（地质工程专业论文）冲击回波法在混凝土结构无损检测中的应用.pdf

摘要 本文针对冲击回波法在混凝土无损检测中的应用展开研究。 首先，对冲击回波法检测原理作了详细的介绍，论述了方法的核心关系式， 即频率、速度和厚度三者之间的关系，为现场测试提供了理论依据。 对只存在单一测试面的混凝土结构，用其它无损检测方法测试其厚度难以奏 效。本文结合p 一波速度测试技术和冲击回波方法，总结出精确测定混凝土结构 厚度的二步法。现场实际测试表明该方法对混凝土路面厚度的测定具有较好的测 试精度。 运用冲击回波法检测开口裂缝深度。由于激发的应力波频率较低，克服了混 凝土对应力波的散射和吸收作用，并采用双传感器接收绕射p 一波，达到了测试 各类开口裂缝( 垂直、倾斜和弯曲) 深度的要求。现场测试表明，该方法对了i i l ：口 裂缝深度的测试是相当有效的。 根据灌浆孔道施工的工程特点，研究设计了一套测试后张金属灌浆孔道内部 空洞的工作方案。现场实测结果表明，该方法能有效地确定空洞的位置，测试结 果同实际情况相吻合。 本文最后对应用冲击回波法测试厚度、开口裂缝及灌浆孔道内部质量检测进 行了总结，提出了有待进一步研究讨沦的问题。 【关键词】无损检测、冲击回波、厚度、开口裂缝、空洞 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t h l so fi m p a c t _ e d h om 武do ni l o n d e s 弧l c t 沁et e s t i n gf o rc 虻呲e s t n l c t l l r e sa r er e s e a r c h e di n l i sp a p e r f 破l y ，也ep r i n c i p l e so ft l l ei m p a c 沁c h om e t l l o da r ed e s 嘶b e di nd e t 矧s 1 1 1 e d o m i l l a t i n gr e l 撕o nmt h ei m p a c t - e c h om e t h o d ，i e ，t h er e l a t i o n 锄o n g 丘e q u e n c y ， s p e e da i l dt h i c l ( i l e s s ，i sd i s c u s s e d i ti st h e o r e t i c a lf b l l n d a t i o nf o rt e s t i n gi nf i e l d t h eo t h e rn o n d e s m l c t i v et e s t i n gm e t h o d sa r en o ts u i t a b l et om e a s u r et l l et h i c k n e s s o fc o n c r e t es t m c t u r e sw i t ho n es l l r f a c eo nw h i c hs n s s 、v a v ei sg e n e r a t e db yi m p a c t h o w e v e r ，t h ei i n p a c t e c h oj u s tb es u i t c d c o m b i i l i n g l et e c h n i q u eo fm e a s u r m g p w a v es p e e dw i t hi m p a c t - e c h om e t h o d s ，也ep r o c e d u r ef o rm e a s l l r i n gt h i c k n e s so f c o n c r c t ep a v e m e n ta c c u r a t e l y ，t 、o s t e pt e s tp r o c e d u r e ，i sd e s i g n e d t h er e s u l t so n m e a s 耐n gm i c k n e s so f c o n c r e t ep a v e m e n ts h o wt h a tt h ea c c u r a c yi ss a t i s f i e d t h ee 日e c t so fs c a t t e r i n ga 1 1 da b s o r b i n gf o rs t r e s sw a v ei nc o n c r e t es t r u c t u r e sa r e o v e r c o m e ，a st 1 1 ef 沁q u e n c i e so fs t r e s sw a v eg e n e r a t e da r er e l a t i v el o w a n dt h e d i f h a c t i v ep w a v e sa r er e c e i v e db yt w o 搬m s d u c e r s t h e r e f b r em ea i mo fm e a s u r i n g t h ed e p t ho fs u r f h c e o p e n i n gc r a c k ，i n c l u d i n gp e r p e n d i c u l a r ，i n c l i n e da n dc u r v e d ，i s a c h i e v e d t h em e a s l l r i n gr e s u l t si nf i e l ds h o wt h a tt t l e i m p a c t e c h om e t h o di s e 伍色c t i v ei nm e a s u r i n gt h ed e p t l lo fs u “h c e o p e n i n gc r a ck t a c c o r d i n gt ot 1 1 ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e “s t i c so ft h ei m p a c t e c h ot e c h n i q u ea n d t h e g r o u t e dt e n d o nd u c t ，t h et e s tp r o c e d u r ef o rv o i d si np o s t t e n s i o n e d 铲o u t e dm e t a l d u c t si sd e s i g n e d t h et e s t i n gr e s u l t ss h o w nm a tt h et e c h n i q u ec a nl o c a t et h ev o i d si n d u c t se 虢“v e l y a f t e rt l l ed u c t sw e r ec u to p e nf o ri n s p e c t i o n ，m er e s u l t sa r e c o i n c i d e m f i n a l l yt h ea p p l i c a t i o n so f t l l ei m p a c t - e c h oo nm e a s 血n gt h et h i c k n e s so f c o n c r e t e s t r l 】c m r e s 诵t 1 1o n es u a c ev o i d s ，t h ed e p t ho fs u 慨c e o p e n i n gc r a c ka n dl o c a t i n gt h e v o i d si np o s t t e n s i o n e dg r o u t e d ，a r ec o n c l u d e di i lt h i sp 印e r t h ep r o b l e m sn e e dt o r e s e a r c hi n 缸也e ra r eb r o u g h t k e y w o r d s ：n o n d e s m j c t i v e ，i m p a c t e c h o ，血i c k n e s s ，s u r f a c e - o p e n j n gc r a c k ，v o i d s i i 第一章绪论 1 1 引言 混凝土是现代建筑工程中最主要的结构材料之一。由于设计缺陷、施工质量 控制不严、自然灾害或结构老化等原因，混凝土结构在使用过程中不可避免地存 在如裂缝、蜂窝、孔洞、磨损和侵蚀等损伤，危及整个结构的安全，这已成为世 界范围内关注的问题n ，。 在过去的几十年问，一系列无损检测方法，如x 射线、y 射线、雷达、红外 热成象及声学法等，不仅在混凝十，而且在其它结构材料测试方面得到广泛的应 用”1 。声学法是最古老而应用最为广泛的无损检测方法。声学法基于应力波在 固体中的传播及反射规律。众所周知，用锤敲击物体并倾听振动的“铃”声来探 测物体内部是否存在空洞、裂缝或其它缺陷。根据应力波传播理论，按产生和 接收应力波的差异衍变出三种不同的测试技术，叩脉冲一速度法、共振法和回波 法。3 。这里我们仅限于在混凝土结构中用回波法探 测缺陷。 在回波法中，在测试面e 由传感器或机械敲击 引入一脉冲应力波。如果由传感器产生应力脉冲， 则该方法称为脉冲回波法；如果由机械敲击产生应 力脉冲，则该方法称为冲击回波法。图1 1 所示， 在脉冲回波法中，脉冲通过介质传播并在缺陷和密 度或弹性模量有差异的界面处反射。这些反射波 ( 回声) 由安装在脉冲源附近测试面上的第个传 囵 i 熊| 测试中的心用 感器接收，并由数据采集设备记录、分析和显示。 先从测试波形上确定脉冲的 传播时间，如果脉冲在介质中的传播速度已知，则脉冲的传播时间可以用来确定 缺陷或发射界面的位置。 从上世纪4 0 年代初开始介绍超声脉冲回波法以来，该方法已经得到广泛的 开发和应用“，对金属、塑料和其它均质材料来说，己成为种全面、可靠的 无损检测方法”1 。除了在检测薄层混凝土内部缺陷或测试薄层混凝土的厚度方 面有一定的限制外，超声波法以前在混凝土测试方面也缺乏成功的例子，这是因 为高频应力波( 以前通常为l o ok h z 以上) 被各向异性材料强烈地吸收掉了。 为了解决超声脉冲回波法中高频应力波被各向异性材料吸收的问题，八十年 代中期美国国家标准局( u s n a t i o n a lb u r e a uo fs t a n d a r d s ( n b s ) ) 发明了 冲击回波法，它是是一种对混凝土及砖石结构进行无损评估的声学方法“。 1 9 8 7 1 9 9 7 年，在美国康乃尔大学( c o r n e l lu n i v e r s i t y ) 得到进一步的开发。 在1 9 9 7 年1 2 月，美国材料测试协会( a s t m ) 发布了题为“用冲击回波法测定p 一 波速度和混凝土板状结构厚度的标准方法”“。 冲击回波法可以用来确定缺陷的位置和范围”“。常见的缺陷有裂缝、分层、 空洞、蜂窝及松散等，这些缺陷出现在素混凝土、加筋混凝土和后张预应力混凝 土结构中，包括板状( 混凝土板、路面、墙、墩) 、层板状( 包括沥青覆盖混凝 土层) 、梁和柱( 圆形、方形、矩形及截面为j 和t 形) 及空心柱( 管道、隧道、 矿井巷道衬砌、储油罐) 。冲击回波法c 叮以用来确定绝大多数类型的后张预应力 灌浆孔道巾空洞的位置“”。冲击回波法可以测量混凝土板的厚度，精度优于百分 之三“。冲击回波法可以直接确定同混凝土路面下方路基中的空洞。冲击回波法 还可以用来确定山砂浆黏结的砖石结构的厚度或确定裂缝、空洞及其它缺陷的位 置1 。 恰当地使用冲击回波法，在各种类型的混凝土结构( 如高速公路路面、桥梁、 大型建筑物、隧道、大坝、管道、海堤等) 中确定缺陷的位置将会非常成功。其 结果会产生很可观的经济效益，如在桥梁、水库大坝、挡士墙及其它大型机构物 的维修翻新中，至少会节省数百万的费用。 冲击回波法并不是一个对混凝土和砖石结构进行盲目测试的“黑匣子”系统， 通常它会告诉你结构内部的实际情况。在工程质量控制应用方面，如新建高速 公路路面厚度测试，冲击回波法在识别和量化受怀疑的结构内部缺陷方面是非常 成功的。另外，在结构的预防性维护方面，如在探测桥墩内部分层缺陷的例行评 估中，也是非常成功的。在以上各类成功的应用方面，冲击回波法的目标非常 明确，就是集中在裂缝、空洞或分层的定位，以及确定混凝土板的厚度或检测后 张预应力灌浆孔道中的空洞。经验表明完全理解冲击回波法和掌握被测结构物的 信息是现场测试成功的二个基本要素。 冲击回波法从发明到在不同场合的应用，尽管其经历的时间相当短暂的，但 却是相当成功的。 上世纪7 0 年代初，冲击回波法开始用于深基础的完整性测试，如桩基完整 性检测。用锤子激发低频应力波( 低于lk h z ) ，这样的应力波可以用来确定桩 长”1 。上世纪8 0 年代初，美国国家标准局的研究工程师们采用小钢球短持续时 间的机械冲击来激发较高频率的应力波，作为测试诸如板状混凝土结构的应力波 振源1 。研究发现仔细选择钢球的直径就能产生频率高达8 0k h z 的应力波，应 力波通过混凝土结构传播并在缺陷和界面上出现反射。为了同采用传感器产生应 力波的脉冲回波法有所区别，美国国家标准局的研究人员称其为冲击回波。上世 纪9 0 年代中，冲击回波法又被推广应用到砖石结构的检测”。 1 2 冲击一回波法及其应用 冲击回波法的原理是由弹性冲击产生的瞬时应力波理论，方法见图1 2 。 由钢球短促敲击混凝土表面，产生低频应力波( 8 0k i z 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记录下来，产生电压一时间信号，即波形。经f f t 变换剑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。 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一 时问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。 出现在图例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、i 形 及t 形粱，空心柱等。冲击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。 冲击一回波法的用途：沥青及水泥路面等板状体厚度的测定；表面开口裂缝 深度的测定；后张法预应力管道灌浆密实度的测定；隧道衬砌厚度、内部缺陷的 测定；隧道衬砌同围岩的粘结质量的测定；板状体内部裂缝及空洞的测定；层与 层之间孔隙及粘结质量的测定；沥青覆盖层粘结质量的测定等。 图i 2 冲击一例波法原理简图 1 3 本文研究的主要内容 本文主要就冲击一回波法的原理及应用展开研究，主要作了以下几个方 面的工作： ( 1 ) 综合介绍了冲击一回波法的发展历史、方法特点及其在混凝土无损检 测方面的应用。 ( 2 ) 全面、完整地讨论了冲击一回波法的原理，为混凝土现场检测提供了 理论依据。 ( 3 ) 根据冲击一回波法的核心原理厚度、频率和速度关系，结合工程 实例，讨论了混凝土路面厚度测试的具体方法，并对测试结果进行钻孔取芯验证。 ( 4 ) 根据冲击回波法自身的特点，结合工程实例，讨论了如何测试各种 类型混凝土开口裂缝深度的现场测试方法，并对测试结果进行钻孔取芯验证。 ( 5 ) 后张法预应力钢绞线灌浆孔道内部空洞探测是一个前沿性的课题，冲 击一回波法对金属孔道能取得满意的测试结果。经现场实测表明，冲击一回波法能 区分完全灌浆、未灌浆( 部分灌浆) 的情况，并经切割、开凿得到验证。 ( 6 ) 讨论了冲击一回波法在混凝土厚度、混凝土开口裂缝深度测试及后张 法预应力钢绞线灌浆孔道内部空洞探测方面取得的检测结果，采用冲击回波法 4 均能取得满意的检测效果。同时也指出冲击回波法对部分灌浆的情况，还没能 作到定量分析，仍需要作进一步的研究。 第二章冲击回波方法原理 2 ，1 概述 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r a y l e i 曲波，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。 2 2 冲击回波方法原理 2 2 1 应力波的激发 应力波可以由任何机械碰撞力如压电传感器等来激发。在冲击回波测试中， 应力波是由直径3 5 m m 的小钢球冲击混凝土结构面产生的。产生的应力波与三 个重要参数：冲击接触时叫t 。、钢球直径d 和钢球冲击动能有关瞄】。 冲击力随时问的变化，即力一时问函数，c 叮用半正弦曲线表示，图2 1 。冲击 接触时间t 。是很短暂的，大概在】5 1 0 0 us 。 图2 l 冲击力时间函数 在冲击过程中，球的一部分动能转化为在混凝土内部传播的弹性波能，产生 应力波的质点位移与冲击力成正比。冲击接触时间t c 是球直径的线性函数，同动 能关系不大。设小钢球从高度为h 处自由下落到平直的混凝土板上，则冲击接触 6 时涮t 。近似为 = 半 ( 2 1 ) 2 矿 【2 1 ， 通常h 为o 2 4 m ，因此h 0 1 为o 8 5 1 1 5 【2 3 1 。这样冲击接触时间t c 落高h 的关 系不大，可以忽略。从而导出冲击接触时间t c 同钢球直径之间简单的线性关系： t c = o 0 0 4 3 d ( 2 2 ) 由冲击产生的应力波，含有丰富的频率成分，而这些频率成分取决于冲击的 力一时间函数。经验表明，对于冲击回波测试，频率在1 2 5 t c 以内( 阴影部分) ， 应力波的振幅已经足够了。 定义有用能量的最大频率f m 。x = 1 2 5 t 。，将公式( 2 2 ) 代入得到f m 。同钢球 直径之间的关系： 厶。= 等 ( 2 3 ) 这里。的单位是h z ，d 的单位是m 。 根据公式( 2 3 ) 计算，发现直径为3 m m 的钢球产生的有用频率高达9 7k h z ， 而直径为2 0m m 的钢球产生的有用频率只有1 5k h z 。如果波速为4 0 0 0i i l s ，对 应的最小波长分别为4 1 和2 6 7 m m 。见表2 1 。 表2l 最大额率瞄同钢球直径、波长之间的关系 钢球直径( m m ) 最大频率f 孟。( k h z ) 波长( m m )波速( m s ) 39 74 14 0 0 0 64 78 34 0 0 0 1 61 82 2 24 0 0 0 2 01 52 6 74 0 0 0 7 图2 2 冲：打球的力一时间函数 a ) 球径6 m m ( b ) 球径1 6 m m 钢球直径直接影响冲击接触时间t c 和最大有用频率。图2 2 钢球直径分 别为6m m 和1 6i n m 的力一时1 1 ；i j 函数。图2 3 钢球直径分别为6m m 和1 6 聊激 发产生的频率覆盖和最大有用频率。 图23 比较球径分别为6m m 和1 6i 砌激发产生的频率覆盖和最大有用频率 我们发现，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。6m m 直径的钢球产生的最大有用频率 为4 7k h z ，而1 6m m 直径的钢球产生的最大有用频率仅为1 8k h z 。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。在实际测试中，发现用于冲击回波测试的最小有用钢球的直 径大约为3 m m 。 r 2 2 2 应力波的传播 2 2 2 1p 一波、s 一波和r 一波 在p 波的波前面上质点的振动方向同波的传播方向平行，从而产生压缩或 拉伸应力。在s 一波的波前面上质点的振动方向同波的传播方向垂直，从而产生 剪切应力。r 波沿固体的表面传播，其特征为振动是个椭圆。由冲击产生的应力 波中，p 一波和s 波进入固体内部沿球面波前传播，而r 一波则在固体表面放射状 地向外传播。三类波璎的传播方式见图2 | 4 。 l m 、l 1r i、 j 隆i 。7 j ”j jj 塾，爹? u 一? 裂、8 。“ ：一，飞。 k 一 。 誓 。 i ，夕y i 、 j ， 图24 冲击产生的成力波示意网 2 2 2 2 波速、频率和波长 在各向同性、半无限的弹性固体介质种，波的传播速度是杨氏模量e 、密度 p 和泊松比v 的函数。p 一波和s 一波在介质中传播速度以如下公式表示： ( 2 4 ) ( 2 5 ) 这里e 为杨氏模量，p 为密度，v 为泊松比，c p 和c s 分别为p 一波和s 一波 在介质中的传播速度。 p 波的传播速度最高，依次为s 一波和r 一波。对常规强度的混凝土，p 一波速 度为3 0 0 0 5 5 0 0 州s 。从公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 发现，p 一、s 和r 一波之间的速度 9 揣焉 q c 比仅仅与泊松比v 有关。 设泊松比v = o 1 8 ，c s c f 0 6 2 ，c r c f 0 ，5 7 。 同其它物理学上的波一样，应力波同样遵守波传播的基本公式： c = f ( 2 6 ) 这里c 为波速，f 为频率， 为波长。 设波速为4 0 0 0 耐s ，在频率l k h z 和l m h z 之间，选择几个频率和对应的波长， 列表2 2 。 应力波同介质内部缺陷之间的相互影响完全取决于波长和缺陷大小、深度之 闻的关系。通常，波k 为 的应力波i 叮以被大于或大约等于 的缺陷所反射，但 对那些更小的缺陷就没有反映。换言之，氏度为e 的缺陷可以反射波长小于等于 e 的应力波，但对那些波长更人的应力波就没有反映。 表22 波速为4 0 0 0 “s 时，频率和波速表 频率( k l z ) 波氏( m ) 14 o l oo 4 5 0o 2 1 0 00 0 4 5 0 0o 0 2 1 0 0 00 0 0 4 混凝土内部含有许多小的缺陷，如胶结料和集料之间的微裂缝、气泡等，其 大小一般只有几厘米或更小。波长5c m 以下的应力波( 频率在8 0k h z 以上) 会 由于混凝土内部的不均匀性而发生散射，穿透能力受到限制；而波长5c m 以上 的应力波( 频率在8 0k h z 以下) 就能穿透。小钢球冲击混凝土表面产生的应力 波，其波长通常为5 厘米到几米，这个波长范围的应力波适于探测混凝土结构 中的缺陷，如裂缝、分层、空洞、松散等。 1 0 2 2 _ 3 分界面上应力波的反射和折射 所谓分界面就是具有不同声学性质的两种材料的交界面。两种材料可以是非 常类似，如原有混凝土结构上的混凝土补丁；也可以是差异很大，如混凝土空 气界面。应力波在界面上的状态取决于混凝土的声阻抗z ( 密度与速度的乘积) ， 更确切地浇，取决于两混凝土介质的声阻抗差。当应力波传播到具有不同声阻抗 的混凝土界面时，应力波就会发生反射和折射。 2 2 3 1 应力波在固体空气界面上的反射 在考察和讨论p 一波的多次反射中，设由冲击产生的初始波为p ，一次反射为 2 p 等，以此类推。图2 5 为p 波通过块板的反射，其反射类型类似于镜面反 射。 幽25 扳中球面波的反射：( a ) 冲- f i 产生的初始p 一波( b ) p 一波入射到板的底面 ( c ) 板底面p 一波反射( 2 p ) ( d ) 板顶面p 一波反射( 3 p ) p 波也可以描述为沿射线路径传播，其反射的几何路径类似于光线。见图2 6 。 图2 6 p 波反射的射线路径 2 2 3 2 应力波在固体固体界面上的反射和折射 由于在固体空气界面上，几乎所有的入射波能量均被反射，因此不需要考 虑折射。然而在固体固体界面上，一部分应力波被反射，一部分被折射。为简 单起见，假定p 波的传播方向垂直于界面，这样反射和折射波的振幅只取决于 两介质的声阻抗差。反射p 波和折射p 一波的振幅a r e n 。e d 和a r 。曲。删由公式( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 给出。 气刊，等骞 亿， w 3 4 彘 ( 2 8 ) 这里z i 、z 2 分别为介质l 和介质2 的声阻抗，a 入射p 一波的振幅。a r e 玎。州和 a 之比即反射系数r ： r = 生坠! ! 型= 兰! 二兰，( 2 9 ) 4z 2 + z l 下面分三种情况讨论z i 、z 2 之间的关系。 ( a )z 2 z l 当z 2 同z l 相比，变得很大，a r 印。t c d 于a i ，a r 。丘a 。t e d 于2 a i 。即反射波的振 幅接近于入射波的振幅，折射波的振幅接近于入射波的2 倍，反射波和折射波均 没有相位的改变。在冲击回波测试中，当第一种介质为混凝土，第二种介质为钢 时，就出现这种情形。当混凝土结构中有钢筋或钢绳存在时，这种情形对测试结 果的解释是非常有用的。通常钢的声阻抗为一般强度混凝土的5 6 倍。 当第二种介质为岩石，其声阻抗远大于混凝土时，这种情形也会出现。 ( c ) z 2 和z l 相等或几乎相等 假如z 2 = z l ，则a r e n 。t e d = o ，a r 豳。删= 1 。在混凝土补丁或同混凝土接触的岩 石( 其声阻抗同混凝土接近) 时，就会出现这种情形。在这样的情形中，所有或 几乎所有的应力波能量均会穿过界面传播。只有在松散或裂缝的界面上才会出现 反射。对于冲击回波测试而言，只有当反射系数大于o 2 4 ，由反射波引起的质点 位移的相对振幅才有意义2 5 假如z 2 一z 1 o ，应力波经反射后其相位发生改变，质点的运动方向发生反转， 朗压缩波反射为拉伸波，拉伸波反射为压缩波。用冲击回波探测缺陷依赖于探测 两界面问由p 一波多次反射引起的共振。反射波相位发生改变有三种可能情形：( 1 ) 在两个反射界面都不发生改变。( 2 ) 在其中的一个反射界面发生改变。( 3 ) 在两 个反射界面都发生改变。在冲击回波测试中，反射界面之一是冲击而，即混凝土 空气界面( z 2 一z l o ) ，相位发生改变。因此我们感兴趣的是情形( 2 ) 和( 3 ) 。 这二种情形的差别见图2 7 。 在情形( 2 ) 和( 3 ) 中，p 一波的性质有很大差别。尽管由冲击产生的原始 p 一波都是压缩波，但在图2 7 ( a ) 中，抵达冲击面的p 一波都是拉伸波，而( b ) 中抵达冲击面的p 波是压缩波和拉仲波交替出现。拉伸波的抵达在界而上产生 向内的位移，而压缩波的抵达在界面卜- 产生向外的位移。在两个混凝上空气界 面之i 瑚的反射波在冲击而上产生连续的向内的位移，而在一个混凝土钢和一个 混凝土空气界面之间的反射波在冲击面上产生连续的位移是向外和向内交替出 现。第一种情形是最常见的，由于内部缺陷通常是混凝土空气界面，其它外表 面通常是混凝土空气、混凝土水或混凝土土，z 2 7 0 i 眦的有2 8 个，占总数的6 6 6 7 ，已经越过上面层，对中下面层构成水侵， 有必要对该路段进行翻新。 裂缝深度归类表4 2 深度范围( m ) 1 5 0 数量96652 占总数 2 l41 4 31 4 31 1 94 8 4 4 小结 采用冲击回波测试开口裂缝深度的方法，由于其激发的应力波频率较低( 2 0 k h z ) ，克服了介质对应力波的散射和吸收影响，加上其测试装置的独特性，因 此与超声波相比较，它的适用面更广。 4 7 第五章后张法灌浆孔道内部空洞测试 工程实例三 5 1 概述 在混凝土结构中使用后张钢绞线已经相当普遍。但是旦用于保护钢绞线而 灌注在钢绞线孔道中的水泥浆，其内部出现空洞，则对后张结构会产生严重的后 果。灌浆不充分会让水侵入孑l 道，引起钢绞线腐蚀，导致结构失效。在世界各地 均有因钢绞线腐蚀而出现桥梁垮塌的事故。在上世纪8 0 年代，英囡就曾出现过 类似的桥梁垮塌事故。 冲击回波可以检测大多数情况( 但不是全部) 的灌浆孔道中是否存在空洞 【4 】 3 6 】。冲击回波是否可用，取决于结构的儿何形态、钢绞线孔道的位置及排列。 跟其它类型的缺陷一样，钢绞线孔道中小的空洞，可能因为太深而不被检测到。 有时，由于多个孔道复杂的排列，如在“p 字形梁中法兰处，则很难探测到空洞。 除此之外，大部分结构中的空洞能被成功地探测到，从而让工程师们得出有关孔 道密实性情况的结论。就冲击回波而言，在探测孔道灌浆中是否有空洞，目前仅 局限于金属孔道。 有效使用冲击回波法探测孔道灌浆中是否有空洞的前提是：首先要确定孔道 的位置。通常用钢筋定位仪可以确定孔道位置。一黾知道了孔道的位置，就可以 沿孔道的走向作冲击回波测试来寻找空洞粥】。 5 2 理论依据 5 2 1 灌浆钢绞线孔道 图5 1 是一张有关灌浆孔道的横截面照片，孔道四周是混凝土，孔道内部为 充满水泥浆的钢绞线。尽管该结构中存在许多固体固体界面，但冲击回波对它 们的响应相对简单并易于解释。 5 2 1 2 金属孔道 在后张结构中所用的钢绞线孔道通常为厚约1 l i i l 的钢制波纹管，孔道内部 未被钢绞线占据的空间由水泥浆充填，水泥浆的声阻抗接近于混凝土。由于管壁 相对于应力波的波长而言，显得很薄，而且高声阻抗的钢管处在两低声阻抗材料 ( 混凝土和水泥浆) 之间，所以应力波可以穿过管壁传播，即管壁是“透明”的。 4 r 。 因此在冲击回波测试中，不会检测到薄壁金属管。以此相反，塑料管由于其声阻 抗低于混凝土和水泥浆，所以是“不透明”的。因此，测试塑料管内部的空洞就显 得相当复杂。 图5l 灌浆孔道的横截面照片 5 2 3 冲击回波在完全灌浆的钢绞线孔道上的响应 来自水泥浆钢界面的p 波多次反射，其频率f ：c p ，4 d 。在完全灌浆的孔道中， 一组钢绞线的频率响应可以用最靠近测试面的钢绞线来预估。同单根钢筋的情况 相比，后张钢绞线的频率响应要比预估值仁c p 4 d 要稍高一些。 p 波除了在孔道中的钢绞线上反射外，还通过孔道折射，并在板的另一面反 射。由于混凝土和水泥浆的p 波速度很接近，加上钢绞线的截面又很小，因此完 全灌浆的钢绞线孔道，其冲击回波响应跟无孔道的实心板是一样的。为说明这一 点，图5 t 2 为2 5 0 m m 厚的无孔道实心板的冲击回波响应；图5 3 为2 5 0 m m 厚 的完全灌浆孔道冲击回波响应。这里混凝土波速度均为4 0 6 0 耐s ，则板的厚度频 率f f ：o 9 6 c p 2 t = o 9 6 ( 4 0 6 0 l s ) 2 ( o 2 5m ) = 7 8k h z 。 比较实心扳的冲击回波响应，孔道为8 5l 砌深的板，其冲击回波响应见图 5 3 。来自孔道内钢绞线的响应要比预估值f s t = c p 4 t = ( 4 0 6 0 州s ) 4 ( o 0 8 5m ) ：1 1 9 k h z 要稍高一些。 4 9 。阿 引l b 糠 幽52 为2 5 0m m 厚的无孔道实心板的冲击吲波响成 ( a ) 横截面( b ) 波形( c ) 频谱 在波形上，我们可以看到，其频率明显要比无孔道实心板的要高。在频谱图 。卜，主峰为7 8k h z ，即板的厚度频率，这同实际实心板的一样，没有变化。第 二二个峰在1 4 2k h z 处，它是钢绞线的响应，比预估值1 1 9k h z 高一些。 图5 3 为完全灌浆钢绞线孔道板的冲击回波响应 ( a ) 横截面( b ) 波形( c ) 频谱 5 0 5 2 4 冲击回波在未灌浆的钢绞线孔道上的响应 假如图5 3 中的孔道未被灌浆，则p 波反射来自于固体空气( 或固体水) 界面。来自空洞的p 波反射，其频率预估值f v o i o 9 6 ( c p ) 2 t = o 9 6 ( 4 0 6 0 n 以) 2 ( o 0 8 5m ) = 2 2 9k h z 。图5 4 未灌浆钢绞线孑l 道板的冲击回波响应。 在波形上看，其频率更高。在频谱图卜，有两个明显不同于图5 3 的峰值频 率。板的厚度频率，由于空洞的存在，向下偏移到5 9k h z 。在2 1 5k h z 附 近，有一簇来自于孔道内部空洞反应的频率峰值。在这种情况，并没有检测到钢 绞线的存在。因为应力波没有进入孔道传播，而是通过固体空气界面反射。 我们注意到：来自未灌浆孔道的p 波反射频率约为完全灌浆的2 倍。这是区 分孔道中是否有空洞的关键证据。 5 2 5 冲击回波在部分灌浆的钢绞线孔道上的响应 孔道部分灌浆的情况很常见，图5 5 所示。这种情况的冲击回波响应取决于 空洞的大小、方向及位置。假如空洞位于钢绞线和冲击面之间( a ) ，则p 波将 在混凝土空气界面反射，其冲击回波响应同未灌浆孔道的一样( 图5 4 ) 。然而， 假如结构的方向和冲击面发生改变( b ) ，则小的空洞就不会被探测到。另一种情 况( c ) ，应力波会在空洞和钢绞线上反射，从而导致冲击回波响应更加复杂。 训 一 一 一 图5 5 部分灌浆孔道发测试方式 大多数情况，空洞的存在会导致厚度频率向下偏移，这是空洞存在的标志。 部分灌浆同完全未灌浆是可以区分丌来的，这是因为其厚度频率的偏移要比完全 未灌浆的要小。除此之外，由于其尺寸相对较小，在冲击回波频谱上，其峰值频 率f v 。d 常不明显，幅值也没有完全未灌浆的那样大。 孔道中最小能被探测到的空洞尺寸为：尺寸深度比等于1 4 。假如尺寸深度 比大于l 3 ，则能被清楚地识别。 5 2 6 后张法预应力孔道冲击回波响应汇总 图5 6 为单根孔道板的冲击回波响应。 其中：( a ) 实心板 ( b 1 完全灌浆孔道板， f c ) 存在空洞的灌浆孔道板。 这是我们探测孔道中是否存在空洞的理论依据。 我们可以用这三种基本响应去解释后张结构的冲击回波响应。 图56 三种后张法预应力孔道冲击回波响应： ( a ) 实心板( b ) 完全灌浆孔道板( c ) 存在空洞的灌浆孔道板 5 3 现场测试实例 图5 7 为某高速公路桥梁中的后张悬臂梁正视图。悬臂梁腹部厚0 2m ，长 3 7 7m 高1 0 7 至1 8 3m 。测试区孔道深度为7 0 至8 0 m m 。 图57 后张悬臂梁：( a ) 悬臂梁正视图( b ) 测试区孔道位置剖面 5 3 1 现场测试流程 亟 l 在已知厚度的实心板上作冲击回波测试 确定混凝土的p 波速度 刖钢筋定：位仪确定 钢绞线孔道酷 中心线及走向 预估来自钢绞线和空洞的 p - 波反射频率 r 在j l 道的中心线位置 作冲击回波测试 分析测试结果 确定灌浆空洞情况 选择可疑测试点 对孔道切割、开凿检验 5 3 2 测试结果 5 3 2 1p 波速度的确定 图5 8 为在梁的实心部分作的冲击回波频谱。在频谱图上只有一个大的单 峰，其峰值频率，即厚度频率f f l 0 - 3k h z 。根据厚度频率计算公式即可求得p 波速度c p - 2 t f t 0 9 6 = ( 2 ) ( o 2 0 m ) ( 1 0 3 0 0 h z ) 0 9 6 = 4 2 9 0 州s 。 ( b j ! f e q u e 眦yk hz 目58 在厚度为2 0 0m m 悬臂梁崾部的冲击l = l | 波结果( 日) 剖面图( b ) 频谱图 5 3 1 2 2 钢绞线和空洞的p 波反射频率预估值 知道了p l 波在混凝土中的传播速度c p ，则可以预估来自钢绞线和空洞反射 的p 波频率。在深度为7 0 一8 0m m 处的钢绞线，其p 波反射频率p 4 d = 1 3 1 5 k 王z ；而在同样深度的空洞，其p 波反射频率。d = o 9 6 c p 2 d = 1 6 2 9k h z 。实际 卜来自钢绞线的p 波反射频率( 1 6 6k h z ) 要稍高于预估值，见图5 9 。 图59 完全灌浆孔道的冲击刚波测试结果( a ) 测试位置梁的剖面( b ) 频谱 5 3 1 2 3 完全灌浆孔道的冲击回波测试结果 图5 9 ( a ) 为冲击回波测试位置梁的剖面( a a ) ， ( b ) 为测试结果 频谱。在频谱图上，除了对应于实心板厚度频率f f ：1 0 3k h z 外，还有一个峰值 频率= 1 6 6k h z ，对应于钢绞线的p 一波反射。这表明孔道是完全灌浆的a 经 切割、开凿检验，确认该处孔道是完全灌浆的，见图5 1 0 。 图5 l o 完全灌浆照片 5 3 2 4 未灌浆孔道的冲击回波测试结果 ； 誊 薯_ 泽。_ i 图5 1 i 来灌浆孔道的冲击回波测试结果( a ) 测试位置粱的剖面( b ) 频潜 ，二， ：。 l ，坶 ijj二二” 一 llhi0 o p口jll-矗 圈5 1 2 来灌浆照j 图5 1 l ( a ) 为冲击回波测试位置梁的剖面( a a ) ，( b ) 为测试结果一一 频谱。在频谱圈上，可以看至有一圆滑的峰，其频率。i 2 6 9k h z ，正好处于孔 道内空洞p 波反射频率范围内。另外，频谱中还有个最高峰f t ，。e d = 4 - 4 k h z ， 它是由于空洞的存在，厚度频率向下偏移的结果。经切割、丌凿检验，确认该处 孔道未灌浆，而且孔道内钢绞线已被腐蚀，见图5 1 2 。 5 3 2 5 部分灌浆孑l 道的冲击回波测试结果 图5 1 3 ( a ) 为冲击回波测试位置梁的剖面，( b ) 为测试结果频谱。在 频谱图上，有一对应于孔道内空洞的p 波反射，其频率f v o i d = 2 5 9k h z 。另外， 频谱中还有一个最高峰矗。h m 耐= 4 4k h z ，它是由于空洞的存在，厚度频率向下偏 移的结果。经切割、开凿检验，确认该处孔道只被灌了l ，2 ，见图5 1 4 。在这种 情况部分灌浆孔道足够大，冲击回波较易识别。但它不能同图5 1 l 中未灌浆的 情况区分开来，这一点需要作进一步的定量研究。 图5 1 4 部分灌浆照h 5 4 小结 冲击回波法能有效地确定金属孔道灌浆内部空洞，能区分完全灌浆、未灌浆 或部分灌浆。但对于部分灌浆的情况，还需要作进一步的定量分析。 对新建和在建桥梁，用冲击回波法确定金属孔道灌浆内部空洞，有助于公路 工程质量的预控。 5 8 第六章结论与展望 混凝土是一种典型的多相复合体系，各相随机地交织在一起，形成极为复杂 的内部结构，因此检测其内部结构缺陷成了无损检测中的一大难题。如何根据混 凝土的特殊性，设计一套行之有效的无损检测方案，是获得可靠的第一手现场测 试数据的前提。本文就冲击回波原理及其在混凝土无损检测中的应用作了较为详 细的阐述。通过厚度测试、开口裂缝深度测试及后张法灌浆孔道内部空洞测试三 个实例，对冲击回波法的实际检测能力及效果进行探讨。 6 1 结论 冲击回波法通过分析应力波在混凝上中的传播过程，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，即厶：尘萼 。 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。 通过三个现场测试实例，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 ( 3 m m ) 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。 3 后张法预应力孔道内部空洞的测试，在无损检测领域一直是个难题。冲 击回波法根据在钢绞线和空洞上p 一波的反射特征，能沿孔道的走向确定孔道 内部是否有空洞存在。通过现场实际测试表明，冲击回波法能准确地识别孑l 道完全灌浆、未灌浆或部分灌浆等情况。 5 q 6 2 展望 混凝土本身，由于其组成材料的复杂性和外界环境及边界条件等因素的不确 定性，使得运用冲击回波法检测混凝土结构内部缺陷存在许多困难，制约了该方 法的广泛应用。要克服这些限制，尚需作进一步的研究。 1 冲击回波法检测混凝土缺陷具有一定的适用性和准确性。但在现场测试 过程中发现，接收点和冲击点的位置对测试结果具有较大的影响；冲击能量的控 制和冲击所激发的应力波频宽，对测试分辨率有较大的影响。如何e 确、定量地 选择和控制这些参数，应该根据