CN1317086A - 用于复合材料的能量定量方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于表征复合材料(2)的方法和设备被公开。根据本发明，声波穿透一复合材料(2)，并且测量和分析该声波信号的波形图，以确定复合材料(2)的结构和/或机械参数。本发明尤其适用于检查混凝土(2)、灰浆或石膏以及在特定的滚压实的混凝土(RCC)中特别有用。在优选实施方案中，声能E和任选的其它声波变量，例如声波的频率、振幅、强度或信号衰减由该波形图导出，并与混凝土(2)的弹性、密度、强度、内部应力、缺陷、不连续性、相变(气、液、固)和/或凝固时间相关联。本发明可以用于监测混凝土(2)例如RCC的凝固和硬化过程。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土和其它复合材料的物理表征领域。它基于独立权利要求阐述的技术主题。
背景技术
从1940年开始，测量声音在混凝土中的通过时间，来确定机械强度和检测裂缝、蜂窝和其它空腔。但是，声音测量技术没有用来表征混凝土的其它物理特性或其硬化过程。另外，目前对混凝土可采用的强度测试只能是在混凝土硬化过程结束以后进行。
混凝土样品凝固时间是通过测量例如葡氏密实度测定针的贯穿阻力来确定的。但是，这些测试是破坏性的，并且尤其不适合于滚压实的混凝土(Roller Compacted Concrete,RCC)，因为RCC中的主要成分在样品制备过程中被滤出。
现有技术中确定复合物中的固、液、气相体积比一般需要实验室设备(例如电子显微镜)，不能用于原位测量，尤其是不能用于硬化混凝土结构变化的动态监测。
发明概述
本发明的目的是提供一种表征复合材料的改进方法和设备。该目的根据本发明独立权利要求阐述的技术主题而实现。
本发明是关于在复合材料内耦合声波并检测透过的声波信号的方法和设备，据此测量和分析声波信号的波形，以确定复合材料的结构和/或机械参数。这种声音分析方法可以对复合材料的物理性能情况和进展进行原位和实时测量，这在以前是不可能的，其中复合材料例如灰浆、石膏和滚压实的混凝土RCC。
在一个实施方案中，确定声能E和任选的其它声音变量，例如声波的频率、振幅、强度或信号衰减，并使之与复合材料的弹性、密度、强度、内部应力、缺陷、不连续性、相转变(气、液、固)、凝固时间和/或声音阻抗相关联。
在另一个实施方案中，测量并分析一系列的波形图，以监测复合材料中的动态变化，尤其是在硬化过程中的动态变化。
在又一个实施方案中，还测量复合材料的温度、尺寸变化和/或重量损失，以补充声音波形图的测量。
再一个实施方案是关于一种设备，包括用于存储的高速采集板，和用于分析声音波形图的微处理器或计算机。
本发明的其它目的、特征和优点将从所附的权利要求书和参考附图所作的描述中更加清楚。
附图的简要说明
以下的描述参考如下附图。
图1表示本发明的设备，用来测量和分析声音波形图；
图2表示声能对时间的实验曲线，表征滚压实的混凝土的凝固过程。
图中相同的部分由同一附图标记表示。
优选实施方案的详细说明
在本发明的范围内，复合材料是由几种组分制成的任何材料。复合物一般包括基本材料，配合体和用来改善前两者性能的几种掺料或添加剂。复合材料的示例是：混凝土、灰浆、环氧材料、灰泥和任何混合物，只要其中存在配合体作为水硬水泥、纤维、掺料、添加剂或其它组分用来改善复合材料的物理性能或机械(reological)性能。
复合物是一种不均匀材料，利用其中主要成分的性能以实现特殊的特性。混凝土、石膏和灰浆是在建筑行业使用的复合材料。这些材料难以表征，也难以可靠地模拟其行为，尤其是在刚开始到完全硬化状态之间的过渡时期。因此迄今为止，复合材料的表征或模拟仅限于具有不太复杂模型的材料。
本发明是关于表征复合材料2的方法，尤其是用于测量混凝土2的物理性能，据此检测穿过复合材料2的声波的波形或波形图，并将从该波形图得出的特征数或特征数形式与复合材料2的结构和/或机械参数相关联。
这种详细的声音分析比通常的传播速度测量优越，因为可以获得关于复合物2的更多内部特征信息，例如固、液和/或气相的体积比例，硬化过程、硬化过程中材料强度的变化等。实际上，当声音波长可与复合材料2中的组分、杂质或不纯物的尺寸相比时，如在新鲜的混凝土中所可以发生的那样，也可以使用该方法。这避免了迄今为止所用方法的缺点，例如需要特殊的环境测量条件，等待复合物2的完全硬化，或使用由理想条件下的实验室测试而外推的数据。
以下披露了如图1所示的方法和设备的优选实施方案。声音脉冲发生器1激励发声传感器3将声波送入复合物2内。该声波被声音接收传感器8读取，并转换成在测量装置7中检测和分析的电信号。测量装置7包括高速数据采集板或设备4，用于存储声波的波形图，以及微处理器或计算机5，用来分析波形图。
理论上，信号传感器3和8能够作为发声器3和接收器8。当使用冲击波时，声音脉冲发生器1和发声传感器3可以被硬度锤(sclerometric hammer)所代替。高速采集设备4可以是数字示波器4。另外，测量装置7的任选元件是所接收的信号的放大器10，声谱分析仪11，以及用于反应热测量的热量计12和/或温度计，用于测量复合材料2的温度、尺寸和/或重量变化的应变仪6和/或天平9。应变仪或尺寸变化测试仪6可以是磁位移传感器(LVDT)6。天平9可以是数字天平9。
另外，该设备包括耦合系统13、14，尤其是与气动压缩机13相连的气动耦合器14，用于将声音传感器3、8压向复合材料2。微处理器或计算机5被设计成控制声音脉冲发生器1和测量装置7。计算机5应当安装有IEEE通信板和A/D转换器，并由特定的软件程控。15表示输出。
图1的设备操作如下：被例如高压电源激励的发声传感器3所产生的波列垂直落在复合材料2的表面上，并以连续的波阵面的形式贯穿复合材料2，直至到达接受器8，该接受器将机械信号转换成为电信号。
该信号送入数字示波器4，它将在那个瞬间穿过复合材料体积的波列的波形图保存在其存储器中。所保存的信号几乎被实时送入计算机5。
由特殊设计的软件程控的计算机5处理所产生的保存在示波器4中的图，计算每一次测量的能量值E，并将结果作图。最后，获得曲线，该曲线高度灵敏地表征了所评估的复合材料2中的固-液-气相的转变。
计算机5也以连续的方式记录检测测量探针2重量变化的天平或秤9的数据，记录跟踪复合材料2体积变化的应变仪6的数据，和记录检测环境和材料温度的热电偶的数据，以及任选的热量计12的数据。
应当指出，一旦样品被放置在该系统中，从此计算机5控制整个过程，直至测试结束，因此避免了由于错误处理样品2所造成的可能的失误。数据记录时间，尤其是声音和其它补充测量之间的时间间隔，可以由软件控制。
在该过程的结尾，产生了所评估的复合材料2的特征曲线，其中可以观察到水合作用随时间的变化(超声能对时间)，同时可以获得样品温度对时间的曲线。这可以详细地表征灰浆或混凝土的水合物形成。其它参数可以完成本发明的声音诊断所获得的信息。总之，在建筑现场并基本实时的为建筑提供了很有价值和实用性的整套信息。
以下详细解释了波形图分析的实施方案。
声能的计算遵循欧拉或波等式
2ψ=l/c2*2ψ/t2
其中ψ=声波振幅，t=时间，c=声音传播速度。一个X轴在空间的答案由以下的通式给出
ψ(x,t)=∑nAn*cos(ωnt-knx)+Bn*sin(ωnt-knx)
其中(ωn代表本征频率，Kn代表系统的波数。这两个参数与系统的机械性能之间的关系由以下式表示
第7页第16行公式
其中ρ是介质的密度，K是其杨氏模量。
如果函数ψ(x,t)或ψ｜(x,t)｜2由实验获得，可以求出等式的不同常数。因此，由为每一个发出的脉冲确定的ψ(x,t)，可以计算该系统的动能E：
第7页第24行
其中A是函数ψ(x,t)的参数An和Bn积分。这意味着，由所测得的函数ψ(x,t)计算的E将与杨氏模量K成正比，而与材料的密度ρ成反比。
应当指出，波函数ψ与其参数ωn、Kn和An、Bn的使用、计算和分析，除了仅仅确定声音速度C以外，还含有更多的有用信息，这些自40年代以来在混凝土技术中一直使用。由函数计算得到的系统动能E的值，可以以明显更灵敏和准确的方式获得关于介质2在发展过程中的状态信息，因为它考虑和定量了入射波列在接收传感器8上的最重要的性能。
关于以上解释模型的一些评论：复合材料2的类型和其特征限定了所要使用的冲击或(超)声波的类型。因为对于声音或声波两种类型的声音激励，所使用的方法和设备的原理相同。声能与颗粒的波形振幅ψ的平方成比例。声源传感器3在任何时刻发出的能量总是恒定的，也包括它的频率、波长和其它与能量相关的声音参数，例如声音阻抗、颗粒密度或振动速度。一旦声波贯穿进入复合材料2，除了频率和周期之外，所有参数都会作为复合材料2的状态和特征的函数、以及作为建筑现场的环境条件的函数而开始改变，由于其便携性，该设备很适合于在使用该设备的原位进行测量。
表1表示波和频率的优选类型。
| 波型 | 频率 | 周期(微秒) | 波长(mm)，新鲜混凝土* | 波长(mm)，硬化混凝土** | 声能 | 材料表征的设备灵敏度 | 最佳用途 |
| 声波或冲击 | 20HZ＜f＜20KHz | ||||||
| 声波或冲击 | 5kHz | 200 | 760 | 1150 | 高 | 低 | 坝中的大缺陷，裂缝 |
| 声波或冲击 | 15kHz | 67 | 50 | 253 | 高 | 低/中等 | 新鲜状态混凝土的表征 |
| 超声波 | 20kHz＜f | ||||||
| 超声波 | 20 | 50 | 37 | 190 | 中等 | 中等/高 | 新鲜状态和硬化状态的混凝土的表征 |
| 超声波 | 54 | 18 | 14 | 70 | 中等/低 | 中等/高 | 新鲜状态和硬化状态的混凝土的表征 |
| 超声波 | 85 | 12 | 9 | 45 | 低 | 高 | 硬化状态混凝土的表征 |
| 超声波 | 150 | 7 | 5 | 25 | 非常低 | 非常高 | 硬化状态下膏和灰浆的表征 |
在以上描述中提及的复合材料2一般有固、液和气相。在所有的情况下，相的体积比之和是1。穿过复合材料2的波列由有限系列的压力波阵面构成，该波列可以同化为三维膜的物理概念。
测量声音波形图的重要性在于，声音阻抗作为复合材料2结构的函数而变化，实际上更高或更低地依赖于复合材料2的聚集。当穿过这种聚集体时，波阵面会释放一个绝对值为给定量的能量E或压力，它被吸收或重新分配至到复合物2中。该过程会重复有限的次数，直至波阵面到达接收传感器8，在该设备中，接收传感器8是压电晶体8或压力传感器8。
属于穿过材料2的超声脉冲的每一个波阵面，激励接收传感器的压电晶体8。压电晶体8响应波形图的压力刺激，同时由该机械信号产生电磁信号。在压电晶体8上的这种压力的连续系列呈现在示波器屏幕4上。由该波形图可以获得复合材料2的所有声音变量。
压力波形的形式是由参数建立的，该参数例如频率、振幅、强度和信号衰减。对于信号的两个限制之间的时间差，计算确定了能量值，根据所要分析的材料2这两个限制是固定的。压力波形图的形式和其某些声音变量(例如其能量)可以高精度的表征复合材料2主要部分的那些特征，这些特征与内部结构、应力状态、杂质和粘合材料之间的过渡区的状态、缺陷的存在相关。
由一系列波形图，可以计算每一个波形图的超声能量值E，从而获得对于时间的一系列能量值，它们最终描述了相转变。
应当指出，超声能量是由波列的压力波形图对时间间隔的数学积分而计算的。时间下限由发声传感器3发出的波阵面到达接收传感器8的时间给出。时间上限对应于在波形图稳定时具有最大振幅的峰之后的第一个峰的时间。只要检查同样的复合材料2，对于时间上限总是使用同样的值。
如果在一段时间内重复该工序，例如在大量的混凝土2凝固和硬化所需的时间内，可以获得如同材料状态在任何时刻的声谱学的一系列柱状图，从塑性状态(粘塑性)开始，至硬化状态(固体)为止。从该一系列波形图和时间，可以获得不同声音变量的曲线，例如能量或和传播速度。
图2表示一个实验性的实施例，其中对于曲线1和2超声能量作为时间的函数给出，这两条曲线示例了两种不同的滚压实的混凝土RCC的凝固行为。实验参数是：温度32℃，相对湿度75％。曲线1：水泥重量70kg/m3，水4.8％，砾石(19-38mm)249kg/m3，砾石(4.8-12.5mm)543kg/m3，粗砂566kg/m3，细砂362kg/m3；曲线2：组分与曲线1相同，但是加入了凝固延迟剂，用量为水泥重量的2％。F.I.表示最初凝固，F.F.表示最终凝固。曲线1和2高度灵敏地描述了液相和气相向固相的转变(水合过程和晶体形成)。这种测量也可以检测应力状态，材料内部不连续性的存在，以及混凝土的聚集-糊状过渡区的行为。
同时，披露了简化的声能测量方法。给定时间间隔Δt的声能可以计算如下：
E=K*∑1A1 2*Δt
其中E=声能(单位尔格),Ai=基态和由压电传感器或晶体8的波阵面激发的第i-个最大激发态之间的电位差(单位mV),Δt是时间差(单位μs),K是关于压电晶体8对于电磁响应的位移的机械振幅的常数。常数K也包括基体的特征例如密度，以及包括发生器3的特征例如信号频率或周期。
除了确定固、液、气相在任意的复合材料2中的体积比之外，本发明的方法和设备也非常适合于表征在建筑业使用的材料2，例如混凝土、灰浆和石膏。
在这些材料中发生凝固和硬化过程，这决定了它们将来的特征，例如机械强度和稳定性。因此准确地理解凝固过程是非常理想的，实际上也是非常必要的。该声音技术提供了一种确定凝固时间的新方法，它采用了完全不同于先有技术的物理原理。在特殊的混凝土2，例如滚压实的混凝土和其它混凝土中，传统的技术不能确定它们的凝固时间。相反，利用超声能来测量凝固时间就能够解决这个问题，并能够灵敏地表征这些混凝土2的动态水合作用。
本发明的方法在这些材料中的其它重要用途如下：
添加剂在水泥或混凝土中的最大含量的定量；
根据环境条件，确定混凝土路面的最佳切缝时间；
确定混凝土结构中的拉伸状态；
确定结构元件中的残余强度；
确定复合材料例如混凝土或石膏的凝固和硬化进展曲线；
确定石膏和混凝土中的水合过程；
确定复合材料过渡区的状态，尤其是在混凝土中聚集和水泥糊状之间的过渡区的状态；
由混凝土的水合作用和浓度确定最佳的水/水泥的比例；
确定最小的水养护；
确定在复合材料例如石膏或混凝土中的掺料的行为；
确定源自于水泥添加剂的水合产物的生成。
Claims (10)
1．一种用于表征复合材料(2)的方法，尤其适合于测量混凝土(2)的物理性能，由此声波被耦合进入该复合材料(2)中，并检测透过的声波信号，其特征在于：
(a)检测声波信号的波形图，以及
(b)分析该波形图，以确定复合材料(2)的结构和/或机械参数。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于：
(a)由波形图确定能量E以及尤其是声波的频率、振幅、强度、信号衰减和/或阻抗，和/或
(b)测量并分析一系列波形图，以监测复合材料中的变化，尤其是在硬化过程中的变化。
3．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于：
(a)所确定的复合材料(2)的参数是杨氏弹性模量K、密度ρ、机械强度、应力状态、缺陷的存在、内部不连续性的存在和状态、固液和成气相的体积比、水合过程的状态、晶体形成的状态和/或凝固时间，和/或
(b)复合材料(2)是混凝土(2)、灰浆或石膏，尤其是滚压实的混凝土(RCC)。
4．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于：
(a)由声波信号的波形图对时间的数学积分而计算声波的能量E，
(b)时间的下限由声波通过复合材料(2)传播时间给出，时间的上限对应于波形图形状被稳定的时间。
5．根据权利要求4的方法，其特征在于给定时间间隔Δt的能量由下式计算得到：
E=K*∑iAi 2*Δt
其中E=声能，Ai=基态和由压电传感器(8)激发的第i-个最大激发态之间的电位差，K是关于压电传感器(8)电磁对机械响应的常数，∑i表示在时间间隔Δt期间的i=1…m波形图的总和。
6．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于：
(a)从一系列波形图，测量对于时间的声能E
(b)以及测量对时间的温度、反应热、尺寸变化和/或重量损失，和
(c)监测复合材料(2)相关的结构和/或机械参数。
7．一种用于表征复合材料(2)的设备，尤其适合于测量混凝土(2)的物理性能，包括一声音脉冲发生器(1)，至少一个声音传感器(3,8)，用于将声波耦合进出复合材料(2)，以及测量装置(7)，其特征在于：
(a)该设备被设计成用于执行前述任一权利要求所述方法，并且
(b)该设备是便携式的。
8．根据权利要求7的设备，其特征在于：
(a)测量装置(7)包括一高速采集设备(4)，用于存储声波的波形图，以及
(b)测量装置(7)包括微处理器或计算机(5)，用于分析波形图。
9．根据权利要求7的设备，其特征在于：
(a)该高速采集设备(4)是数字示波器(4)，和/或
(b)该测量装置(7)还包括声谱分析仪(11)，和/或
(c)该微处理器或计算机(5)被设计来控制声音脉冲发生器(1)和测量装置(7)。
10．根据权利要求7-9中任一权利要求的设备，其特征在于：
(a)该设备包括用于反应热测量的热量计(12)和/或温度计，应变仪(6)和/或天平(9)，用于测量复合材料(2)的温度、尺寸和/或重量变化，和/或
(b)该设备包括一耦合系统(13,14)，尤其是与气动压缩机(13)连接的气动耦合器(14)，用于将声音传感器(3,8)压向复合材料(2)。
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