冲击回波法检测混凝土结构厚度与缺陷的试验研究

张景奎，崔德密

（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）

1 研究背景

冲击回波法（Impact-Echo Method，简称IE法）是20世纪80年代中期发展兴起的一种混凝土无损检测技术。作为一种新兴的无损检测方法，冲击回波法以其具有适合单面检测、检测深度大、操作方便等优点而备受青睐。该方法最大的特点是由冲击产生的应力波是低频波，受混凝土材料组分与结构状况差异的影响较小，在非均匀的混凝土介质中能顺利传播而不会发生较大散射，因而能够在缺陷结构面上产生有效反射波，根据反射回波信息便可确定缺陷的性质和位置，因此，冲击回波法在混凝土缺陷检测上较超声法等需要2个对测面的传统方法更具优势［1－3］。

目前，对于冲击回波法检测混凝土结构厚度与缺陷方面的研究已有很多［4－7］，但是对该方法的可靠性与适用性尚缺乏系统的应用研究，相关的模型试验研究也鲜有涉及。为此，本文设计制作了一系列混凝土模型试件，通过模型试验，深入研究冲击回波法检测混凝土结构厚度及内部缺陷的有效性与适用性，以期进一步提高当前冲击回波法的应用水平，并为制定和完善相关技术规程提供依据。

2 冲击回波检测原理与方法

冲击回波法是通过在被测结构表面用小钢球敲击来激发低频应力波（P波），应力波向结构内部传播，当遇到结构底面边界或内部缺陷等介质波阻抗不连续的界面时会发生反射、透射或绕射；当反射回波到达结构表面会再次被反射进入结构内部，这样多次的往复反射将激发结构的局部瞬态共振，从而使波形具有周期性特征，在频谱中表现为对应于结构厚度或缺陷深度的频率峰值，通过对测试信号波进行频谱分析便可辨识被测结构内部质量状况。若混凝土结构内部存在缺陷，将会引起应力波传播路径和结构局部质量、刚度的变化，从而导致结构局部瞬态共振频率的降低，在测试信号的频谱分析中将表现为厚度频率峰值向低频“漂移”，据此可以判定混凝土内部存在缺陷［8－10］。

根据上述原理，对接收的回波信号进行有效的频谱分析，得到混凝土结构厚度或缺陷深度频率，该频率即为P波往复反射引起的局部瞬时共振的波动频率，其倒数为反射回波的传播周期。若已知混凝土结构内部P波的速度，则混凝土结构厚度或结构内缺陷深度H可按下式计算，即

式中：CP为P波传播的速度；ft为频谱图中对应于缺陷深度或结构厚度的频率峰值；β为结构形状系数，对于混凝土板、墙结构，可取0.96，对方形梁、柱结构，可取0.87。

P波波速Cp可以通过2种方法测定：①测量出P波在混凝土表面具有固定间距为L的2个传感器之间的传播时间差Δt，由公式CP＝L／Δt确定；②在已知厚度为H的混凝土结构上进行冲击回波测试，测出结构的厚度主频ft，由式（1）计算确定。

Lin等［11］研究表明，冲击钢球产生的瞬态冲击作用可以近似用半周期正弦函数表示，冲击持续（接触）时长tc可近似表示为钢球直径D的线性函数，即

此外，对于冲击回波测试，应力波的频率在1.25／tc以内，其振幅较为清晰，为有效应力波，而超过这个范围的高频应力波，由于其幅值较小，则难以引起有效的结构响应。结合式（2），可得到有效冲击能量的最大频率fmax与钢球直径之间的关系为

可见，钢球直径直接影响冲击持续时间tc和最大有效频率fmax。因此，在实际测试中应根据被测结构厚度等因素选择合适的冲击钢球。

3 模型试验

3.1 模型试件的制作

根据实际工程中混凝土结构常见的质量缺陷特征，并严格按照现行的混凝土试验规程的基本要求，按常用配合比、成型工艺及配筋设计，制作了一系列包含不同类型缺陷及无缺陷的素混凝土和钢筋混凝土模型试件。

3.1.1 用于混凝土结构厚度测试的试件

制作了强度等级分别为C20，C30，C40的素混凝土和钢筋混凝土柱形模型试块各3块，试件几何尺寸（长×宽×高）分别为：30 cm×40 cm×50 cm，90 cm×90 cm×120 cm和120 cm×36 cm×50 cm，如图1（a）所示。另一组钢筋混凝土板结构模型试件的强度等级为C30，试件厚度分别为 10，40，50，60，70 cm，长度分别为 60，70 cm，高度分别为 100，150 cm，如图 1（b）所示。这样，模型试件的混凝土强度等级为C20～C40，共3种强度；试件可测厚度范围为10～120 cm，共9种厚度。此外，为探明龄期对厚度测试的影响，分别在不同龄期对各试块进行冲击回波测试。

图1 用于混凝土厚度和缺陷测试的试件Fig.1 Model specimens for testing thickness and defect of concrete

3.1.2 用于混凝土缺陷测试的试件

制作的钢筋混凝土试件强度等级为C30，其中一组试件的几何尺寸为300 cm×70 cm×150 cm，设置了内部空洞和缝隙，如图 2（a）；图 2（b）所示为50 cm×50 cm×50 cm的内部设置夹层的试件；在图1（b）所示的试件中，设置有光滑与粗糙内壁的圆形和方形空洞，试件的几何尺寸分别为140 cm×60 cm×150 cm和205 cm×70 cm×150 cm。

图2 用于混凝土缺陷测试的试件Fig.2 Model specimens for testing concrete defects

3.2 测试方案与仪器

为了保证测试的精度及效率，测试前使用砂轮或砂纸对模型试件的测试表面进行细致打磨，使其平整、光洁。测线布置主要考虑试件待测区域的大小及试件中所设置缺陷的位置和大小等因素。为充分利用现有模型采集更多的数据，在模型试件的两对称侧面上，沿水平和竖直方向分别均匀布置间距为10 cm的测线，以此构成测试网格点。由于不同直径的钢球会激发不同的脉冲频率，只有在激发频段能够覆盖结构厚度（缺陷）的理论峰频时，才能得到合理的反射频率峰值，因此，应根据被测结构厚度及其内部缺陷深度情况来选择合适的冲击钢球，同时对信号采集设置合适的增益值。为排除模型边缘效应的影响，测试时测点距试件边缘保持20 cm以上的距离或不小于结构实际厚度的0.3倍。测试敲击点布置在沿缺陷的轴向部位或近处，为减小R波的影响，对厚度＞30 cm的板结构，信号采样探头距敲击点的距离取为5～10 cm。由于采样频率与采样点数共同决定了响应频幅曲线频率分辨率，为提高测试精度，采样频率一般应大于10倍最高响应频率。本次试验中，信号采样频率及采样点数分别设为500 kHz和1 024个采样点。

图3 单点式冲击回波仪Fig.3 Impact echo instrument of single point type

检测试验设备采用美国Impact-Echo公司的Impact-E冲击回波测试仪，如图3所示。该仪器为单点式冲击测试仪，由冲击钢球、接收传感器以及信号采集与分析系统构成。该仪器配备的冲击钢球有5种不同规格以满足不同条件下的测试需要，且其测试的原始数据可以导出以便进一步深入分析。

3.3 试验成果与分析

3.3.1 P波波速测试

对以上无缺陷的完好试件分别在7，14，28，90 d龄期进行P波波速测试。不同强度混凝土在不同龄期的P波波速值，如表1。

表1 不同强度等级混凝土在不同龄期的P波波速值Table1 Velocity values of P wave in concretes of different ages and strength grades

可以看出，对于28 d前的早龄期混凝土，其P波波速受强度等级及龄期的影响相对较大；对于晚龄期混凝土，其强度和龄期对P波波速的影响不大。此外，混凝土内部配筋与否对波速无明显影响。

3.3.2 混凝土结构厚度测试

采用冲击回波法对厚度为10～120 cm的模型试件进行了测试，结果表明：设计厚度为10，30，40，60，70 cm的素混凝土模型试件，平均测试误差分别为0.9%，0.9%，1.0%，1.2%，1.4%；设计厚度为 36，50，60，70，80，90，120 cm的钢筋混凝土试件，平均测试误差分别为0.3%，0.9%，1.3%，1.5%，2.0%，4.0%，16.0%。可以看出，无论是素混凝土还是钢筋混凝土，冲击回波法对厚度在10～100 cm范围内的常见工程混凝土构件的测厚均能较好适应，特别适用于板厚为10～60 cm的薄板测厚，而对于厚度超过100 cm的构件，测试误差较大。

3.3.3 混凝土结构内部缺陷测试

3.3.3.1 空洞测试

如图4（a）所示，在小空洞处的外测面布置测点，厚度测试值约为500 mm，而该测试位置至剥离边界的实际厚度约为420 mm；在大空洞处的外测面布置测点，厚度测试值约为720 mm，而该处测试位置至剥离边界的实际厚度约为550 mm。可见，应力波传递路径上的缺陷越大，绕径越长，则厚度频率向低频区域“漂移”越明显，厚度测试值偏差越大。图4（b）所示空洞直径有10 cm和20 cm 2种；内壁分为光滑和粗糙 2种；埋深有 10，20，30，40 cm 4种。测试结果表明：10 cm埋深的各浅层空洞的测试值偏差均较大，这是由于浅表型缺陷类似于“鼓”的结构，因而会受到浅表层结构弯曲振荡的影响，即大幅值低频率信号在时域波形和频谱中占主导地位，而缺陷处的高频反射信号相对较弱，因此，在频域中难以发现缺陷频率峰值，即存在所谓检测“盲区”问题。40 cm埋深的10 cm尺寸的深层小空洞的测试值偏差也较大。由于冲击回波法能检测出缺陷的前提是在缺陷结构面的反射信号能被传感器接收到，缺陷越深，其反射信号越弱，当缺陷深度达到缺陷横向尺寸的4倍时，传感器将难以接收到缺陷反射信号，因而无法得到确切的缺陷信息。

图4 空洞缺陷模型试件Fig.4 Model specimens with void defects

可见，冲击回波法对浅表层缺陷和深层小缺陷的测试结果不理想，而对其他深度的空洞测试结果均较好；同时可以看出，方形空洞缺陷比圆形空洞的测试精度高，这是方形空洞比圆形空洞的反射面大的缘故；此外，空洞缺陷的内壁光滑与否对测试结果几乎无影响，因此，在混凝土缺陷检测的模型试验中，通常把由人工构造的光滑内壁缺陷视为实际工程中的粗糙内壁缺陷进行分析是可行的。

3.3.3.2 裂缝和夹层测试

缝隙和夹层可分为有限横向伸展和完全横向伸展2种，其中，完全横向伸展的类似于图4（a）中的完全剥离，而有限横向伸展的则类似于空洞，由于应力波遇到该缺陷界面同样会发生反射和绕射，在频谱分析中与空洞有相似的表现。本次试验采用在混凝土中夹掺木屑的方式设置软弱夹层，如图2（b），为考虑钢筋的影响，于一端配置直径18 mm钢筋，间距200 mm，保护层约40 mm。试验表明，应力波在传播路径上遇到声阻抗差异较大的软弱层时，在频谱图上除含有一个对应于测试深度为277 mm的明显的频率峰值之外，还含有多个小峰值，这正是夹渣缺陷不规则反射界面所应有的频域波形特征。对于夹渣缺陷的测试，由于存在复杂的反射面，测试值与设计值（250 mm）的偏差稍大，但与实际缺陷分布情况基本相符。此外，由于缺陷大小通常会远大于钢筋直径，只要选择合适的激振球便可有效地规避钢筋的干扰，因此，混凝土内部配筋与否对测试结果无明显影响。

3.3.4 综合分析结果

通过对模型试件的测试结果进行综合分析，得到以下结果：

（1）混凝土龄期和强度对应力波的波速会有影响，但对于晚龄期混凝土，其强度和龄期对P波波速的影响较小；此外，在公称直径＜25 mm的钢筋且配置不密集的情况下，混凝土的内部配筋对冲击回波测试结果基本无影响。

（2）空洞缺陷的内壁光滑或是粗糙对测试结果的影响不明显，缺陷的大小和深度才是影响检测结果的主要因素，因此，在模型试验中，将人工构造的内壁光滑的空洞视为实际工程中粗糙内壁空洞缺陷是可行的。

（3）采用冲击回波法测试混凝土构件内部缺陷时，为避免试件边界对测试的影响，测点距结构（或构件）边界应大于结构厚度的0.3倍。

（4）冲击回波法一般在10～100 cm厚度范围内能较好地工作，特别适用于板厚为10～60 cm的薄板测厚，而对于厚度尺寸＞100 cm的结构，则适用性较差。

（5）混凝土内部存在缺陷，则应力波因要绕过缺陷而使传播路径增大，相应的结构厚度频率会表现出向低频区域“漂移”，且缺陷尺寸越大，漂移越明显，这可作为判断混凝土内部存在缺陷的主要依据。

（6）采用冲击回波法测试混凝土内部缺陷，对横向尺寸与深度的比值＜1／4的深层缺陷以及对深度＜10 cm的浅表层缺陷的识别结果均较差，即冲击回波法对浅表层缺陷和深层小缺陷的测试结果不理想。

该方法在测试能力上尚存在一定的局限性：

（1）目前，单点式冲击回波仪的检测效率较低，不适合大范围连续检测，虽然扫描式冲击回波仪通过采用滚动接触式传感器实现了连续检测，提高了测试效率，但是由于传感器与测试面是滚动接触，它们之间的耦合状态会相对变差，因而测试的范围和精度自然会降低。

（2）对冲击回波测试信号进行合理分析并有效地提取信号的特性信息，一直较为困难，也最为关键，但传统的以Fourier变换为基础的信号处理技术在处理非平稳信号时存在较大不足，这在很大程度上限制了冲击回波技术的应用推广。

4 结 语

在已有研究成果的基础上，通过一系列的模型试验，对冲击回波法检测混凝土结构厚度和内部缺陷的测试方法、影响因素和适用范围等方面进行了系统的研究。试验结果表明，对于只具备单一检测面的混凝土结构检测，冲击回波法是目前最为有效的无损检测方法，在其适用范围内能够得到较好的检测结果，但是该方法在测试能力上尚存在一定的局限性。

近年来，以小波分析、人工智能技术为代表的信息处理技术在测试信号分析中得以应用，进一步提高了冲击回波法检测与识别的精度。

［1］ 黄建新.冲击回波法在混凝土结构无损检测中的应用［D］.南京：河海大学，2007.

［2］ 郭晓刚，高大水.王甫洲电站流道混凝土缺陷无损检测与补强［J］.长江科学院院报，2005，22（4）：87－89.

［3］ 陈 磊，刘方文，戴前伟.水工混凝土质量无损检测技术研究进展［J］.工程地球物理学报，2006，3（4）：325－328.

［4］ 肖国强，陈 华，王法刚.用冲击回波法检测混凝土质量的结构模型试验［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（10）：1790－1792.

［5］ 赵国文，向 阳，彭 勇.基于冲击回波法的混凝土板块开口裂纹的研究［J］.无损检测，2002，24（11）：469－472.

［6］ 宁建国，黄 新，曲 华，等.冲击回波法检测混凝土结构［J］.中国矿业大学学报，2004，33（6）：703－707.

［7］ 熊永红，陈义群，余才盛，等.脉冲回波法在三峡工程混凝土检测中的应用［J］.工程地球物理学报，2005，2（2）：97－100.

［8］ SCHUBERT F，KOHLER B.Ten Lectures on Impact-Echo［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2008，27：5－21.

［9］ 顾轶东，林维正，苏 航.冲击回波法在混凝土无损检测中的应用［J］.无损检测，2004，26（9）：468－472.

［10］ SANSALONE M J，STREETT W B.The Impact-Echo Method［M］.New York：Bullbrier Press，1997.

［11］LIN Y，SANSALONE M J，CARINO N J.Finite Element Studies of the Impact-Echo Response of Plates Containing Thin Layers and Voids［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，1990，9（1）：27－47.