冲击回波法测量混凝土厚度
陈卫红 张立平 张伟民
[摘要]冲击回波法是基于瞬态应力波应用于无损检测的一种技术，它可以探测结构砼厚度。本文阐述了该方法的基本原理及在检测中应注意的若干问题，并列举了一些工程测
试的实例。
关键词：冲击-回波法 应力波 厚度
一、 前言
目前，许多混凝土结构，如路面、机场跑道、底板、护坡、挡土墙、筏型基础、隧道衬砌、大坝等，只存在单一测试面，而从事砼结构评估、修补工作的工程师们往往对以上结构砼的厚度比较重视，因为这些结构砼的厚度如达不到设计要求，将会影响结构的整体强度及其耐久性，造成工程隐患，甚至引起严重工程事故，所以用无损检测方法测试结构砼的厚度是有重要意义和实用价值的。
为了检测只存在单一测试面的结构砼的厚度及其内部缺陷，国际上从八十年代中期开始研究一种新的无损检测方法--冲击回波法。冲击-回波法应用于砼构筑物无损检测，具有简便、快速、设备轻便、干扰小、可重复测试等特点。
二、 冲击回波法原理
冲击回波法利用一个短时的机械冲击（用一个小钢球或小锤轻敲混凝土表面）产生低频的应力波，应力波传播到结构内部，被缺陷和构件底面反射回来，这些反射波被安装在
冲击点附近的传感器接收下来（如图1所示）并被送到一个内置高速数据采集及信号处理的便携式仪器。将所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[4]：
（2）式中，b为声速修正系数；VP为声波在砼中的传播速度；f为频谱分析得出的峰值频率。
图1 冲击-回波法原理图
三、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。为此，我们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： 佂ü谝灰阎穸鹊那蚰谟贸寤?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。?直接用冲击回波法测量P波波速来确定炷辽伲ㄈ缤?所示），此方法允许测量结构上任一点的波速。?用超声平测法测量混凝土的声速（如图2所示）。在混凝土结构中不同部位的波速往往是变化的，或者在某些情况下其厚度未知，还得进行取芯，所以第一种方法不太可取；用第二、三种方法测得的声速值比较接近，一般测试时优先采用第二种方法，除非条件不具备，再考虑采用其他两种方法。
四、 测试结果及工程实例
1） 砼板厚度检测
为了研究冲击回波法，我们在试验室制作了厚度为100至500mm的混凝土板模型，在每种模型上布置多条测线，我们同时采用两种方法--超声平测法和直接测取P波法对声速进行了测量，我们发现这两种方法测出的同一条测线的声速值比较接近。测量声速后，我们在每条测线的多个测点上进行厚度测试。图3为不同厚度砼板模型上的某条测线的测试结果。
图3 不同厚度砼板测试结果
2）机场跑道厚度检测
图4 某机场跑道路面的实测结果
某机场新建道面板设计厚度为280mm，随机抽取15个测区对其进行厚度检测，首先用平测法测得各测区的声速值，然后在每个测区中选取一个测点进行厚度测试，测试时用冲击器在传感器周围20至50mm范围内的八个方位进行冲击，即每个测点冲击八次，对所得信号进行谱分析得到八个厚度值，将其平均值作为该测点的厚度值。图4为15个测区的厚度检测结果，图5为某测点的测试结果。
3）砼路面厚度测量
图6是用冲击-回波法检测福建漳龙高速公路某段混凝土路面的厚度测试结果，测试前首先用超声平测法测得其混凝土声速Vp=3970m/s，然后用冲击器激振，由我公司开发的
传感器接收并被NM检测仪采集得到信号，经NM检测仪所带软件进行频谱分析得出其峰值频率Fm为7650Hz，相应的厚度为255mm，而钻孔取芯实测的混凝土路面厚度为250mm，相对误差仅为2%。
图6 混凝土路面实测结果
4）隧道二次衬砌厚度检测
图7 北京地铁某段隧道的测试结果
图7是用冲击-回波法检测北京地铁某段隧道二次衬砌混凝土厚度的结果（上部为时域波形，下部为其振幅谱）。该隧道结构为一次喷护30cm厚混凝土和二次模筑20cm厚混凝土复合衬砌形式，两次混凝土之间有一柔性防水层。用超声平测法测得超声波速为
4200m/s，其平均峰值频率为10.1kHz，故其平均厚度为20.8cm，比较接近设计厚度。
5）现浇楼板及剪力墙的厚度检测
我们对北京某歌舞团住宅楼的现浇楼板及剪力墙的厚度进行了检测，首先在待测构件上随机布置多条测线，每条测线上布置5个测点，测点间距为100mm，用冲击回波平测法进行声速测试，然后在该测线的第4个测点上进行厚度检测。该住宅楼楼板的设计厚度为150mm，剪力墙的设计厚度为200mm，图8、图9分别是楼板LB-5、剪力墙QT-2的声速测试结果，图10、图11则是其厚度测试结果。
图8 LB-5的声速测试结果
图9 QT-2的声速测试结果
图10 LB-5的厚度测试结果
图11 QT-2的厚度测试结果
五、 结论
冲击-回波法是一种新的无损检测方法，可用来测量结构混凝土厚度。特别适合于单面结构，如路面、机场跑道、底板、护坡、挡土墙、筏型基础、隧道衬砌、大坝等混凝土结构的厚度检测。但由于混凝土结构的复杂性、多样性，使得厚度的检测错综复杂。
六、 参考文献
[1] 罗骐先，傅翔，宋人心，冲击反射法检测砼内部缺陷与厚度的初步研究，建设工程无损检测技术论文集，1992.10
[2] 罗骐先，傅翔，宋人心，朱大铮，检测砼内部缺陷及厚度的新NDT技术冲击反射法及测试系统，第一届建筑工程及产品质量检测技术交流会议论文集，1998.11
[3] M.Sansalone，W.Street，冲击-回波法及其现场型仪器在砼结构无损检测中的应用，土木工程无损检测国际会议译文集，1997.12
[4] Mary Sansalone，Impact-Echo:The Complete Story，ACI Structural Journal，1997.11,P777-786
