冲击回波法混凝土空洞模型试验研究

余 聪，朱美刚

(成都农业科技职业学院，四川 成都 611130)

1 冲击回波法基本原理与探测设备

冲击弹性波与一个物体中粒子振动有密切关系的。如采用锤子对混凝土表面敲击后，敲击部位及其附近将会产生振动。同时，该振动又会以弹性波的形式向四周扩散，即形成冲击弹性波。由于弹性波在遇到阻抗改变时会发生反射，通过传感器就可以接受该反射波，从而反映混凝土结构材料情况、力学特性、边界条件等信息，故而具有对土木工程结构进行无损检测的功能，并得到了广泛的应用和飞速的发展[1-2]。

应力波有纵波和横波两种形式，分别表示为P波和S波。通过波的传播理论，波在传播过程中，从一种介质进入另外一种介质，其阻抗发生改变，在该界面上，波就会发生反射、折射、绕射现象。不同界面之间的来回反射会产生瞬态共振,再将设备传感器放在冲击点附近，接收共振引起的位移信号。再通过傅里叶变换(FFT),将采集到的时域信号快速转化为频域信号,根据频谱图解析得出不同反射率下的图像，检测过程如图1所示。

图1 冲击回波法基本原理图

一般的冲击回波测试中,是一个测点测到的是一个单独的信号,这样的信号中只包含混凝土结构局部区域的信息。由于混凝土内部存在集料的不均匀、微小空隙等因素，并不是匀质的。另外，构件表面的不平整、传感器与混凝土存在间隙等因素，会引起测试结果的不准确,因此，这些单测点结果并不是非常可靠,受冲击的力度与传感器接收的位置影响较大。现在的测试方法为在混凝土测试面上按一定间距布置大量的测点,获得相应区域的综合图像。通过综合处理后,局部变化的混凝土和构件表面状况不再对整体检测结果产生影响,测试结果也将更加可靠。

本次试验设备为冲击弹性波无损检测仪(PE)1台、数据解析平板电脑1台、S21SC传感器1根、仪器数据导线1根、D10与D17激振锤2个，见图2。该套设备具有功能强大，结果直观，满足了除钢筋外混凝土结构物的各种测试要求，并具有丰富的图形图像处理机能。还具有测试精度高、适用范围广等优点，是超声波、回弹仪的换代技术，其测试方便、灵活、快速操作简便、效率高等特点被广泛应用。

图2 冲击弹性波检测仪

2 混凝土结构厚度缺陷试块的浇筑

模型设计混凝土尺寸为400 mm×400 mm×250 mm，缺陷试块尺寸为110 mm×110 mm(如图3所示)。采用C30强度混凝土，水灰比(Mc∶Mw∶Ms∶Mg=1∶0.46∶1.45∶3.22)，模型底部用铁板垫底并洗涮干净后刷油，四周用铁板按尺寸把位置放好后用砖头固定，内壁刷油，浇筑完后进行充分振捣，分层浇筑。垫层浇筑完成后进行充分振捣，初凝后再进行放置缺陷试块，再进行浇筑，混凝土淹没缺陷试块后固定试块位置进行充分振捣，初凝后再进行浇筑，最后进行充分振捣，浇水养护28天后进行探测[3]。

图3 侧线布置示意图

3 探测过程与结果

根据标准试块确定波速，再测得混凝土厚度。厚度测定方法是在小试块上沿对角画线，在中心交点处画一个半径为4 cm的圆。根据实际情况输入测试厚度范围(此试块范围为0.15-0.25)，测试缺陷时输入混凝土最大壁厚，所有测试项目有效解析数据个数至少≥8个，所有测线布点尽量远离边缘，测试缺陷时测点起点至少距边缘5 cm，避免边界反射对探测结果的影响，敲击力度尽量保持快起快落，数据理想后间隔1 s敲击下一点位。操作过程为设置系数，进行零点标定，开始采集，按照设定的间距采集数据完成后，进行数列变换与频谱设定，得到等值线图。通过对图4频谱图的分析，数据在约0.06 ms左右，沿着探测方向东第2采集点至11采集点，出现了连续的强反射，可以判定该位置为混凝土与空洞的交界面，波从混凝土高阻抗进入空洞低阻抗，因此，应力波发生发射[4]。根据波速波速3.6 m/ms，该位置在0.2 m左右，基本符合空洞位置的情况，但是由于混凝土并不是均匀的材质，其中石子与砂浆的阻抗不同，造成冲击波在传播过程中产生很多较小的反射等干扰波，并不能完全准确地反映空洞的位置[5]。根据图4两幅x、y两个方向的探测结果，可以找到在x方向的空洞长度约为10 cm，y方向的空洞长度约为11 cm，可以得到空洞的面积约为0.011 m2。

图4 探测结果频谱图

在探测中，测点的间距会影响探测的精度，对于测点间距小的探测图像会更加准确与清晰，但花费的时间往往也是较多的，而测点间距大的探测时间花费少，但有时候却不能依据图像准确判定出病害。图5～7分别为测点间距为1、2、3 cm两个方向x、y的探测图像。分析后圈出了病害的位置，通过分析，双向都呈现水平方向的病害，符合设定的长方体病害的图谱特征。但由于混凝土缺陷模块尺寸与缺陷均较小，可以看出当测点间距为1 cm的时候，呈现的频谱图像直观，可直接判断缺陷的大小以及缺陷的形状。当测点间距为2 cm的时候，呈现的频谱图也能发现明显病害图像特征，但是对比模型制设计，可以得出该探测对模型中病害大小的探测失真，形状也不太明显。当测点间距为3 cm的时候，呈现的频谱图不够直观，单从图像上面看，病害的尺寸与位置偏差都较大。

图5 测点间距为1 cm探测结果图像

图6 测点间距为2 cm探测结果图像

图7 测点间距为3 cm探测结果图像

4 结 论

本文介绍了冲击弹性波法无损检测的基本原理，阐述了采用物理模型试验的方法，包括模型的设计、模型的制作以及探测的方案，对模型采用了不同测点间距进行了探测。通过此次模型试验，建立了混凝土病害的典型图谱特征，得到了矩形面x、y两个方向探测图像，获取了两个方向的空洞间距，由此可以得出空洞的面积。得出了不同测点间距对图像精度的影响，对于10 cm×10 cm较小尺寸的病害，如只是为了发现病害，采用2～3 cm测点间距可以发现该病害，但是不能确定其准确的位置、形状、大小，如要获得更为详细的信息，应采用1 cm及更小的测距进行探测。

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