第 1 章 緒論

1.1 課題來(lái)源和研究對(duì)象
1.1.1 課題來(lái)源
本課題來(lái)源于廣東省大亞灣區(qū)2011年科技計(jì)劃項(xiàng)目“便攜式防水卷材 接縫質(zhì)量檢測(cè)儀研制和開(kāi)發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：20110121）及廣東成松科技發(fā)展有限公司訂單研制任務(wù)的需求。本課題著眼于卷材防水層厚度檢測(cè)技術(shù)無(wú)損化、自動(dòng)化方面的研究，通過(guò)進(jìn)行自粘卷材防水層厚度 B 超測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、防水層厚度自動(dòng)檢測(cè)算法的研究、測(cè)量系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)以及通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析和討論手動(dòng)測(cè)量結(jié)果與算法測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性與差異性，從而為研制適用于防水工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的便攜式防水卷材施工質(zhì)量檢測(cè)儀提供指導(dǎo)。

1.1.2 研究對(duì)象
本文的研究對(duì)象是以自粘防水卷材為防水材料施作的防水層，它不同于傳統(tǒng)的卷材防水層，不僅減少了施工工序，降低了勞動(dòng)成本，而且防漏可靠度高，環(huán)境污染少，更適合我國(guó)國(guó)情。兩種防水層的施工構(gòu)造如圖1.1 所示。本文選用的自粘防水卷材 是一種性能優(yōu)越的多層復(fù)合防水卷材[13]，包括居于中間一層的——最厚的基料（以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）等合成橡膠、增粘劑及優(yōu)質(zhì)道路石油瀝青等配制成的自粘橡膠瀝青），居于上一層——對(duì)于微小刺破能自愈的覆面材料（強(qiáng)韌的高密度聚乙烯膜(HDPE)、鋁箔(AL)）或不覆蓋任何表面材料形成雙面自粘(N）)，和居于下一層——可剝離的硅油膜或硅油紙，如圖 1.2 所示。
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1.2 課題研究背景、目的及意義
不斷發(fā)展的建筑技術(shù)促使人們對(duì)建筑物防水的施工質(zhì)量、環(huán)保提出了更高的要求，為了確保建筑物的防水性能和結(jié)構(gòu)安全，需要選用優(yōu)異的防水材料以及先進(jìn)的施工工藝。在各類防水材料中，自粘聚合物改性瀝青防水卷材（簡(jiǎn)稱自粘防水卷材）是一種防水效果良好、重視環(huán)境保護(hù)且施工又極為方便的新型防水材料。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，自粘防水卷材不僅應(yīng)用在屋面防水工程，還大量被用于地下防水工程，如各一、二線城市（上海、北京、天津、廣州、深圳、杭州、成都、南京等）的地鐵、隧道與地下室都選用它做防水工程；而現(xiàn)在，它除了被大量應(yīng)用于建筑防水領(lǐng)域以外，還在各類基礎(chǔ)設(shè)施如橋梁、機(jī)場(chǎng)、核電站、高速公路等中做功能性防水應(yīng)用[1]。早前在《2007 年中國(guó)防水材料工程應(yīng)用調(diào)查報(bào)告》中，有關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)全國(guó)93 家施工企業(yè)的防水工程項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)查，在工程應(yīng)用中的防水材料種類共計(jì) 37 種，總用量為 17154.44 萬(wàn) m2，其中自粘防水卷材有 2732.63 萬(wàn) m2，占總用量的15.93% ，僅次于SBS/APP 改性瀝青卷材[3]。如今，我國(guó)自粘防水卷材的年產(chǎn)量與應(yīng)用量已位列世界前茅，自粘防水卷材已成為防水界的寵兒。 自粘防水卷材在防水工程中正逐步替代SBS/APP，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自 2007 以后的幾年以來(lái) 自粘防水卷材 在全國(guó)總銷量約為 4.5 億 m2，節(jié)約了燃料40 萬(wàn)噸，底層涂料50萬(wàn)噸[4]，為整個(gè)社會(huì)和防水施工行業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，我國(guó)建筑防水協(xié)會(huì)與北京零點(diǎn)市場(chǎng)調(diào)查與分析公司在 2014 年 7 月 4 日聯(lián)合發(fā)布的《2013 年全國(guó)建筑滲漏狀況調(diào)查項(xiàng)目報(bào)告》中指出“國(guó)內(nèi)主要城市建筑屋面滲漏率高達(dá) 95.33%，其中57.51%的地下建筑存在不同程度滲漏，37.48%的住戶受到房屋滲漏的困擾”[5]。誠(chéng)然，在當(dāng)前自粘防水卷材發(fā)展形勢(shì)如此良好的情況下，更應(yīng)該要清醒地看到防水材料在應(yīng)用后因防水失效而引發(fā)的問(wèn)題和導(dǎo)致的損失都在不斷增多，這些已經(jīng)嚴(yán)重影響到了建筑物的正常使用和人們的日常生活。說(shuō)到防水失效，一個(gè)最主要原因就是現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中檢測(cè)存有薄弱環(huán)節(jié)。在防水工程施工以及質(zhì)量驗(yàn)收中，評(píng)估單位所要檢測(cè)的防水層包括已施工完成的防水層和既有防水層，主要是評(píng)定防水層的性能符不符合設(shè)計(jì)和使用的要求[6]。其中，防水層厚度檢測(cè)正是一項(xiàng)十分重要的檢驗(yàn)內(nèi)容，防水層太薄起不到良好的防水作用，防水層太厚則會(huì)造成防水層在熱脹冷縮的物理變化下出現(xiàn)開(kāi)裂，引起滲水�！段菝婀こ藤|(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[7]中已規(guī)定“小于規(guī)定厚度不能算作一道防水設(shè)防”。所謂一道防水設(shè)防[8]是指具有單獨(dú)防水能力的一個(gè)防水層次，單獨(dú)防水能力則是指能夠滿足合理使用年限10年的厚度，如果在施工期間和竣工后使用期間，發(fā)生了無(wú)故踐踏、外力穿刺或是自然老化使得厚度小于規(guī)定值，那么 10 年的耐用年限是無(wú)法保證的。因此，《屋面工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中明確規(guī)定“不論單一或是復(fù)合使用的材料必須達(dá)到要求厚度才是一道防水設(shè)防”，也就是說(shuō)，為了確保防水工程施工質(zhì)量，如果不考慮防水材料本身的材質(zhì)問(wèn)題，那么厚度就是關(guān)鍵 [9]。
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第 2 章 自粘卷材防水層厚度 B 超測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)


2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
自粘卷材防水層厚度B超測(cè)量系統(tǒng)的主要目的是對(duì)自粘卷材防水層厚度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)超聲檢測(cè)，其方法雖然在本質(zhì)上屬于脈沖反射測(cè)厚法，但卻是從圖像的角度做厚度的可視化測(cè)量。通過(guò)B超成像分析，實(shí)時(shí)的生成所測(cè)單元的防水層厚度檢測(cè)結(jié)果，并以報(bào)表的形式打印輸出，據(jù)此來(lái)評(píng)定所測(cè)單元的施工質(zhì)量是否合格。如圖 2.1 所示，自粘卷材防水層厚度B超測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)同其它類型的檢測(cè)系統(tǒng)一樣包含有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分。硬件系統(tǒng)部分負(fù)責(zé)獲取來(lái)自于所測(cè)單元的防水層上各個(gè)不同采樣位置的超聲信息，包括所有為了達(dá)到最終檢測(cè)目標(biāo)而使用到的硬件設(shè)備，即信號(hào)采集模塊。軟件系統(tǒng)部分則負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)采集模塊提供的所有信息進(jìn)行處理和分析，并顯示和輸出最后的處理結(jié)果。具體也可以分為兩個(gè)模塊：圖像處理模塊和顯示輸出模塊。在圖像處理模塊中，前處理部分可以完成對(duì)得到的超聲波信息進(jìn)行 B 超成像的圖像重建工作，后處理部分可以完成相關(guān)的超聲圖像分析工作，接著提取出眾多復(fù)雜的圖像信息中有用的部分，然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)部分的厚度值，最后把這些信息一 并輸送到顯示輸出模塊，在此模塊中形成檢測(cè)報(bào)表并將其打印出來(lái)。 接下來(lái)，將分別介紹系統(tǒng)的檢測(cè)原理和各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法。
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2.2 自粘卷材防水層超聲檢測(cè)原理
目前，對(duì)卷材防水層厚度進(jìn)行檢測(cè)的方法常常是會(huì)破壞防水層完整性的割開(kāi)法，至今還未在相關(guān)報(bào)道中見(jiàn)到有采用無(wú)損檢測(cè)方法�？梢粤私獾降氖牵浩湟唬暀z測(cè)技術(shù)是一種最有效的常用于厚度檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法；其二，對(duì)以另一種柔性防水材料（防水涂料）為材料所施作的涂膜防水層進(jìn)行厚度檢測(cè)，工作人員選擇的就是采用超聲波測(cè)厚的方法。理論上來(lái)講，由于防水卷材的介質(zhì)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耦合劑的密度，也與粘貼了卷材防水層的物體（防水基層）的介質(zhì)密度差異較大，當(dāng)超聲波在傳播過(guò)程中遇到防水層的上、下兩個(gè)異質(zhì)界面時(shí)，會(huì)因界面兩側(cè)介質(zhì)的聲波阻抗(介質(zhì)密度與波速的乘積)的差異而產(chǎn)生反射，故而防水層的厚度值與超聲波在兩個(gè)異質(zhì)界面的反射情況之間存在著一定的相關(guān)性。相比于手動(dòng)檢測(cè)法，超聲檢測(cè)法對(duì)厚度的變化更加靈敏和易見(jiàn)，操作也比較簡(jiǎn)便，檢測(cè)結(jié)果也更為客觀些，更重要的是不會(huì)破壞防水層的完整性。    不過(guò)，實(shí)際中對(duì)防水層厚度進(jìn)行超聲檢測(cè)會(huì)遇到兩個(gè)不可忽略的問(wèn)題。其一，實(shí)際中超聲波的能量在聲波傳播方向上會(huì)不斷散失。防水卷材由于材質(zhì)本身的關(guān)系，內(nèi)部不是均質(zhì)且結(jié)構(gòu)不是十分緊密，易導(dǎo)致一定程度上的超聲波能量衰減，也就是可能某些位置探測(cè)不出結(jié)果，因此僅僅通過(guò)對(duì)波形的頻譜分析可能無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)出其值，而且結(jié)果的顯示不夠直觀；其二，防水層的表面或是粗糙或是不平整，防水層與防水基層的界面也不一定是平整的界面， 因此，防水層的厚度值可能在一定范圍內(nèi)。原理上，傳統(tǒng)的超聲測(cè)厚方法有共振法、脈沖反射法[37]。由于課題研究對(duì)象上表面粗糙不平和內(nèi)部組織成分不均勻的特點(diǎn)，本課題較適合采用脈沖反射法。但是，對(duì)自粘卷材防水層厚度的超聲檢測(cè)又有一些不同之處，具體有兩方面內(nèi)容：一方面，脈沖反射法測(cè)厚只有接收到反射波才能實(shí)現(xiàn)， 依據(jù)反射波的度越時(shí)間與傳播距離之間的關(guān)系，反推出反射層（上下兩個(gè)異質(zhì)界面）厚度。然而，由聲學(xué)傳播特性可知，當(dāng)h/λ<2（h為待測(cè)材料的厚度，λ 為超聲波波長(zhǎng)）時(shí)，從上下兩個(gè)異質(zhì)界面反射回來(lái)的大量信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。
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第 3 章 防水層厚度自動(dòng)測(cè)量算法 .... 20 
3.1 選取感興趣區(qū)域 ...... 20
3.2 防水層 B 超圖像中斑點(diǎn)噪聲的去除 ..... 21 
3.2.1 常用的 B 超圖像濾波方法分析 ........ 22 
3.2.2 濾波試驗(yàn)結(jié)果與討論 ...... 26 
3.3 防水層輪廓的分割提取 ..... 28
3.3.1 防水層圖像的 FCM 聚類分割 ..... 28 
3.3.2 聚類結(jié)果細(xì)化 ....... 31 
3.3.3 防水層輪廓提取 ..... 32 
3.4 基于統(tǒng)計(jì)平均的厚度計(jì)算 ........ 33 
3.5 本章小結(jié) ...... 34 
第 4 章 防水層厚度測(cè)量系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā) ........ 35 
4.1 軟件總體描述與系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) ...... 35 
4.2 軟件開(kāi)發(fā)中三個(gè)技術(shù)問(wèn)題的解決方法 ........ 37 
4.2.1 環(huán)境搭建 ...... 37 
4.2.2 消除閃屏 ...... 38 
4.2.3 繪制報(bào)表 ...... 39 
4.3 本章小結(jié) ...... 41 
第 5 章 測(cè)厚實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 ........ 42 
5.1 實(shí)驗(yàn)條件及準(zhǔn)備 ...... 42 
5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 ...... 44 
5.3 本章小結(jié) ...... 46 

第 5 章 測(cè)厚實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本章的主要目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地比較手動(dòng)測(cè)量和算法測(cè)量間的區(qū)別，驗(yàn)證自粘卷材防水層施工厚度 B 超測(cè)量系統(tǒng)的有效性。

5.1 實(shí)驗(yàn)條件及準(zhǔn)備

自粘防水卷材施工極為方便，只需在常溫下剝開(kāi)隔離紙即可直接鋪貼。它一共有四種施工方法：干鋪、濕鋪、空鋪、掛鋪，但采用何種方法并不影響防水層的結(jié)構(gòu)，也就是不改變 B 超成像結(jié)果。由于時(shí)間關(guān)系和比較嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件限制，無(wú)法做到總能在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究。為了盡可能真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情境以及提高檢測(cè)精準(zhǔn)度，使獲得的超聲波信息能夠準(zhǔn)確地反映出物體的幾何特性，在采集信號(hào)時(shí)必須要保證做到以下幾點(diǎn)：  1）使用嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)施工工藝制作的防水層模型； 2）應(yīng)保證在做信號(hào)采集工作前防水層表面清潔，以避免不必要的測(cè)量誤差； 3）采集時(shí)一定要確保探頭沿把柄方向垂直于防水層上表面放置； 4）檢測(cè)用水應(yīng)符合現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混泥土用水標(biāo)準(zhǔn)》JGJ63 的規(guī)定； 5）露天檢測(cè)時(shí)，不應(yīng)在雨雪及五級(jí)以上大風(fēng)天氣條件下進(jìn)行，檢測(cè)環(huán)境溫度宜在 C Cο ο5 35 。 在本文中，使用到的自粘卷材防水層模型由廣東成松科技發(fā)展有限公司施工單位提供，是在工程現(xiàn)場(chǎng)按照施工流程[2]——基層清理→抹水泥砂漿→揭除隔離膜→鋪貼卷材→排氣、粘合——施作完成的，如圖 5.1 所示。

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總結(jié)

目前，自粘防水卷材已在許多領(lǐng)域的防水工程中被廣泛使用，而卷材防水層厚度大小是否合乎標(biāo)準(zhǔn)又與防水工程施工質(zhì)量合不合格有著直接的關(guān)系。針對(duì)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)卷材防水層厚度不能進(jìn)行無(wú)損自動(dòng)化檢測(cè)的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于 B 超成像技術(shù)的自粘卷材防水層厚度檢測(cè)方法并完成了測(cè)量?jī)x器的研究和開(kāi)發(fā)。論文主要包括以下內(nèi)容：
1、本文首先結(jié)合課題背景簡(jiǎn)單介紹了自粘防水卷材在防水領(lǐng)域的重要地位以及防水工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)意義和必要性，接著重點(diǎn)介紹了防水層厚度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀和超聲無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展歷史和趨勢(shì)，最終通過(guò)對(duì)比確定了本課題所使用的檢測(cè)方法——超聲檢測(cè)技術(shù)。
2、本文詳細(xì)闡述了卷材防水層厚度的超聲檢測(cè)原理，對(duì)于防水層這種層狀的結(jié)構(gòu)，根據(jù)傳統(tǒng)的脈沖反射法，提出了基于 B 超成像技術(shù)的防水層厚度檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了自粘卷材防水層厚度 B 超檢測(cè)系統(tǒng)。
3、本文以自粘卷材防水層厚度作為對(duì)象，結(jié)合 B 超圖像處理理論，從實(shí)用性上考慮，不僅對(duì)比試驗(yàn)研究了現(xiàn)有的斑點(diǎn)噪聲去除算法同時(shí)選取出適合自粘卷材防水層 B 超圖像的算法，還制定了一套適用于防水層 B 超圖像的輪廓提取方法，，并通過(guò)基于統(tǒng)計(jì)平均的厚度計(jì)算算法完成了防水層厚度測(cè)量的自動(dòng)化。
4、本文基于 VC++開(kāi)發(fā)了一個(gè)自粘卷材防水層厚度 B 超測(cè)量系統(tǒng)，其圖像處理模塊集成了本文研究的 B 超圖像斑點(diǎn)噪聲去除算法、B 超圖像分割提取算法和防水層厚度自動(dòng)測(cè)量算法；其顯示輸出模塊實(shí)現(xiàn)了厚度檢測(cè)報(bào)表的快速編輯以及自動(dòng)排版，有效避免了防水工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中由手工書(shū)寫(xiě)檢測(cè)報(bào)告帶來(lái)的各種問(wèn)題。
5、分別應(yīng)用本文的測(cè)量系統(tǒng)和以往的手動(dòng)測(cè)量方式對(duì)防水層厚度進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）測(cè)量系統(tǒng)所得出的檢測(cè)結(jié)果與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果一致，兩者之間既存在強(qiáng)相關(guān)性又具有差異性；2）與手動(dòng)測(cè)量方法相比，本文所提出的檢測(cè)方法可以更加簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確地獲取防水層厚度值，是一種可以實(shí)現(xiàn)防水層厚度現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量的新方法。  
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參考文獻(xiàn)(略)   

本文編號(hào)：40544