嚴(yán)超群，鄧 立，張益雄，賀 東

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100；2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，四川 自貢 643000)

0 引 言

在各種混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的質(zhì)量是非常重要的，直接影響到預(yù)應(yīng)力梁的耐久性和安全性[1]。目前，測(cè)試混凝土的強(qiáng)度和彈性模量通常利用混凝土試件(150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件)進(jìn)行壓載試驗(yàn)，然而，大部分實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)體積龐大，形狀也較為復(fù)雜。

由于試件與構(gòu)件在施工、振動(dòng)、保養(yǎng)等方面均有不同程度的差異，因此不能僅憑試件的試驗(yàn)結(jié)果來保證實(shí)體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)于成品混凝土結(jié)構(gòu)，采用鉆孔取樣的方法對(duì)成品結(jié)構(gòu)有明顯的局限性。

長(zhǎng)期以來，基于超聲波的測(cè)試方法[2]的局限性日益顯著，因理論方面的缺陷使得超聲法在測(cè)試混凝土模量等方面的精度長(zhǎng)期不滿足要求。自20世紀(jì)90年代始，基于沖擊彈性波(超聲波為一特例)的測(cè)試技術(shù)快速發(fā)展，PIT(基樁完整性測(cè)試)方法[3]成了當(dāng)下盡人皆知的檢測(cè)手段。從此，在吳佳曄等人的研究下，沖擊彈性波[4]不斷推廣并深入應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)物的材質(zhì)、缺陷(裂縫、剝離、內(nèi)部空洞、蜂窩等)以及結(jié)構(gòu)尺寸(厚度、埋深等)的無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)，沖擊彈性波法已成為無(wú)損檢測(cè)的前沿研究方向，并深度結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用不斷發(fā)展。例如，美國(guó)材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM-C1383-98就確定了利用彈性波測(cè)試混凝土厚度和波速的試驗(yàn)方法。日本土木學(xué)會(huì)也基于沖擊彈性波波速，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和試樣彈性模量以及強(qiáng)度進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

本文根據(jù)吳佳曄等[5]的研究基礎(chǔ)，提出了基于沖擊彈性波的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性模量測(cè)試方法，并采用該方法對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)彈性模量檢測(cè)結(jié)果展開對(duì)比研究。該方法可作為針對(duì)混凝土質(zhì)量及彈性模量檢測(cè)的一種準(zhǔn)確、快速的測(cè)試方法。

1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件動(dòng)彈性模量測(cè)試方法

由于測(cè)試結(jié)構(gòu)及構(gòu)件測(cè)試位置的不同，本文提出了多種測(cè)試方法。主要有：

(1) 基于反射特性的測(cè)試方法，如單一反射法和重復(fù)反射法；基于透過特性的測(cè)試方法，如單面?zhèn)鞑シê碗p面透過法，見表1。

表1 不同測(cè)試方法對(duì)應(yīng)的波速

其中，單一反射法主要適用于樁、柱等長(zhǎng)細(xì)比較大的結(jié)構(gòu)；重復(fù)反射法(沖擊回波法)主要適用于板等面積大、厚度小的結(jié)構(gòu)；對(duì)于尺寸較大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，單面?zhèn)鞑シㄅc雙面透過法也可適用于混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件彈性模量檢測(cè)。

(2) 在針對(duì)只具備一個(gè)測(cè)試面的結(jié)構(gòu)(隧道襯砌、擋墻、壩體等)以及未知厚度的厚板測(cè)試時(shí)，則優(yōu)選單面?zhèn)鞑シㄟM(jìn)行檢測(cè)。

1.1 單一反射法/重復(fù)反射法

根據(jù)馬國(guó)峰基于沖擊彈性波法的動(dòng)彈性模量測(cè)試方法的應(yīng)用研究，單一反射法和重復(fù)反射法(沖擊回波法)主要適用于板等面積大、厚度小的結(jié)構(gòu)。本文對(duì)此方法不再加以贅述。

1.2 重復(fù)反射法(沖擊回波法)

沖擊回波法是指通過對(duì)既知壁厚的被測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，利用彈性波的重復(fù)反射，采用頻譜分析[6]測(cè)出其在被測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳播時(shí)間和彈性波波速，從而計(jì)算出混凝土的彈性模量。該方法測(cè)試效率高、測(cè)試結(jié)果精度優(yōu)。

根據(jù)構(gòu)件(試件)形狀與測(cè)試位置的不同，該方法又可分為縱向測(cè)試與橫向測(cè)試[7]。

(1) 縱向測(cè)試：彈性波的傳播/反射方向與被測(cè)體的長(zhǎng)軸平行(如樁柱桿)，如圖1所示。

(2) 橫向測(cè)試：彈性波的傳播/反射方向與被測(cè)體的短軸平行(如樓板)。

波速Vpr可由板厚H與反射時(shí)間Tr求出：

Vpr=2H/Tr

(1)

圖1 單面反射法的種類

1.3 單面?zhèn)鞑シ?/h3>

在無(wú)法對(duì)被測(cè)體厚度得知時(shí)，通?？蓽y(cè)試同一表面P波并得到2維彈性波波速Vp2。

該方法對(duì)被測(cè)體的要求最小，但單面?zhèn)鞑シㄐ盘?hào)一般較微弱，因此可多次移動(dòng)傳感器距離測(cè)試，采用回歸或者VMC(虛擬多頻道)技術(shù)。

當(dāng)被測(cè)體為2維時(shí)，P波速度可表示為：

(2)

從而可得，單面?zhèn)鞑シy(cè)試實(shí)體結(jié)構(gòu)的彈性模量為：

(3)

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 713—2015)的要求，接收點(diǎn)不少于4個(gè)，固定傳感器1且與沖擊點(diǎn)的間距為(150±10)mm，兩傳感器中心距離依次為300 mm、400 mm、500 mm、600 mm，沖擊點(diǎn)和各接收點(diǎn)應(yīng)處在同一直線上。

1.4 雙面透過法

針對(duì)構(gòu)件具有兩個(gè)測(cè)試面且厚度已知的情況，可采用雙面透過法的方法測(cè)試3維彈性波波速Vp3，該方法可測(cè)試整個(gè)構(gòu)件混凝土質(zhì)量[8]，如圖2所示。

圖2 透過法檢測(cè)(左：沖擊錘，右：打擊錘)

當(dāng)被測(cè)體為3維時(shí)，P波速度有一定的變化，如下：

(4)

從而可得，雙面透過法測(cè)試三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的彈性模量為：

(5)

2 不同測(cè)試方法得到波速的關(guān)系

如前所述，即使對(duì)同一種材料，不同形狀、不同方法測(cè)試得到的彈性波波速也有所不同。各條件下測(cè)試得到的彈性波波速Vp與1維桿件彈性波波速(透過法Vp1)的比值見表2。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)試P波Vp/Vp1(泊松比為0.20)

此外，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，表面波法得到的瑞利波速，約為Vp1的0.54倍左右，略低于理論值[9]。

3 鋼筋影響的修正

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋對(duì)彈性波的測(cè)試速度有一定影響[10]，根據(jù)配筋的種類及測(cè)試方向、方法等需要采用不同的修正方法，如圖3所示。

圖3 典型配筋及測(cè)試方向

(1) 雙面透過法、單面?zhèn)鞑シǎ焊鶕?jù)箍筋、縱筋的布置、面積加以修正。

(2) 瑞利波法和反射法：根據(jù)綜合配筋率加以修正。

(6)

式中：Ecd為修正后的彈性模量；E為未經(jīng)修正的彈性模量(根據(jù)波速和泊松比得出)；ρs為綜合配筋率；Esd為鋼筋的動(dòng)彈性模量，取210 GPa。

由式(6)可得，C50的混凝土中1%的配筋率對(duì)模量修正提高約1.02%。

在采用傳播法、雙面透過法時(shí)需要選取初始時(shí)刻[11]。此時(shí)，部分沿鋼筋傳播的彈性波信號(hào)有可能先行到達(dá)。該信號(hào)盡管非常微弱，但初始時(shí)刻的選取時(shí)仍需要避開其影響，如圖4所示。

圖4 典型的到達(dá)波形

因此，在讀取信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻時(shí)，筆者采用了回歸的方法，如圖5所示。

圖5 回歸的概念

彈性波在傳播時(shí)，在有局部缺陷(損傷)的混凝土結(jié)構(gòu)中，繞過缺陷(損傷)的信號(hào)有可能較穿過缺陷(損傷)的信號(hào)先到達(dá)接收點(diǎn)。因此，如果利用最先到達(dá)的信號(hào)分析，就會(huì)影響對(duì)缺陷(損傷)的識(shí)別精度，如圖6所示。

圖6 傳播路徑的影響

同樣，對(duì)于鋼筋混凝土，在有與測(cè)線平行的鋼筋時(shí)，從鋼筋上也會(huì)傳來微小的信號(hào)。如果采用最先到達(dá)的波的時(shí)刻作為波速的計(jì)算，就可能受到鋼筋的較大影響，如圖7所示。

圖7 平行鋼筋傳播的影響

為了更有效地避免鋼筋的影響和拾取缺陷，筆者利用相關(guān)分析的方法，提出了優(yōu)勢(shì)傳播時(shí)間以及優(yōu)勢(shì)波速的概念，其前提是：

(1) 直進(jìn)波(P波)的能量要強(qiáng)于繞射波；

(2) 在傳播過程中，彈性波首波的形狀不發(fā)生改變(不分散)。

基于上述前提，在計(jì)算過程中，將激發(fā)波形(半波或全波)和接收信號(hào)分別作為x(t)和y(t)，計(jì)算得到的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)分別為Rxx和Rxy。Rxx和Rxy的峰值點(diǎn)間距即為優(yōu)勢(shì)傳播時(shí)間，據(jù)此得到的波速即為優(yōu)勢(shì)傳播波速。

例如，對(duì)于一個(gè)正弦半波的激振信號(hào)，在傳播過程中分離成2個(gè)信號(hào)。信號(hào)與激發(fā)信號(hào)的時(shí)間差分別為20 ms和30 ms。計(jì)算結(jié)果如圖8所示與見表3。

圖8 優(yōu)勢(shì)傳播分析結(jié)果

表3 波速分析結(jié)果比較

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用與驗(yàn)證

4.1 概述

基于上述研究，筆者于2019年在鄭州四環(huán)路高架項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用與對(duì)比，如圖9所示。

圖9 鄭州某梁場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)模量測(cè)試

(1) 測(cè)試位置：本次實(shí)體測(cè)試主要選擇梁體頂板、腹板、底板進(jìn)行測(cè)試，其中頂板、腹板、底板分別采用雙方向透過法進(jìn)行測(cè)試，腹板在厚度方向增加沖擊回波法測(cè)試。

(2) 傳感器的選擇及固定方式：雙面透過法測(cè)試傳感器采用S31SC+S305M，S31SC采用手按固定，S305M固定于激振錘上。

(3) 激振方式：雙面透過法測(cè)試激振采用D30激振錘激振，力度適中。

(4) 鋼筋修正：本次測(cè)試對(duì)象，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件對(duì)綜合配筋率ρs采用2%計(jì)算，并對(duì)彈性波測(cè)試的彈性模量進(jìn)行相應(yīng)修正。

4.2 沖擊彈性波法實(shí)體結(jié)構(gòu)彈模檢測(cè)

針對(duì)本次采用沖擊彈性波法檢測(cè)，筆者對(duì)梁場(chǎng)內(nèi)某齡期為7 d的頂板、腹板、底板混凝土分別進(jìn)行了彈性模量檢測(cè)，具體檢測(cè)結(jié)果見表4～表6。

表4 頂板彈性模量測(cè)試結(jié)果表(鋼筋修正)

表5 腹板彈性模量測(cè)試結(jié)果表(鋼筋修正)

表6 底板彈性模量測(cè)試結(jié)果表(鋼筋修正)

另通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)梁體澆筑斷面觀察發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)腹板存在混凝土料不均勻的情況，如圖10所示，這可能就是導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果差異的原因。

圖10 測(cè)試結(jié)構(gòu)腹板側(cè)面圖

綜上，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果的分析可見：

采用沖擊彈性波無(wú)損檢測(cè)方式測(cè)試的彈性模量值非常穩(wěn)定，并與實(shí)際情況相符，能在一定程度上反映實(shí)體結(jié)構(gòu)彈性模量的。

4.3 混凝土結(jié)構(gòu)靜彈性模量的驗(yàn)證

為對(duì)比基于沖擊彈性波法的四種測(cè)試方法的結(jié)果穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性；筆者又對(duì)上節(jié)測(cè)試的梁體進(jìn)行28d后實(shí)體結(jié)構(gòu)彈性模量試驗(yàn)，該試驗(yàn)通過對(duì)該梁場(chǎng)的同位置梁體結(jié)構(gòu)選擇了7處位置進(jìn)行IE法測(cè)試，同時(shí)對(duì)該梁的同養(yǎng)試件進(jìn)行了靜力受壓彈性模量驗(yàn)證對(duì)比。

首先，筆者采用沖擊回波法(IE法)對(duì)該結(jié)構(gòu)腹板的7處位置進(jìn)行測(cè)試分析，其測(cè)試靜彈性模量平均值為41.2 GPa，具體數(shù)值見表7。

表7 IE法測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量結(jié)果表(單位：GPa)

可見，采用IE法測(cè)試結(jié)構(gòu)靜彈性模量十分穩(wěn)定。

對(duì)此，筆者委托鄭州相關(guān)單位對(duì)該梁的同養(yǎng)試件進(jìn)行了靜力受壓彈性模量檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖11所示。

圖11 靜力受壓彈性模量檢測(cè)

靜力受壓彈性模量結(jié)果數(shù)據(jù)見表8。

表8 靜力受壓彈性模量檢測(cè)結(jié)果表

另外，對(duì)比采用沖擊回波法、雙面透過法、表面波法、單面?zhèn)鞑シㄋ姆N方法分別進(jìn)行了測(cè)試。本次采用基于沖擊彈性波的雙面透過法、表面波法、單面?zhèn)鞑シy(cè)試的結(jié)果對(duì)比見表9。

表9 混凝土結(jié)構(gòu)靜彈性模量對(duì)比表(單位GPa)

綜上可以看出，對(duì)于混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)靜彈性模量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，各種測(cè)試方法均能夠很好地測(cè)試，充分說明了本技術(shù)測(cè)試的可靠性和精度。另采用單面?zhèn)鞑シǎ錅y(cè)試時(shí)兩傳感器之間距離相對(duì)透射法時(shí)更小，由于波的到達(dá)時(shí)刻的讀取誤差，使得采用單面?zhèn)鞑シy(cè)得的誤差較大(平均誤差>3%)，對(duì)此可采用透射法/面波法測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于沖擊彈性波法的原理，提出了針對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土彈性模量檢測(cè)的幾種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，并針對(duì)實(shí)體混凝土檢測(cè)中的鋼筋影響進(jìn)行了修正說明；彈性波法測(cè)試的實(shí)體結(jié)構(gòu)彈性模量與同樣試件的彈性模量的對(duì)比研究結(jié)果表明，基于沖擊彈性波的混凝土彈性模量測(cè)試方法對(duì)混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性模量檢測(cè)具有較好的實(shí)用性。該方法通過無(wú)損檢測(cè)手段可測(cè)得實(shí)體結(jié)構(gòu)彈性模量，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。