混凝土結構缺陷的無損檢測方法的試驗研究

劉志豪

（安徽維尼檢測科技有限公司,安徽 合肥 230088）

0 引言

裂縫和空隙是影響混凝土耐久性的缺陷。為了不僅檢測這些缺陷,而且檢測混凝土厚度,UE 和IE 方法被廣泛使用。這兩種方法都是基于波源產生的彈性波,在測試介質中傳播。在UE 中,可以通過使用兩個傳感器確定傳播時間來識別缺陷位置和深度,其中一個用作波源,另一個用作記錄器。合成孔徑聚焦技術（SAFT）在混凝土缺陷和嵌入物體的超聲成像方面具有巨大潛力,在IE 中,瞬態應力脈沖通過表面上某點的機械沖擊引入結構。此外,為了改進IE 技術,本文開發了一種掃描程序,即基于IE（SIBIE）的光譜振幅疊加成像。需要確定嵌入混凝土中的材料類型,如鋼筋或空隙。除此之外,還應考慮反射超聲信號的相位角,本文通過確定超聲波信號的相位角識別管道內的材料屬性。

1 沖擊回波和超聲波回波法

1.1 IE 和UE 原理

在IE 方法中,通過機械沖擊引入瞬態應力脈沖,例如將一個小鋼球落在混凝土表面上,并將其作為P、S 和R 波傳播到結構中。這些波傳播到結構中被元件的內部缺陷和邊界反射。在這種方法中,P 波是最重要的,因為P 波引起的位移比S 波引起的位移大得多。在此過程中,通過靠近撞擊點的傳感器,監測反射波到達引起的表面位移,并使用快速傅里葉變換（FFT）技術將記錄的時域信號轉換為頻域（圖1）,與大振幅峰值相關的頻率代表波形中的主要振動頻率[1-2]。因此,傳感器處的P 波接收頻率已確定,且P 波的速度（Cp）已知,可根據方程式（1）計算缺陷深度：

圖1 沖擊波成像法

式中：D 為缺陷深度,m；Cp為P 波的速度,m/s；f 為頻率。

在UE 方法中,從超聲傳感器傳輸的彈性波傳播到結構中,當波路徑中存在不連續（如裂紋）時,部分能量從缺陷表面反射回來。這些反射波由超聲波傳感器收集并記錄。傳統的UE 技術見圖2。超聲波檢測可用于缺陷檢測、尺寸測量、材料表征等。

圖2 超聲波檢測法

典型的UE 系統由多個功能單元組成,如脈沖發生器、接收器、傳感器和顯示設備。反射波信號由傳感器轉換為電信號,并顯示在屏幕上。超聲波檢測法與沖擊波成像法不同,不需要將時域轉換為頻域。信號傳輸時間與信號傳輸距離直接相關。因此,從該信號可以獲得關于反射器位置、尺寸和其他特征的信息。

1.2 SIBIE 和SAFT 成像算法

SIBIE程序是解釋撞擊回波數據的一種改進的替代方法。在IE 方法中,通過識別頻譜中的峰值頻率來估計混凝土中缺陷的深度。然而,由于沖擊波的多次反射和衍射,頻譜中經常觀察到許多峰值,因此不能很好地解釋頻譜。為了解釋撞擊回波數據并改進方法,將成像技術SIBIE 應用于頻域數據。該方法已應用于混凝土裂縫評估,相關研究結果表明該方法可用于識別混凝土中的缺陷[3-4]。

在該程序中,首先,將混凝土橫截面劃分為方形構件,見圖3。然后,計算每個元件處反射引起的共振頻率。通過元件從輸入位置到輸出位置的行程距離進行計算：

圖3 光譜成像模型

式中：R 為行程距離,m；r1為輸入距離,m；r2為輸出距離,m。

由每個元件處的反射引起的共振頻率計算如下：

將頻譜中這兩個共振頻率對應的譜幅值歸結在每個網格上。因此,反射強度估計為每個元素的堆棧圖像。SIBIE 分析的最小二乘網格尺寸?應近似等于Cp?t/ 2,其中Cp為縱波速度m/s,?t 為記錄波的采樣時間,s。

在UE 分析中,可以對A、B、C 掃描等不同狀態進行評估。然而,在對非均質材料進行截面分析時,由于非均質結構阻止了獲得預期的信號形式,從而使超聲掃描的真實感和效率產生了諸如信號衰減和散射等問題。因此,為了消除這些問題,開發了SAFT。

一般來說,當超聲波源遠離檢測點時,信號到達時間值相對高于接近檢測點時的值。這些合成的時間延遲會造成掃描區域幾何形狀的錯覺。因此,點散射體將產生雙曲線模式。在這種情況下,必須評估和糾正時間延遲。如圖4 所示,（xi,yi）和（xn,yn）分別是檢查點和傳感器的坐標。反射距離“Zi”和時間“ti”可分別由式（4）和式（5）確定。

圖4 SAFT 算法在節中的應用

超聲波源在表面上以“d”間隔移動。因此,時間延遲值“?ti”可由式（6）計算得到：

因此,通過移位的時間延遲,可以找到振幅。為了識別材料的性能,使用信號相位變化。確定信號的相位角,并從這一角度出發,根據信號波形的反射原理對截面進行分層。當層厚增加時,相角變化上升到180°。

由于峰值頻率值較為復雜且彼此接近,因此波傳播采用傅里葉變換。經過變換后,可以從脈沖的真實部分和成像部分之間的角度確定所獲得信號的相位角。若比較聲阻抗和相位角,可以很容易地找到該層的材料特性。此外,影響層間通過的主要因素之一是層厚度。當厚度增加到一定程度時,信號的峰值頻率和相位角也會增加。但是,如果厚度達到較高值,則無法明顯觀察到反射。因此,為了確定理想厚度,必須控制材料的聲阻抗和波反射系數。

2 實驗研究

2.1 樣本

在研究范圍內,制作了兩個尺寸為0.5 m ×0.4 m×1 m的混凝土試樣（C30）（圖5）。每個試樣都有20 cm 深的后張管道。一半的管道用砂漿填充,分別由0.2 mm 和2 mm 厚的金屬制成。

圖5 試樣

2.2 IE 和UE 測試

在實驗研究中,使用具有24 個傳感器和記錄器的超聲波進行UE 測量。所有傳感器同時作為超聲波信號接收器和發射器工作。最合適的頻率間隔為50 kHz,并在此范圍內進行試驗。對于所有點,接收信號取自4 個信號的平均值,因此測量誤差最小化。將試塊的頂面劃分為間隔3 cm 的方形單元,并通過移動超聲波進行測量。所得數據在時域內進行分析。上述SAFT 算法對兩個樣本重復了13 次,并指出涉及濃度的區域提供了有關肌腱導管位置和幾何形狀的信息。為確定鋼筋束管道中的孔隙比,采用相移原理。為應用IE 方法,使用幾個球體來產生彈性波。直徑為4 mm 的球體在以足夠的能量和波長驅動沖擊方面提供最佳結果。加速度計用于檢測彈性波反射引起的表面位移。加速度計系統的頻率范圍為直流至50 kHz。用快速傅里葉變換（FFT）分析加速度的傅里葉譜。采樣時間為4 s,每個波形的數字化數據數為2048。將被測混凝土試樣的橫截面劃分為方形單元,以進行SIBIE分析。通過超聲波脈沖速度測試,混凝土砌塊的P 波速度為4200 m/s。

3 結果和討論

在試驗中,主要調查了鋼筋束導管的位置。通過SAFT,用交叉陰影線監控截面的幾何結構。檢查每個網格組的A和B 掃描。將實驗結果和對應于點坐標的振幅值進行比較,并評估具有高濃度的區域。在目標框架內解釋B 和C 掃描。在x=0.25 m 的y-z 剖面中獲得的D 掃描顯示了圖6 中的安全和相位分析結果。根據安全原則,對管道灌漿和缺陷部分的位置進行監測。灌漿部分獲得高集中振幅值,而缺陷部分獲得較低振幅值。類似地,底部表面的反射可以在圖7 中看到。

圖6 y-z 截面掃描x=0.25 m

圖7 x-y 截面掃描z=0.198 m、t=0.2 mm

在圖7 和圖8 中,分別給出了在19.8 cm 深度處具有0.2 mm和2 mm 金屬導管的試樣的SAFT 分析C 掃描結果。該深度約為鋼筋束管道的中心。成功監測鋼筋束導管,并對其進行灌漿,識別出空部分。導管上方區域的振幅值更高,圖像更清晰。因此,通過相分析對相同試樣進行評估,并清楚地接收到相移。此外,在灌漿部分觀察到一些相移,認為這可能是注入故障造成的。圖9 顯示了應用于試樣頂部記錄的沖擊試驗數據的SIBIE 分析結果。這些數字分別對應于有缺陷零件和滿灌漿零件。圖9（a）表示風管內的空隙。在這里,較暗的色調表示高強度振幅區。對比兩個圖,可以說,通過應用SIBIE 可以區分管道的空部分和灌漿部分。

圖8 x-y 截面掃描z=0.198 m、t=2 mm

圖9 沖擊試驗數據SIBIE 分析結果

4 結論

在后張法施工結構構件中,鋼筋由于從空隙中滲出的水而腐蝕,結構失去穩定性。導管的位置可以用UE 方法進行識別,然而并不總是可以確定導管內的空隙。為此,將UE 和IE 方法應用于試件,應用SAFT 和SIBIE 技術進行可視化,利用信號的相位信息確定導管位置,并對結果進行比較。在所有檢測情況下,獲得的結果誤差為1 mm～3 mm。使用具有高頻率的傳感器可以很容易地確定缺陷。然而,由于試樣尺寸較小且壓實不好,信號不容易解讀,因此在圖像中可以看到壓實缺陷,觀察導管和空隙的位置。