水泥混凝土路面厚度、强度超声检测方法
薛予生
（河南许昌市交通局质监站461000）
摘要：研究了水泥混凝土路面厚度和强度超声检测中的信号处理方法，设计了宽带换能器，提出了水藕合法和声时综合处理法，现场检测实验证明，该系统可明显提高检测效率，厚度测量精度忧于5％，强度测量精度优于7%。
关键词：水泥混凝土路面；厚度；强度；超声检测；信号处理
路面是公路工程的重要组成部分之一，它直接承受和传递行驶车辆的荷载作用，并保护路基免受各种自然因素的侵袭。自20世纪90年代以来，我国水泥混凝土路面以前所未有的速度快速发展。目前，我国已经成为当今世界上拥有水泥混凝土路面里程最多的国家之一，水泥混凝土路面每年在建规模超过25 000km。根据我国特重交通量与超重轴载的运营和路面的早期破损等情况，《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)提出我国一般水泥混凝土路面最薄设计厚度200mm，高速公路水泥混凝土路面最薄设计厚度260mm《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30—2003)按可靠度理论提高了水泥混凝土路面施工对配制弯拉强度的要求，希望能够达到有效遏制特重交通量与超重轴载下的早期快速破损问题。
目前我国对水泥混凝土路面强度、厚度的检测广泛采用钻孔取芯的方式，这种传统的破损检测方法费工、费时、成本高、抽样率低，而且取样后还要修补路面，对路面的各项质量指标都有所影响，这与优质高效修建公路的要求是不相适应的。虽然超声波无损检测技术早已应用于混凝土桥梁的质量检测中，然而，在水泥混凝土路面检测中，由于只能运用超声反射法，信号中表面波、横波、反射波叠加在一起，无法准确确定反射声时，因此，水泥混凝土路面厚度超声检测一直是一个国际难题。本文从宽带环能器入手，结合先进的数字处理方法，给出了有效的超声反射信号的初至识别方法，提高了水泥混凝土路面厚度的测量精度。
1 系统组成
水泥混凝土路面厚度超声检测系统主要有硬件部分和检测软件两部分组成。其中硬件部分包括电源部分、换能器部分、同步震荡部分、同步接收部分、A／D采集部分、计算机控制部分。如图1所示。
在超声波检测过程中，超声换能器发射控制电路主要是产生一个标准宽度的高压脉冲，使换能器产生超声波，高压脉冲的幅值和宽度直接决定了超声信号的能量和宽度。
在测量过程中如果高压脉冲信号宽度太窄，电压较低，通过换能器将得不到稳定的超声脉冲，如果信号太宽，或电压太高，将使超声信号余震很长，影响使用精度。实际应用时应根据不同的情况选用不同的激发电压和脉宽。
为了得到稳定的信号，还要求发射电路具有较高的重复性和精度。设计中我们应用了自行设计制作的升压电路以获得稳定的脉宽和高压电平。
接受电路是信号处理的最前端，信号的频响宽度、信噪比、分辨率都由它决定。选择合适的接受器是采集电路最关键的一步。频响范围太大，势必增加成本，或以损失其他方面做代价；频响范围太小，将引起信号畸变，严重影响信号的判读。为了和发射换能器的频率响应范围一致，我们采用了配对换能器，每个换能器不但可作为发射器，也可作为接受器，性能基本一致。
由于不同配合比的水泥混凝土特性差别很大，接受换能器收到的信号幅值也差别很大，因此，采集电路的放大倍数必须设置成可调。
滤波电路也是接受电路的重要组成部分，合理地设计滤波电路特性可显著提高信号的信噪比。 A ／D 转换电路是采集电路的核心，也是和计算机的接口电路，它的采样频率和采样位数直接决定了数据处理的频率和精度。我们在此选用了10M 、10位的高速A ／D 转换器件。
发射电路基本由稳压电路、升压电路和触发电路组成。接受电路基本由放大电路、滤波电路、采样电路、保持电路、A ／D 转换电路和接口电路组成。 2解决的关键技术
2．1 宽带超声换能器的设计
目前，普通的超声换能器普遍存在余震长的问题，该问题在超声透射检测时，由于横波速度慢，纵波最先到达，余震对测量纵波初至时间影响不大。但在混凝土路面厚度测量时，由于只能在路表面同时设置发射换能器和接受换能器，故该法被称为反射法测量。反射法测厚的原理如图2所示，透射法测量的原理如图3所示。
理想的反射法测量信号如图4所示，在图4中直达波由于距离短最先到达，间隔一定时间后，反射纵波达到，反射纵波的到达时间即为我们要求的反射时间t ，依据公式(1)，就可求得路面的厚度。
2
2
1)(2
1L t V H -=
(1)
式中：V为超声波在被测混凝土中的传播速度；L为发射换能器和接受换能器之间的距离，根据反射波到达时间，即可求得道路厚度。
宽频带换能器的概念很早就被人们提出来，它主要指换能器在较宽的频率范围内，具有较平的幅度响应及线性相位响应，便于传送窄脉冲信号，因而有着较高的时域分辨率。主要用于解决现有换能器余震长，难于辨识反射波初至的问题。
为了提高灵敏度，改善宽带特性，我们通过计算机模拟得到最佳匹配参数，并在设计时依次进行修正，经过压制余震设计的超声换能器对零信号波形如图5所示。
由图5可以看出，新型的宽带换能器基本上只有一个主波，余波也只有一个，这是目前国内传感器难以达到的，基本解决了常用换能器余震长的难题。
为混凝土厚度检测奠定了基础。
2.2 水耦合方法的研究
由于超声信号在空气中的传播速度只有346 m／s，在水泥混凝土中传播速度为 4 000m／s，相差10倍，因此，必须解决好换能器和水泥混凝土路面的耦合问题，否则严重影响厚度的检测结果。反射波到时的准确拾取一直是测厚测试分析中的难点问题。通常采用的耦合剂有黄油和凡士林。但黄油和凡士林耦合法并不能增加反射信号的信噪比。在本次研究中采用了水耦合法，原理图如图6所示。
水耦合法能够有效地压制面波对反射波的影响，同时，由于波在水和水泥混凝土中的传播速度差异大，反射波到水中时，近垂直入射到换能器上，使换能器接收到比较强的垂直分量，横波的干扰受到压制，大大加强了测试效果。
但是要真正做到水耦合发射，必须将换能器悬空，同时由于水中声速较慢，还要保证每次换能器的
高度不变，因此，我们设计了特定的固定架水耦合方法的实施。
2.3 声时测定方法研究
水泥混凝土路面强度和厚度的检测，关键在于准确识别反射波。经过反复实验和研究，我们采用了下列多种识别反射波的有效方法。
(1)首先，路面的设计厚度一般是预先可估计的(在一定范围内)，由于路面直达波速容易测出，若用其代替路面层反射波速度，则可根据反射波的运动学特征，用正演的方法，求出路面层反射波理论到时。然后在波形图上反射波理论到时附近的一段范围内，寻找真正的反射波起跳点，寻找范围可大大缩小。例如，在试验中，已知混凝土试件厚度26.5cm ，测出直达纵波速度为4 300m ／s ，将其视为反射纵波速度，在发射、接收距离为40 cm 时，可求出反射纵波的理论到时为154μs ；假定路面厚度误差为±10cm ，则可求得相应的反射纵波理论到时分别为121μs 和194μs 。这样，就可将寻找反射波的范围限定在121 Ps 到194Ps 之间。
(2)运用频谱分析的方法，对原始信号进行滤波。 (3)其次，采用等间隔多次接受，由于相邻2次接受位置相近，接收的两道信号，波形有一定相似性，且同一震相起跳拐点的到时值相近，而随机干扰形成的拐点则一般不会同时出现，可予以排除。通过互相关的方法，可以确定反射拐点。
(4)小波分析使我们能够将一个信号分解成对时域(空间)和尺度的贡献，在这种意义下小波分析又可称为多分辨力分析，我们在此运用小波分析的方法，确定反射波和面波叠加的起始位置。最后通过综合分析，得到反射波的起始位置。 2、4多参数回归抗折强度的研究
（1）声速推定混凝土强度
超声波检测混凝土强度的基本依据就是声速值和混凝土的弹性性质有关，弹性模量越高，声速值越高。因此，不同的混凝土，声速值不同。根据测得的不同的声速值，便可以推断混凝土的强度。荷兰及
罗马尼亚采用B c cu Av f =，我国采用的声速和强度之间的换算公式为B c cu Av f =和Bv
c cu Ae f =两种非线
性的数学公式，A 和B 为经验系数。
（2）回弹法推断混凝土强度
可参照交通部行业标准《公路路基路面现场测试规程》(JTJ 059-95)中《回弹仪检测水泥混凝土强度试验方法》（T0954-95）中的有关规定。通常回弹法和混凝土的抗折强度相关关系不太理想。但和超
声声速综合应用时，可补偿湿度的影响。
(3)主频频率和幅值
混凝土路面强度不一样，其对超声波的吸收频率成分也不一样，强度越低，混凝土内部对超声波中的高频成分吸收越厉害，反射波的主频越低；反之，强度越高，混凝土反射波的主频也越高，因此，可采用多参量回归混凝土的抗折强度
f=g(v,N，f
)
v——超声声速
N——回弹值
——频谱主频
f
3 试验结果
我们在实验室依据现场设计的配比，通过调整砂率和水灰比，共设计了5种厚度，检测结果如表1所示。
结果如表2所示。
4 结论
由实验室试验可知，多功能水泥混凝土路面检测系统检测厚度的误差最大不超过3％，由S237水泥混凝土路面超声检测结果可以看出，水泥混凝土路面检测系统测厚最大误差不大于4％，测强度最大误差不大于7％，检测一个测点，通常需要3min时间，同取芯法相比，测试效率提高了很多。同时，由于取芯法破坏路面，修补不好，容易造成坏板，测点之间要间隔一定距离等，超声无损厚度检测必将代替取芯法。
表2 S237水泥混凝土路面超声检测和取芯对比
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