混凝土路面厚度的超声波无损检测研究

　　混凝土路面厚度测量,目前广泛使用打孔取芯检测法,这无疑对被测样品造成破坏,影响了路面的各项质量指标,而且费工、费时、成本高、抽样率低。随着国家高等级公路网迅速发展,这种传统的检测手段已无法满足施工现场质量检测的要求。将超声波技术应用于道路质量检测领域,是近年来国际上发展起来的新技术[1],我国也开始了混凝土路面厚度超声波无损检测的试验和研究,取得了一定的进展[2～4]。然而,由于一些难以克服的困难,直接妨碍了这项技术的发展与应用。超声波厚度检测必须利用反射波才能实现,用反射波时距关系,反推反射层(路面)厚度。由于路面层厚度一般仅为数十厘米,反射纵波紧跟直达纵波之后,它往往与直达纵波迭加而被淹没,难以准确识别与测试,导致检测精度不高。可见,反射波难以准确识别的障碍若不能跨越,路面厚度超声波无损检测的技术就无法推向实用。为了解决这一问题,本文利用物理模型实验的方法,建立路面简化模型,通过反复实验与研究,找到了一种便于识别反射波,从而准确提取其走时和速度参数,并用于判定路面厚度的基本方法。

　　1　声束反射法测量厚度的原理

　　超声波从一种固体介质人射到另一种固体介质时,在2种不同固体的分界面上会产生波的反射和折射。根据声学原理,分界面处反射纵波声强与入射纵波声强之比,即声强反射率:

　　式中:α为入射角,β为折射角,z1、z2分别为介质1和介质2的声阻抗率,是介质的密度Q和声速c的乘积。入射角A与折射角B满足斯奈尔定律,即

　　从式(1)知,声阻抗率相差越大,则反射系数也越大,反射信号就越强。假定面层混凝土中声速为4200m/s,密度为2500kg/m³,石灰土中声速为3000m/s密度为2000kg/m³,若A= 30°,则

　　由(1)式可求得反射率为24%。所以只要能从直达波和反射波混杂的接收波中识别出反射波的叠加起始点,并测出反射波到时,就可由下式计算混凝土的厚度:

　　式中:D为混凝土厚度,c为混凝土中声速,T为反射波走时,L为两换能器间距。

　　由(2)式知,要准确得到厚度,关键是如何设法测得较准确的混凝土声速c和路面底波反射的声时T。当换能器固定时,L是一个常数。

　　2　模型与实验系统

　　2.1　样品模型的制备

　　将路面与路基简化为双层模型,路面视为均匀硬质层,路基视为均匀软塑层,按照相似性准则,以混凝土作为路面材料,夯实的石灰黄粘土作为路基材料,构建了公路双层物理模型(见图1)。混凝土是非均匀介质,主要是由水泥、沙子、石子等材料构成的混合体。为了解超声脉冲通过混凝土材料的信号特征,在试样模型制作过程中,参照高等级公路路面对混凝土材料的技术要求与比例浇灌成型。模型路面部分的材料、厚度与真实路面相近,便于将实验结果应用到实际检测中;模型路基部分的材料与真实路基差异较大,主要是为了加大模型上下两部分声阻抗差,构成强反射界面,以便更好地观测路面层的反射波,这样做并不会影响实验结果的普遍适用性。