摘要：通过采用冲击回波法对设置有不同内部缺陷的混凝土试件进行试验研究，获得该方法检测混凝土内部缺陷的识别方法和缺陷范围测定方法。研究结果表明：采用冲击回波法测试混凝土内部缺陷时，横向尺寸与缺陷深度比值小于1 ∶ 4的缺陷及缺陷横向尺寸小于50 mm，且与埋深比值大于1 ∶ 1时，缺陷不易被识别。探头移动过程中观察主频峰值的变化可以有效测定缺陷范围，但是缺陷深度的确定与实际试验条件有较大关系。
关键词：冲击回波法；低频应力波；混凝土内部缺陷；缺陷识别
中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0106-06
1 冲击回波法基本原理
冲击回波法（Impact-Echo method，简称IE法）是20世纪80年代中期发展兴起的一种混凝土无损检测技术。弹性波和物体内部结构相互作用产生共振，因此可根据共振频率来计算混凝土结构厚度、缺陷位置和表面开口裂纹深度。冲击回波法可单面测试，精度高，同时由于使用低频纵波，测深大，受结构混凝土材料组分与结构状况差异的影响小[1]。目前，国内外关于冲击回波法检测混凝土结构厚度、缺陷方面的研究已有很多[2-13]，但缺陷范围的界定方法、该方法的测试能力及其局限性却很少涉及，为此，本研究在采用冲击回波法测试带有典型内部缺陷模型试件的基础上，通过设置不同的缺陷横向尺寸与深度比值及缺陷位置，进一步探讨冲击回波法测试混凝土结构能力极其测试局限性问题。
冲击回波法的原理是由弹性冲击产生的瞬时应力波理论。冲击锤敲击混凝土表面产生的应力波有三种形式（见图1）：P波（纵波）、S波（横波）、R波（表面波），其中R波从扰动处沿表面传播，P波和S波是以球面波的形式传播，但P波与法向应力传播有关，S波与剪切应力传播有关。
冲击锤敲击混凝土表面产生的低频（≤70 kHz）应力波传播到结 构中，在缺陷或外部界面发生反射；反射波到达敲击表面产生一个典型的振动位移，被传感器记录，形成电压-时间信号波[14]；再通过快速傅立叶变换（FFT）转换为振幅-频率曲线（频域图），则混凝土的厚度或缺陷深度为
式中：Cp为P波传播的速度；fT为频域图中最大波峰对应的厚度频率；b为几何结构形状系数，对于板状结构物，b取值为0.96[15]。
应力波波速的测定采用间接确定法。在已知厚度为T的实心板上做冲击回波测试，取得厚度频率fT，利用公式（1）可间接获得P波波速。
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、冲击锤直径和冲击锤冲击动能。
在冲击过程中，冲击锤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。冲击持续时间tc是冲击锤直径的线性函数，同动能关系不大。设冲击锤从高度为h处自由下落到平直的混凝土板上，则冲击持续时间tc近似为
通常h为0.2～4 m，则h0.1为0.85～1.15。因此下落高度h对冲击持续时间tc的影响不大，可以忽略。因此冲击持续时间tc与冲击锤直径之间存在简单的线性关系[16]，具体如下：
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力-时间函数。经验表明，对于冲击回波测试，频率在1.25/tc以内，应力波的振幅即可满足要求。
定义最大有效频率fmax=1.25/tc，将公式（3）代入，得到fmax与冲击锤直径之间的关系如下：
式中：fmax的单位是Hz；D的单位是m。
由式（4）可知，冲击锤直径越小，最大有效频率越高。但是此时测深也越小，且混凝土内部不均匀引起的高频应力波散射也会越严重，影响测试效果。因此，在实际测试中应根据被测结构物的情况合理选择冲击锤直径。
2 试验设备与试件
试验设备采用丹麦Docter冲击回波测试仪，由冲击锤、接收传感器、信号采集系统及分析软件构成。配备直径不同的3种冲击锤，分别为5 mm、8 mm和12.5 mm。
试验模型试件长3.0 m，高1.0 m，板厚0.3 m，内部缺陷设置情况见图2，各缺陷外形尺寸见表1。
3 试验方案与试验结果
在模型试件的侧面，沿缺陷部位自上而下均匀底布置5～6条测线，每条测线上再均匀地布置一系列测点。若测点处光滑，清除表面灰尘即可；若测点处凹凸不平或存在蜂窝和麻面，用砂轮打磨平整，清除表面浮浆并涂抹耦合剂（如橡皮泥等）。冲击点和接收器布置在测试点上或近处。为了采集较多的数据归纳出严谨可靠的结论，在模型试件的两个对称面上对称地布置测线测点进行检测。
（1）应力波波速测试。
在模型试件的完好部位均匀布置20个测点进行应力波波速测试，测点布置见图3，各测点频率值及应力波波速计算结果见表2。
（2）缺陷1试验结果。
沿缺陷1自上而下布置5条测线，测点从边界开始计数。
空洞缺陷范围内布置3条（测点19个），不密实区范围内布置2条（测点13个）。缺陷1的典型测点频域峰值结果见表3，缺陷直径与缺陷深度之比1∶1时，只有测点2检测出有主频偏移现象，多数测点未发现异常，缺陷直径与缺陷深度之比1∶4时，检测不出异常点。 （3）缺陷2试验结果。
沿缺陷2自上而下布置5条测线，测点从完好部位-缺陷部位-完好部位的顺序计数。空洞缺陷范围内布置3条（测点40个），不密实区范围内布置2条（测点25个）。缺陷2的典型测点频域峰值结果见表4，从表4可以看出，当缺陷横向尺寸与深度比值为1 1.25和1 0.75时，不管是从小缺陷侧还是从大缺陷侧敲击，均能很好的发现异常测点及确定缺陷的范围。
（4）缺陷3试验结果。
沿缺陷3自上而下布置5条测线，测点从完好部位-缺陷部位-完好部位的顺序计数。空洞缺陷范围内布置3条（测点29个），不密实区范围内布置2条（测点20个）。缺陷3的典型测点频域峰值结果见表5，从表5可以看出，当缺陷横向尺寸与深度比值为1∶1和1∶4时，未发现异常测点。
（5）缺陷4试验结果。
沿缺陷4自上而下布置6条测线，测点从完好部位-缺陷部位-完好部位的顺序计数。空洞缺陷范围内布置3条（测点38个），不密实区范围内布置3条（测点42个）。缺陷4的典型测点频域峰值结果见表6，从表6可以看出，当缺陷横向尺寸与深度比值为1 ∶ 1时，各测线均能很好的发现异常测点及确定缺陷的范围。
（6）缺陷5试验结果。
沿缺陷5自上而下布置5条测线，测点从完好部位-缺陷部位-完好部位的顺序计数。空洞缺陷范围内布置3条（测点35个），不密实区范围内布置2条（测点25个）。缺陷5的典型测点频域峰值结果见表7，从表7可以看出，当缺陷横向尺寸与深度比值为1 ∶ 2.5时，各测线均能很好的发现异常测点及确定缺陷的范围。
表6 缺陷4的典型测点频域峰值
（7）缺陷6试验结果。
沿缺陷6自上而下布置5条测线，测点从边界开始计数。空洞缺陷范围内布置2条（测点14个），不密实区范围内布置3条（测点21个）。缺陷6的典型测点频域峰值结果见表8，从表8可以看出，由于受被测试件边界的影响，多数测点未发现异常。
4 结果分析
（1） 缺陷识别方法。
冲击锤若测试部位内部没有缺陷，应力波会直接传播到对称面的边界，并被反射回来形成一个波峰（见图4）；若测试部位有内部缺陷，则一部分应力波因需要绕过缺陷而传播路径增大，相应的厚度频率降低，则在低频部位形成波峰（见图5）。所以结构厚度频率向低频区域“漂移”是判断缺陷的主要依据。若高频区域只有一个显著峰值，则说明有空洞缺陷；若有多个显著峰值，则说明存在不密实区。
（2） 缺陷范围的测定。
发现缺陷后，将探头从缺陷向两侧逐步移动，频域图呈现了单峰-双峰-单峰的变化过程（见图6）：第一个单峰是缺陷部位明显降低的频率（3.42 kHz），双峰是指包含缺陷部位及正常部位的频率（3.42 kHz和5.86 kHz），第二个单峰是正常部位的频率（5.86 kHz）。由此可确定缺陷边界在出现双峰的部位或出现第二个单峰的部位。根据该法绘制出缺陷5的边界见图7，基本可以满足工程要求。
（3） 缺陷深度的测定。
采用Docter 冲击回波测试仪所配置的3种冲击锤对缺陷部位进行测试，只有直径5 mm的冲击锤可得到缺陷深度的信息。但是混凝土材料不均匀性引起的高频应力波散射
使得缺陷深度的测定存在较大误差，甚至得不到缺陷深度的信息。如图8为缺陷5深度检测频域图，可见缺陷主频为15.61 kHz，模型试件波速为3810 m/s，对应的深度为122 mm，缺陷实际深度120 mm，误差为1.7%，满足工程精度要求。
（4） 检测“盲区”问题。
混凝土结构构件表面下深度小于100 mm的缺陷，称为浅表缺陷。敲击此处会激发弯曲振荡，结果信号包含大幅值低频率的分量。弯曲振荡类似于鼓的振动，因为表面置换位移远远大于主导的P波到达位移，跨过缺陷的多次P波反射的高频分量相对较弱，有时检测困难。这种无法检测到浅表缺陷的问题通常称为检测“盲区”问题。对于浅表缺陷的测试通常使用小直径敲击锤或对检测信号进行处理，如数字滤波等。
在本测试中缺陷1及缺陷3空洞直径与缺陷深度比值为1 ∶ 1，采用直径为5 mm冲击锤，最大有效频率为58.2 kHz，模型试件波速为3 810 m/s，小锤产生的波长为65.5 mm，基本接近缺陷深度50 mm，很难检测到缺陷。如果用直径更小的冲击锤进行测试，传感器却很难接收到相应的振动响应。因此，采用冲击回波法检测浅表处尺寸小于50 mm的缺陷不易被检测出来。
（5） 冲击回波法检测混凝土内部缺陷的局限性。
冲击回波法能检测出缺陷的前提是缺陷引起应力波的反射信号能被传感器接收到。当缺陷大小一定时，缺陷越深，反射信号越弱，传感器越不易接收。如缺陷1和缺陷6，空洞直径与缺陷深度比值为1 ∶ 4，基本得不到缺陷信息。因此，采用冲击回波法检测板内部缺陷时，横向尺寸与缺陷深度比值小于1 ∶ 4的缺陷不易被检测出来。当缺陷横向尺寸小于50 mm，且与埋深比值大于1 ∶ 1，存在测试“盲区”问题。
（6） 模型试件边界对测试的影响。
由于结构边界对应力波的反射与缺陷反射波会叠加，使得接收到的波形更难分析与判断。如缺陷1和缺陷6，缺陷1位于板近表面，测试时存在检测“盲区”问题，又有边界的影响，因此，检测不到缺陷的存在；缺陷6仅受到边界的影响，但部分测点的厚度主频存在明显偏低的现象。由此可以看出，采用冲击回波法测试板内部缺陷时，测点距构件边界应大于为50 mm。
5 结语
冲击回波法利用了低频应力波的特点，因此只通过单面测试即可检测混凝土结构物内部缺陷及厚度，且精度很高，是最新的混凝土无损检测技术之一，可广泛应用于路面、跑道、底板、隧洞、护坡等单面结构的质量检测工作。本文通过采用冲击回波法对设置有不同内部缺陷的混凝土试件进行试验研究，获得该方法检测混凝土内部缺陷的识别方法和缺陷范围测定方法。研究结果表明：采用冲击回波法测试混凝土内部缺陷时，横向尺寸与缺陷深度比值小于1∶4的缺陷及缺陷横向尺寸小于50 mm，且与埋深比值大于1∶1时，缺陷不易被识别。探头移动过程中观察主频峰值的变化可以有效测定缺陷范围，但是缺陷深度的确定与实际试验条件有较大关系。
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