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    无损检测新技术:扫描式冲击回波法的原理和应用

    2011-09-29 14:46:58  来源：武汉欧卡李波
    冲击回波法是IE法的一个很重要的优点是：只需要一个测试面就可进行测试。
    本文对冲击回波法的原理及其在混凝土结构无损检测中的应用进行了系统的介绍，并对冲击回波法的*新技术——扫描式冲击回波测试系统进行了详细的介绍，同时列举了该技术一些*新的研究成果。
     
    一、IE（Impact Echo）冲击回波方法介绍
    （一）、冲击回波方法概述
          冲击回波法是基于应力波的一种检测结构厚度、缺陷的无损检测方法。早在20世纪80年代，美国科内尔大学的Mary Sansalone博士就对该方法进行了研究。IE方法不仅能够快速确定混凝土、砌体结构中的孔洞、蜂窝、裂缝、剥离以及其它缺陷，而且能够确定结构构件的厚度以及缺陷的深度。IE法的一个很重要的优点是：只需要一个测试面就可进行测试。
    冲击回波技术发展非常迅速，目前已有IES扫描式冲击回波系统、带表面波的冲击回波系统、超薄冲击回波检测系统等多种类型，可根据工程需要进行选择。IES是IE技术发展的一大突破，不仅可以快速连续检测，而且增加了检测项目如预应力管灌浆情况等，此外还可对结构厚度、缺陷进行三维成像，具体内容见下文介绍。表面波型冲击回波系统无需取芯标定，就可准确检测混凝土的厚度。超薄型冲击回波系统可检测*小厚度约5cm的板状结构，拓宽了冲击回波方法的厚度检测范围。目前，IE方法检测的厚度范围从5cm～180cm，完全满足一般工程的检测需要。
    （二）、冲击回波方法的原理
          IE测试基本原理：如图1所示。用一个小锤或冲击器作为激振源在混凝土表面冲击来产生压缩波，然后用放置在冲击器附近的接收传感器接收反射回来的压缩波。经过分析后来计算混凝土的厚度、探测内部的孔洞、裂隙、剥离等缺陷。对于无缺陷的平板、路面，冲击回波试验中就会得到一个其底面的反射波，这样在已知压缩波的波速时，就可以计算厚度了


    图1：冲击回波原理示意图
    （其中source为产生压缩波的激振源，receiver为反射波的接收器）

        下面，对冲击回波方法的厚度或缺陷深度计算进行更详细的说明。如图2所示，接收器接收到反射波后，通过快速傅立叶转换将时域数据转化为频域数据，然后确定回波的频率峰值F，深度计算结构的厚度或缺陷D = (b * VP)/2f（其中b是形状系数，对板/墙来说是0.96，对于梁和柱该值更小，根据厚度和宽度的比值确定，VP是压缩波波速）。图3给出了某测试点时域图和频域图，图4给出了无缺陷处和有缺陷处的测试结果对比。
     

          
    图2：冲击回波原理图

             

     
                        图3：单点冲击回波测试的时域和频域图

     
                 图4：无缺陷和有缺陷频域图比较
           （图4说明：上图：无缺陷处只有一个频率峰值，可获得厚度信息
    下图：缺陷处存在多个频率峰值，可根据曲线形状判断缺陷性质及深度）
     
    （三）冲击回波方法相对于超声波方法的优点
    1、冲击回波方法只需一个测试面，而超声波方法需两个测试面，这在很多情况下很难做到。
    2、冲击回波方法使用比超声波更低频的声波（IE频率范围通常在2～20 kHz），这使得冲击回波方法避免了超声波测试中遇到的高信号衰减（high signal attenuation）和过多杂波干扰问题。
    3、冲击回波方法不需耦合剂，单手即可操作，标定后每个测点直接得出结构厚度或缺陷位置、深度信息。而超声波方法需耦合剂，两个探头加大了操作的难度。同时需大量数据对比才能确定缺陷的位置，但不能确定缺陷深度。
    4、冲击回波方法*深可测180cm的结构，而对于超声波方法测试同样厚度将非常困难，特别是两个测试面不易接触的情况下。
          由以上可以看出，IE冲击回波方法具有超声波方法无可比拟的优越性，该方法将随着技术的不断完善和发展，成为混凝土结构无损检测的一个重要方法。
    （四）冲击回波方法的应用举例
          IE测试可用于评估板、梁、柱、墙、公路路面、飞机跑道、隧道和大坝等结构的内部状况。IE方法能够发现混凝土、木材、石材和砌体中的孔洞、蜂窝、裂缝、剥离以及其它缺陷。如果已知混凝土构件的厚度，IE法可以还预测早期混凝土的强度。
    以下为冲击回波检测结构的几个现场实例，其中图8表面波和冲击回波联合使用，在单面情况下，可准确获得混凝土波速，进而求得更精确的厚度值：

     
                                         
            图5： 冲击回波方法检测桥梁                 图6： 冲击回波法检测隧道
     
                                         
                          图7：冲击回波法检测公路                   图8：表面波、冲击回波法联合检测桥面                   
        下图是一块11英寸厚的混凝土板（密实）以及一块17英寸厚的混凝土板（有裂缝）的冲击回波试验结果。测试结果表明在离混凝土板表面6.3 inches深处有裂缝
     

       

    图9：密实混凝土板和有裂缝混凝土板IE结果对比
     
    二、IES（Impact Echo Scanner）扫描式冲击回波方法介绍
    （一）、扫描式冲击回波方法概述
        IE方法一直被公认是一种对混凝土构件进行无损检测的强大工具。该测试方法不仅符合美国ASTM Standard C1383-98 厚度确定标准的有关要求，也符合美国ACI 228.2R-98 确定孔洞、蜂窝、裂缝、分层等缺陷的标准的有关要求。
        至今为止，IE方法的*大局限性是测试速率较低。一般来说，普通的IE系统每小时可测30～60个点，这就限制了该方法只能用于测试较小、非常关键的部位。扫描式冲击回波系统的研制成功，彻底解决了该问题。用IES方法每小时可测2000～3000个点，*地提高了检测效率。此外，由于该方法可沿直线以数厘米的间隔进行快速测试，经实践多次证明它还可以用于检测后张预应力管内的灌浆情况。利用软件对IES数据的进行三维处理后，还可对结构的厚度、缺陷位置以及后张预应力管内的灌浆情况进行非常直观的显示。
    （二）、扫描式冲击回波方法原理
          IES方法是在IE的基础上，将固定的单个传感器变为滚动传感器，从而*地加快了测试速度。如图11所示，IE方法只有一个接收传感器，每测试一点螺线管冲击一次。而IES方法采用扫描式滚动传感器，并采用螺线管冲击器进行连续冲击，*地提高了检测效率。
     
                         
               图10：扫描式冲击回波原理图       图11：左上角为IES系统，采用滚动接收传感器；右下角为传统IE系统，只有一个接收传感器
    （三）、IES测试实例：
    1．用IES方法测试在一个大型板的实例：
     
    测试板资料：
    l         板尺寸 = 10× 4 米
    l         每隔5 cm间距进行一次IE Scanner扫描.
    l         板中有蜂窝缺陷
    l         板厚度有变化
    l         板中存在预应力管 (存在灌浆密实区、不密实区、空管区)
     
     
     
    图12： IES方法测试大型板现场
     
     
    利用IES进行的三维成像测试结果：
                  
     
               图13：厚度变化处的三维成像                                 图14：板中蜂窝缺陷的三维成像
     
     
                    
             图15：预应力管中未灌浆区域的缺陷成像                     图16：板中孔洞缺陷的三维成像

    图17：IES检测预应力管灌浆情况的图形解释

     
    一、总结
          IE冲击回波方法被证明是一种无损检测混凝土结构厚度、缺陷的强大工具，在很多国家都有非常成熟的使用经验。其技术的日臻完善将使之成为一种越来越重要的无损检测方法。IES方法相对于IE方法是一个巨大的进步，不仅*地提高了传统冲击回波的检测速度，而且解决了检测预应力管灌浆情况的大难题。此外，基于IES数据的软件成像可清楚、直观的显示结构的厚度变化、缺陷类型及位置。实践证明，IES方法是一种非常可靠、有效的检测方法，是混凝土结构检测技术的一次突破，必将为国内混凝土结构的无损检测起到非常积极的作用。

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