冲击回波法检测混凝土内部缺陷

杨 智 张今阳 孔楠楠

(1安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院,安徽蚌埠233000；2安徽省水利工程病害防治工程技术研究中心，安徽蚌埠233000；3淮河流域水工程质量检测中心，安徽蚌埠233000)

1 引言

对于结构混凝土内部缺陷的检测，目前国家或行业规范的方法只有超声脉冲法。但是要准确检测混凝土内部缺陷，尤其是深层缺陷，一般要求混凝土结构有两个对称测试面(如水闸中墩)用于布置超声测点。因此，对于水闸的边墩、翼墙、闸底板、箱涵侧墙等部位，由于测点布置上受限制，利用超声法在一个侧面上测试其内部缺陷就不够理想。而冲击回波法则以其自己的特点可以较方便地解决这个问题。但是冲击回波法测试混凝土内部缺陷目前仅有部分研究单位做了零星的研究，没有得出冲击回波信号与缺陷性质间系统的对应关系，更没有形成标准方法，因此需要对冲击回波法作系统的研究。20世纪80年代中期，美国科内尔大学（Cornell University）的Mary Sansalone博士最早对冲击回波反射法（Impact Echo Method）进行了研究。冲击回波测试结构厚度已经写入了美国ASTM C1383-2004标准。使得现阶段冲击回波法的研究有了很好的技术基础及很好的推广应用前景。

2 冲击回波法的测试原理

如图1所示:用小锤或冲击器作为激振源在混凝土表面敲击产生压缩波，然后用放置在冲击器附近的接收传感器接收反射回来的压缩波。经过分析处理来计算混凝土的厚度、探测内部的孔洞、裂隙、剥离等缺陷。对于无缺陷的平板、路面，会得到一个来自底面的反射波，这样在已知压缩波的波速时，就可以计算厚度了。

其中b是形状系数，对板/墙来说是0.96，对于梁和柱该值更小，根据厚度和宽度的比值来确定，VP是压缩波波速。VP可通过两个已知间距L的接收器接收同一反射波到达自身的时间差Δt来计算，如图2所示[1]。

当缺陷相对P波方向的横截面尺寸处在一个合适水平，如≥1/4结构厚度时，冲击回波方法可以测出有缺陷的存在；当缺陷横截面尺寸≥1/3结构厚度时，冲击回波方法可以准确测出缺陷的深度。如图3频域曲线，结构的厚度时50.93cm,缺陷的深度在22.69cm处。

图1 冲击回波在某一反射面得到的频域曲线

其中Source为产生压缩波的激振源，Receiver为反射波的接收器

图2 P-波波速测试示意图

其中：1—接收传感器 2—数据采集和分析系统 3—冲击源

图3 频域曲线图

3 试验设计

实验室制备强度等级为C30、几何尺寸为（3000×1500×700）mm3的混凝土试件，用于模拟大体积混凝土构件。采用矩阵式工程钻机预设构件的内部缺陷。预设的缺陷包括3种类型：较小空洞、较大的空洞、剥离。较小空洞采用钻机钻取一个孔洞，距试件端部约400mm；较大空洞连续钻取多个孔洞，距试件端部约2200mm；经过28d自然养护后，开始冲击回波测缺试验。

4 冲击回波分析

4.1 试验数据分析

冲击回波测试时，应首先进行滤波设置，可极大程度的减化后续频谱分析的工作难度。具体步骤如下：按公式(2)对应方法测试出P-波波速值Vp，根据构件测试方向的设计厚度值D及公式(1)，估算出主频的大致量值f估，从而在主机参数设置时，更好的设置滤波的下限频率f1，上限频率f2，使区间包含实测主频f，且尽量排除杂波干扰。

试件测试结果如图4。

图4 测点厚度二维坐标图

图5 测点厚度三维成像图

将厚度测试值进行三维成像，如图5。

试验结果表明：

1）冲击应力波不能够穿越已剥离的混凝土界面继续传递，到达临空面时即进行边界反射，所以，当构件内部存在剥离缺陷时，采用冲击回波法所测得的深度值，即可判定为剥离缺陷所处的深度位置。

2）冲击应力波传递路径上有空洞时，应力波会选择绕过空洞边界继续传递，当其达到构件边界时进行回波反射，因而会导致测试点厚度值偏大，如图4，约400mm测距处测点厚度测试值约为500mm，然该处测试位置至剥离边界的实际厚度约为420mm；应力波传递路径上的空洞越大，绕径越长，测点的厚度测试值偏大量会越明显，如图4，约2200mm测距处测点厚度测试值约为720mm，然该处测试位置至剥离边界的实际厚度约为550mm。

3）冲击回波测试应考虑到边界效应，应力波是以球面波的形式向周围传递，因而测线布置时应当远离构件的相邻边界，距离应不小于测试方向构件的实际厚度，以避免回波信号的相互干扰，增加频谱分析的难度。

4.2 冲击回波测试的不确定度

冲击回波测缺基于冲击回波的厚度测试，即公式（1）所对应的测试原理，将公式（2）代入（1）中得：

考虑人为因素及环境因素的影响，厚度测试值D可表示为以下数学模型：

X1来自公式(3)，X2为人为因素，X3为环境因素；f(ZFX)为重复性因子，f(ZFX)=1[2]。

则相对合成标准不确定度ucr(D)：

其中：

即(4)可表达为：

u(f(ZFX))为重复性标准不确定度分量，包括人为因素，环境因素的影响，为单一分量，由多次平均试验（通常不少于10次）结果平均值的标准偏差获得。据(5)即可得：

那么，冲击回波的厚度测试值应具如下表达：

k为包含因子，取k=2，对应的置信概率p约为95%。

令构件测试方向的厚度设计值为T：

若D0⊇T，可认为构件厚度满足设计要求；

若出现连续的测点值Di>>D0，则可判定此处某一深度可能存在空洞，越大，则空洞的横截面尺寸越大；

若D0<

5 结语

1）冲击回波法测试混凝土构件，具有以下优势：a只需要一个测试面，可在绝大部分工程结构上应用；b可获得明确的缺陷信号，直观，测试一点即可判断一点；c不需要耦合剂，测试方便，快捷；d可以很方便的测量结构厚度。

2）本文对冲击回波法的测试原理进行了系统阐述，并完成了严谨的试验探索及数据分析，并引入不确定度参数以完成构件检测结果判定，以保证分析方法的科学性、正确性。

3）冲击回波法作为一种无损测试方法，本身具有很高的研究价值，基于其自身独特的优势，有较好的推广应用前景，为此，课题组成员于先前科研工作的基础上，汇编完成较为系统的研究成果，使得方法可以方便的应用于工程实体的检测及评估工作。

[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，实验室实用不确定度评定—因果分析法，ISBN 978-7-5026-2925-0，北京：中国计量出版社，2009.1.