冲击回波法检测混凝土结构

冲击回波法检测混凝土结构
目前常用的探测混凝土结构内部缺陷（空洞、剥离层、疏松层、裂缝等）的无损检测方法主要是超声法，该法可以穿透（传播）较远距离，且安全方便，但这种穿透测试，需要两个相对测试面，而且必须测试多个测点，通过相对比较，以统计概率法来处理数据，才能做出判断。

对于单面结构，如道路、底板、隧道衬砌、喷射混凝土等则难于运用。

另外这些结构往往还需要测量厚度，而现有的测量混凝土结构厚度的方法，包括超声脉冲法都还存在一些问题。

冲击回波法是单面反射测试，测试方便、快速、直观，且测一点即可判断一点。

特别适合于单面结构，包括喷射混凝土的检测。

测试系统由：冲击器、接收器、采样系统（主机）、笔记本电脑组成。

它们共同完成整个测试工作。

它的流程如图1：
图1 冲击回波法试验流程
（1）产生冲击
首先在混凝土表面施加一瞬时冲击，产生一应力脉冲。

冲击必须是瞬间的。

冲击的力时间曲线可大致看成一个半周期正弦曲线。

施加的应力脉冲宽度，即冲击持续时间t （与混凝土表面的接触时间）决定了所产生的应力脉冲的频率成分。

冲击持续时间决定了冲击试验所能检测的缺陷和厚度的尺寸。

冲击持续时间应选择得使发生的脉冲所包含的波长大致等于或小于被探测缺陷或界面的横向尺寸及被测后的的2倍（2h）。

（2）接收信号
由冲击所产生的响应由接收器接收。

接收器由顶端的换能元件及内部放大器组成，通过电缆与系统主机相连。

接收点应尽量靠近冲击点。

接收器的输出与表面垂直位移成比例。

接收器底部的铝箔用来完成换能元件的电路联结和接收器与被测表面的省耦合。

测量时首先调整好电脑和主机，然后将接收器对准接收点。

按下接收器手柄，让锥形换能元件与冲击点表面接触，按下放大器开关，再用冲击器弹击试体表面。

由冲击引起的混凝土表面位移响应被接收器顶端的换能元件接收，经放大后传到主机。

（3）采集波形
主机的主要功能就是采集波形。

由接收器送来的位移响应波形由采样板采集并传输给计算机。

采集波形中的各种参数由计算机预先设定。

主机上有2个控制旋钮：“衰减”和“电平”。

“衰减”即—衰减器，作用是把输入的波形幅度减小到合适大小，“电平”是调节触发点评大小。

（4）频谱分析及计算
这一步骤由计算机完成。

计算机既显示波形也进行傅里叶变换。

频谱线上有一系列峰。

计算机自动按从大到小顺序，确定这些峰所对应的频率值并按公式计算出相应厚度，并显示在屏幕上。

通常最高的峰就是与厚度相应的峰。

（5）绘图打印
冲击回波法是利用小钢球冲击混凝土表面作为振源，通过被测混凝土介质进行传播。

产生的波有三类:与传播方向平行的纵波，即P波；与传播方向垂直的横波，即S 波；沿固体表面传播的Rvaleihg波，即R波。

这些波遇到波阻抗有差异的界面就发生反射、折射和绕射等现象。

由传感器接收这些波后，通过频谱分析，将时间域内的信号转化到频率域，找出被接收信号同混凝土质量之间的关系，从而到达到无损检测的目的。

冲击一回波法的原理是由弹性冲击产生的瞬时应力波理论。

由钢球短促敲击混凝土表面，产生低频应力波(80kHz以下)，该应力波进入结构内部传播并在缺陷或其它界面处发生反射。

由应力波的反射引起的结构表面位移由敲击点附近的传感器一记录下来，产生电压一时间信号，即波形。

经FTF变换到频率域就得到振幅一频率图(频谱)。

该信号描述了由结构内部应力波的多次反射引起的瞬时振动。

在这些振动中占主导地位的频率同来自结构内部不同深度反射上来的应力波有关。

图2 冲击回波检测技术原理图
模拟信号经采集系统数字化后传输到计算机的内存。

通过数学运算把电压-时间信号转化为振幅一频率图(频谱)。

频谱的峰值即波形的主导频率(主频)，用其可以计算结构的厚度或缺陷的深度。

出现在图中的波形以及在频谱中的主频，可以提供有关缺陷的深度或结构的尺寸如路面厚度等信息。

在混凝土结构中常遇到的结构几何形状有:板，圆形和矩形柱，矩形、工形及T形梁，空心柱等。

冲击一回波在实心体结构上测试能产生与众不同的波形及频谱，尤其在频谱图上峰的个数及类型均容易识别。

对于实心体结构，主频提供的是结构厚度信息。

假如存在缺陷(裂缝，空洞，分层等)，就会记录到几个不同的关键频率，这些频率可以提供缺陷的定性和定量信息。

冲击回波仪主要由计算机和敲击器组成。

主要用于:检查混凝土灌注质量；测试表面开放裂缝深度；测试钢筋密集的裂缝、空隙和蜂窝缺陷；检查管道的填充质量；测量厚度；估计早期强度的发展等。

图3 冲击回波法测试装置
冲击回波法检测混凝土厚度
1 检测依据
（1）《公路工程质量检验评定标准》（JTJ 071-98）
（2）《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）
（3）《公路路基路面现场检测规程》（JTJ 059-95）
（4）《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS03：88）
（5）相关设计、施工文件
2原理
将记录的信号进行幅值谱分析，谱图中的明显峰正是由于冲击表面、缺陷及其它外
表面之间的多次反射产生瞬态共振所致，它可以被识别出来并被用来确定结构砼的厚度和缺陷位置，其计算公式如下：
f V h p
2β=
式中，β为声速修正系数；p V 为声波在砼中的传播速度；f 为频谱分析得出的峰值频率。

现场结构厚度测试过程分二步进行：首先确定P-波速度，然后作冲击回波测试，获得P-波的厚度频率，根据厚度计算公式求得结构的厚度。

图4 二步法测定混凝土结构厚度示意图 （a ）波速测试 （b ）冲击回波测试
3 检测中应注意的问题
（1）表面处理
一般路面施工都有一道“拉毛”工序，此道工序会使砼路面不平整，同时使得表层产生微裂隙，如果不经过任何处理就用冲击回波法测厚，很难甚至不能得出结果，原因之一是传感器与待测表面耦合不良，很难接收到信号，从而使信号微弱；原因之二是微裂隙的存在使测试条件更复杂，所得信号质量不好，杂波较多，有用信号不突出，所以在检测之前，一定要对表面进行处理，用砂轮将待测点周围磨平，至少将“拉毛”层磨掉。

（2）传感器的设计
用于测厚的传感器必须具有较宽的频带范围，以适应不同厚度砼的检测。

另外，传感器还必须有适宜的灵敏度，使得有用信号突出，干扰信号减低到最低限度，从而提高信号质量，使测试结果更精确。

康科瑞公司研制开发了一种新型传感器，专用于砼路面厚度的检测。

（3） 冲击器的选择
对于不同厚度的砼板，其瞬态共振频率是不一样的:对于较厚的砼板，此频率值较低；对于较薄的砼板，此频率值较高。

应选择一种能产生相应频率应力波但又有足够的能量的冲击器，使得砼板能产生瞬态共振，接收信号较强且质量较高。

（4） 声速的测量
在冲击回波法测厚时，声速的测量也是至关重要的——声速越精确，所得的测厚结果就越精确。

在实际应用中，声速的测量有几种可行方法:
①通过在一已知厚度的区域内用冲击回波法确定混凝土的波速，然后用该波速检测结构的其它部位。

②直接用冲击回波法测量P 波波速来确定混凝土声速，此方法允许测量结构上任一点的波速。

③用超声平测法测量混凝土的声速。

混凝土结构表面开口裂缝深度检测
1检测依据
（1）《公路工程质量检验评定标准》（JTJ 071-98）
（2）《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）
（3）《公路路基路面现场检测规程》（JTJ 059-95）
2 技术原理
在混凝土结构表面裂缝一侧用震源敲击，产生应力波，如图5a 所示，应力波在结构中传播，当应力波波前遇到表面裂缝，会改变传播模式，如图5b 所示，沿结构传播的应力波波前被裂缝边缘反射，形成反射波P P c 少。

这样，位于裂缝另一侧的接收传感器不会接收到应力波引起的结构表面位移，当在结构内部传播速度最快的纵波波前遇到裂缝尖端时，会发生衍射，形成球形的衍射纵波(P P d )，
图5 纵波在表面开口裂缝中的传播示意图
如图5c 所示，首次到达接收传感器的应力波即为受裂缝尖端衍射的P P d 波。

如图5d 所示.。

P P d 波会引起结构表面质点明显的位移，其在时域信号表现为显著的振幅突变，混凝土结构表面裂缝深度的确定依赖于首次到达接收传感器的P P d 波。

表面裂缝深度贯穿公式：
22
3122)(H H t t C D p -⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+-⨯= 3 纵波速度的确定
（1） 直接确定法
纵波在介质中传播时，介质中粒子运动方向与纵波传播方向平行，但在介质表面，由于泊松比的作用沿表面传播的纵波，将产生垂直波传播方向的位移，因此，在冲击回波检测法中为确定纵波的速度，只关心沿表面传播的纵波.在混凝土结构构件表面震源附近布置两个间距已知的传感器，用于探测表面纵波，根据两个传感器纵波首次到达的时间差t 和两个传感器之间的间距L ，纵波在介质中的传播速度可表示为：
t L C p /= （2） 间接确定法
由于混凝土结构由水泥、粗骨料、细砂等为基材，因此混凝土结构中存在许多各相之间的界面、原生的胶孔、毛细孔及早期非受力变形所造成的位裂缝，因此，纵波在混凝土结构中衰减也较大，在传感器接收的时间一位移信号中纵波的到达不明显，需要放大许多倍以后才能确定纵波首次到达，容易造成较大的误差。

由于瑞利波的能量占震源辐射总能量的67%，占全部能量的2/3，在传感器接收的
时域信号中容易鉴定，如图7所示，根据纵波速和瑞利波速之间如下的关系，可推求纵波的速度：
[]2/1)21/()1(212.187.01μμμ
μ--++=R p C C 式中：μ为泊松比；t L C R /=；t 为沿表面传播的瑞利波首次到达两个传感器的时间差。

（4） 裂缝深度测试方法
开口裂缝的几何形状有：垂直于的、倾斜的及弯曲的。

在临近开口裂缝的混凝土表面激发应力波时，应力波的传播方式与实心混凝土有着明显的差异。

裂缝是混凝土/空气界面（有时是混凝土/水界面），它反射从冲击点向外传播的应力波。

冲击点和传感器的联线垂直于裂缝面的走向。

当知道裂缝到冲击点和裂缝到传感器的距离，并测得冲击点和P P d 波达到传感器的时间，就可以求得裂缝的深度。

这种方法被称为时间—路程法（简称时—距法）。

当用这种测量斜裂缝的倾角大于45°，可以用直接的冲击回波法更有效地确定裂缝的模式和位置，也就是说，来自裂缝面的反射就可以用来确定沿其轨迹方向的裂缝深度。

在确定斜或弯曲裂缝的深度时，有时需要多测试几次。

采用不同的冲击—裂缝和裂缝—接收传感器距离，进行一系列的测试，直到传感器2上到达的绕射波能够被清晰的识别。

采用冲击回波法测试开口裂缝深度的方法，由于其激发的应力频率较低（<20kHz ），克服了介质对应力波额散射和吸收影响，加上其测试装置的独特性，因此与超声波相比较就，它的适用面更广。

国外为模拟表面开展裂缝，在浇筑混凝土时把0.075mm 的塑料片插入混凝土中形成深度为0.15m 和0.23m 的模拟裂缝。

试验时，冲击点在裂缝的一边，接收器则在相对的另一边。

在实验室试验中发现，最佳的布置方法是冲击点和接收器与裂缝等距。

这距的距离大致等于裂缝深度的1/4~1/3。

冲击回波法通过分析应力波在混凝土中的传播过程，对回波信号中所含有的关于缺陷的特征信息进行分析，从而达到对缺陷进行识别的目的。

由于在时间域上，来自混凝土内部缺陷界面的各种反射波叠加在一起，难以识别，因此需要借助傅立叶变换将回波信号从时间域转换到频率域。

在频率域上，由于来自缺陷界面的各种反射波，在频谱图上以各自不同的频率及振幅分布，因此较易识别。

冲击回波法的核心是频率、厚度和速度三者之间的关系，即介=0.96CP/2T它是本方法进行板状结构厚度测试、灌浆孔道内部空洞测试及其它混凝土结构缺陷测试的理论依据。

另外，根据P一波绕射的特征，冲击回波法可以很好解决各类开口裂缝深度的测试问题，尤其对倾斜和弯曲裂缝，本方法克服了超声波法的局限性。

通过两个测试，得出如下几点主要结论：
1.冲击回波法在只有单一测试面的结构上进行厚度测试是相当有效的。

在精确确定P一波速度的前提下，厚度测量精度可以控制在1.8%(士3%)以内。

2.冲击回波法在开口裂缝深度测试中，应力波的激发与超声波相比，具有激发频率可调，而且是双传感器接收的特点，因此克服了混凝土对高频超声波的散射和吸收影响，在垂直、倾斜和弯曲裂缝深度的测试中，均取得了较理想的结果。

用冲击回波法检测混凝土板浅层缺陷时，应采用较小直径的钢珠，以获得较高的频率分量。