劉志軍 何蘭超 夏世法 王榮魯

20世紀(jì)80年代美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（U.S.National Bureau of Standards（NBS））發(fā)明了沖擊回波法，它是一種對混凝土及磚石結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損評估的聲學(xué)方法。1997年12月，美國材料測試協(xié)會(huì)（ASTM）發(fā)布了題為“用沖擊回波法測定P波速度和混凝土板狀結(jié)構(gòu)厚度的標(biāo)準(zhǔn)方法[1-3]。最近10年來，利用沖擊回波法檢測內(nèi)部缺陷和測量薄板的厚度，也逐漸在中國水利、交通、橋梁等行業(yè)開展科學(xué)研究和工程應(yīng)用，目前已列入SL 713—2015《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》。

沖擊回波法主要用于檢測混凝土裂縫、空洞或分層的定位，以及混凝土板的厚度或檢測后張預(yù)應(yīng)力灌漿孔道中的空洞。沖擊回波法確定結(jié)構(gòu)厚度的方法對結(jié)構(gòu)沒有損傷，而且只要條件允許就可以提供足夠多的厚度數(shù)據(jù)。

水工混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測和安全評估工作中經(jīng)常采用彈性波（如聲波、超聲波）波速來評價(jià)混凝土的強(qiáng)度、質(zhì)量分布和內(nèi)部缺陷等。彈性波縱波（P波）波速與混凝土的強(qiáng)度和彈性模量之間具有比較好的相關(guān)關(guān)系，但不同混凝土的P波速度和強(qiáng)度之間的關(guān)系是不同的[4-7]。對于重要混凝土結(jié)構(gòu)，為保證無損檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，比較可靠的方法是采用現(xiàn)場鉆取芯樣或在試驗(yàn)室內(nèi)制備混凝土試件，通過確定其強(qiáng)度和P波速度之間的相關(guān)關(guān)系建立工程專用彈性波波速評價(jià)曲線。本文將結(jié)合我國某大型調(diào)水工程中由于暴雨導(dǎo)致不同箱涵上浮引起混凝土擠壓破壞的工程實(shí)例，通過沖擊回波法檢測擠壓箱涵混凝土的質(zhì)量，同時(shí)結(jié)合鉆孔取芯、瞬態(tài)表面波等其他檢測評估手段，建立相關(guān)關(guān)系，綜合判斷箱涵混凝土損傷后的真實(shí)狀態(tài)，科學(xué)評估混凝土質(zhì)量，為后期修補(bǔ)加固和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 基本原理

沖擊回波法是針對在只有一個(gè)可測臨空面的情況下對混凝土板內(nèi)部的缺陷和質(zhì)量進(jìn)行檢測。測試原理是通過用打擊錘在結(jié)構(gòu)物的表面進(jìn)行瞬時(shí)沖擊，產(chǎn)生應(yīng)力脈沖并激發(fā)結(jié)構(gòu)物內(nèi)的彈性波，彈性波在結(jié)構(gòu)物的底面和頂面之間來回重復(fù)反射。將所得到的沖擊響應(yīng)通過信號處理方法和快速傅里葉變換（FFT）等頻譜技術(shù)，獲得該沖擊響應(yīng)中各頻率成分的振幅分布圖，即頻譜圖（如圖1、2所示）。頻譜圖中最高峰值為彈性波在結(jié)構(gòu)物的底面和頂面之間來回重復(fù)反射形成的振幅加強(qiáng)所致，對應(yīng)P波的波長為板厚的2倍，頻率為板厚度頻率（或卓越頻率），因此，可通過下式來測定結(jié)構(gòu)物波速：

圖1 沖擊回波法測試混凝土板示意圖

圖2 250 mm厚基礎(chǔ)混凝土板典型時(shí)間域測試波形和振幅譜

由式（1）可知，在已知混凝土板厚度的情況下，通過測定P波的板厚度頻率（或卓越頻率），即可獲得 P波在混凝土板中傳播的速度vP，Plate，而 vP，Plate與混凝土的強(qiáng)度之間存在很好的相關(guān)關(guān)系，因此可以評估混凝土的質(zhì)量。vP，Plate和混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系可以通過現(xiàn)場取芯或室內(nèi)試驗(yàn)來建立。

沖擊回波法還能夠測定缺陷的大致位置。當(dāng)混凝土中存在缺陷時(shí)，彈性波將在缺陷和結(jié)構(gòu)頂面之間重復(fù)反射。利用相同原理可以推算出缺陷至結(jié)構(gòu)頂面的距離T。從檢測原理上看，沖擊回波法檢測混凝土板內(nèi)部質(zhì)量需要有一個(gè)可測臨空面，而且板的底面有比較明確的彈性波反射條件。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某大型調(diào)水工程，采用有壓箱涵輸水型式。箱涵頂板與邊墻設(shè)計(jì)厚度55 cm，中墻設(shè)計(jì)厚度45 cm，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C30。工程施工中突降暴雨，導(dǎo)致箱涵周邊擋水土埝被積水沖毀，大量外來水裹挾著淤泥質(zhì)砂壤土涌至未回填箱涵部位，造成箱涵浸泡，泥水浮力作用致使混凝土箱涵出現(xiàn)不同程度的上浮。其中，沉降最嚴(yán)重的箱涵，伸縮縫處最大上浮高度為96.7 cm。箱涵節(jié)與節(jié)之間出現(xiàn)上下錯(cuò)臺(tái)、左右錯(cuò)位現(xiàn)象，伸縮縫兩側(cè)混凝土受到擠壓可能產(chǎn)生破壞。

經(jīng)檢查，現(xiàn)場由于箱涵節(jié)與節(jié)之間出現(xiàn)上下錯(cuò)臺(tái)、左右錯(cuò)位現(xiàn)象，導(dǎo)致伸縮縫變形破壞明顯，大多數(shù)伸縮縫內(nèi)密封膠出現(xiàn)開裂、鼓起、擠出現(xiàn)象；側(cè)墻與頂板處伸縮縫兩側(cè)附近混凝土局部出現(xiàn)開裂、鼓起、脫落現(xiàn)象，其中以箱涵內(nèi)部的側(cè)墻與頂板兩倉混凝土接縫處混凝土擠壓破壞現(xiàn)象最為明顯。

本次檢測評估中，箱涵頂板具備這兩個(gè)條件，而且厚度均勻（0.55 m）。因此，沖擊回波法非常適合于箱涵頂板混凝土內(nèi)部質(zhì)量的檢測。

2.2 成果分析

本項(xiàng)目中檢測設(shè)備采用從國外引進(jìn)的混凝土沖擊回波掃描檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用滾動(dòng)的傳感器，連續(xù)接收自動(dòng)沖擊器產(chǎn)生的沖擊回波。檢測過程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示能夠使檢測人員對檢測結(jié)果的可靠性進(jìn)行初步的判斷，以確定是否應(yīng)對某條測線進(jìn)行重測，大大提高了檢測效率，并保證了采集到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。另外，在沖擊回波掃描檢測箱涵混凝土?xí)r需要用到彈性波在板內(nèi)傳播的速度 vP，Plate，vP，Plate約為 vp3的 96%，計(jì)算結(jié)果見表 1。

表1 混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性波波速vP3

本次檢測利用6個(gè)在箱涵頂板鉆取并在試驗(yàn)室內(nèi)加工成Ф100 mm×100 mm抗壓試件的芯樣，先測定各芯樣試件的彈性波波速，而后對試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，獲得vP3和混凝土抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，如圖3所示，測試數(shù)據(jù)見表1。

圖3 芯樣彈性波波速測試狀況

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可以推定，當(dāng)頂板混凝土的P波在混凝土板傳播的速度vP，Plate大于3 800 m/s時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度將超過30 MPa。因此，在本次檢測中vP，Plate=3 800 m/s作為沖擊回波掃描檢測的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來判斷內(nèi)部混凝土的強(qiáng)度是否達(dá)到30 MPa。

由上可知，當(dāng)P波波速vP3超過3 972 m/s（取混凝土泊松比μ=0.20，對應(yīng)表面波波速vR=2200m/s），混凝土的強(qiáng)度可達(dá)30 MPa；當(dāng)vP3超過4 400 m/s（對應(yīng)表面波波速vR=2 460 m/s），混凝土的強(qiáng)度可達(dá)40 MPa。因此，在本項(xiàng)目中以此作為判斷條件來評價(jià)箱涵混凝土的內(nèi)部質(zhì)量。

現(xiàn)場檢測時(shí)，分別距離伸縮縫25、50、75、100 cm布置4條測線，對箱涵頂板16個(gè)典型測區(qū)進(jìn)行了檢測。同時(shí)在測線附近進(jìn)行了外觀檢查，鉆孔取芯和瞬態(tài)表面波測試。

2.3 檢測結(jié)論

箱涵頂板16個(gè)典型測區(qū)沖擊回波測線的檢測結(jié)果表明，在橡膠止水帶外側(cè)布置的所有測線處，在輸入vP，Plate=3 800 m/s條件下，測區(qū)布置的2條沖擊回波掃描測線（距伸縮縫75 cm和50 cm）的計(jì)算厚度為50 cm左右，均小于實(shí)際厚度（設(shè)計(jì)厚度55 cm），由此推斷彈性波在混凝土板內(nèi)傳播速度vP，Plate大于3 800 m/s，當(dāng)前混凝土強(qiáng)度超過30 MPa。判斷這些測線處混凝土強(qiáng)度超過30 MPa，內(nèi)部質(zhì)量較好，不存在嚴(yán)重內(nèi)部缺陷。但是也可以看出，布置在距伸縮縫25 cm處的測線較其他3條測線明顯不規(guī)則，混凝土質(zhì)量較其他測線處的質(zhì)量稍差一些。

鉆孔取芯的芯樣表觀密實(shí)，無明顯氣孔和擠壓破壞現(xiàn)象；瞬態(tài)表面波測試的波長25～40 cm范圍內(nèi)混凝土表面波波速基本上在2 200 m/s（換算P波波速3 940 m/s）以上。判斷內(nèi)部混凝土質(zhì)量較好，強(qiáng)度在30 MPa以上。

箱涵頂板典型測區(qū)混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測的結(jié)果表明，除部分測點(diǎn)處混凝土受到擠壓可能存在損傷破壞外，其它測點(diǎn)處混凝土的內(nèi)部質(zhì)量總體較好。

3 結(jié)語

通過工程實(shí)踐證明，沖擊回波法具有突出的優(yōu)點(diǎn)，沖擊彈性波在傳播過程中遇分界面反射與繞射的傳播特性，與混凝土內(nèi)部缺陷及構(gòu)件厚度檢測具有很好的相關(guān)性，通過對測試信號進(jìn)行頻譜分析，能計(jì)算梁、板等構(gòu)件厚度并能有效識別其內(nèi)部缺陷及位置。本文從檢測原理及工程實(shí)例對沖擊回波法檢測損傷混凝土進(jìn)行了闡述，可以滿足實(shí)際工程檢測精度要求，混凝土內(nèi)部缺陷能夠明顯識別。如有條件，跟其他鉆孔取芯法、瞬態(tài)表面波法等相互驗(yàn)證，可以更好地檢測評估。該方法尤其適用于像箱涵這種封閉結(jié)構(gòu)或只具有單一檢測面的結(jié)構(gòu)，具有較明顯的工程應(yīng)用及推廣價(jià)值。