CN117368276A - 一种管桩混凝土的损伤检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管桩混凝土的损伤检测方法及装置，其中的一种管桩混凝土的损伤检测方法包括以下步骤：根据待测管桩混凝土的壁厚确定芯样的高度，经取芯得到试件；得到的试件经真空饱水处理后，进行电容值检测获取试件的电容值分布情况；根据电容值分布情况经成像处理后，确定不同位置的电容值，表征出介电常数分布情况，得到试件内部的损伤和缺陷分布。在检测之前，待测试件已经进行真空饱水处理，因此试件中缺陷和损伤越多的地方，水分的含量越高，导致该位置的介电常数越大，电容值越大，基于电容原理的方式相较于传统的超声波法和地质雷达法，其检测过程更加简单。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土损伤检测技术领域，具体为一种管桩混凝土的损伤检测方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)，通过采用先张预应力离心成型工艺，并经过一定压力和温度的蒸汽养护，制成的一种混凝土预制构件，常见的PHC管桩一般为空心圆筒型，由于其力学性能优越，节约资源和便于生产，能够应用在多个领域中。
但是，蒸汽养护会提高管桩混凝土内部的孔隙率，离心会导致PHC管桩内部骨料和浆体分布不均和分层现象，同时受到管桩混凝土原材料性能和离心制度的影响，离心完成后的管桩混凝土内部会存在缺陷(例如：蜂窝或空洞等)。当孔隙和缺陷较大时，会严重影响管桩混凝土的抗侵蚀性性能，进而影响服役寿命，尤其是对于在海洋工程应用的管桩。因此，需要对制作完成以后的混凝土管桩进行检测，使内部存在缺陷的管桩被检测出来，进而确保管桩的服役寿命。
目前，针对管桩内部缺陷的检测方法需要对管桩进行切割，以检测内部形貌，但是该方法是有损检测，对管桩具有不可逆的损害，导致检测后的管桩构件无法继续使用，此类方法通常应用于管桩安装之前的抽检过程。而超声波法和地质雷达法的检测过程复杂，并且依赖成本高昂的检测设备，并且受限于管桩内部骨料分布不均和分层现象，超声波法和地质雷达法的检测结果精度不高。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种管桩混凝土的损伤检测方法，通过获取待测管桩混凝土的芯样，利用环形多层的电容极板形成的电容传感器获取芯样的电容分布情况，经过三维成像后，根据电容传感器中不同电极板之间不同位置的电容值，表征出不同电极板之间的介电常数分布，进一步表征芯样内部的损伤和缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种管桩混凝土的损伤检测方法，包括以下步骤：
根据电容值分布情况经成像处理后，确定不同位置的电容值，表征出不同位置的介电常数，得到试件内部的损伤和缺陷分布。
进一步的，进行电容值检测获取试件的电容值分布情况，具体为：基于电容传感器获取试件每一层区域中不同位置之间的电容值，得到试件中每一层区域的电容值分布情况。
进一步的，根据电容值分布情况经成像处理时，根据试件和电容传感器的尺寸建模，在模型中试样的内部生成模拟水分的球体。
进一步的，建模过程中，设定模型中试样、电容传感器和空气域的介电常数。
进一步的，建模过程中，根据电容传感器中极板的结构生成网格。
进一步的，电容传感器包括至少一层电容极板，每一层电容极板包括多组首尾相接且形成环型的极板，每一组极板为弧形。
进一步的，多层电容极板并列布置。
进一步的，根据电容值分布情况经成像处理后，确定电容值的变化趋势，具体为：获取同一层电容极板中不同极板之间电容值的分布情况，基于建立完毕的模型经仿真处理得到成像，获得试样在每一层电容极板中的电势分布图像。
进一步的，得到的电势分布图像包括连续分布图像和非连续分布图像，两图像中电容值的最大值在同一位置，这表明该位置的水分含量最高，此位置为损伤最大处。
本发明的第二个方面提供实现上述方法所需的装置，包括：
电容传感器，包括至少一层电容极板，多层电容极板并列布置，每一层电容极板包括多组首尾相接且形成环型的极板，每一组极板为弧形；电容传感器与数据采集处理器连接；
经真空饱水处理后的待测试件嵌入到电容传感器的环型空间内，基于电容传感器获取电容值的分布情况，经数据采集处理器成像处理后，确定试件每一层电容极板覆盖区域不同位置的电容值，表征出介电常数分布情况，进而得到试件内部的损伤和缺陷。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、在检测之前，待测试件已经进行真空饱水处理，因此试件中缺陷和损伤越多的地方，水分的含量越高，导致该位置的介电常数越大，电容值越大，基于电容原理的方式相较于超声波法和地质雷达法，其检测过程更加简单。
2、通过取芯获得管桩试件进行检测的方式对管桩构件的损伤较小，基本能够保持管桩构件的完整性，简单修补后可以继续使用，降低检测作业对管桩构件的成本影响。
3、电容传感器的多层环状结构能够获取到试样每一层区域中不同位置的电容分布，不易受到管桩材料差异的影响，能够有效避免误差，从而使得检测精度满足需求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的管桩混凝土检测流程图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的电容极板采用环形多层时的结构示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的电容极板采用环形多层结构时形成的网格结构示意图；
图4是本发明一个或多个实施例提供的电容极板采用单层环形结构时的结构示意图；
图5是本发明一个或多个实施例提供的电容极板利用亚克力封装后的俯视视角示意图；
图6是本发明一个或多个实施例提供的每一层电容极板中不同极板之间的电场线分布示意图；
图7是本发明一个或多个实施例提供的电容极板采用环形多层结构形成电容传感器，对取芯的管桩混凝土试样进行检测的示意图；
图8是本发明一个或多个实施例提供的电容极板采用环形多层结构形成电容传感器，对取芯的管桩混凝土试样进行检测时的网格结构示意图；
图9是本发明一个或多个实施例提供的电容传感器检测过程中的电场线以及电势的分布示意图；
图10是本发明一个或多个实施例提供的电容传感器检测得到的某一层中电容值的连续分布情况示意图；
图11是本发明一个或多个实施例提供的电容传感器检测得到的某一层中电容值的非连续分布情况示意图。
图中：1-电容传感器，2-连接线，3-数据采集处理器，4-亚克力保护壳，5-电场线，6-管桩取芯试件。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
PHC管桩，预应力高强混凝土管桩，通过采用先张预应力离心成型工艺，并经过一定压力和温度的蒸汽养护，制成的一种混凝土预制构件。
正如背景技术中所描述的，目前针对PHC管桩中混凝土的损伤检测存在检测成本高昂、检测精度不高以及不可逆的破坏的问题，以下实施例给出一种管桩混凝土的损伤检测方法及装置，通过获取待测管桩混凝土的芯样，利用环形多层的电容极板形成的电容传感器获取芯样的电容分布情况，经过三维成像后，根据电容传感器中不同电极板之间不同位置的电容值，表征出不同电极板之间的介电常数分布情况，进一步表征芯样内部的损伤和缺陷。在检测之前，待测试件已经进行真空饱水处理，因此缺陷和损伤越多的地方，水分的含量越高，导致该位置的介电常数越大，电容值越大。
实施例一：
如图1所示，一种管桩混凝土的损伤检测方法，包括以下步骤：
根据待测管桩混凝土的壁厚确定芯样的高度，经取芯得到试件；
得到的试件经真空饱水处理后，进行电容值检测获取试件的电容值分布情况；
根据电容值分布情况经成像处理后，确定电容值的变化趋势，表征出介电常数变化，进一步表征试件内部的损伤和缺陷。
具体的：
本实施例中，待测管桩混凝土芯样的高度由管桩混凝土的壁厚决定，高度通常在6～12cm之间，待测管桩混凝土芯样的直径由取芯机的取芯筒尺寸决定，通常选择直径为10cm的取芯筒进行芯样的钻取。
取出的芯样(试件)经过真空饱水处理后，利用如图2所示的电容传感器1获取试件的电容值分布情况，电容传感器1包括至少一层电容极板，多层电容极板并列布置，每一层电容极板包括多组首尾相接且形成环型的极板，每一组极板为弧形。
电容传感器1中的多层电容极板形成单层环形的结构，或是形成如图3所示的多层环形的结构。
本实施例中，环形多层电容极板的半径可以为5.2cm，高度根据管桩的厚度而发生变化，可以为6～12cm，每一层电容极板的高度为0.9cm，相邻两层电容极板之间的尺寸为0.1cm；每一层电容极板由12块极板组成，每一块极板均为弧形，弧度约为29°。
本实施例中，待测管桩的壁厚在10cm左右，取芯后的试件6高度为10cm，因此选择的电容传感器具有10层电容极板，环形电容传感器的总高度为10cm，如图2所示。
如图4所示，电容传感器1通过连接线2与数据采集处理器3连接，电容传感器1与连接线2之间可以通过焊接进行连接，数据采集处理器3与连接线2通过夹具连接。
电容传感器的圆周外侧设有保护壳，本实施例中，采用亚克力对电容传感器1进行封装，形成亚克力保护壳4，亚克力具有介电常数小，对电容检测结果影响小的优势，封装后的环形多层电容极板俯视图如图5所示，每一层电容极板中不同极板之间的电场线5的分布示意如图6所示。
如图7和图8所示，试件6嵌入到电容传感器1的环型结构内部，获取电容值的分布情况并发送给数据采集处理器3，数据采集处理器3接收每一层电容极板中，不同极板之间的电容值，经过三维成像后输出试件6内部的损伤情况。
每一层电容极板中两极板之间的电容值通过以下公式计算：
C＝Q/U；
其中，C是电容计检测得到的极板之间的电容量，以法拉(F)为单位；Q是两极板之间的带电量，以库伦(C)为单位；U是极板之间的电压，以伏特(V)为单位。
由于极板之间的电压U为固定值，因此极板之间电容量C与带电量Q成正比，带电量Q与待测物质的组成密切相关。
电容值的变化主要与电容极板之间的介电常数密切相关，计算公式如下，
其中，C是电容传感器两极板之间的电容量，以法拉(F)为单位；S是两极板之间的(有效)面积，单位为平方米；εr是极板之间材料的相对介电常数；ε是真空中的绝对介电常数(8.854×10-12Fm-1)；d是极板之间的间隔距离，以米为单位。
根据不同电极板之间电容值的分布情况，表征出不同电极板之间的介电常数的分布情况，进一步表征试件内部的损伤和缺陷。由于在检测之前，待测试件已经进行真空饱水处理，因此缺陷和损伤越多的地方，水分的含量越高，导致该位置的介电常数越大，电容值越大。
数据采集处理器3根据不同极板之间的电容值，经过三维成像后输出试件6内部的损伤情况，具体为：
(1)在有限元软件中根据试件和电容传感器的尺寸进行建模，本实施例中，电容传感器中每一层电容极板的高度均为0.9cm，间距为0.1cm，每一层电容极板由12块极板组成，每一块极板的弧度为29°，电容传感器的总高度为10cm，环形多层的电容极板通过亚克力进行封装保护，待测取芯管桩混凝土试件的高度为10cm，直径为5cm。将待测混凝土芯样放置于环形电容传感器内部，同时在待测混凝土芯样内部随之生成球体水分，以模拟饱水后的芯样，如图7所示。
(2)对有限元软件中的所有材料进行参数设定，环形多层电容极板选择的材料为铜，介电常数设置为104；亚克力保护壳的介电常数设置为3；取芯管桩混凝土芯样的介电常数设置为8，芯样内部水分的介电常数设置为80；除此之外，其他区域均设置为空气域，相对介电常数为1。
(3)为了提高有限元模拟的计算精度，对于边界和其他重要位置，生成了更精细的网格，以提高收敛性和精度。对于环形多层电容极板的网格剖分图和环形多层电容传感器检测管桩混凝土芯样的网格剖分图，分别如图3和图8所示。
(4)对桩混凝土芯样进行电容值检测，测得同一层环形电容极板中不同极板之间的电容值，并将同一层12块电容极板得到的66个电容值用于电容的成像。环形电容传感器检测过程中的电场线，电势的分布示意图如图9所示。
(5)将获得66个电容值在电容数据采集处理器中进行数据处理，获得电容极板平面的电容分布，电容值的连续分布图如图10所示，电容值的非连续分布图如图11所示。
(6)根据图10和图11，可以看出，电容值的最大值在同一位置，这表明该位置的水分含量最高，进而说明此位置的损伤最大。
由于在检测之前，待测试件已经进行真空饱水处理，因此缺陷和损伤越多的地方，水分的含量越高，导致该位置的介电常数越大，电容值越大，因此能够实现管桩内部不同层损伤的可视化检测，并且取芯检测的方式对管桩整体的损伤程度较低，电容检测的方式相较于超声波或是地质雷达的方式不需要依赖高昂的检测设备，并且检测步骤简单精度能够满足需求。
实施例二：
实现上述检测方法的装置，包括：
电容传感器，包括至少一层电容极板，多层电容极板并列布置，每一层电容极板包括多组首尾相接且形成环型的极板，每一组极板为弧形；电容传感器与数据采集处理器连接；
经真空饱水处理后的待测试件嵌入到电容传感器的环型空间内，基于电容传感器获取电容值的分布情况，经数据采集处理器成像处理后，确定试件每一层电容极板覆盖区域不同位置的电容值，表征出介电常数分布情况，进一步表征试件内部的损伤和缺陷。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据待测管桩混凝土的壁厚确定芯样的高度，经取芯得到试件；
得到的试件经真空饱水处理后，进行电容值检测获取试件的电容值分布情况；
根据电容值分布情况经成像处理后，确定不同位置的电容值，表征出不同位置的介电常数，得到试件内部的损伤和缺陷分布。
2.如权利要求1所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，进行电容值检测获取试件的电容值分布情况，具体为：基于电容传感器获取试件每一层区域中不同位置之间的电容值，得到试件中每一层区域的电容值分布情况。
3.如权利要求1所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，根据电容值分布情况经成像处理时，根据试件和电容传感器的尺寸建模，在模型中试样的内部生成模拟水分的球体。
4.如权利要求3所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，建模过程中，设定模型中试样、电容传感器和空气域的介电常数。
5.如权利要求3所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，建模过程中，根据电容传感器中极板的结构生成网格。
6.如权利要求2所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，所述电容传感器包括至少一层电容极板，每一层电容极板包括多组首尾相接且形成环型的极板，每一组极板为弧形。
7.如权利要求6所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，多层电容极板并列布置。
8.如权利要求1所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，根据电容值分布情况经成像处理后，确定不同位置的介电常数，具体为：获取同一层电容极板中不同极板之间电容值的分布情况，基于建立完毕的模型经仿真处理得到成像，获得试样在每一层电容极板中的电势分布图像。
9.如权利要求8所述的一种管桩混凝土的损伤检测方法，其特征在于，得到的电势分布图像包括连续分布图像和非连续分布图像，两图像中电容值的最大值在同一位置，这表明该位置的水分含量最高，此位置为损伤最大处。
10.基于权利要求1-9任一项所述方法实现管桩混凝土的损伤检测装置，其特征在于，包括：
电容传感器，包括至少一层电容极板，多层电容极板并列布置，每一层电容极板包括多组首尾相接且形成环型的极板，每一组极板为弧形；电容传感器与数据采集处理器连接；
经真空饱水处理后的待测试件嵌入到电容传感器的环型空间内，基于电容传感器获取电容值的分布情况，经数据采集处理器成像处理后，确定试件每一层电容极板覆盖区域的电容值分布情况，表征出介电常数分布情况，得到试件内部的损伤和缺陷。
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2023
- 2023-10-16 CN CN202311339187.3A patent/CN117368276B/zh active Active
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