轻量土波速特征值的超声测试方法

摘要

一种轻量土波速特征值的超声测试方法，包含以下顺序步骤：选择经标准养护后的适合工程应用配比的轻量土试样；试样波速的测试，根据实验制样的数理统计方法和采样的精度要求，求得所述实验室配制的试样不同密度下对应的轻量土的波速值范围。本发明的有益效果：(1)掌握了一种轻量土材料波速特征值的超声测试方法；(2)根据轻量土波速值的相对变化能够反映材料的不同内部结构，可以将此方法用于大面积施工时的材料现场质量评判。

权利要求

1.一种轻量土波速特征值的超声测试方法，其特征在于包含以下顺序步骤：(1)选择经标准养护后的适合工程应用配比的轻量土试样；

(2)试样波速的测试：

a：先测读仪器的零声时；

b：用膏体做耦合剂，将接收换能器和发射换能器分别紧贴试样的两个光滑表面；

c：启动仪器，由发射换能器重复发射超声波，让超声波在所检测的试样中传播，然后由接收换能器接收，被接收到的超声波转化成电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上；

d：仪器将测读的声时自动扣除零声时后，通过公式V＝L/t，式中L-超声测距，即发送换能器的探头和接受换能器的探头间被测体的尺寸；t-传播时间，计算得到换能器相对试样位置处的波速值；

f：重复步骤b-d，同时满足换能器每次测试时始终处于试样的同一位置处，得到试样多个相对位置处的波速值；

g：根据实验制样的数理统计方法和采样的精度要求，求得所述实验室配制的试样不同密度下对应的轻量土的波速值范围。

2.如权利要求1所述的轻量土波速特征值的超声测试方法，其特征在于：步骤(1)所述试样的制备具体工艺如下：采用砂浆搅拌工艺和土样分层击实的方法制备试样，标准条件下养护48小时后脱模，脱模后在非浇筑面的任意相对两表面薄抹一层水泥砂浆；继续在标准条件下养护，养护温度为25摄氏度，相对湿度在90％以上；所述试样尺寸选择100～200mm。

3.如权利要求2所述的轻量土波速特征值的超声测试方法，其特征在于：步骤(2)所述的超声波选取100kHz以下的低频段。

4.如权利要求3所述的轻量土波速特征值的超声测试方法，其特征在于：步骤(2)采用50kHz的纵波换能器。

5.如权利要求3所述的轻量土波速特征值的超声测试方法，其特征在于：步骤(2)采用30kHz的纵波换能器。

6.如权利要求3所述的轻量土波速特征值的超声测试方法，其特征在于：步骤(1)所述的试样是经过28天放置的轻量土试样。

7.如权利要求6所述的轻量土波速特征值的超声测试方法，其特征在于：所述膏体为下列之一：黄油、凡士林、石膏浆、海藻酸钠。

说明书

(一)技术领域

本发明主要涉及一种室内轻量土试样的波速特征值的测试方法。属于材料的无损检测技术领域。

(二)背景技术

近几年我国高速公路建设发展迅速，但是很多地区地质条件不好，因此路基填筑过程中常常因为增加了地基土内部的附加应力而造成沉降变大，于是在公路软基路段，出现桥头跳车、高路堤失稳、新旧路基沉降差等问题。含有聚苯乙烯颗粒(简写为EPS)等成分的轻量土技术可以较好地解决此类问题。但是轻量土拌制过程中大量的EPS颗粒由于轻质性和憎水性很有可能在水泥、砂和水的拌合物中聚集成团。由于EPS材料和EPS轻量土材料单轴或三轴压缩时的应力-应变变化规律不同，当EPS在拌合物中分布不匀时，大面积浇筑的轻量土层在长期使用并且动荷载作用下的变形会不一致，这样解决桥头跳车问题将不能很好地实现，对高等级公路来说路面平整度的要求也不宜达到；同时施工现场的大面积分层浇筑和碾压压实工艺也可能使土体的密实度很难得到保证，再加上现场养护条件的限制使得水泥水化不够充分，水泥凝胶体的内部结构不致密。这类问题往往会造成轻量土内部的缺陷或裂缝，一旦轻量土达不到性能要求，会造成强度不足、耐久性下降，就会影响到后续整个工程的长期使用。因此，开发EPS轻量土施工质量的检测方法成为一项紧迫的任务。

本发明提出的超声检测技术，通过穿过材料的超声波各声学参数的相对变化来分析材料的组成信息和内部结构。因为超声检测时，当超声波在传播过程中碰到缺陷或裂缝，将发生绕射、反射和传播路径的复杂化，振幅明显减小，主频率下降，传播速度会降低。比如大面积轻量土施工过程中，EPS聚集成团或分布不匀，则超声波在其中的传播时间会因为EPS微小且封闭孔隙的大量存在而延长，这样波速值必然偏低，振幅必然减小。因此，波速的相对变化反映了不同配合比轻量土的均匀性或密实度，通过轻量土的波速特征值可以体现轻量土内部结构的相关性能，这是一种结果比较可靠而且较实用的检测技术。

(三)发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轻量土波速特征值的超声测试方法，利用超声波透射技术，检测轻量土内部结构的相关性能。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种轻量土波速特征值的超声测试方法，包含以下顺序步骤：

(1)选择经标准养护后的适合工程应用配比的轻量土试样；

(2)试样波速的测试：

a：先测读仪器的零声时；

b：用膏体(如黄油、凡士林、石膏浆、海藻酸钠等)做耦合剂，将接、发换能器分别紧贴试样的两个光滑表面；

c：启动仪器，由发射换能器重复发射超声波，让超声波在所检测的试样中传播，然后由接收换能器接收，被接收到的超声波转化成电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上；

d：仪器将测读的声时自动扣除零声时后，通过公式V＝L/t(式中L-超声测距，即发、收探头间被测体的尺寸；t-传播时间)计算得到换能器所在试样相对位置处的波速值；

f：重复步骤b-d，同时满足换能器每次测试时始终处于试样的同一位置处，得到试样多个相对位置处的波速值；

g：根据实验制样的数理统计方法和采样的精度要求，得到所述实验室配制的试样不同密度下对应的波速值范围。

进一步，为保证接收波有一定幅度、仪器能正常测读声波信号，本发明超声波的频率取低频段即小于100kHz。在100～200mm的测距下，采用20～100kHz的纵波换能器；同时为满足超声波传播的无限或半无限大的边界条件，试样的横截面尺寸依测距来定，取为立方尺寸。

进一步，所述轻量土试样的制备具体工艺如下：采用砂浆搅拌工艺和土样分层击实的方法制备试样，标准条件下养护48小时后脱模，脱模后在非浇筑面的任意相对两表面薄抹一层水泥砂浆；继续在标准条件下养护(温度为25摄氏度，相对湿度在90％以上)；所述试样尺寸选择100～200mm。

本发明测试时轻量土的重量组分如下：细砂的含量为66～78％，水的含量为13～16％，固化剂(水泥)的含量为6～18％，EPS的含量为0.45～3.0％。这也是工程上适用的轻量土配合比范围。

本发明的有益效果：(1)掌握了一种轻量土材料波速特征值的超声测试方法；(2)根据轻量土波速值的相对变化能够反映材料的不同内部结构，可以将此方法用于大面积施工时的材料现场质量评判；(3)可以将室内试样的测试方法延用到室外现场轻量土的测试，通过现场轻量土波速特征值的范围判断现场轻量土的内部结构，为整个工程打好基础。这种波速特征值的测试方法属于材料的无损检测技术，对现场材料基本没有破坏，操作方便、准确性较高。

(四)具体实施方式

根据工程适用的轻量土配合比范围，本发明列出四种配合比下的土样波速特征值的超声测试过程。

实施例一，细砂、水、EPS颗粒、水泥共2050g，其中细砂占73.17％；水泥是采用32.5#的普通硅酸盐水泥，占11.71％；EPS颗粒为密度是30g/cm3、粒径1～3mm的球粒，占0.49％，水占14.63％。操作步骤如下：(1)分别采用30和50kHz的纵波换能器来测试，试样尺寸定为边长为100mm的立方体形状；(2)采用砂浆搅拌工艺和土样分层击实的方法来制备试样，标准条件下养护(温度为25℃、相对湿度在90％以上)48小时后脱模；脱模后在非浇筑面的任意相对两表面薄抹一层水泥砂浆，以保证换能器与试样紧密接触；继续在标准条件下养护；(3)将养护至28天龄期的轻量土采用透射法来对测。测试步骤如下：

先测读仪器的零声时；用黄油做耦合剂，将接、发换能器分别紧贴试样的两个光滑表面；启动仪器，由发射换能器重复发射超声波，让超声波在所检测的试样中传播，然后由接收换能器接收，被接收到的超声波转化成电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上；仪器将测读的声时自动扣除零声时后，通过公式V＝L/t(式中L-超声测距，即发、收探头间被测体的尺寸；t-传播时间)计算得到换能器所在试样相对位置处的波速值；重复上述步骤，同时满足换能器每次测试时始终处于试样的同一位置处，得到试样多个相对位置处的波速值；根据实验制样的数理统计方法和采样的精度要求，得到所述实验室配制的试样不同密度下对应的波速值范围。

通过波速值的相对变化来分析轻量土的内部结构及其组成信息：按此重量组分的轻量土在标准条件下养护，28天的密度为1.558g/cm3；采用30kHz的纵波换能器28天的超声波速在1560～1670m/s之间，采用50kHz的纵波换能器28天的超声波速在1650～1720m/s之间。

实施例二，细砂、水、聚苯乙烯颗粒、水泥共2100g，其中细砂占71.43％；水泥是采用32.5#的普通硅酸盐水泥，占11.43％；聚苯乙烯颗粒为密度是30g/cm3、粒径1～3mm的球粒，占2.86％，水占14.29％。操作步骤如下：(1)分别采用30和50kHz的纵波换能器来测试，试样尺寸定为边长为100mm的立方体形状；(2)采用砂浆搅拌工艺和土样分层击实的方法来制备试样，标准条件下养护(温度为25℃、相对湿度在90％以上)48小时后脱模；脱模后在非浇筑面的任意相对两表面薄抹一层水泥砂浆，以保证换能器与试样紧密接触；继续在标准条件下养护；(3)将养护至28天龄期的轻量土采用透射法来对测。测试步骤如下：

先测读仪器的零声时；用凡士林做耦合剂，将接、发换能器分别紧贴试样的两个光滑表面；启动仪器，由发射换能器重复发射超声波，让超声波在所检测的试样中传播，然后由接收换能器接收，被接收到的超声波转化成电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上；仪器将测读的声时自动扣除零声时后，通过公式V＝L/t(式中L-超声测距，即发、收探头间被测体的尺寸；t-传播时间)计算得到换能器所在试样相对位置处的波速值；重复上述步骤，同时满足换能器每次测试时始终处于试样的同一位置处，得到试样多个相对位置处的波速值；根据实验制样的数理统计方法和采样的精度要求，得到所述实验室配制的试样不同密度下对应的波速值范围。

通过波速值的相对变化来分析轻量土的内部结构及其组成信息：按此重量组分的轻量土在标准条件下养护，28天的密度为0.801g/cm3；采用30kHz的纵波换能器28天的超声波速在760～880m/s之间，采用50kHz的纵波换能器28天的超声波速在850～940m/s之间。

实施例三，细砂、水、聚苯乙烯颗粒、水泥共2040g，其中细砂占73.53％；水泥是采用32.5#的普通硅酸盐水泥，占9.8％；聚苯乙烯颗粒为密度是30g/cm3、粒径1～3mm的球粒，占1.96％，水占14.71％。操作步骤如下：(1)分别采用30和50kHz的纵波换能器来测试，试样尺寸定为边长为100mm的立方体形状；(2)采用砂浆搅拌工艺和土样分层击实的方法来制备试样，标准条件下养护(温度为25℃、相对湿度在90％以上)48小时后脱模；脱模后在非浇筑面的任意相对两表面薄抹一层水泥砂浆，以保证换能器与试样紧密接触；继续在标准条件下养护；(3)将养护至28天龄期的轻量土采用透射法来对测。测试步骤如下：

先测读仪器的零声时；用石膏浆做耦合剂，将接、发换能器分别紧贴试样的两个光滑表面；启动仪器，由发射换能器重复发射超声波，让超声波在所检测的试样中传播，然后由接收换能器接收，被接收到的超声波转化成电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上；仪器将测读的声时自动扣除零声时后，通过公式V＝L/t(式中L-超声测距，即发、收探头间被测体的尺寸；t-传播时间)计算得到换能器所在试样相对位置处的波速值；重复上述步骤，同时满足换能器每次测试时始终处于试样的同一位置处，得到试样多个相对位置处的波速值；根据实验制样的数理统计方法和采样的精度要求，得到所述实验室配制的试样不同密度下对应的波速值范围。

通过波速值的相对变化来分析轻量土的内部结构及其组成信息：按此重量组分的轻量土在标准条件下养护，28天的密度为0.976g/cm3；采用30kHz的纵波换能器28天的超声波速在840～970m/s之间，采用50kHz的纵波换能器28天的超声波速在950～1030m/s之间。

实施例四，细砂、水、聚苯乙烯颗粒、水泥共2110g，其中细砂占71.09％；水泥是采用32.5#的普通硅酸盐水泥，占13.27％；聚苯乙烯颗粒为密度是30g/cm3、粒径1～3mm的球粒，占1.42％，水占14.22％。操作步骤如下：(1)分别采用30和50kHz的纵波换能器来测试，试样尺寸定为边长为100mm的立方体形状；(2)采用砂浆搅拌工艺和土样分层击实的方法来制备试样，标准条件下养护(温度为25℃、相对湿度在90％以上)48小时后脱模；脱模后在非浇筑面的任意相对两表面薄抹一层水泥砂浆，以保证换能器与试样紧密接触；继续在标准条件下养护；(3)将养护至28天龄期的轻量土采用透射法来对测。测试步骤如下：

先测读仪器的零声时；用海藻酸钠做耦合剂，将接、发换能器分别紧贴试样的两个光滑表面；启动仪器，由发射换能器重复发射超声波，让超声波在所检测的试样中传播，然后由接收换能器接收，被接收到的超声波转化成电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上；仪器将测读的声时自动扣除零声时后，通过公式V＝L/t(式中L-超声测距，即发、收探头间被测体的尺寸；t-传播时间)计算得到换能器所在试样相对位置处的波速值；重复上述步骤，同时满足换能器每次测试时始终处于试样的同一位置处，得到试样多个相对位置处的波速值；根据实验制样的数理统计方法和采样的精度要求，得到所述实验室配制的试样不同密度下对应的波速值范围。

通过波速值的相对变化来分析轻量土的内部结构及其组成信息：按此重量组分的轻量土在标准条件下养护，28天的密度为1.156g/cm3；采用30kHz的纵波换能器28天的超声波速在1250～1370m/s之间，采用50kHz的纵波换能器28天的超声波速在1380～1460m/s之间。

本试验方法为现场原位土体施工质量的评判提供了理论依据，通过现场轻量土测试即可判断施工质量，可以有效避免工程上对于一般土体施工质量检测常常采用的环刀取样和钻芯取样方法的缺陷(如取样困难、工作量大、检测的局部性、检测结果较大的离散性、对土样的扰动等)，有较大的应用前景。