李 永 萍

(晉中市規(guī)劃編制研究中心，山西 晉中 030600)

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沖擊回波法在混凝土構(gòu)筑物無損檢測(cè)中的應(yīng)用

李 永 萍

(晉中市規(guī)劃編制研究中心，山西 晉中 030600)

說明了沖擊回波法的檢測(cè)原理，介紹了其檢測(cè)流程及檢測(cè)中需注意的要點(diǎn)，并分析了IES掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，指出沖擊回波法檢測(cè)特別適用于單面混凝土結(jié)構(gòu)的厚度測(cè)量，具有簡(jiǎn)便快速、干擾小，可重復(fù)測(cè)試等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。

沖擊回波法，混凝土構(gòu)筑物，超聲波法，傳感器

在混凝土結(jié)構(gòu)中，在載荷和外界環(huán)境的作用下，混凝土?xí)霈F(xiàn)不同程度的損傷，其內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展會(huì)使得混凝土強(qiáng)度不斷下降并導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。在混凝土檢測(cè)中，常用的方法有鉆芯取樣法及超聲波法等。每種方法都有自己的適用范圍和局限性。超聲波法可穿透距離遠(yuǎn)，安全方便，但需要兩個(gè)相對(duì)測(cè)試面，且必須測(cè)試多個(gè)測(cè)點(diǎn)。鉆芯取樣法不是無損檢測(cè)，會(huì)破壞路面結(jié)構(gòu)。

在混凝土結(jié)構(gòu)中，常見的單面結(jié)構(gòu)如路面、隧道襯砌、擋土墻、大壩等只有單一測(cè)試面。在此類工程中，混凝土厚度是保證結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和耐久性的重要因素。單面混凝土結(jié)構(gòu)的厚度不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全運(yùn)行，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)人員傷亡。對(duì)于這些要求，常用的檢測(cè)方法則難以運(yùn)用。對(duì)于檢測(cè)只存在單一測(cè)試面的混凝土結(jié)構(gòu)厚度及其內(nèi)部缺陷，使用沖擊回波法進(jìn)行檢測(cè)，具有設(shè)備輕便，操作快捷、受干擾影響小、可能夠復(fù)測(cè)試等優(yōu)勢(shì)。

沖擊回波法是基于應(yīng)力波的一種先進(jìn)的無損檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)單面混凝土結(jié)構(gòu)的厚度和缺陷效果顯著。該技術(shù)適用性強(qiáng)，可用于檢測(cè)最小厚度約5 cm的板狀結(jié)構(gòu)。將其用于單面混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)，能準(zhǔn)確檢測(cè)出結(jié)構(gòu)厚度，且無需取芯標(biāo)定。目前應(yīng)用比較廣泛的是IES掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)。本文作者根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，介紹了沖擊回波法在混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)試的流程及應(yīng)注意的問題。

1 沖擊回波系統(tǒng)

沖擊回波系統(tǒng)由沖擊器、接收器、采樣系統(tǒng)(主機(jī))、電腦組成，如圖1所示。

沖擊回波法的技術(shù)原理：在單面混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，當(dāng)使用一個(gè)小錘輕敲混凝土表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低頻應(yīng)力波在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播。當(dāng)應(yīng)力波遭遇結(jié)構(gòu)缺陷和混凝土構(gòu)件底面時(shí)，就會(huì)反射回來。使用在沖擊點(diǎn)附近安裝的傳感器接收這些反射波后，專業(yè)人員可對(duì)反射波的幅值譜進(jìn)行分析和判讀，通過識(shí)別沖擊表面、結(jié)構(gòu)缺陷及其他外表面間的多次反射波波峰，從而確定混凝土結(jié)構(gòu)厚度和缺陷所處部位，如圖2所示。

2 沖擊回波方法相對(duì)于超聲波法的優(yōu)勢(shì)

超聲無損檢測(cè)也可以用來檢測(cè)結(jié)構(gòu)混凝土的厚度及其缺陷等。相比較超聲檢測(cè)法，回波沖擊法具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)與超聲波檢測(cè)法的最大區(qū)別在于，沖擊回波法一個(gè)測(cè)試面即可完成測(cè)試，超聲波法則必須有兩個(gè)測(cè)試面。

2)沖擊回波法通常使用的聲波在2 kHz～20 kHz，其比超聲波使用的聲波更低頻，可使得沖擊回波法避免了超聲波測(cè)試中遇到的高信號(hào)衰減和過多雜波對(duì)測(cè)試精度的影響。

3)當(dāng)使用沖擊回波法時(shí)，單手即可完成操作，全過程中無需使用耦合劑，測(cè)試結(jié)果包括結(jié)構(gòu)厚度、缺陷部位及深度。在超聲波法下，檢測(cè)過程中需使用耦合劑，且兩個(gè)探頭使得操作難度增加，須采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后方可確定缺陷位置，但缺陷深度不能確定。

4)沖擊回波法可用于檢測(cè)厚度在180 cm以內(nèi)的單面混凝土結(jié)構(gòu)。使用超聲波法檢測(cè)同樣厚度的混凝土結(jié)構(gòu)則非常困難，特別是當(dāng)兩個(gè)測(cè)試面不易接觸時(shí)。

可以看出，與超聲波檢測(cè)法相比，沖擊回波法技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，適用范圍廣泛，檢測(cè)效果精確，具有極大的推廣和應(yīng)用前景。

3 沖擊回波法檢測(cè)流程

沖擊回波法檢測(cè)流程見圖3。

1)產(chǎn)生沖擊。在混凝土表面施加一瞬時(shí)沖擊，產(chǎn)生一應(yīng)力脈沖。測(cè)量時(shí)，先調(diào)整好電腦和主機(jī)，將接收器對(duì)準(zhǔn)接收點(diǎn)。按下接收器手柄，讓錐形換能元件與沖擊點(diǎn)表面接觸，按下放大器開關(guān)，用沖擊器彈擊試體表面。

2)接收信號(hào)。由接收器接收信號(hào)沖擊所產(chǎn)生的響應(yīng)。接收器由頂端的換能元件及內(nèi)部放大器組成，通過電纜與系統(tǒng)主機(jī)相連。接收點(diǎn)應(yīng)盡量靠近沖擊點(diǎn)。接收器的輸出與表面垂直位移成比例。由沖擊引起的混凝土表面位移響應(yīng)被接收器頂端的換能元件接收，經(jīng)放大后傳到主機(jī)。

3)采集波形。主機(jī)的主要功能就是采集波形。由接收器送來的位移響應(yīng)波形由采樣板采集并傳輸給計(jì)算機(jī)。采集波形中的各種參數(shù)由計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)定。主機(jī)上有2個(gè)控制旋鈕：“衰減”和“電平”?！八p”即衰減器，作用是把輸入的波形幅度減小到合適大小，“電平”是調(diào)節(jié)觸發(fā)點(diǎn)大小。

4)頻譜分析及計(jì)算。這一步驟由計(jì)算機(jī)完成。計(jì)算機(jī)既顯示波形也進(jìn)行傅里葉變換。頻譜線上有一系列峰。計(jì)算機(jī)自動(dòng)按從大到小順序，確定這些峰所對(duì)應(yīng)的頻率值并按公式計(jì)算出相應(yīng)厚度，并顯示在屏幕上。通常最高的峰就是與厚度相應(yīng)的峰。

5)繪圖打印。

4 檢測(cè)中應(yīng)注意的問題

1)表面處理。在一些混凝土路面檢測(cè)中，為提高路面抗滑性能，路面進(jìn)行的“拉毛”使得路面平整度降低，同時(shí)導(dǎo)致微裂隙在路面表面出現(xiàn)。在此類路面檢測(cè)前，要先使用砂輪將待測(cè)點(diǎn)周圍磨平，確保待測(cè)點(diǎn)周的平整度。否則，傳感器與待測(cè)面耦合不良，微裂隙的存在使得測(cè)試條件難度增加，信號(hào)質(zhì)量不好，雜波出現(xiàn)多，大大降低檢測(cè)精度。

陶器的制作是一門歷史悠久的工藝，在古代，作為生活基礎(chǔ)品的陶器，除了作為簡(jiǎn)單的盛放器皿外，隨著歷史潮流的發(fā)展更迭，在陶器的器型與外在紋樣的描繪上都存在著較為明顯的時(shí)代性。無論是單純?yōu)榱藢?shí)用，或者描繪圖騰用以祈求風(fēng)調(diào)雨順，都是人們對(duì)于陶器這一器物的人性溫度。說明了手工技藝體現(xiàn)人類文明和人類勞動(dòng)的本質(zhì)及其重要性。手藝的實(shí)用品格是它最本原也最為重要的本質(zhì)特征，又如日本學(xué)者柳宗悅所說：“實(shí)用的工藝是最正宗的工藝。”

2)傳感器設(shè)計(jì)。在用于混凝土厚度測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇具有較寬頻帶范圍的傳感器，以便用于檢測(cè)不同厚度的混凝土。為確保測(cè)試精度，傳感器靈敏度應(yīng)適宜，以突出有用信號(hào)，將雜波干擾降至最低。

3)沖擊器選擇。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的厚度不同時(shí)，沖擊器沖擊的瞬態(tài)共振頻率是不一樣的。當(dāng)混凝土板較薄時(shí)，頻率值較高；當(dāng)混凝土板較厚時(shí)，頻率值較低。根據(jù)機(jī)構(gòu)厚度的不同，選擇適宜的沖

擊器能有效保證瞬態(tài)共振產(chǎn)生的應(yīng)力波有足夠能量，接收的反射波具有較高質(zhì)量。

4)聲速測(cè)量。在使用沖擊回波法測(cè)厚時(shí)，聲速是影響測(cè)量結(jié)果的重要因素。一般測(cè)量的聲速越精確，則測(cè)厚結(jié)果就越精確。使用較多的聲速測(cè)量方法有以下幾種：a.在已知厚度區(qū)域內(nèi)，使用沖擊回波法確定波速，再用該波速檢測(cè)其他部位；b.混凝土聲速還能通過使用沖擊回波法來測(cè)量P波(與傳播方向平行的縱波)波速來確定，結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)的波速均可用此法進(jìn)行測(cè)量；c.混凝土的聲速也可以使用超聲平測(cè)法來測(cè)量。

5 IES掃描式?jīng)_擊回波測(cè)試系統(tǒng)

IES(Impact Echo Scanner的簡(jiǎn)寫)掃描式回波沖擊系統(tǒng)(見圖4)，由美國(guó)Olson公司成功研制，是目前最先進(jìn)的沖擊回波測(cè)試儀。在該系統(tǒng)中，使用滾動(dòng)傳感器代替了傳統(tǒng)的單個(gè)傳感器，采用的螺線管沖擊器能夠進(jìn)行連續(xù)沖擊，使得檢測(cè)速度和效率大大提高，作業(yè)中的勞動(dòng)量顯著減少。使用該系統(tǒng)，除了具有沖擊回波儀器的功能外，還實(shí)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)的厚度變化及存在的缺陷三維成像功能，還可用于對(duì)混凝土中預(yù)應(yīng)力管中的未灌漿區(qū)域進(jìn)行三維成像等功能。

IES法向?qū)τ谄胀ǖ臎_擊回波法的優(yōu)點(diǎn)：使用普通的沖擊回波儀器效率低，只能用于對(duì)較小、非常關(guān)鍵部位的檢測(cè)，每小時(shí)僅能檢測(cè)30個(gè)～60個(gè)點(diǎn)，而IES測(cè)試系統(tǒng)的效率高，每小時(shí)可檢測(cè)2 000個(gè)～3 000個(gè)點(diǎn)。同時(shí)，IES測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維成像功能，使得結(jié)構(gòu)缺陷能快速、直觀顯示。

工程實(shí)踐表明，IES測(cè)試系統(tǒng)能顯著提升檢測(cè)速度和檢測(cè)效率，還可用于預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實(shí)度檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)技術(shù)的一次飛躍，對(duì)確?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行具有積極的推動(dòng)效果。

6 結(jié)語(yǔ)

沖擊回波法是一種新型的無損檢測(cè)方法，廣泛用于對(duì)路面、護(hù)坡、擋土墻、隧道襯砌、大壩等單面混凝土結(jié)構(gòu)的厚度測(cè)量。在混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)中應(yīng)用沖擊回波法，具有設(shè)備簡(jiǎn)便、檢測(cè)快速、結(jié)果精確、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，具有極大的推廣和應(yīng)用前景。

[1] 陳 超.沖擊回波法檢測(cè)[Z].2011.

[2] 蘇 航,林維正.沖擊回波檢測(cè)方法及其在土木工程中的應(yīng)用[J].無損檢測(cè)，2003(2)：77.

[3] 王嫻琴.沖擊回波法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度及彈模的試驗(yàn)探討[J].工程技術(shù)(文摘版)，2016(9)：26.

On application of impact echo method in non-destructive detection of concrete buildings

Li Yongping

(JinzhongPlanningandCompilationResearchCenter,Jinzhong030600,China)

The paper indicates the detection principle for the impact echo method, introduces the attentive points in its detection procedure and detection, analyzes the technical advantages of IES scanning impact echo system, and points out the impact echo detection can be adopted in measuring the concrete structure thickness featured with convenience, little interruption, and repetition, so it has broader application.

impact echo method, concrete building, ultrasonic method, sensor

1009-6825(2017)14-0039-02

2017-03-07

李永萍(1969- )，女，工程師，注冊(cè)規(guī)劃師

TU317

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