沖擊回波法混凝土空洞模型試驗研究

余 聰，朱美剛

(成都農業科技職業學院，四川 成都 611130)

1 沖擊回波法基本原理與探測設備

沖擊彈性波與一個物體中粒子振動有密切關系的。如采用錘子對混凝土表面敲擊后，敲擊部位及其附近將會產生振動。同時，該振動又會以彈性波的形式向四周擴散，即形成沖擊彈性波。由于彈性波在遇到阻抗改變時會發生反射，通過傳感器就可以接受該反射波，從而反映混凝土結構材料情況、力學特性、邊界條件等信息，故而具有對土木工程結構進行無損檢測的功能，并得到了廣泛的應用和飛速的發展[1-2]。

應力波有縱波和橫波兩種形式，分別表示為P波和S波。通過波的傳播理論，波在傳播過程中，從一種介質進入另外一種介質，其阻抗發生改變，在該界面上，波就會發生反射、折射、繞射現象。不同界面之間的來回反射會產生瞬態共振,再將設備傳感器放在沖擊點附近，接收共振引起的位移信號。再通過傅里葉變換(FFT),將采集到的時域信號快速轉化為頻域信號,根據頻譜圖解析得出不同反射率下的圖像，檢測過程如圖1所示。

圖1 沖擊回波法基本原理圖

一般的沖擊回波測試中,是一個測點測到的是一個單獨的信號,這樣的信號中只包含混凝土結構局部區域的信息。由于混凝土內部存在集料的不均勻、微小空隙等因素，并不是勻質的。另外，構件表面的不平整、傳感器與混凝土存在間隙等因素，會引起測試結果的不準確,因此，這些單測點結果并不是非常可靠,受沖擊的力度與傳感器接收的位置影響較大。現在的測試方法為在混凝土測試面上按一定間距布置大量的測點,獲得相應區域的綜合圖像。通過綜合處理后,局部變化的混凝土和構件表面狀況不再對整體檢測結果產生影響,測試結果也將更加可靠。

本次試驗設備為沖擊彈性波無損檢測儀(PE)1臺、數據解析平板電腦1臺、S21SC傳感器1根、儀器數據導線1根、D10與D17激振錘2個，見圖2。該套設備具有功能強大，結果直觀，滿足了除鋼筋外混凝土結構物的各種測試要求，并具有豐富的圖形圖像處理機能。還具有測試精度高、適用范圍廣等優點，是超聲波、回彈儀的換代技術，其測試方便、靈活、快速操作簡便、效率高等特點被廣泛應用。

圖2 沖擊彈性波檢測儀

2 混凝土結構厚度缺陷試塊的澆筑

模型設計混凝土尺寸為400 mm×400 mm×250 mm，缺陷試塊尺寸為110 mm×110 mm(如圖3所示)。采用C30強度混凝土，水灰比(Mc∶Mw∶Ms∶Mg=1∶0.46∶1.45∶3.22)，模型底部用鐵板墊底并洗涮干凈后刷油，四周用鐵板按尺寸把位置放好后用磚頭固定，內壁刷油，澆筑完后進行充分振搗，分層澆筑。墊層澆筑完成后進行充分振搗，初凝后再進行放置缺陷試塊，再進行澆筑，混凝土淹沒缺陷試塊后固定試塊位置進行充分振搗，初凝后再進行澆筑，最后進行充分振搗，澆水養護28天后進行探測[3]。

圖3 側線布置示意圖

3 探測過程與結果

根據標準試塊確定波速，再測得混凝土厚度。厚度測定方法是在小試塊上沿對角畫線，在中心交點處畫一個半徑為4 cm的圓。根據實際情況輸入測試厚度范圍(此試塊范圍為0.15-0.25)，測試缺陷時輸入混凝土最大壁厚，所有測試項目有效解析數據個數至少≥8個，所有測線布點盡量遠離邊緣，測試缺陷時測點起點至少距邊緣5 cm，避免邊界反射對探測結果的影響，敲擊力度盡量保持快起快落，數據理想后間隔1 s敲擊下一點位。操作過程為設置系數，進行零點標定，開始采集，按照設定的間距采集數據完成后，進行數列變換與頻譜設定，得到等值線圖。通過對圖4頻譜圖的分析，數據在約0.06 ms左右，沿著探測方向東第2采集點至11采集點，出現了連續的強反射，可以判定該位置為混凝土與空洞的交界面，波從混凝土高阻抗進入空洞低阻抗，因此，應力波發生發射[4]。根據波速波速3.6 m/ms，該位置在0.2 m左右，基本符合空洞位置的情況，但是由于混凝土并不是均勻的材質，其中石子與砂漿的阻抗不同，造成沖擊波在傳播過程中產生很多較小的反射等干擾波，并不能完全準確地反映空洞的位置[5]。根據圖4兩幅x、y兩個方向的探測結果，可以找到在x方向的空洞長度約為10 cm，y方向的空洞長度約為11 cm，可以得到空洞的面積約為0.011 m2。

圖4 探測結果頻譜圖

在探測中，測點的間距會影響探測的精度，對于測點間距小的探測圖像會更加準確與清晰，但花費的時間往往也是較多的，而測點間距大的探測時間花費少，但有時候卻不能依據圖像準確判定出病害。圖5～7分別為測點間距為1、2、3 cm兩個方向x、y的探測圖像。分析后圈出了病害的位置，通過分析，雙向都呈現水平方向的病害，符合設定的長方體病害的圖譜特征。但由于混凝土缺陷模塊尺寸與缺陷均較小，可以看出當測點間距為1 cm的時候，呈現的頻譜圖像直觀，可直接判斷缺陷的大小以及缺陷的形狀。當測點間距為2 cm的時候，呈現的頻譜圖也能發現明顯病害圖像特征，但是對比模型制設計，可以得出該探測對模型中病害大小的探測失真，形狀也不太明顯。當測點間距為3 cm的時候，呈現的頻譜圖不夠直觀，單從圖像上面看，病害的尺寸與位置偏差都較大。

圖5 測點間距為1 cm探測結果圖像

圖6 測點間距為2 cm探測結果圖像

圖7 測點間距為3 cm探測結果圖像

4 結 論

本文介紹了沖擊彈性波法無損檢測的基本原理，闡述了采用物理模型試驗的方法，包括模型的設計、模型的制作以及探測的方案，對模型采用了不同測點間距進行了探測。通過此次模型試驗，建立了混凝土病害的典型圖譜特征，得到了矩形面x、y兩個方向探測圖像，獲取了兩個方向的空洞間距，由此可以得出空洞的面積。得出了不同測點間距對圖像精度的影響，對于10 cm×10 cm較小尺寸的病害，如只是為了發現病害，采用2～3 cm測點間距可以發現該病害，但是不能確定其準確的位置、形狀、大小，如要獲得更為詳細的信息，應采用1 cm及更小的測距進行探測。

[ID:009815]