环境温湿度变化对混凝土超声尾波波速的影响

环境温湿度变化对混凝土超声尾波波速的影响

陈伟基

 重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074

摘要：本文研究环境温湿度变化对混凝土超声尾波波速的影响。在室内自然环境条件下，开展混凝土工字梁在自重状态下的超声测试试验研究，采集超声尾波信号。利用尾波干涉法计算尾波波速的变化，分析环境温度、湿度变化对尾波波速变化的影响。研究结果表明：环境温度变化对尾波波速的影响约为3.0×10-3/℃，而相对湿度和温度具有天然的相关性，两者的影响不可忽视。

关键词：混凝土、超声尾波、波速变化、温湿度

一、引言

超声波检测是混凝土无损检测的常用手段之一，具有便捷、无害等优点。并且超声波对弹性特性自然敏感，因此可以使用超声波来表征材料的机械特性，并检测其中的损伤。然而，传统的超声波检测方法，包括冲击回波法或脉冲回波法等技术，在面对混凝土非均匀性上遇到较大困难。这种不均匀性会使得超声波传播过程中可能发生多次散射效应。因此，超声波的能量在其入射方向上强烈衰减，并且主要通过明显随机的轨迹扩散到介质中。众所周知，这些特征会显著影响传统超声波无损检测和评估方法的性能。

由超声波多重散射形成的尾波可克服上述传统声学技术的巨大困难，其含有丰富的介质变化信息，可用于监测混凝土内部结构的变化。国内外超声测试对此已开展大量相关研究，2002年，文献[1]在总结前人研究工作的基础上首次提出了尾波干涉，论证了尾波干涉对介质变化的敏感性；2009年，文献[2]在实验室条件下运用尾波干涉测量单轴应力状态下混凝土试块的尾波波速变化，其灵敏度达到十万分之一量级。后续研究表明，尾波干涉测量混凝土应力的分辨率可达0.01~0.1MPa。

然而，尾波的高灵敏特点也意味着其容易受到温度、随机噪声等多种环境因素的影响，因此有必要分析外界环境因素对超声尾波的影响。为此，本文设计了混凝土工字梁在自重状态下的超声尾波测试试验，研究环境温度、湿度变化对超声尾波波速变化的影响。

二、尾波干涉理论

尾波干涉法基于弹性波传播的路径叠加理论，通过比较分析扰动前后波形的波速变化，来检测介质的微小变化[1]。目前，该技术主要有三种分析方法，包括移动窗互相关、移动窗互谱、和波形伸缩方法。本文选择波形伸缩法进行尾波干涉分析，研究结果表明该方法对噪声抑制能力更强，可提供更为准确的结果[2]。

波形伸缩法通过对整段波形进行处理，可以直接测量波速的相对变化。选择一个参考信号，参考信号一般为扰动前信号，然后对扰动后的信号做时间域的伸缩变换，然后计算其与初始波形的互相关函数，互相关函数表征了两个信号的相似程度，即：

   (1)

式中，为伸缩系数，调整伸缩系数，当互相关函数取得最大值，此时的伸缩系数即为相对波速变化。

三、试验方案

在环境温湿度的室内条件下，开展混凝土钢筋工字梁的超声尾波测试试验，梁体均处于自重状态，以控制在同一条件下进行试验。试验系统主要由试验梁和测试系统两部分组成；支座为C30素混凝土块，支座长边外缘与梁端横截面对齐。

（一）试验梁

本文采用钢筋混凝土工字梁具体尺寸如下：工字梁梁长2m，梁高0.45m；顶底板宽30cm，厚10cm；腹板高25cm，厚10cm；混凝土标号为C30，配筋构造见图1。并将该试验梁命名为1号梁。

图1 钢筋混凝土工字梁配筋图（单位：cm）

（二）超声测试系统

超声测试系统包括主体部分和辅助部分，主体部分由RSM-SY5(T)型超声测试仪（1台）、JHP01型换能器（3个）、导线和特制数据线组成；辅助部分主要由耦合剂和砝码隔离层组成。

1个换能器用于发射端，布置于工字梁一端横截面中心；另个只用于接收端，布置于梁另一端截面顶底板对称轴下部；换能器由环氧树脂固定，耦合剂采用环氧树脂，一来可以传递换能器和混凝土梁体两者间的超声能量，二来换能器永久固定于混凝土表面，可使得测试结果更为稳定。JHP01型换能器探头主频为50KHz，采样间隔0.5us。RSM-SY5(T)型超声测试仪需设置采样长度、采样间隔、增益、脉宽、触发延时、跨距等6个参数。各参数取值如表1所示。

表1 仪器参数设置

（三）试验数据采集

为使得试验结果更为可靠，本文进行了3次试验，每次试验连续进行14个时段的超声测试。每个时段约为25分钟，每个时段仪器自动完成400次重复采集。每次试验测试前均需对超声波检测仪预热工作1h，待仪器示值稳定时再进行正式测试。

每次采集得到1条含1024点的超声尾波信号，本文数据处理分析时所选用波段为全时域波段，由此每个接收端可得到一个1024×400×14×3的数据矩阵，由于两接收端的数据处理结果基本一致，故文中仅选用接收端1的数据进行讨论分析。

超声测试时同步进行环境温、湿度记录，环境温湿度自动测试仪采样频率为5min/次。

四、试验结果分析

探讨环境温、湿度条件变化对混凝土超声尾波测试结果的影响，为降低随机噪声的影响，将每个时段的原始数据进行平均处理，进而利用尾波干涉法分析环境温度变化与波速变化率的关系，结果如图2所示，需要说明的是每次试验均选取温度最低对应的超声数据作为参考信号，图为3次试验的汇总结果。

图2  环境温度变化与尾波波速变化率的关系

图3  环境温度与环境相对湿度的关系

从图2中看出，环境温度变化与尾波波速变化率基本呈线性关系，表现出“温度变化越大，尾波波速变化率越大”的特征，约为3.0×10-3/℃。并且由于文中试验梁完全暴露在空气中，环境湿度的波动可能会影响测试结果的波动，由图3可以看出环境温度和湿度具有天然的相关性，因此说明本文超声测试结果的主要干扰来源于环境温、湿度两个因素。而散点图的小程度带状分布主要是仪器的随机因素造成的。

五、结语

混凝土超声尾波测试技术是无损检测的最新研究方向之一。在进行尾波测试时，环境因素的影响不可忽略，环境温度变化对尾波波速的影响约为3.0×10-3/℃，而相对湿度和温度具有天然的相关性，相对湿度的影响可归因为温度变化。后续研究中，应考虑去除环境温湿度变化对混凝土应力超声尾波测试结果的影响，这有利于提高测试结果的准确性。

参考文献：

[1]SNIEDER R,GRET A,DOUMA H,et al.Coda wave interferometry for estimating nonlinear behavior in seismic velocity[J]. Science,2002,295(5563):2253-2255.

[2]SNIEDER R,GRET A,DOUMA H,et al.Coda wave interferometry for estimating nonlinear behavior in seismic velocity[J]. Science,2002,295(5563):2253-2255.

[3]郑罡，田川，吴俊葶，等. 基于奇异值分解的混凝土工字梁应力超声测试[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2020, 36(02): 212-219.

作者简介：陈伟基（1996-），男，汉族，广东湛江人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：混凝土超声波检测。