冲击回波法检测混凝土结构缺陷实验研究

侯高峰

安徽省·水利部淮委水利科学研究院安徽合肥230088，

2.安徽省建筑工程质量监督检测站安徽合肥230088)

摘要：冲击回波法是一种建立在低频应力波传播特点基础上的无损检测方法，具有单面检测、检测精度高等特点。经试验证明冲击回波法可较准确地检测混凝土结构内部缺陷情况，适用于水利工程、建筑工程、隧道工程等。

关键词：冲击回波法；实验研究；内部缺陷检测

Impactechomethodtodetectstructuraldefectsofconcrete

HouGaofeng

(1.AnhuiandHuaiRiverWaterResourcesResearchInstitute，Hefei,230088,China；2.Anhuispeedrealestatedevelopmentcompanylimited,Hefei230009,China)

Abstract:Shockechomethodisanondestructivetestingmethodbasedonthecharacteristicsoflow-frequencystresswavepropagation,whichhasthecharacteristicsofsinglesurfacedetectionandhighprecisiondetection.Thetestprovesthattheshockechomethodcanaccuratelydetecttheinternaldefectsofconcretestructure,whichcanbeappliedtohydraulicengineering,constructionengineeringandtunnelengineering.

Keyword：Shockechomethod;Experimentalresearch;Internaldefectdetection

0.前言

混凝土材料凭借材料易获得、强度高、经济性好、承载力强等优点被广泛应用于各类建筑工程中，因此，其内部结构缺陷检验具有重要的现实意义。笔者以不同内部缺陷混凝土试件为基础，使用冲击回波法对其进行试验以获取相应的识别方法和缺陷测定方法。结果表明，冲击回波法具有较高的测量精度，且可通过单面测量进行，作为一种新型的无损检测技术，具有较高的应用价值。

1、冲击回波法基本检测原理分析

冲击回波法（Impact-Echomethod，简称IE法）具有单面测试、检测进度高等优点，且受混凝土内部材料组分和结构影响较小1-2。由弹性波冲击造成的瞬时应力波纹理论是冲击回波法的基本工作原理。当冲击锤对混凝土表面进行敲击时，共有三种形式的应力波产生，分别为纵波（P波）、横波（S波）以及表面波（R波），如图1所示。前两者以球面波的形式进行传播，后者主要从扰动处沿混凝土结构表面进行传播；横波与剪切应力传播联系紧密，而纵波与法向应力传播联系紧密。

图1混凝土表面应力波产生示意

冲击锤在混凝土表面用振源施加一瞬时冲击，产生的低频应力波传播至混凝土结构中，被混凝土内部缺陷表面（如孔洞、蜂窝、分层）或底部边界反射到混凝土内，从而再一次被混凝土内部缺陷表面或底部边界反射。因此，冲击回波在混凝土表面、内部缺陷表面或混凝土表面、底部边界之间多次来回反射产生了瞬态共振条件，其共振频率能在振幅谱中反应出来。

如前所述，表面的冲击将产生P波和S波在板内传播，表面波（R波）在板表面传播。P波和S波被内部缺陷（声阻抗不同）或外部边界反射，当反射波或回波返回到上表面时，会有典型的振动位移产生，随后被传感器记录，形成相应的电压-时间信号波。得到信号波后，借助快速傅立叶变换，即可得到相应的振幅-频率曲线，也就是频域图，此时混凝土的厚度或结构缺陷深度，可使用下述公式表示：

式中：——P波通过板厚度方向的波速；——反射面到测试面的距离，表示频域图中最大波峰相应的厚度频率；b表示几何结构形状系数，如混凝土为板状结构物，则b取0.96。

通常使用间接确定法测定应力波波速。首先，在厚度T已知的实心板上进行冲击回波测试，获取厚度频率，进而借助上述公式，即可计算P波波速。

就冲击回波测试而言，应力波的产生于冲击持续时间、冲击锤冲击动能以及冲击锤直径有着紧密的联系。经过相应的测试可得出结论，冲击锤的直径越小，则其有效频率最大值越高，测深也会随之减小，并且因混凝土内部结构不均导致的高频应力波散射就会更严重，进而影响测试实际效果。因此，在实际测试过程中，测试人员应结合被测物体实际情况，合理确定冲击锤直径。

二、试验设备与混凝土试件

本组实验中涉及的设备主要包括冲击回波测试仪、冲击锤、接受传感器以及信号采集系统和相关分析软件。冲击锤配备有6.0mm、8.0mm以及16.0mm三种直径规格。

试验使用的混凝土试件规格统一为3m×1m×0.3m的混凝土板，其内部缺陷具体尺寸如下表所示。

表1试件缺陷实际尺寸一览表

3、试验流程及试验结果分析

（一）试验流程分析

试验开始前，需在混凝土试件侧面，沿缺陷部位由下至上均匀设置6条测线，并在每条测线上均匀布置测点若干。如测点处比较光滑，只需清理试件表面灰尘；如测点处存在明显的凹凸不平状况，或麻面及蜂窝状况，则需使用砂轮进行打磨，注意清除试件表面浮浆，并涂抹橡皮泥一类的耦合剂。接收器和冲击点应尽量布置与测试点位置或附近位置。为进一步提高数据采集的准确性，应对称布置测线和测点于试件两对称面上。做好准备工作后，即可依次对混凝土试件进行冲击回波法检测试验。

（二）试验结果分析

1、缺陷识别方法分析

如测试部位不存在缺陷，则冲击锤冲击产生的应力波会直接传播至试件对称面的边界处，并在边界产生反射形成一个波峰，如图2所示。

图2试件内部无缺陷频域图

如试件内部存在缺陷，应力波在传播过程中，就需要绕过缺陷，从而导致传播路径增大，表现在频域图中就会出现低频部位出现波峰的情况。因此，判断混凝土内部缺陷的主要依据之一，就是结构厚度频率逐渐向低频区域产生“漂移”。如高频区域内仅存在一个峰值，且峰值明显，则表示存在空洞缺陷；如同时存在多个峰值，则表示不密实区的存在。

2、缺陷范围测定分析

使用冲击回波法检测混凝土内部缺陷范围时，首先需确定缺陷存在，随后控制探头逐渐由缺陷向两侧进行移动，此时在频域图内会逐步呈现单峰-双峰-单峰的曲线变化过程。其中首个单峰表示缺陷位置明显降低的频率，双峰则表示包含正常部位和缺陷部位的频率，再次出现的单峰则表示正常位置的频率。由此即可对混凝土内部结构缺陷范围进行判断，在此基础上绘制的缺陷边界图，基本可满足工程检测需求3-5。

3、缺陷深度确定分析

相关文献资料6表明，在冲击回波测试中，产生的应力波与三个重要参数有关：冲击持续时间、钢球直径和钢球冲击动能。就试件缺陷深度测量而言，与检测冲击锤有着直接的联系，本组实验配置的6.0mm、8.0mm以及16.0mm三种规格的冲击锤中。试验表明钢球的直径越小，冲击接触时间就越短，而且有用振幅的频带越宽，但振幅的最大值就越小。反之亦然。6mm直径的钢球产生的最大有用频率为47kHz，而16mm直径的钢球产生的最大有用频率仅为18kHz。尽管钢球的直径变小产生的有用频率变大，但是，这会增加由于混凝土内部的不均匀性引起高频应力波的散射。

本组实验发现仅有直径为6.0mm的冲击锤，可以完成相应的深度测量，但由于高频应力波散射影响，深度测量存在一定的误差。因此科学合理的选择冲击锤直径是非常重要的。

4、小结

综上所述，冲击回波法是一种建立在低频应力波传播特点基础上的无损检测方法，具有单面检测、检测精度高等特点。经试验证明，科学合理的选择冲击锤直径对于试验的成败非常重要的，而且选择恰当的冲击锤也是检测精度重要保障。因此，冲击回波法具有较高的应用价值，可较准确地检测混凝土结构内部缺陷情况，适用于水利工程、建筑工程、隧道工程等。

参考文献：

[1]王礼立．应力波基础[M]．北京：国防工业出版社，2005，1-52．

[2]吴佳晔．土木工程检测与测试[M]．北京：高等教育出版社，2015，21．6

[3]叶健.采用IES冲击回波法检测预应力混凝土灌浆质量[A]—第十届全国建设工程无损检测技术学会会议论文[C].贵阳，建设工程无损检测技术专业委员会，2008.10.141.

[4]苏航，林维正.冲击回波检测方法及其在土木工程中的应用[J].无损检测.2003，25（2）：81-83.

[5]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，2006．

作者简介：

侯高峰（1981.12-），男，安徽灵璧人，硕士，高级工程师，主要从事结构质量检测鉴定及工程力学有限元研究工作