含水量的检测：将上述测量获得的非线性共振频率偏移与混凝土中的含水量之间的关系曲线的数据存储在存储器内；通过实际测量混凝土的非线性共振频率的偏移，根据上述混凝土标样的非线性共振频率的偏移与含水量的关系曲线就得到混凝土的含水量。
2.根据权利要求1所述的采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量的方法，其特征是非线性共振频率的偏移与混凝土中的含水量之间的关系这样获得：各混凝土标样为长方体，首先用电子秤秤出样品在干化时重量，然后放入水中饱和浸泡后称重得到其含水量，然后进行非线性共振频率偏移的测量：使用超声发射换能器发射信号，加速度计用于接收信号；可编程信号发生器产生调制信号，信号的中心频率为7.6KHz，信号的脉冲宽度1ms，信号的脉冲重复频率为100Hz，经宽带功率放大器放大后加到超声发射换能器作为发射信号，超声发射换能器的发射信号经过混凝土标样后由加速度计来接收，由此测量得到非线性共振频率的偏移；不同含水量的混凝土标样通过烘箱烘烤或自然干燥获得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2007101339997A CN101140265B (zh) | 2007-10-17 | 2007-10-17 | 采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2007101339997A CN101140265B (zh) | 2007-10-17 | 2007-10-17 | 采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101140265A CN101140265A (zh) | 2008-03-12 |
| CN101140265B true CN101140265B (zh) | 2010-10-20 |
Family
ID=39192301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2007101339997A Expired - Fee Related CN101140265B (zh) | 2007-10-17 | 2007-10-17 | 采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101140265B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102012403B (zh) * | 2010-11-01 | 2012-06-27 | 北京市市政工程研究院 | 超声法检测混凝土构筑物节点内部不密实性缺陷的判定方法 |
| CN102621227A (zh) * | 2012-04-25 | 2012-08-01 | 北京交通大学 | 金属材料镀层损伤的非线性超声评价方法 |
| CN103995036A (zh) * | 2014-06-09 | 2014-08-20 | 河南理工大学 | 一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法 |
| CN104236490A (zh) * | 2014-06-09 | 2014-12-24 | 郑翔 | 混凝土表面浅裂缝深度的超声波首波相位反转测试法 |
| CN104297458B (zh) * | 2014-10-29 | 2015-11-18 | 东南大学 | 一种碳纤维混凝土损伤-电阻率关联关系测量方法 |
| CN106645419B (zh) * | 2016-09-27 | 2019-06-07 | 华南农业大学 | 一种便携式土壤含水量超声波检测装置及检测方法 |
| CN106908521B (zh) * | 2017-02-23 | 2019-07-02 | 重庆大学 | 基于声发射特征谱的岩体透水监测方法 |
| CN108152106B (zh) * | 2018-03-07 | 2020-07-10 | 山西大学 | 一种自动控制混凝土试件水分含量的装置 |
| CN109596710B (zh) * | 2018-12-26 | 2021-06-01 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 基于小波包能量的套筒灌浆缺陷超声检测的装置和方法 |
| CN112082840A (zh) * | 2020-10-29 | 2020-12-15 | 怀化明达建材有限公司 | 一种混凝土抗裂性能曲线的建立方法 |
| CN112595774A (zh) * | 2020-11-28 | 2021-04-02 | 滁州学院 | 一种利用超声波波速表征水泥水化度的方法 |
| CN113443859A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-09-28 | 张昌治 | 一种高散热性的透水混凝土及生产工艺 |
-
2007
- 2007-10-17 CN CN2007101339997A patent/CN101140265B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101140265A (zh) | 2008-03-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101140265B (zh) | 采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法 | |
| Garnier et al. | Acoustic techniques for concrete evaluation: Improvements, comparisons and consistency | |
| Kim et al. | Air-coupled detection of nonlinear Rayleigh surface waves in concrete—Application to microcracking detection | |
| Shah et al. | Efficiency and sensitivity of linear and non-linear ultrasonics to identifying micro and macro-scale defects in concrete | |
| Kaczmarek et al. | Noncontact ultrasonic nondestructive techniques: state of the art and their use in civil engineering | |
| Ahn et al. | Effectiveness of diffuse ultrasound for evaluation of micro-cracking damage in concrete | |
| Chen et al. | Experimental characterization of granite damage using nonlinear ultrasonic techniques | |
| In et al. | A fully non-contact, air-coupled ultrasonic measurement of surface breaking cracks in concrete | |
| Brigante et al. | Acoustic methods for the nondestructive testing of concrete: A review of foreign publications in the experimental field | |
| CN108169330A (zh) | 基于非线性超声谐波法的混凝土构件轴向应力无损检测的装置和方法 | |
| Kim et al. | Relation between crack density and acoustic nonlinearity in thermally damaged sandstone | |
| Ongpeng et al. | Effect of load pattern in the generation of higher harmonic amplitude in concrete using nonlinear ultrasonic test | |
| CN112557499B (zh) | 一种基于超声波的节理对应力波透反射规律影响的实验方法 | |
| Goueygou et al. | Assessment of porosity of mortar using ultrasonic Rayleigh waves | |
| CN102183585B (zh) | 一种岩心选样的方法 | |
| Ongpeng et al. | Contact and noncontact ultrasonic nondestructive test in reinforced concrete beam | |
| Payan et al. | Ultrasonic methods | |
| Wiciak et al. | Sensor and dimensions effects in ultrasonic pulse velocity measurements in mortar specimens | |
| Kim et al. | Initial freeze–thaw damage detection in concrete using two-dimensional non-contact ultrasonic sensors | |
| Shah et al. | Non-destructive measurements of crack assessment and defect detection in concrete structures | |
| He et al. | Comparison of the L cr wave TOF and shear‐wave spectrum methods for the uniaxial absolute stress evaluation of steel members | |
| Kalyan et al. | Experimental evaluation of cracks in concrete by ultrasonic pulse velocity | |
| Soleimanian et al. | Assessment of plain and glass fiber-reinforced concrete under impact loading: a new approach via ultrasound evaluation | |
| Liu et al. | Evaluation of the compressional damage evolution of ancient fired clay bricks using coda wave analysis | |
| Aggelis | Damage characterisation of inhomogeneous materials: experiments and numerical simulations of wave propagation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101020 Termination date: 20131017 |