一种超声波检测混凝土结构渗透率的方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种超声波检测混凝土结构渗透率的方法。

背景技术

自20世纪80年代，混凝土的碳化与钢筋锈蚀问题逐步为人们所关注。涉水混凝土结构建设越来越多，如大坝、水渠、涵管，以及湖底、海底隧道等，而混凝土的抗渗性能是保证涉水工程安全稳定运行至关重要的一个环节，渗透率是评估混凝土抗渗性能的重要参数，实验室内测定混凝土块的渗透率相对容易，然而对于已建或者在建的工程中的混凝土结构进行现场测试就比较困难。目前常用的混凝土渗透性评价主要有水渗透法、气体渗透法和电测法。水渗透法和气体渗透法都需要通过渗透流量反算渗透率，试验测试周期较长，测试样品一般是和测试设备尺寸匹配的混凝土块，对于混凝土结构的现场测量难度较大。电测法通常存在电极反应引起误差，对测试结果有一定影响。

发明内容

本发明旨在提供一种超声波检测混凝土结构渗透率的方法，该方法能在有限的施工场地和条件下测得混凝土结构的渗透率，操作使用便捷，得出数据快速，对新建项目进行耐久性预测、提高工程的设计水平以及提高建筑物的使用寿命具有重要意义。

本发明采用以下技术方案实现：一种超声波检测混凝土结构渗透率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：从所测混凝土现场取样选取出所需测的混凝土结构，并测量得到混凝土结构两端间的长度L；

步骤S2：通过测定装置获取超声波传经混凝土结构所需的时差Δt，并根据混凝土结构两端间的长度L与超声波传经混凝土结构所需的时差Δt的比值，得到超声波传经混凝土结构的传播速度v；

步骤S3：将超声波传经混凝土结构所需的时差Δt、混凝土结构两端间的的长度L、超声波传经混凝土结构的传播速度v传输至数据处理装置中进行相应处理，以获得混凝土结构的混凝土渗透率K。

作为上述方案的进一步改进，在所述步骤S1中，通过勘测现场的方式选取易进行测定操作且已浇筑的混凝土结构。

作为上述方案的进一步改进，在所述步骤S1中，采用卷尺、游标卡尺或者手机测距软件测量获得混凝土结构两端间的长度L。

作为上述方案的进一步改进，所述步骤S2中的测定装置包括示波器以及分别连接在所述示波器上的超声波发射探头和超声波接收探头，所述超声波发射探头和超声波接收探头分别贴附于混凝土结构的两端；所述超声波发射探头用于向混凝土结构的一端发射超声波信号；所述超声波接收探头用于接收经由混凝土结构另一端传出的超声波信号并转化为电信号；示波器用于将电信号转化成便于观测的波形曲线；

其中，根据波形曲线获取相应的波形起振点时刻，以得到超声波传经混凝土结构所需的时差Δt。

作为上述方案的更进一步改进，在所述超声波发射探头、超声波接收探头与混凝土结构的贴附处均涂抹耦合剂，以增加超声波发射探头和超声波接收探头分别与混凝土结构相应连接端面间的耦合度，并减小超声波的声波能量在混凝土结构两端传递过程中的反射损失。

作为上述方案的更进一步改进，所述示波器的底部设置有用于支撑其的底座，所述底座上开设有供所述底座插置的插槽，位于所述插槽两侧的所述底座的顶部竖立设置有两个相对立的固定板；

两个所述固定板之间相对设置有两个夹板，两个所述夹板之间形成用于夹持固定所述示波器的夹持空间；每个所述固定板上螺纹穿插有与其相垂直的调节杆，所述调节杆的一端与相邻的所述夹板的板面转动相连，每个所述夹板与相邻的所述固定板之间设置有伸缩杆；

所述示波器的上方设置有呈倒“U”字形的提手，所述提手的两个弯折端分别与两个所述固定板的顶部转动相连。

作为上述方案的更进一步改进，所述底座的底部通过多个拆装组件安装有多个移动轮；所述拆装组件包括支撑板，所述支撑板的底部设置有用于连接所述移动轮的固定块；

所述支撑板的顶部设置有顶杆，所述底座的底部开设有供所述顶杆插入的塞槽一，位于所述塞槽一一侧的所述底座底部开设有与所述塞槽一相平行的塞槽二，所述底座内开设有连通所述塞槽一与所述塞槽二的流道，所述塞槽一和所述塞槽二内分别设置活塞一和活塞二；所述塞槽一、流道和塞槽二内均收容有液压油；

所述活塞一与伸入所述塞槽一内的所述顶杆相抵接；所述活塞二的底部设置有与所述顶杆相平行的插杆一，所述支撑板上开设有供所述插杆一穿过的杆孔，所述固定块上穿插有与所述插杆一相垂直的插杆二，所述插杆一上开设有供所述插杆二穿过的卡孔。

作为上述方案的更进一步改进，所述固定块的顶部设置有槽口朝下的滑槽，所述滑槽内滑动连接有滑块，所述滑块的顶部与所述滑槽的槽壁之间设置有弹簧，所述滑块的底部固定有支撑杆，所述支撑杆的另一端连接相应的所述移动轮。

作为上述方案的进一步改进，在所述步骤S3中，所述数据处理装置的数据处理方法包括如下步骤：

步骤a：根据Raymer模型建立超声波在传经混凝土结构的传播速度v与多孔介质的孔隙率φ之间的关系模型一，并表示为：v＝v

步骤b：将超声波在孔隙流体中的声速v

根据超声波传经混凝土结构的传播速度v、混凝土块试样的已知孔隙率φ以及超声波在孔隙流体中的声速v

步骤c：根据超声波在已知配合比混凝土块试样中的相应声速v

步骤d:根据Kozeny-Carmen模型建立混凝土结构的渗透率K与混凝土结构的孔隙率φ之间的关系模型二，并表示为：

作为上述方案的进一步改进，超声波检测混凝土结构渗透率的方法还包括步骤S4：根据混凝土结构的渗透率K，判断所测混凝土现场的渗漏情况，以对所测混凝土结构的防水能力进行现场检验。

本发明的有益效果为：

本发明的一种超声波检测混凝土结构渗透率的方法，与传统检测方法相比，本设计方法所需的测定装置简易，具有很好的便携性，能够在有限的施工场地快速操作使用。由于所需装置体积小，重量也较轻，结构简洁，拥有更加广阔的适用范围。

本发明可用于混凝土隧道施工期的渗透率测定，能够在施工期尽早发现渗漏问题，避免由于抗渗性能不满足要求，而造成污染和渗漏等工程事故。可有效对在役钢筋混凝土结构进行耐久性评定和剩余寿命预测，为建筑物的防水加固争取时间，降低工程后期的渗漏维修成本。

本发明采用声波测渗透率的方式，可以在隧道施工期各种艰巨复杂环境下进行测定，与传统水渗透方法相比，无需施加水压；且测定反应迅速，无需较长周期，效率提高。

通过结合复合材料间的共性及Kozeny-Carmen模型方程的换算，将相关求得公式有效运用在混凝土数据计算上，并将混凝土的孔隙率与渗透率之间的关系有效串联，本设计方法符合科学性的同时，可以快速开展工作，方便地检测渗透率。

通过在示波器底部设置的底座，且底座通过拆装组件安装有移动轮，不仅方便示波器在混凝土现场的移动，并且移动轮与底座间无需通过螺钉连接，即可实现移动轮在底座上的快速拆装，以便于移动轮的更换或者维护，方便实用。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的超声波检测混凝土结构渗透率的方法流程图；

图2为图1中步骤S2内所需测定装置的连接结构示意图；

图3为实施例2提供的超声波检测混凝土结构渗透率的方法的步骤S2所采用测定装置内示波器的结构示意图；

图4为图3中示波器局部的剖面结构示意图；

图5为图4中A处放大的结构示意图。

主要符号说明：

1、混凝土结构；2、超声波接收探头；3、超声波发射探头；4、数据线；5、输入通道；6、输出通道；7、探头自检校准信号；8、水平时基旋钮；9、示波器；10、USB接口；11、底座；12、插槽；13、塞槽一；14、流道；15、塞槽二；16、活塞一；17、活塞二；18、顶杆；19、支撑板；20、插杆一；21、固定块；22、滑槽；23、滑块；24、弹簧；25、支撑杆；26、移动轮；27、调节杆；28、夹板；29、伸缩杆；30、固定板；31、提手；32、插杆二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请结合图1和图2，一种超声波检测混凝土结构渗透率的方法，包括如下步骤：

步骤S1：从所测混凝土现场取样选取出所需测的混凝土结构1，并测量得到混凝土结构两端间的长度L；

步骤S2：通过测定装置获取超声波传经混凝土结构所需的时差Δt，并根据混凝土结构两端间的长度L与超声波传经混凝土结构所需的时差Δt的比值，得到超声波传经混凝土结构的传播速度v；

步骤S3：将超声波传经混凝土结构所需的时差Δt、混凝土结构两端间的的长度L、超声波传经混凝土结构的传播速度v传输至数据处理装置中进行相应处理，以获得混凝土结构的混凝土渗透率K。

在步骤S1中，通过勘测现场的方式选取易进行测定操作且已浇筑的混凝土结构1。

在步骤S1中，采用卷尺、游标卡尺或者手机测距软件测量获得混凝土结构两端间的长度L。

步骤S2中的测定装置包括示波器9以及分别连接在示波器9上的超声波发射探头3和超声波接收探头2，超声波发射探头3和超声波接收探头2分别贴附于混凝土结构1的两端；超声波发射探头3用于向混凝土结构1的一端发射超声波信号；超声波接收探头2用于接收经由混凝土结构1另一端传出的超声波信号并转化为电信号；示波器9用于将电信号转化成便于观测的波形曲线；

其中根据波形曲线获取相应的波形起振点时刻，以得到超声波传经混凝土结构所需的时差Δt。

在超声波发射探头3、超声波接收探头2与混凝土结构1的贴附处均涂抹耦合剂，以增加超声波发射探头和超声波接收探头分别与混凝土结构相应连接端面间的耦合度，并减小超声波的声波能量在混凝土结构两端传递过程中的反射损失。涂抹耦合剂来充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；其次是通过耦合剂“过渡”作用，使探头与试样之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失。

在本实施例中，超声发射探头3、超声波接收探头2的整体结构基本相同，两者均包括塑料外壳、压电振子、吸声材料、绝缘层、保护层等结构。示波器 9的结构包括电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等，可用此测定频率，电压强度。在本实施例中示波器9用于观测超声波的波形，得起振点时刻来显示接收声波的时间。为方便观测示波器9的显示屏上波形曲线的波形起振点时刻，可调节示波器9的水平时基旋钮8，来拉宽波形更好地呈现出波形时差。

在步骤S3中的数据处理装置可以为电脑，则超声波发射探头3、超声波接收探头2均通过数据线4分别与示波器9的输出通道6和输入通道5连接。电脑通过其USB接口10将示波器9上所呈波形曲线的图像传输读取后进行相应处理，以得到混凝土结构的混凝土渗透率K。

当检测超声波接收探头2与示波器9连接时，需要检测超声波接收探头2 与示波器9的输入通道5是否相匹配。具体为，由于测量信号是经过超声波接收探头2进入到示波器9，所以在测试前，需检测超声波接收探头2是否与示波器9的输入通道5相匹配，以免测试过程中导致测量误差或错误。可将示波器9的探头自检校准信号7接入到示波器9，然后按示波器9上自带的Auto键根据屏幕出现的方波信号是否存在补偿或者欠补偿现象，如若方波信号存在补偿或者欠补偿现象，则可通过探头自带的调节棒调节探头上可调电容进行调节，再根据波形频率和幅度呈像判断调节至标准方波信号。

在步骤S3中，数据处理装置的数据处理方法包括如下步骤：

步骤a：根据Raymer模型建立超声波在传经混凝土结构的传播速度v与多孔介质的孔隙率φ之间的关系模型一，并表示为：v＝v

在步骤a中，由于声音在介质中传播时，声速与介质的密度，泊松比等有关，因而可以根据声速的变化来检测复合材料的孔隙率，而混凝土是一种含有骨料、水泥浆、钢、波纹管包裹的预应力孔道的多非均匀复合材料，并且在长期应用实践中可证明超声波测地层对孔隙率的评价有很好的适应能力。

步骤b：将超声波在孔隙流体中的声速v

根据超声波传经混凝土结构的传播速度v、混凝土块试样的已知孔隙率φ以及超声波在孔隙流体中的声速v

在步骤b中，超声波在孔隙流体中的声速通常取为超声波在水中的声速，即v

本实施例，在混凝土中的砂石起骨架作用称为骨料。混凝土配合比是指混凝土中水泥，砂，石子和水四种主要材料数量之间的比例。通常施工中常规混凝土配合比为C10、C15、C20、C25、C30在实际施工现场进行测定时，可通过提前获取施工项目混凝土级配比信息，直接确定混凝土现场所需标定的超声波在相应混凝土骨架中的声速v

步骤c：根据超声波在已知配合比混凝土块试样中的相应声速v

步骤d:根据Kozeny-Carmen模型建立混凝土结构的渗透率K与混凝土结构的孔隙率φ之间的关系模型二，并表示为：

实施例2

请结合图3至图5，本实施例2为实施例1的改进方案，具体为，示波器9 的底部设置有用于支撑其的底座11，底座11上开设有供底座11插置的插槽12。通过将示波器9放置在底座11的插槽12内，使示波器9在混凝土现场的放置更加平稳。

位于插槽12两侧的底座11的顶部竖立设置有两个相对立的固定板30。两个固定板30之间相对设置有两个夹板28，两个夹板28之间形成用于夹持固定示波器9的夹持空间。每个固定板30上螺纹穿插有与其相垂直的调节杆27，调节杆27的一端与相邻的夹板28的板面转动相连，调节杆27与夹板28之间通过轴承转动连接。每个夹板28与相邻的固定板30之间设置有伸缩杆29。伸缩杆29可防止夹板28在调节杆27的传动下发生转动，使夹板28的运动方向保持在水平方向。

示波器9的上方设置有呈倒“U”字形的提手31，提手31的两个弯折端分别与两个固定板30的顶部转动相连。本实施例中的提手31的两个弯折端分别与两个固定板30的顶部通过销轴转动连接，使提手31可在固定板30的顶部发生翻转。

底座11的底部通过多个拆装组件安装有多个移动轮26，以便捷地在混凝土现场将示波器9移动至指定位置。拆装组件包括支撑板19，支撑板19的底部设置有用于连接移动轮26的固定块21。通过拆装组件方便移动轮26在底座 11底部的拆装。

支撑板19的顶部设置有顶杆18，底座11的底部开设有供顶杆18插入的塞槽一13，位于塞槽一13一侧的底座11底部开设有与塞槽一13相平行的塞槽二15，底座11内开设有连通塞槽一13与塞槽二15的流道14，塞槽一13 和塞槽二15内分别设置活塞一16和活塞二17。塞槽一13、流道14和塞槽二 15内均收容有液压油(未标示)。

活塞一16与伸入塞槽一13内的顶杆18相抵接。活塞二17的底部设置有与顶杆18相平行的插杆一20，支撑板19上开设有供插杆一20穿过的杆孔(图未示)，杆孔与插杆一20之间为间隙配合，杆孔可供插杆一20的杆体穿过。

固定块21上穿插有与插杆一20相垂直的插杆二32，插杆一20上开设有供插杆二32穿过的卡孔(图未示)。本实施例中的固定块21上开设有供插杆二 32插置的通孔(图未示)，通过将插杆二32插入插杆一20的卡孔中，实现移动轮在底座11上的安装固定。

固定块21的顶部设置有槽口朝下的滑槽22，滑槽22内滑动连接有滑块23，滑块23的顶部与滑槽22的槽壁之间设置有弹簧24，滑块23的底部固定有支撑杆25，支撑杆25的另一端连接相应的移动轮26。通过支撑杆25带动滑块 23在滑槽22内滑动并挤压弹簧24，可吸收移动轮26受到来自地面的震动，保证示波器9移动时的平稳性。

本实施例的工作原理具体为，当需要在混凝土现场使用示波器9时，可将示波器9插置在底座11的插槽12内，再分别旋拧两个调节杆27带动两个夹板 28运动，使两个夹板28在相应伸缩杆29的限位作用下相互靠近，以对示波器 9进行夹持固定。

当需要在混凝土现场移动示波器9时，不仅可通过提手31直接将示波器9 直接提拎至指定位置，还可以将移动轮26安装在底座11底部，并通过移动轮 26将示波器9推动至指定位置。其中移动轮26在底座11上的安装过程具体为，先将与每个移动轮26对应的支撑板19上的顶杆18插入相应的塞槽一13内，插入塞槽一13内的顶杆18会挤压活塞一16，使活塞一16通过液压油传动至活塞二17，使活塞二17带动插杆一20逐渐向下运动并贯穿支撑板19的杆孔，再将插杆二32穿过固定块21上的通孔，插杆二32的端部穿入插杆一20上的卡孔内，以实现对插杆一20位置的锁定，不仅方便移动轮26在底座11上的安装与固定，也方便移动轮26后期的拆卸与维护。

而在示波器9通过移动轮26推动至指定位置的过程中，移动轮26可将混凝土现场路面的震动通过支撑杆25传递至滑块23，使滑块23在滑槽22内滑动并挤压弹簧24，将震动能转化为弹簧24的弹性势能，以降低示波器9在推动过程中受到的震动，保证示波器9移动时的平稳性。

实施例3

本实施例2与实施例1的区别在于，本实施例2是在实施例1的基础上增加步骤S4，即根据混凝土结构1的渗透率K，判断所测混凝土现场的渗漏情况，以对所测混凝土结构1的防水能力进行现场检验。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。