基于B超成像技术的自粘卷材防水层厚度检测方法研究

发布时间：2016-04-24 15:54

第 1 章 绪论

1.1 课题来源和研究对象
1.1.1 课题来源
本课题来源于广东省大亚湾区2011年科技计划项目“便携式防水卷材 接缝质量检测仪研制和开发”（项目编号：20110121）及广东成松科技发展有限公司订单研制任务的需求。本课题着眼于卷材防水层厚度检测技术无损化、自动化方面的研究，通过进行自粘卷材防水层厚度 B 超测量系统的设计、防水层厚度自动检测算法的研究、测量系统的软件开发以及通过对比实验分析和讨论手动测量结果与算法测量结果之间的相关性与差异性，从而为研制适用于防水工程现场检测的便携式防水卷材施工质量检测仪提供指导。

1.1.2 研究对象
本文的研究对象是以自粘防水卷材为防水材料施作的防水层，它不同于传统的卷材防水层，不仅减少了施工工序，降低了劳动成本，而且防漏可靠度高，环境污染少，更适合我国国情。两种防水层的施工构造如图1.1 所示。本文选用的自粘防水卷材 是一种性能优越的多层复合防水卷材[13]，包括居于中间一层的——最厚的基料（以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）等合成橡胶、增粘剂及优质道路石油沥青等配制成的自粘橡胶沥青），居于上一层——对于微小刺破能自愈的覆面材料（强韧的高密度聚乙烯膜(HDPE)、铝箔(AL)）或不覆盖任何表面材料形成双面自粘(N）)，和居于下一层——可剥离的硅油膜或硅油纸，如图 1.2 所示。
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1.2 课题研究背景、目的及意义
不断发展的建筑技术促使人们对建筑物防水的施工质量、环保提出了更高的要求，为了确保建筑物的防水性能和结构安全，需要选用优异的防水材料以及先进的施工工艺。在各类防水材料中，自粘聚合物改性沥青防水卷材（简称自粘防水卷材）是一种防水效果良好、重视环境保护且施工又极为方便的新型防水材料。进入 21 世纪后，自粘防水卷材不仅应用在屋面防水工程，还大量被用于地下防水工程，如各一、二线城市（上海、北京、天津、广州、深圳、杭州、成都、南京等）的地铁、隧道与地下室都选用它做防水工程；而现在，它除了被大量应用于建筑防水领域以外，还在各类基础设施如桥梁、机场、核电站、高速公路等中做功能性防水应用[1]。早前在《2007 年中国防水材料工程应用调查报告》中，有关机构对全国93 家施工企业的防水工程项目进行了调查，在工程应用中的防水材料种类共计 37 种，总用量为 17154.44 万 m2，其中自粘防水卷材有 2732.63 万 m2，占总用量的15.93% ，仅次于SBS/APP 改性沥青卷材[3]。如今，我国自粘防水卷材的年产量与应用量已位列世界前茅，自粘防水卷材已成为防水界的宠儿。 自粘防水卷材在防水工程中正逐步替代SBS/APP，据不完全统计，自 2007 以后的几年以来 自粘防水卷材 在全国总销量约为 4.5 亿 m2，节约了燃料40 万吨，底层涂料50万吨[4]，为整个社会和防水施工行业做出了巨大贡献。但是，我国建筑防水协会与北京零点市场调查与分析公司在 2014 年 7 月 4 日联合发布的《2013 年全国建筑渗漏状况调查项目报告》中指出“国内主要城市建筑屋面渗漏率高达 95.33%，其中57.51%的地下建筑存在不同程度渗漏，37.48%的住户受到房屋渗漏的困扰”[5]。诚然，在当前自粘防水卷材发展形势如此良好的情况下，更应该要清醒地看到防水材料在应用后因防水失效而引发的问题和导致的损失都在不断增多，这些已经严重影响到了建筑物的正常使用和人们的日常生活。说到防水失效，一个最主要原因就是现场施工过程中检测存有薄弱环节。在防水工程施工以及质量验收中，评估单位所要检测的防水层包括已施工完成的防水层和既有防水层，主要是评定防水层的性能符不符合设计和使用的要求[6]。其中，防水层厚度检测正是一项十分重要的检验内容，防水层太薄起不到良好的防水作用，防水层太厚则会造成防水层在热胀冷缩的物理变化下出现开裂，引起渗水。《屋面工程质量验收规范》[7]中已规定“小于规定厚度不能算作一道防水设防”。所谓一道防水设防[8]是指具有单独防水能力的一个防水层次，单独防水能力则是指能够满足合理使用年限10年的厚度，如果在施工期间和竣工后使用期间，发生了无故践踏、外力穿刺或是自然老化使得厚度小于规定值，那么 10 年的耐用年限是无法保证的。因此，《屋面工程质量验收规范》中明确规定“不论单一或是复合使用的材料必须达到要求厚度才是一道防水设防”，也就是说，为了确保防水工程施工质量，如果不考虑防水材料本身的材质问题，那么厚度就是关键 [9]。
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第 2 章 自粘卷材防水层厚度 B 超测量系统设计


2.1 系统总体设计
自粘卷材防水层厚度B超测量系统的主要目的是对自粘卷材防水层厚度进行现场超声检测，其方法虽然在本质上属于脉冲反射测厚法，但却是从图像的角度做厚度的可视化测量。通过B超成像分析，实时的生成所测单元的防水层厚度检测结果，并以报表的形式打印输出，据此来评定所测单元的施工质量是否合格。如图 2.1 所示，自粘卷材防水层厚度B超测量系统的结构同其它类型的检测系统一样包含有硬件系统和软件系统两个部分。硬件系统部分负责获取来自于所测单元的防水层上各个不同采样位置的超声信息，包括所有为了达到最终检测目标而使用到的硬件设备，即信号采集模块。软件系统部分则负责对信号采集模块提供的所有信息进行处理和分析，并显示和输出最后的处理结果。具体也可以分为两个模块：图像处理模块和显示输出模块。在图像处理模块中，前处理部分可以完成对得到的超声波信息进行 B 超成像的图像重建工作，后处理部分可以完成相关的超声图像分析工作，接着提取出众多复杂的图像信息中有用的部分，然后计算出对应部分的厚度值，最后把这些信息一 并输送到显示输出模块，在此模块中形成检测报表并将其打印出来。 接下来，将分别介绍系统的检测原理和各个模块的设计方法。
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2.2 自粘卷材防水层超声检测原理
目前，对卷材防水层厚度进行检测的方法常常是会破坏防水层完整性的割开法，至今还未在相关报道中见到有采用无损检测方法。可以了解到的是：其一，超声检测技术是一种最有效的常用于厚度检测的无损检测方法；其二，对以另一种柔性防水材料（防水涂料）为材料所施作的涂膜防水层进行厚度检测，工作人员选择的就是采用超声波测厚的方法。理论上来讲，由于防水卷材的介质密度远远大于耦合剂的密度，也与粘贴了卷材防水层的物体（防水基层）的介质密度差异较大，当超声波在传播过程中遇到防水层的上、下两个异质界面时，会因界面两侧介质的声波阻抗(介质密度与波速的乘积)的差异而产生反射，故而防水层的厚度值与超声波在两个异质界面的反射情况之间存在着一定的相关性。相比于手动检测法，超声检测法对厚度的变化更加灵敏和易见，操作也比较简便，检测结果也更为客观些，更重要的是不会破坏防水层的完整性。    不过，实际中对防水层厚度进行超声检测会遇到两个不可忽略的问题。其一，实际中超声波的能量在声波传播方向上会不断散失。防水卷材由于材质本身的关系，内部不是均质且结构不是十分紧密，易导致一定程度上的超声波能量衰减，也就是可能某些位置探测不出结果，因此仅仅通过对波形的频谱分析可能无法准确地测出其值，而且结果的显示不够直观；其二，防水层的表面或是粗糙或是不平整，防水层与防水基层的界面也不一定是平整的界面， 因此，防水层的厚度值可能在一定范围内。原理上，传统的超声测厚方法有共振法、脉冲反射法[37]。由于课题研究对象上表面粗糙不平和内部组织成分不均匀的特点，本课题较适合采用脉冲反射法。但是，对自粘卷材防水层厚度的超声检测又有一些不同之处，具体有两方面内容：一方面，脉冲反射法测厚只有接收到反射波才能实现， 依据反射波的度越时间与传播距离之间的关系，反推出反射层（上下两个异质界面）厚度。然而，由声学传播特性可知，当h/λ<2（h为待测材料的厚度，λ 为超声波波长）时，从上下两个异质界面反射回来的大量信号将会产生混叠现象。
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第 3 章 防水层厚度自动测量算法 .... 20 
3.1 选取感兴趣区域 ...... 20
3.2 防水层 B 超图像中斑点噪声的去除 ..... 21 
3.2.1 常用的 B 超图像滤波方法分析 ........ 22 
3.2.2 滤波试验结果与讨论 ...... 26 
3.3 防水层轮廓的分割提取 ..... 28
3.3.1 防水层图像的 FCM 聚类分割 ..... 28 
3.3.2 聚类结果细化 ....... 31 
3.3.3 防水层轮廓提取 ..... 32 
3.4 基于统计平均的厚度计算 ........ 33 
3.5 本章小结 ...... 34 
第 4 章 防水层厚度测量系统的软件开发 ........ 35 
4.1 软件总体描述与系统人机交互界面设计 ...... 35 
4.2 软件开发中三个技术问题的解决方法 ........ 37 
4.2.1 环境搭建 ...... 37 
4.2.2 消除闪屏 ...... 38 
4.2.3 绘制报表 ...... 39 
4.3 本章小结 ...... 41 
第 5 章 测厚实验与结果分析 ........ 42 
5.1 实验条件及准备 ...... 42 
5.2 实验结果及分析 ...... 44 
5.3 本章小结 ...... 46 

第 5 章 测厚实验与结果分析

本章的主要目的是通过实验系统地比较手动测量和算法测量间的区别，验证自粘卷材防水层施工厚度 B 超测量系统的有效性。

5.1 实验条件及准备

自粘防水卷材施工极为方便，只需在常温下剥开隔离纸即可直接铺贴。它一共有四种施工方法：干铺、湿铺、空铺、挂铺，但采用何种方法并不影响防水层的结构，也就是不改变 B 超成像结果。由于时间关系和比较严格的实验条件限制，无法做到总能在工程现场进行厚度测量实验研究。为了尽可能真实的模拟现场测量情境以及提高检测精准度，使获得的超声波信息能够准确地反映出物体的几何特性，在采集信号时必须要保证做到以下几点：  1）使用严格按照现场施工工艺制作的防水层模型； 2）应保证在做信号采集工作前防水层表面清洁，以避免不必要的测量误差； 3）采集时一定要确保探头沿把柄方向垂直于防水层上表面放置； 4）检测用水应符合现行的行业标准《混泥土用水标准》JGJ63 的规定； 5）露天检测时，不应在雨雪及五级以上大风天气条件下进行，检测环境温度宜在 C Cο ο5 35 。 在本文中，使用到的自粘卷材防水层模型由广东成松科技发展有限公司施工单位提供，是在工程现场按照施工流程[2]——基层清理→抹水泥砂浆→揭除隔离膜→铺贴卷材→排气、粘合——施作完成的，如图 5.1 所示。

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总结

目前，自粘防水卷材已在许多领域的防水工程中被广泛使用，而卷材防水层厚度大小是否合乎标准又与防水工程施工质量合不合格有着直接的关系。针对国内长期在工程现场对卷材防水层厚度不能进行无损自动化检测的现状，本文提出了一种基于 B 超成像技术的自粘卷材防水层厚度检测方法并完成了测量仪器的研究和开发。论文主要包括以下内容：
1、本文首先结合课题背景简单介绍了自粘防水卷材在防水领域的重要地位以及防水工程现场检测的现实意义和必要性，接着重点介绍了防水层厚度测量技术的研究现状和超声无损检测的发展历史和趋势，最终通过对比确定了本课题所使用的检测方法——超声检测技术。
2、本文详细阐述了卷材防水层厚度的超声检测原理，对于防水层这种层状的结构，根据传统的脉冲反射法，提出了基于 B 超成像技术的防水层厚度检测方法，并设计了自粘卷材防水层厚度 B 超检测系统。
3、本文以自粘卷材防水层厚度作为对象，结合 B 超图像处理理论，从实用性上考虑，不仅对比试验研究了现有的斑点噪声去除算法同时选取出适合自粘卷材防水层 B 超图像的算法，还制定了一套适用于防水层 B 超图像的轮廓提取方法，，并通过基于统计平均的厚度计算算法完成了防水层厚度测量的自动化。
4、本文基于 VC++开发了一个自粘卷材防水层厚度 B 超测量系统，其图像处理模块集成了本文研究的 B 超图像斑点噪声去除算法、B 超图像分割提取算法和防水层厚度自动测量算法；其显示输出模块实现了厚度检测报表的快速编辑以及自动排版，有效避免了防水工程现场检测中由手工书写检测报告带来的各种问题。
5、分别应用本文的测量系统和以往的手动测量方式对防水层厚度进行了检测实验。实验结果表明：1）测量系统所得出的检测结果与手动测量结果一致，两者之间既存在强相关性又具有差异性；2）与手动测量方法相比，本文所提出的检测方法可以更加简捷、准确地获取防水层厚度值，是一种可以实现防水层厚度现场自动测量的新方法。  
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参考文献(略)   

本文编号：40544