沥青混凝土路面超声波无损检测的研究

沥青混凝土路面超声波无损检测的研究

1 超声波探伤

1.1 超声波简述

超声波是一种机械波，机械振动与波动是超声波探伤的物理基础。超声波的获得是利用某些物质特定的物理效应来实现的。自然界中，在一定条件下，可以把一种形式的能量转换成另一种形式的能量。因此，原则上凡事能将其他形式能量转换成超声振动方式的能量都可以用来发生超声波。超声波探伤所用的频率一般在0.5~10MHz之间，对钢等金属材料的检验，常用的频率为1~5MHz。超声波波长很短，由此决定了超声波具有方向性好、能量高、穿透能力强、能在界面上产生反射、折射和波型转换等一些重要特性，使其能广泛用于无损探伤[1]。 常用的超声波探伤仪以A型显示脉冲反射式为主，电路图如图1所示，其主要结构包括同步电路、发射电路、时基电路、接收放大电路等[2]。同步电路是超声波探伤仪的指挥中心，它产生周期性的脉冲，控制发射电路、接收放大电路、时基电路协调一致地工作。发射电路在同步电路产生的正触发脉冲作用下，在极短的时间内产生上升时间短、脉冲窄、能量高的高频电脉冲，送往探头晶片经电声转换后产生超声波。时基电路在同步脉冲的控制下产生锯齿波信号，送往示波管的水平偏转线圈，产生从左至右的匀速水平扫描线，也称为时基线。接收放大电路包括高频放大器、衰减器、检波器、视频放大器和深度补偿等。接受放大器的主要作用是将微弱的从探头晶片出送来的电信号经数级放大后加至示波管的垂直偏转线圈上，使回波信号能以一定幅度显示。

图1 超声波探伤仪电路图

2 基于超声波的沥青混凝土路面无损检测

2.1 利用超声波检测沥青路面的裂缝深度

其中，为裂缝深度；

分别为不跨缝、跨缝平测的声时值；

为不跨缝平测时第次的超声波传播距离。

以不同的值读取值，分别计算值，如出现值大于原测距中任一个值，则应该把距离的值舍弃后重新计算值。

图2 裂缝检测示意图

2.2 利用超声波检测沥青混凝土的密实度

在沥青混凝土材料损伤检测中引入声波测试技术，本例采用RSM-SY5非金属声波测试仪，平面换能器的布置为垂直穿透法，对3种不同类型的沥青混凝土试件进行检测[4]。所得的数据见表1，试件的典型波形见图3。

表1 不同类型沥青混凝土声速表

试样号 平均值 路面心样 3384 3254 3572 3403

静压试样 3353 3280 3067 3233

b)静压成型的路面结构层（SMA+AC-20+AC-25）心样

c)振动击实的路面上面层（SMA）心样

图3 不同类型沥青混凝土初始波形图

表1中数据显示三类试样中，声速最高的是振动击实的SMA试件，反映其致密性最好，而静压成型的试件由于内部空隙较大，因而声速最低，致密性最差；路面心样的声速值介于两者之间。另外，通过波形和频谱图也反映出静压试件均匀性和致密性差，有较大的初始损伤，另两类试件波形较规则。这也反映出不同试件成型和加工方法对沥青混合料力学性能的影响，在进行各种宏观物理力学试验时应选择适宜的试件

成型方法，以便为路面结构设计提供更合理参数。

2.3 利用超声波定量分析沥青混合料的水稳特性

超声波加速水损害的试验方法是一种定量分析沥青混合料的水稳定性的新型试验方法，其原理是用超声波来模拟动水压力，加速了沥青结合料从集料表面的剥落[5]。

实际上，动水压力是一种形式的能量，而超声波也是一种形式的能量，因此超声波可以用来模拟动水压力。抗剥落试验采用的就是超声波清洗装置。该装置有一个容积为2.5L的容器，其底部装有两个传送器，通过传送器，超声波以声波的形式发射到容器的水中，传送器的工作频率为40 43kHz，其功率大约为95W，声波的振动作用是沥青混合料产生气穴现象。在声波的高压阶段，水与气泡处于受压状态，而在声波的低压阶段，气泡膨胀，当气泡的直径达到临界状态时，气泡发生爆炸，如图4所示。

图4 超声波作用于沥青混合料

气泡爆炸，超声波的能量释放到集料与结合料的交界面上，正是这种细微的作用使得集料发生损失，又使得水渗入集料与沥青交界面上，促使沥青从集料表面剥落，如图5所示。

图5 在有水的状态下沥青结合料的剥落

3 沥青混凝土路面检测的发展

国内外对沥青混凝土病害的综合评价及处治措施的研究仍处于研究摸索阶段。沥青混凝土路基路面早期病害的种类较多、成因复杂、持续发展，这就需要通过采用多种不同的检测技术和手段对路面的早期病害进行准确的诊治，分析沥青路面早期病害产生的原因及影响因素，并通过相应的理论知识对路面的使用性能进行评价，为最终确定处治措施奠定基础。为便于研究超声波传播理论，更好地利用超声波进行检测，并避免制作大量对比试块，使用有限元分析软件ANSYS对超声波传播及超声场仿真计算就显得很有意义。结果表明，有限元计算可直观地反映波的传播过程和声场特性，仿真模拟试块的作用。为缺陷评判提供了理论依据和模型参考，提高评判的准确性，为新技术新工艺的高效开发提供依据，是研究超声检测技术的有力工具。

4 结论

4.1 超声波是一种机械波，其方向性好、能量高、穿透能力强、能在界面上产生反射、折射和波型转换，基于此特点，超声波能应用于混凝土检测，而且超声检测设备比较简单，操作也很方便，所以超声波在混凝土结构缺陷检测应用将会越来越广泛。

4.2 超声波已广泛的应用于水泥混凝土路面的检测，而应用于沥青混凝土路面的检测实例还比较少，将超声波的参数与沥青混凝土材料的某些力学性能或损伤建立一定的联系后，超声波能应用于沥青混凝土的裂纹深度、密实度、水稳性等特性的无损检测。

4.3 采用超声波技术检测沥青混凝土早期破损病害问题，对路面的早期裂缝病害进行准确的诊治，分析沥青路面早期病害产生的原因及影响因素，并通过相应的理论知识对路面的使用性能进行评价，准确地确定路面使用性能，为最终确定处置措施奠定基础。ANSYS仿真软件在沥青混凝土路面无损检测中的应用是一个新的研究方向。

参考文献： [2]超声波探伤编写组.超声波探伤[M].北京：电力工业出版社，1980.

[3]黄潮科.利用超声波法检测混凝土裂缝的深度和混凝土厚度[J].水利水电，2000（2）:29-30.

[4]李芬，沈成武，李永信，李晖.基于超声波检测技术的沥青混凝土探伤研究[J].武汉理工大学学报，2006（2）：293-294.