鋼管襯砌混凝土缺陷的沖擊回波法檢測(cè)

劉文昊，李 軍，楊建喜，賈海磊，潘文明

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029;2.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 510000)

混凝土已經(jīng)成為當(dāng)今世界上用量最大的建筑材料，全球一年的用量可達(dá)90億t，其具有原材料來(lái)源廣泛、成本低、性能可調(diào)整范圍大、施工工藝簡(jiǎn)單、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)[1-2]，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)之一。

自密實(shí)混凝土(SCC)是指具有高流動(dòng)性，利用自身重力完全填充、密實(shí)，不需要振搗且各向均質(zhì)性保持良好的混凝土，其在一些殼式結(jié)構(gòu)和薄壁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。近幾年，我國(guó)逐漸將自密實(shí)混凝土引入到鋼管襯砌中，但由于鋼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只依靠混凝土自身的流動(dòng)性很難實(shí)現(xiàn)全部密實(shí)，并且混凝土自身的收縮性可能會(huì)導(dǎo)致鋼管與混凝土接觸面產(chǎn)生脫空;澆注時(shí)，混凝土表面產(chǎn)生的氣泡也很容易生成蜂窩麻面[5]。這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力降低，影響工程質(zhì)量的安全。因此，有必要在投入使用前對(duì)鋼管襯砌混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢測(cè)。

在鋼管襯砌混凝土結(jié)構(gòu)中，相較于混凝土的內(nèi)部缺陷，混凝土與鋼管的界面脫空對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更大。因此，檢測(cè)重點(diǎn)應(yīng)在鋼管一側(cè)。目前用于鋼管襯砌混凝土質(zhì)量檢測(cè)的方法一般有人工敲擊法、超聲法、探地雷達(dá)法、沖擊回波法等，其中人工敲擊法要求檢測(cè)人員擁有大量的經(jīng)驗(yàn)，主觀性較強(qiáng)，難以制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；超聲法則一般需要兩個(gè)檢測(cè)面，而工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常無(wú)法滿足該要求，并且超聲波在鋼管襯砌混凝土中傳播時(shí)容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象[6]，也不能很好地估算鋼管混凝土中缺陷的大?。惶降乩走_(dá)法利用電磁波進(jìn)行缺陷檢測(cè)，電磁波在混凝土與空氣兩種介質(zhì)間的反射系數(shù)約為0.5，其反射效果遠(yuǎn)不如彈性波的明顯，且混凝土中預(yù)埋的鋼筋也會(huì)影響電磁波的傳播[7]。

文章選擇沖擊回波法進(jìn)行檢測(cè)，該方法要求被檢對(duì)象有一面可以進(jìn)行檢測(cè)即可。筆者通過使用掃描式?jīng)_擊回波測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鋼內(nèi)襯-自密實(shí)混凝土的物理模型進(jìn)行了檢測(cè)，得出缺陷大小和鋼板對(duì)結(jié)果的影響。

1 沖擊回波法檢測(cè)原理

1.1 彈性波

當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到外力作用時(shí)，其將在平衡位置附近振動(dòng)。由于質(zhì)點(diǎn)彼此聯(lián)系，某一質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)產(chǎn)生的能量可以傳遞給周圍的質(zhì)點(diǎn)并引起其振動(dòng)。這種機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程稱為彈性波。

按照質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向的關(guān)系，彈性波可以分為3種：P波(縱波)；S波(橫波)；R波(表面波)。S波的振動(dòng)方向?yàn)樗椒较?，P波的振動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较?，與質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向一致且波速最快[8]。因此，傳感器主要接收到的是瞬時(shí)沖擊產(chǎn)生的P波在結(jié)構(gòu)的上下表面或缺陷處重復(fù)反射的信號(hào)[9]。P波的波速v為

(1)

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；ρ為密度。

波阻抗Z的基本計(jì)算式為

Z=ρcA

(2)

式中：c為彈性波波速；A為截面面積。

彈性波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在界面發(fā)生反射和透射(見圖1)[10-11]。定義R為反射系數(shù)，T為透射系數(shù)，其計(jì)算式為

圖1 彈性波在界面的傳播示意

(3)

(4)

式中：c1，c2分別為彈性波在兩種介質(zhì)中的波速；Z1，Z2分別為兩種介質(zhì)的波阻抗；ρ1，ρ2分別為兩種介質(zhì)的密度。

由式(3)可知，波阻抗差越大，反射系數(shù)越大。常見材料的波阻抗如表1所示[12]。

表1 常見材料的波阻抗

由表1可知，與混凝土相比，空氣的波阻抗系數(shù)幾近為0。因此，彈性波在空氣與混凝土界面上的反射系數(shù)約為1，即基本不會(huì)發(fā)生因透射導(dǎo)致的能量損失。綜上，彈性波適用于混凝土與鋼板間脫空缺陷的檢測(cè)。

1.2 沖擊回波法

沖擊回波法于20世紀(jì)80年代由美國(guó)康奈爾大學(xué)的M. SANSULONE和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的N. J. CARINO提出。該方法的原理是利用一個(gè)很小的沖擊器(小球或沖擊錘)在結(jié)構(gòu)表面施加一個(gè)瞬時(shí)的力學(xué)沖擊，產(chǎn)生一個(gè)頻率較低的脈沖彈性波，該彈性波在結(jié)構(gòu)的上下表面及缺陷處來(lái)回反射，形成瞬時(shí)共振狀態(tài)[13]；利用安裝在沖擊點(diǎn)附近的傳感器接收共振回波，然后將時(shí)域范圍內(nèi)的沖擊回波信號(hào)通過FFT(快速傅立葉變化)轉(zhuǎn)為頻域曲線；分析該曲線，利用式(5)得出所測(cè)結(jié)構(gòu)的厚度，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。沖擊回波法檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 沖擊回波法檢測(cè)原理示意

(5)

式中：t為被測(cè)結(jié)構(gòu)的厚度；f為峰值處的共振頻率；β為修正系數(shù)，試驗(yàn)中β=0.96。

沖擊回波掃描頭在模型上敲擊一次，同時(shí)產(chǎn)生P波、S波、R波。時(shí)域圖中P波與R波的關(guān)系如圖3所示，可見，傳感器最先接收到的是R波，P波與其存在Δt的時(shí)間間隔。為了降低R波對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾程度，需要對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，讓正確的卓越頻率得到突出顯示[14]。

圖3 時(shí)域圖中P波與R波的關(guān)系示意

檢測(cè)過程中，缺陷尺寸d和深度T的關(guān)系對(duì)缺陷與底板可檢性的影響為[15]：① 當(dāng)d/T<0.3時(shí)，缺陷難以檢出；② 當(dāng)0.3≤d/T<1.5時(shí)，缺陷及底板可以檢出；③ 當(dāng)d/T≥1.5時(shí)，缺陷可以檢出，但底板無(wú)法檢出。

1.3 數(shù)據(jù)解釋依據(jù)

筆者依據(jù)波形、頻譜、厚度三維圖譜對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行解釋，綜合判定缺陷是否存在,若存在則進(jìn)一步分析其大小。

若混凝土中無(wú)缺陷，檢測(cè)數(shù)據(jù)的特征為：① 時(shí)域波形周期較短，持續(xù)時(shí)間較短[見圖4(a)]；② 頻譜分布集中，存在唯一的卓越頻率[見圖4(c)]；③ 三維圖譜中z方向上厚度分布較為均勻，顏色沒有明顯變化。

若混凝土中存在缺陷，檢測(cè)數(shù)據(jù)的特征為：① 時(shí)域波形周期較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，[見圖4(b)]；② 頻譜分布范圍較寬，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)次卓越頻率，[見圖4(d)]，對(duì)于同一個(gè)試件，缺陷越明顯，主頻率越低；③ 彈性波信號(hào)在缺陷處會(huì)發(fā)生反射及繞射現(xiàn)象，此時(shí)主頻率會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過波速標(biāo)定后，計(jì)算厚度會(huì)與實(shí)際厚度不同，三維圖譜中z方向上出現(xiàn)不同厚度的取值，不同范圍的厚度對(duì)應(yīng)不同的顏色，顏色越深表示厚度變化越明顯，即缺陷越大。

圖4 有無(wú)缺陷信號(hào)的時(shí)域波形與頻譜

2 沖擊回波試驗(yàn)

2.1 模型設(shè)計(jì)與制作

沖擊回波法檢測(cè)的對(duì)象主要是混凝土板或類似于板的薄壁結(jié)構(gòu)(厚度一般小于0.5 m)。筆者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作鋼內(nèi)襯-自密實(shí)混凝土的物理模型，采用C30級(jí)自密實(shí)混凝土制作缺陷板來(lái)模擬自密實(shí)混凝土層，尺寸為1.8 m×1.0 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬×厚，下同)，其配合比如表2所示[16]。鋼內(nèi)襯材料為Q235鋼，尺寸為1.8 m×1.0 m×0.02 m。在混凝土中預(yù)埋鋼化玻璃作為缺陷。

表2 C30級(jí)自密實(shí)混凝土的配合比

一般情況下，鋼板放置在已成型的混凝土板上，不可避免地會(huì)因接觸不密實(shí)而產(chǎn)生空隙。彈性波對(duì)脫空的檢測(cè)分辨率較高，因此，這些空隙會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。為了避免這種不利影響，也為了更好地模擬鋼管襯砌混凝土的澆注現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)將鋼板作為模具底板，使鋼板與自密實(shí)混凝土缺陷板一體澆注成型，很好地避免了空隙影響。鋼內(nèi)襯-自密實(shí)混凝土模型結(jié)構(gòu)及缺陷位置如圖5所示，澆注成型的模型實(shí)物如圖6所示，缺陷尺寸參數(shù)如表3所示(缺陷形狀均為圓形)。

圖5 鋼內(nèi)襯-自密實(shí)混凝土模型結(jié)構(gòu)及缺陷位置示意

圖6 澆注成型的模型實(shí)物

表3 缺陷尺寸參數(shù) mm

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用的設(shè)備為 IE Scanne型掃描式?jīng)_擊回波檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)組成如圖7所示。沖擊回波掃描描儀可以沿著每條檢測(cè)線收集數(shù)據(jù)(測(cè)試點(diǎn)間距為2.5 cm)，線性移動(dòng)速度可達(dá)0.3 m·s-1，一次可移動(dòng)距離達(dá)15 m?？紤]到缺陷的位置與規(guī)范要求，試驗(yàn)依次在鋼板和混凝土表面每隔25 cm布置一條測(cè)線，逐條進(jìn)行測(cè)試。為減小誤差和保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每條測(cè)線測(cè)試次數(shù)不少于3次。測(cè)試前有必要對(duì)鋼板表面進(jìn)行清理，保證表面平整并且不存在鐵銹等雜質(zhì)；混凝土表面較為粗糙時(shí)，可以用水做耦合劑。

圖7 IE Scanne型掃描式?jīng)_擊回波檢測(cè)系統(tǒng)組成

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

縱波在混凝土內(nèi)部的檢測(cè)精度受到很多因素影響，其中最主要的因素是波速。試驗(yàn)標(biāo)定模型的波速v=3 400 m·s-1。沖擊回波探頭在移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些滾動(dòng)噪聲，為了保證檢測(cè)精度，試驗(yàn)通過帶通濾波去除滾動(dòng)噪聲的頻率。檢測(cè)結(jié)束后可得到初始數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)整時(shí)域信號(hào)，可以使主頻率顯示更加突出。

通過試驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)掃描式?jīng)_擊回波測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)速度快，效率高，可用于大面積混凝土缺陷的快速檢測(cè)。

在鋼板側(cè)進(jìn)行檢測(cè)得到的缺陷處的時(shí)域波形、頻譜及混凝土模型厚度分布如圖8所示。由圖8可見，模擬鋼板與混凝土之間的脫空缺陷(缺陷A1與A2)可以被檢測(cè)出來(lái)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 鋼板側(cè)的檢測(cè)結(jié)果

圖8 鋼板側(cè)檢測(cè)得到的缺陷時(shí)域波形、頻譜及混凝土模型厚度分布

沖擊回波掃描頭自身存在一定的長(zhǎng)度，因此所測(cè)缺陷位置比實(shí)際預(yù)埋位置提前0.14 m左右。綜上，檢測(cè)出的缺陷位置與人工預(yù)埋的脫空缺陷位置大致相同。

缺陷A1的頻率低于A2的，A1處所的測(cè)厚度值要大于A2處的。由缺陷的厚度分布[見圖8(e)]可知，缺陷A1的厚度沿長(zhǎng)度方向的變化范圍與沿z軸方向(厚度方向)的厚度變化范圍均比A2的大，說明缺陷A1的尺寸大于A2的。這與模型設(shè)計(jì)方案相符。

試驗(yàn)中缺陷A3未被檢測(cè)到，為探究是否為鋼板的原因，筆者在模型混凝土板側(cè)重新進(jìn)行檢測(cè)?；炷涟鍌?cè)檢測(cè)得到缺陷的時(shí)域波形、頻譜及混凝土模型厚度分布如圖9所示。

由圖9可知，在混凝土板側(cè)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，缺陷A1與缺陷A3可被檢測(cè)到，結(jié)果如表5所示。

表5 混凝土板側(cè)檢測(cè)結(jié)果

圖9 混凝土板側(cè)檢測(cè)得到的缺陷時(shí)域波形、頻譜及混凝土模型厚度分布

由檢測(cè)結(jié)果可知，在缺陷大小相同的情況下，混凝土板側(cè)的檢測(cè)效果更明顯。將兩次檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，在鋼板側(cè)無(wú)法檢出缺陷A3，而在混凝土側(cè)卻能檢出相似埋深的缺陷A1，說明鋼板對(duì)彈性波的傳播存在不利影響，降低了檢測(cè)分辨率，導(dǎo)致缺陷A3無(wú)法檢出。在澆筑過程中，因混凝土側(cè)壓力較大，無(wú)鋼板側(cè)中部的混凝土出現(xiàn)略微鼓脹現(xiàn)象，厚度增大。

當(dāng)d/T<0.3時(shí)，難以檢出缺陷的存在。因此，在混凝土側(cè)無(wú)法檢出缺陷A2。

3 結(jié)論

(1) 鋼板對(duì)沖擊回波法的檢測(cè)結(jié)果存在影響，會(huì)使可檢深度范圍減小，檢測(cè)分辨率降低。

(2) 在相同環(huán)境下，埋深越淺的缺陷，越容易被檢出。

(3) 掃描式?jīng)_擊回波測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)速度較快，適合大面積鋼管襯砌混凝土缺陷的初測(cè)。

(4) 沖擊回波法可以實(shí)時(shí)觀測(cè)彈性波頻率和鋼管襯砌混凝土厚度的變化，能初步判斷缺陷的位置和大小。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為提高檢測(cè)精度，可將沖擊回波法與其他檢測(cè)方法相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)。例如先采用沖擊回波法對(duì)大面積混凝土的澆筑質(zhì)量進(jìn)行初測(cè)，然后通過中子法來(lái)進(jìn)一步確定缺陷的具體位置和大小。