楊 智 張今陽(yáng) 孔楠楠

(1安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院,安徽蚌埠233000；2安徽省水利工程病害防治工程技術(shù)研究中心，安徽蚌埠233000；3淮河流域水工程質(zhì)量檢測(cè)中心，安徽蚌埠233000)

1 引言

對(duì)于結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，目前國(guó)家或行業(yè)規(guī)范的方法只有超聲脈沖法。但是要準(zhǔn)確檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷，尤其是深層缺陷，一般要求混凝土結(jié)構(gòu)有兩個(gè)對(duì)稱測(cè)試面(如水閘中墩)用于布置超聲測(cè)點(diǎn)。因此，對(duì)于水閘的邊墩、翼墻、閘底板、箱涵側(cè)墻等部位，由于測(cè)點(diǎn)布置上受限制，利用超聲法在一個(gè)側(cè)面上測(cè)試其內(nèi)部缺陷就不夠理想。而沖擊回波法則以其自己的特點(diǎn)可以較方便地解決這個(gè)問(wèn)題。但是沖擊回波法測(cè)試混凝土內(nèi)部缺陷目前僅有部分研究單位做了零星的研究，沒(méi)有得出沖擊回波信號(hào)與缺陷性質(zhì)間系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，更沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)方法，因此需要對(duì)沖擊回波法作系統(tǒng)的研究。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)科內(nèi)爾大學(xué)（Cornell University）的Mary Sansalone博士最早對(duì)沖擊回波反射法（Impact Echo Method）進(jìn)行了研究。沖擊回波測(cè)試結(jié)構(gòu)厚度已經(jīng)寫(xiě)入了美國(guó)ASTM C1383-2004標(biāo)準(zhǔn)。使得現(xiàn)階段沖擊回波法的研究有了很好的技術(shù)基礎(chǔ)及很好的推廣應(yīng)用前景。

2 沖擊回波法的測(cè)試原理

如圖1所示:用小錘或沖擊器作為激振源在混凝土表面敲擊產(chǎn)生壓縮波，然后用放置在沖擊器附近的接收傳感器接收反射回來(lái)的壓縮波。經(jīng)過(guò)分析處理來(lái)計(jì)算混凝土的厚度、探測(cè)內(nèi)部的孔洞、裂隙、剝離等缺陷。對(duì)于無(wú)缺陷的平板、路面，會(huì)得到一個(gè)來(lái)自底面的反射波，這樣在已知壓縮波的波速時(shí)，就可以計(jì)算厚度了。

其中b是形狀系數(shù)，對(duì)板/墻來(lái)說(shuō)是0.96，對(duì)于梁和柱該值更小，根據(jù)厚度和寬度的比值來(lái)確定，VP是壓縮波波速。VP可通過(guò)兩個(gè)已知間距L的接收器接收同一反射波到達(dá)自身的時(shí)間差Δt來(lái)計(jì)算，如圖2所示[1]。

當(dāng)缺陷相對(duì)P波方向的橫截面尺寸處在一個(gè)合適水平，如≥1/4結(jié)構(gòu)厚度時(shí)，沖擊回波方法可以測(cè)出有缺陷的存在；當(dāng)缺陷橫截面尺寸≥1/3結(jié)構(gòu)厚度時(shí)，沖擊回波方法可以準(zhǔn)確測(cè)出缺陷的深度。如圖3頻域曲線，結(jié)構(gòu)的厚度時(shí)50.93cm,缺陷的深度在22.69cm處。

圖1 沖擊回波在某一反射面得到的頻域曲線

其中Source為產(chǎn)生壓縮波的激振源，Receiver為反射波的接收器

圖2 P-波波速測(cè)試示意圖

其中：1—接收傳感器 2—數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng) 3—沖擊源

圖3 頻域曲線圖

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室制備強(qiáng)度等級(jí)為C30、幾何尺寸為（3000×1500×700）mm3的混凝土試件，用于模擬大體積混凝土構(gòu)件。采用矩陣式工程鉆機(jī)預(yù)設(shè)構(gòu)件的內(nèi)部缺陷。預(yù)設(shè)的缺陷包括3種類型：較小空洞、較大的空洞、剝離。較小空洞采用鉆機(jī)鉆取一個(gè)孔洞，距試件端部約400mm；較大空洞連續(xù)鉆取多個(gè)孔洞，距試件端部約2200mm；經(jīng)過(guò)28d自然養(yǎng)護(hù)后，開(kāi)始沖擊回波測(cè)缺試驗(yàn)。

4 沖擊回波分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

沖擊回波測(cè)試時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行濾波設(shè)置，可極大程度的減化后續(xù)頻譜分析的工作難度。具體步驟如下：按公式(2)對(duì)應(yīng)方法測(cè)試出P-波波速值Vp，根據(jù)構(gòu)件測(cè)試方向的設(shè)計(jì)厚度值D及公式(1)，估算出主頻的大致量值f估，從而在主機(jī)參數(shù)設(shè)置時(shí)，更好的設(shè)置濾波的下限頻率f1，上限頻率f2，使區(qū)間包含實(shí)測(cè)主頻f，且盡量排除雜波干擾。

試件測(cè)試結(jié)果如圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)厚度二維坐標(biāo)圖

圖5 測(cè)點(diǎn)厚度三維成像圖

將厚度測(cè)試值進(jìn)行三維成像，如圖5。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）沖擊應(yīng)力波不能夠穿越已剝離的混凝土界面繼續(xù)傳遞，到達(dá)臨空面時(shí)即進(jìn)行邊界反射，所以，當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在剝離缺陷時(shí)，采用沖擊回波法所測(cè)得的深度值，即可判定為剝離缺陷所處的深度位置。

2）沖擊應(yīng)力波傳遞路徑上有空洞時(shí)，應(yīng)力波會(huì)選擇繞過(guò)空洞邊界繼續(xù)傳遞，當(dāng)其達(dá)到構(gòu)件邊界時(shí)進(jìn)行回波反射，因而會(huì)導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)厚度值偏大，如圖4，約400mm測(cè)距處測(cè)點(diǎn)厚度測(cè)試值約為500mm，然該處測(cè)試位置至剝離邊界的實(shí)際厚度約為420mm；應(yīng)力波傳遞路徑上的空洞越大，繞徑越長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn)的厚度測(cè)試值偏大量會(huì)越明顯，如圖4，約2200mm測(cè)距處測(cè)點(diǎn)厚度測(cè)試值約為720mm，然該處測(cè)試位置至剝離邊界的實(shí)際厚度約為550mm。

3）沖擊回波測(cè)試應(yīng)考慮到邊界效應(yīng)，應(yīng)力波是以球面波的形式向周圍傳遞，因而測(cè)線布置時(shí)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離構(gòu)件的相鄰邊界，距離應(yīng)不小于測(cè)試方向構(gòu)件的實(shí)際厚度，以避免回波信號(hào)的相互干擾，增加頻譜分析的難度。

4.2 沖擊回波測(cè)試的不確定度

沖擊回波測(cè)缺基于沖擊回波的厚度測(cè)試，即公式（1）所對(duì)應(yīng)的測(cè)試原理，將公式（2）代入（1）中得：

考慮人為因素及環(huán)境因素的影響，厚度測(cè)試值D可表示為以下數(shù)學(xué)模型：

X1來(lái)自公式(3)，X2為人為因素，X3為環(huán)境因素；f(ZFX)為重復(fù)性因子，f(ZFX)=1[2]。

則相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucr(D)：

其中：

即(4)可表達(dá)為：

u(f(ZFX))為重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，包括人為因素，環(huán)境因素的影響，為單一分量，由多次平均試驗(yàn)（通常不少于10次）結(jié)果平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差獲得。據(jù)(5)即可得：

那么，沖擊回波的厚度測(cè)試值應(yīng)具如下表達(dá)：

k為包含因子，取k=2，對(duì)應(yīng)的置信概率p約為95%。

令構(gòu)件測(cè)試方向的厚度設(shè)計(jì)值為T：

若D0?T，可認(rèn)為構(gòu)件厚度滿足設(shè)計(jì)要求；

若出現(xiàn)連續(xù)的測(cè)點(diǎn)值Di>>D0，則可判定此處某一深度可能存在空洞，越大，則空洞的橫截面尺寸越大；

若D0<

5 結(jié)語(yǔ)

1）沖擊回波法測(cè)試混凝土構(gòu)件，具有以下優(yōu)勢(shì)：a只需要一個(gè)測(cè)試面，可在絕大部分工程結(jié)構(gòu)上應(yīng)用；b可獲得明確的缺陷信號(hào)，直觀，測(cè)試一點(diǎn)即可判斷一點(diǎn)；c不需要耦合劑，測(cè)試方便，快捷；d可以很方便的測(cè)量結(jié)構(gòu)厚度。

2）本文對(duì)沖擊回波法的測(cè)試原理進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并完成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)探索及數(shù)據(jù)分析，并引入不確定度參數(shù)以完成構(gòu)件檢測(cè)結(jié)果判定，以保證分析方法的科學(xué)性、正確性。

3）沖擊回波法作為一種無(wú)損測(cè)試方法，本身具有很高的研究?jī)r(jià)值，基于其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，有較好的推廣應(yīng)用前景，為此，課題組成員于先前科研工作的基礎(chǔ)上，匯編完成較為系統(tǒng)的研究成果，使得方法可以方便的應(yīng)用于工程實(shí)體的檢測(cè)及評(píng)估工作。

[1]ASTM C1383-04(Reapproved 2010)，standard test method for measuring the P-wave speed and thickness of concrete plates using the impact-echo method[S].

[2]高良才，實(shí)驗(yàn)室實(shí)用不確定度評(píng)定—因果分析法，ISBN 978-7-5026-2925-0，北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.1.