基于冲击弹性波的混凝土构件弹性模量测试方法运用

严超群，邓 立，张益雄，贺 东

(1.杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100；2.四川升拓检测技术股份有限公司，四川 自贡 643000)

0 引 言

在各种混凝土结构中，混凝土的质量是非常重要的，直接影响到预应力梁的耐久性和安全性[1]。目前，测试混凝土的强度和弹性模量通常利用混凝土试件(150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件)进行压载试验，然而，大部分实体混凝土结构体积庞大，形状也较为复杂。

由于试件与构件在施工、振动、保养等方面均有不同程度的差异，因此不能仅凭试件的试验结果来保证实体结构的质量。同时，对于成品混凝土结构，采用钻孔取样的方法对成品结构有明显的局限性。

长期以来，基于超声波的测试方法[2]的局限性日益显著，因理论方面的缺陷使得超声法在测试混凝土模量等方面的精度长期不满足要求。自20世纪90年代始，基于冲击弹性波(超声波为一特例)的测试技术快速发展，PIT(基桩完整性测试)方法[3]成了当下尽人皆知的检测手段。从此，在吴佳晔等人的研究下，冲击弹性波[4]不断推广并深入应用于混凝土结构物的材质、缺陷(裂缝、剥离、内部空洞、蜂窝等)以及结构尺寸(厚度、埋深等)的无损检测和评价，冲击弹性波法已成为无损检测的前沿研究方向，并深度结合工程实际应用不断发展。例如，美国材料学会标准ASTM-C1383-98就确定了利用弹性波测试混凝土厚度和波速的试验方法。日本土木学会也基于冲击弹性波波速，对混凝土结构和试样弹性模量以及强度进行了标准化和规范化。

本文根据吴佳晔等[5]的研究基础，提出了基于冲击弹性波的混凝土结构构件弹性模量测试方法，并采用该方法对实体结构弹性模量检测结果展开对比研究。该方法可作为针对混凝土质量及弹性模量检测的一种准确、快速的测试方法。

1 结构构件动弹性模量测试方法

由于测试结构及构件测试位置的不同，本文提出了多种测试方法。主要有：

(1) 基于反射特性的测试方法，如单一反射法和重复反射法；基于透过特性的测试方法，如单面传播法和双面透过法，见表1。

表1 不同测试方法对应的波速

其中，单一反射法主要适用于桩、柱等长细比较大的结构；重复反射法(冲击回波法)主要适用于板等面积大、厚度小的结构；对于尺寸较大的结构构件，单面传播法与双面透过法也可适用于混凝土实体结构及构件弹性模量检测。

(2) 在针对只具备一个测试面的结构(隧道衬砌、挡墙、坝体等)以及未知厚度的厚板测试时，则优选单面传播法进行检测。

1.1 单一反射法/重复反射法

根据马国峰基于冲击弹性波法的动弹性模量测试方法的应用研究，单一反射法和重复反射法(冲击回波法)主要适用于板等面积大、厚度小的结构。本文对此方法不再加以赘述。

1.2 重复反射法(冲击回波法)

冲击回波法是指通过对既知壁厚的被测混凝土结构进行检测，利用弹性波的重复反射，采用频谱分析[6]测出其在被测结构构件的传播时间和弹性波波速，从而计算出混凝土的弹性模量。该方法测试效率高、测试结果精度优。

根据构件(试件)形状与测试位置的不同，该方法又可分为纵向测试与横向测试[7]。

(1) 纵向测试：弹性波的传播/反射方向与被测体的长轴平行(如桩柱杆)，如图1所示。

(2) 横向测试：弹性波的传播/反射方向与被测体的短轴平行(如楼板)。

波速Vpr可由板厚H与反射时间Tr求出：

Vpr=2H/Tr

(1)

图1 单面反射法的种类

1.3 单面传播法

在无法对被测体厚度得知时，通常可测试同一表面P波并得到2维弹性波波速Vp2。

该方法对被测体的要求最小，但单面传播法信号一般较微弱，因此可多次移动传感器距离测试，采用回归或者VMC(虚拟多频道)技术。

当被测体为2维时，P波速度可表示为：

(2)

从而可得，单面传播法测试实体结构的弹性模量为：

(3)

根据《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》(SL 713—2015)的要求，接收点不少于4个，固定传感器1且与冲击点的间距为(150±10)mm，两传感器中心距离依次为300 mm、400 mm、500 mm、600 mm，冲击点和各接收点应处在同一直线上。

1.4 双面透过法

针对构件具有两个测试面且厚度已知的情况，可采用双面透过法的方法测试3维弹性波波速Vp3，该方法可测试整个构件混凝土质量[8]，如图2所示。

图2 透过法检测(左：冲击锤，右：打击锤)

当被测体为3维时，P波速度有一定的变化，如下：

(4)

从而可得，双面透过法测试三维实体结构的弹性模量为：

(5)

2 不同测试方法得到波速的关系

如前所述，即使对同一种材料，不同形状、不同方法测试得到的弹性波波速也有所不同。各条件下测试得到的弹性波波速Vp与1维杆件弹性波波速(透过法Vp1)的比值见表2。

表2 混凝土结构测试P波Vp/Vp1(泊松比为0.20)

此外，根据试验结果，表面波法得到的瑞利波速，约为Vp1的0.54倍左右，略低于理论值[9]。

3 钢筋影响的修正

钢筋混凝土结构中钢筋对弹性波的测试速度有一定影响[10]，根据配筋的种类及测试方向、方法等需要采用不同的修正方法，如图3所示。

图3 典型配筋及测试方向

(1) 双面透过法、单面传播法：根据箍筋、纵筋的布置、面积加以修正。

(2) 瑞利波法和反射法：根据综合配筋率加以修正。

(6)

式中：Ecd为修正后的弹性模量；E为未经修正的弹性模量(根据波速和泊松比得出)；ρs为综合配筋率；Esd为钢筋的动弹性模量，取210 GPa。

由式(6)可得，C50的混凝土中1%的配筋率对模量修正提高约1.02%。

在采用传播法、双面透过法时需要选取初始时刻[11]。此时，部分沿钢筋传播的弹性波信号有可能先行到达。该信号尽管非常微弱，但初始时刻的选取时仍需要避开其影响，如图4所示。

图4 典型的到达波形

因此，在读取信号的到达时刻时，笔者采用了回归的方法，如图5所示。

图5 回归的概念

弹性波在传播时，在有局部缺陷(损伤)的混凝土结构中，绕过缺陷(损伤)的信号有可能较穿过缺陷(损伤)的信号先到达接收点。因此，如果利用最先到达的信号分析，就会影响对缺陷(损伤)的识别精度，如图6所示。

图6 传播路径的影响

同样，对于钢筋混凝土，在有与测线平行的钢筋时，从钢筋上也会传来微小的信号。如果采用最先到达的波的时刻作为波速的计算，就可能受到钢筋的较大影响，如图7所示。

图7 平行钢筋传播的影响

为了更有效地避免钢筋的影响和拾取缺陷，笔者利用相关分析的方法，提出了优势传播时间以及优势波速的概念，其前提是：

(1) 直进波(P波)的能量要强于绕射波；

(2) 在传播过程中，弹性波首波的形状不发生改变(不分散)。

基于上述前提，在计算过程中，将激发波形(半波或全波)和接收信号分别作为x(t)和y(t)，计算得到的自相关和互相关函数分别为Rxx和Rxy。Rxx和Rxy的峰值点间距即为优势传播时间，据此得到的波速即为优势传播波速。

例如，对于一个正弦半波的激振信号，在传播过程中分离成2个信号。信号与激发信号的时间差分别为20 ms和30 ms。计算结果如图8所示与见表3。

图8 优势传播分析结果

表3 波速分析结果比较

4 现场运用与验证

4.1 概述

基于上述研究，笔者于2019年在郑州四环路高架项目进行了现场运用与对比，如图9所示。

图9 郑州某梁场现场模量测试

(1) 测试位置：本次实体测试主要选择梁体顶板、腹板、底板进行测试，其中顶板、腹板、底板分别采用双方向透过法进行测试，腹板在厚度方向增加冲击回波法测试。

(2) 传感器的选择及固定方式：双面透过法测试传感器采用S31SC+S305M，S31SC采用手按固定，S305M固定于激振锤上。

(3) 激振方式：双面透过法测试激振采用D30激振锤激振，力度适中。

(4) 钢筋修正：本次测试对象，根据项目设计文件对综合配筋率ρs采用2%计算，并对弹性波测试的弹性模量进行相应修正。

4.2 冲击弹性波法实体结构弹模检测

针对本次采用冲击弹性波法检测，笔者对梁场内某龄期为7 d的顶板、腹板、底板混凝土分别进行了弹性模量检测，具体检测结果见表4～表6。

表4 顶板弹性模量测试结果表(钢筋修正)

表5 腹板弹性模量测试结果表(钢筋修正)

表6 底板弹性模量测试结果表(钢筋修正)

另通过现场对梁体浇筑断面观察发现：现场腹板存在混凝土料不均匀的情况，如图10所示，这可能就是导致测试结果差异的原因。

图10 测试结构腹板侧面图

综上，通过对计算结果与现场检测结果的分析可见：

采用冲击弹性波无损检测方式测试的弹性模量值非常稳定，并与实际情况相符，能在一定程度上反映实体结构弹性模量的。

4.3 混凝土结构静弹性模量的验证

为对比基于冲击弹性波法的四种测试方法的结果稳定性与准确性；笔者又对上节测试的梁体进行28d后实体结构弹性模量试验，该试验通过对该梁场的同位置梁体结构选择了7处位置进行IE法测试，同时对该梁的同养试件进行了静力受压弹性模量验证对比。

首先，笔者采用冲击回波法(IE法)对该结构腹板的7处位置进行测试分析，其测试静弹性模量平均值为41.2 GPa，具体数值见表7。

表7 IE法测混凝土结构弹性模量结果表(单位：GPa)

可见，采用IE法测试结构静弹性模量十分稳定。

对此，笔者委托郑州相关单位对该梁的同养试件进行了静力受压弹性模量检测，现场检测如图11所示。

图11 静力受压弹性模量检测

静力受压弹性模量结果数据见表8。

表8 静力受压弹性模量检测结果表

另外，对比采用冲击回波法、双面透过法、表面波法、单面传播法四种方法分别进行了测试。本次采用基于冲击弹性波的双面透过法、表面波法、单面传播法测试的结果对比见表9。

表9 混凝土结构静弹性模量对比表(单位GPa)

综上可以看出，对于混凝土实体结构静弹性模量进行测试时，各种测试方法均能够很好地测试，充分说明了本技术测试的可靠性和精度。另采用单面传播法，其测试时两传感器之间距离相对透射法时更小，由于波的到达时刻的读取误差，使得采用单面传播法测得的误差较大(平均误差>3%)，对此可采用透射法/面波法测试。

5 结束语

本文基于冲击弹性波法的原理，提出了针对实体结构混凝土弹性模量检测的几种现场检测方法，并针对实体混凝土检测中的钢筋影响进行了修正说明；弹性波法测试的实体结构弹性模量与同样试件的弹性模量的对比研究结果表明，基于冲击弹性波的混凝土弹性模量测试方法对混凝土实体结构构件弹性模量检测具有较好的实用性。该方法通过无损检测手段可测得实体结构弹性模量，因此具有广阔的应用前景。