基于沖擊彈性波的混凝土構件彈性模量測試方法運用

嚴超群，鄧 立，張益雄，賀 東

(1.楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100；2.四川升拓檢測技術股份有限公司，四川 自貢 643000)

0 引 言

在各種混凝土結構中，混凝土的質量是非常重要的，直接影響到預應力梁的耐久性和安全性[1]。目前，測試混凝土的強度和彈性模量通常利用混凝土試件(150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件)進行壓載試驗，然而，大部分實體混凝土結構體積龐大，形狀也較為復雜。

由于試件與構件在施工、振動、保養等方面均有不同程度的差異，因此不能僅憑試件的試驗結果來保證實體結構的質量。同時，對于成品混凝土結構，采用鉆孔取樣的方法對成品結構有明顯的局限性。

長期以來，基于超聲波的測試方法[2]的局限性日益顯著，因理論方面的缺陷使得超聲法在測試混凝土模量等方面的精度長期不滿足要求。自20世紀90年代始，基于沖擊彈性波(超聲波為一特例)的測試技術快速發展，PIT(基樁完整性測試)方法[3]成了當下盡人皆知的檢測手段。從此，在吳佳曄等人的研究下，沖擊彈性波[4]不斷推廣并深入應用于混凝土結構物的材質、缺陷(裂縫、剝離、內部空洞、蜂窩等)以及結構尺寸(厚度、埋深等)的無損檢測和評價，沖擊彈性波法已成為無損檢測的前沿研究方向，并深度結合工程實際應用不斷發展。例如，美國材料學會標準ASTM-C1383-98就確定了利用彈性波測試混凝土厚度和波速的試驗方法。日本土木學會也基于沖擊彈性波波速，對混凝土結構和試樣彈性模量以及強度進行了標準化和規范化。

本文根據吳佳曄等[5]的研究基礎，提出了基于沖擊彈性波的混凝土結構構件彈性模量測試方法，并采用該方法對實體結構彈性模量檢測結果展開對比研究。該方法可作為針對混凝土質量及彈性模量檢測的一種準確、快速的測試方法。

1 結構構件動彈性模量測試方法

由于測試結構及構件測試位置的不同，本文提出了多種測試方法。主要有：

(1) 基于反射特性的測試方法，如單一反射法和重復反射法；基于透過特性的測試方法，如單面傳播法和雙面透過法，見表1。

表1 不同測試方法對應的波速

其中，單一反射法主要適用于樁、柱等長細比較大的結構；重復反射法(沖擊回波法)主要適用于板等面積大、厚度小的結構；對于尺寸較大的結構構件，單面傳播法與雙面透過法也可適用于混凝土實體結構及構件彈性模量檢測。

(2) 在針對只具備一個測試面的結構(隧道襯砌、擋墻、壩體等)以及未知厚度的厚板測試時，則優選單面傳播法進行檢測。

1.1 單一反射法/重復反射法

根據馬國峰基于沖擊彈性波法的動彈性模量測試方法的應用研究，單一反射法和重復反射法(沖擊回波法)主要適用于板等面積大、厚度小的結構。本文對此方法不再加以贅述。

1.2 重復反射法(沖擊回波法)

沖擊回波法是指通過對既知壁厚的被測混凝土結構進行檢測，利用彈性波的重復反射，采用頻譜分析[6]測出其在被測結構構件的傳播時間和彈性波波速，從而計算出混凝土的彈性模量。該方法測試效率高、測試結果精度優。

根據構件(試件)形狀與測試位置的不同，該方法又可分為縱向測試與橫向測試[7]。

(1) 縱向測試：彈性波的傳播/反射方向與被測體的長軸平行(如樁柱桿)，如圖1所示。

(2) 橫向測試：彈性波的傳播/反射方向與被測體的短軸平行(如樓板)。

波速Vpr可由板厚H與反射時間Tr求出：

Vpr=2H/Tr

(1)

圖1 單面反射法的種類

1.3 單面傳播法

在無法對被測體厚度得知時，通?？蓽y試同一表面P波并得到2維彈性波波速Vp2。

該方法對被測體的要求最小，但單面傳播法信號一般較微弱，因此可多次移動傳感器距離測試，采用回歸或者VMC(虛擬多頻道)技術。

當被測體為2維時，P波速度可表示為：

(2)

從而可得，單面傳播法測試實體結構的彈性模量為：

(3)

根據《水工混凝土結構缺陷檢測技術規程》(SL 713—2015)的要求，接收點不少于4個，固定傳感器1且與沖擊點的間距為(150±10)mm，兩傳感器中心距離依次為300 mm、400 mm、500 mm、600 mm，沖擊點和各接收點應處在同一直線上。

1.4 雙面透過法

針對構件具有兩個測試面且厚度已知的情況，可采用雙面透過法的方法測試3維彈性波波速Vp3，該方法可測試整個構件混凝土質量[8]，如圖2所示。

圖2 透過法檢測(左：沖擊錘，右：打擊錘)

當被測體為3維時，P波速度有一定的變化，如下：

(4)

從而可得，雙面透過法測試三維實體結構的彈性模量為：

(5)

2 不同測試方法得到波速的關系

如前所述，即使對同一種材料，不同形狀、不同方法測試得到的彈性波波速也有所不同。各條件下測試得到的彈性波波速Vp與1維桿件彈性波波速(透過法Vp1)的比值見表2。

表2 混凝土結構測試P波Vp/Vp1(泊松比為0.20)

此外，根據試驗結果，表面波法得到的瑞利波速，約為Vp1的0.54倍左右，略低于理論值[9]。

3 鋼筋影響的修正

鋼筋混凝土結構中鋼筋對彈性波的測試速度有一定影響[10]，根據配筋的種類及測試方向、方法等需要采用不同的修正方法，如圖3所示。

圖3 典型配筋及測試方向

(1) 雙面透過法、單面傳播法：根據箍筋、縱筋的布置、面積加以修正。

(2) 瑞利波法和反射法：根據綜合配筋率加以修正。

(6)

式中：Ecd為修正后的彈性模量；E為未經修正的彈性模量(根據波速和泊松比得出)；ρs為綜合配筋率；Esd為鋼筋的動彈性模量，取210 GPa。

由式(6)可得，C50的混凝土中1%的配筋率對模量修正提高約1.02%。

在采用傳播法、雙面透過法時需要選取初始時刻[11]。此時，部分沿鋼筋傳播的彈性波信號有可能先行到達。該信號盡管非常微弱，但初始時刻的選取時仍需要避開其影響，如圖4所示。

圖4 典型的到達波形

因此，在讀取信號的到達時刻時，筆者采用了回歸的方法，如圖5所示。

圖5 回歸的概念

彈性波在傳播時，在有局部缺陷(損傷)的混凝土結構中，繞過缺陷(損傷)的信號有可能較穿過缺陷(損傷)的信號先到達接收點。因此，如果利用最先到達的信號分析，就會影響對缺陷(損傷)的識別精度，如圖6所示。

圖6 傳播路徑的影響

同樣，對于鋼筋混凝土，在有與測線平行的鋼筋時，從鋼筋上也會傳來微小的信號。如果采用最先到達的波的時刻作為波速的計算，就可能受到鋼筋的較大影響，如圖7所示。

圖7 平行鋼筋傳播的影響

為了更有效地避免鋼筋的影響和拾取缺陷，筆者利用相關分析的方法，提出了優勢傳播時間以及優勢波速的概念，其前提是：

(1) 直進波(P波)的能量要強于繞射波；

(2) 在傳播過程中，彈性波首波的形狀不發生改變(不分散)。

基于上述前提，在計算過程中，將激發波形(半波或全波)和接收信號分別作為x(t)和y(t)，計算得到的自相關和互相關函數分別為Rxx和Rxy。Rxx和Rxy的峰值點間距即為優勢傳播時間，據此得到的波速即為優勢傳播波速。

例如，對于一個正弦半波的激振信號，在傳播過程中分離成2個信號。信號與激發信號的時間差分別為20 ms和30 ms。計算結果如圖8所示與見表3。

圖8 優勢傳播分析結果

表3 波速分析結果比較

4 現場運用與驗證

4.1 概述

基于上述研究，筆者于2019年在鄭州四環路高架項目進行了現場運用與對比，如圖9所示。

圖9 鄭州某梁場現場模量測試

(1) 測試位置：本次實體測試主要選擇梁體頂板、腹板、底板進行測試，其中頂板、腹板、底板分別采用雙方向透過法進行測試，腹板在厚度方向增加沖擊回波法測試。

(2) 傳感器的選擇及固定方式：雙面透過法測試傳感器采用S31SC+S305M，S31SC采用手按固定，S305M固定于激振錘上。

(3) 激振方式：雙面透過法測試激振采用D30激振錘激振，力度適中。

(4) 鋼筋修正：本次測試對象，根據項目設計文件對綜合配筋率ρs采用2%計算，并對彈性波測試的彈性模量進行相應修正。

4.2 沖擊彈性波法實體結構彈模檢測

針對本次采用沖擊彈性波法檢測，筆者對梁場內某齡期為7 d的頂板、腹板、底板混凝土分別進行了彈性模量檢測，具體檢測結果見表4～表6。

表4 頂板彈性模量測試結果表(鋼筋修正)

表5 腹板彈性模量測試結果表(鋼筋修正)

表6 底板彈性模量測試結果表(鋼筋修正)

另通過現場對梁體澆筑斷面觀察發現：現場腹板存在混凝土料不均勻的情況，如圖10所示，這可能就是導致測試結果差異的原因。

圖10 測試結構腹板側面圖

綜上，通過對計算結果與現場檢測結果的分析可見：

采用沖擊彈性波無損檢測方式測試的彈性模量值非常穩定，并與實際情況相符，能在一定程度上反映實體結構彈性模量的。

4.3 混凝土結構靜彈性模量的驗證

為對比基于沖擊彈性波法的四種測試方法的結果穩定性與準確性；筆者又對上節測試的梁體進行28d后實體結構彈性模量試驗，該試驗通過對該梁場的同位置梁體結構選擇了7處位置進行IE法測試，同時對該梁的同養試件進行了靜力受壓彈性模量驗證對比。

首先，筆者采用沖擊回波法(IE法)對該結構腹板的7處位置進行測試分析，其測試靜彈性模量平均值為41.2 GPa，具體數值見表7。

表7 IE法測混凝土結構彈性模量結果表(單位：GPa)

可見，采用IE法測試結構靜彈性模量十分穩定。

對此，筆者委托鄭州相關單位對該梁的同養試件進行了靜力受壓彈性模量檢測，現場檢測如圖11所示。

圖11 靜力受壓彈性模量檢測

靜力受壓彈性模量結果數據見表8。

表8 靜力受壓彈性模量檢測結果表

另外，對比采用沖擊回波法、雙面透過法、表面波法、單面傳播法四種方法分別進行了測試。本次采用基于沖擊彈性波的雙面透過法、表面波法、單面傳播法測試的結果對比見表9。

表9 混凝土結構靜彈性模量對比表(單位GPa)

綜上可以看出，對于混凝土實體結構靜彈性模量進行測試時，各種測試方法均能夠很好地測試，充分說明了本技術測試的可靠性和精度。另采用單面傳播法，其測試時兩傳感器之間距離相對透射法時更小，由于波的到達時刻的讀取誤差，使得采用單面傳播法測得的誤差較大(平均誤差>3%)，對此可采用透射法/面波法測試。

5 結束語

本文基于沖擊彈性波法的原理，提出了針對實體結構混凝土彈性模量檢測的幾種現場檢測方法，并針對實體混凝土檢測中的鋼筋影響進行了修正說明；彈性波法測試的實體結構彈性模量與同樣試件的彈性模量的對比研究結果表明，基于沖擊彈性波的混凝土彈性模量測試方法對混凝土實體結構構件彈性模量檢測具有較好的實用性。該方法通過無損檢測手段可測得實體結構彈性模量，因此具有廣闊的應用前景。