本文對沖擊回波法的原理及其在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用進行了系統(tǒng)的介紹，并對沖擊回波法的最新技術(shù)——掃描式?jīng)_擊回波測試系統(tǒng)進行了詳細的介紹，同時列舉了該技術(shù)一些最新的研究成果。
一、IE（Impact Echo）沖擊回波方法介紹
（一）、沖擊回波方法概述
沖擊回波法是基于應(yīng)力波的一種檢測結(jié)構(gòu)厚度、缺陷的無損檢測方法。早在20世紀80年代，美國科內(nèi)爾大學的Mary Sansalone博士就對該方法進行了研究。IE方法不僅能夠快速確定混凝土、砌體結(jié)構(gòu)中的孔洞、蜂窩、裂縫、剝離以及其它缺陷，而且能夠確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的厚度以及缺陷的深度。IE法的一個很重要的優(yōu)點是：只需要一個測試面就可進行測試。
沖擊回波技術(shù)發(fā)展非常迅速，目前已有IES掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)、帶表面波的沖擊回波系統(tǒng)、超薄沖擊回波檢測系統(tǒng)等多種類型，可根據(jù)工程需要進行選擇。IES是IE技術(shù)發(fā)展的一大突破，不僅可以快速連續(xù)檢測，而且增加了檢測項目如預應(yīng)力管灌漿情況等，此外還可對結(jié)構(gòu)厚度、缺陷進行三維成像，具體內(nèi)容見下文介紹。表面波型沖擊回波系統(tǒng)無需取芯標定，就可準確檢測混凝土的厚度。超薄型沖擊回波系統(tǒng)可檢測最小厚度約5cm的板狀結(jié)構(gòu)，拓寬了沖擊回波方法的厚度檢測范圍。目前，IE方法檢測的厚度范圍從5cm～180cm，完全滿足一般工程的檢測需要。
（二）、沖擊回波方法的原理
IE測試基本原理：如圖1所示。用一個小錘或沖擊器作為激振源在混凝土表面沖擊來產(chǎn)生壓縮波，然后用放置在沖擊器附近的接收傳感器接收反射回來的壓縮波。經(jīng)過分析后來計算混凝土的厚度、探測內(nèi)部的孔洞、裂隙、剝離等缺陷。對于無缺陷的平板、路面，沖擊回波試驗中就會得到一個其底面的反射波，這樣在已知壓縮波的波速時，就可以計算厚度了
圖1：沖擊回波原理示意圖
（其中source為產(chǎn)生壓縮波的激振源，receiver為反射波的接收器）
下面，對沖擊回波方法的厚度或缺陷深度計算進行更詳細的說明。如圖2所示，接收器接收到反射波后，通過快速傅立葉轉(zhuǎn)換將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，然后確定回波的頻率峰值F，深度計算結(jié)構(gòu)的厚度或缺陷D = (b * VP)/2f（其中b是形狀系數(shù)，對板/墻來說是0.96，對于梁和柱該值更小，根據(jù)厚度和寬度的比值確定，VP是壓縮波波速）。圖3給出了某測試點時域圖和頻域圖，圖4給出了無缺陷處和有缺陷處的測試結(jié)果對比。
圖2：沖擊回波原理圖
 
圖3：單點沖擊回波測試的時域和頻域圖
圖4：無缺陷和有缺陷頻域圖比較
（圖4說明：上圖：無缺陷處只有一個頻率峰值，可獲得厚度信息
下圖：缺陷處存在多個頻率峰值，可根據(jù)曲線形狀判斷缺陷性質(zhì)及深度）
（三）沖擊回波方法相對于超聲波方法的優(yōu)點
1、沖擊回波方法只需一個測試面，而超聲波方法需兩個測試面，這在很多情況下很難做到。
2、沖擊回波方法使用比超聲波更低頻的聲波（IE頻率范圍通常在2～20 kHz），這使得沖擊回波方法避免了超聲波測試中遇到的高信號衰減（high signal attenuation）和過多雜波干擾問題。
3、沖擊回波方法不需耦合劑，單手即可操作，標定后每個測點直接得出結(jié)構(gòu)厚度或缺陷位置、深度信息。而超聲波方法需耦合劑，兩個探頭加大了操作的難度。同時需大量數(shù)據(jù)對比才能確定缺陷的位置，但不能確定缺陷深度。
4、沖擊回波方法最深可測180cm的結(jié)構(gòu)，而對于超聲波方法測試同樣厚度將非常困難，特別是兩個測試面不易接觸的情況下。
由以上可以看出，IE沖擊回波方法具有超聲波方法無可比擬的優(yōu)越性，該方法將隨著技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，成為混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的一個重要方法。
（四）沖擊回波方法的應(yīng)用舉例
IE測試可用于評估板、梁、柱、墻、公路路面、飛機跑道、隧道和大壩等結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀況。IE方法能夠發(fā)現(xiàn)混凝土、木材、石材和砌體中的孔洞、蜂窩、裂縫、剝離以及其它缺陷。如果已知混凝土構(gòu)件的厚度，IE法可以還預測早期混凝土的強度。
以下為沖擊回波檢測結(jié)構(gòu)的幾個現(xiàn)場實例，其中圖8表面波和沖擊回波聯(lián)合使用，在單面情況下，可準確獲得混凝土波速，進而求得更精確的厚度值：
圖5： 沖擊回波方法檢測橋梁 圖6： 沖擊回波法檢測隧道
圖7：沖擊回波法檢測公路 圖8：表面波、沖擊回波法聯(lián)合檢測橋面
下圖是一塊11英寸厚的混凝土板（密實）以及一塊17英寸厚的混凝土板（有裂縫）的沖擊回波試驗結(jié)果。測試結(jié)果表明在離混凝土板表面6.3 inches深處有裂縫
圖9：密實混凝土板和有裂縫混凝土板IE結(jié)果對比
二、IES（Impact Echo Scanner）掃描式?jīng)_擊回波方法介紹
（一）、掃描式?jīng)_擊回波方法概述
IE方法一直被公認是一種對混凝土構(gòu)件進行無損檢測的強大工具。該測試方法不僅符合美國ASTM Standard C1383-98 厚度確定標準的有關(guān)要求，也符合美國ACI 228.2R-98 確定孔洞、蜂窩、裂縫、分層等缺陷的標準的有關(guān)要求。
至今為止，IE方法的最大局限性是測試速率較低。一般來說，普通的IE系統(tǒng)每小時可測30～60個點，這就限制了該方法只能用于測試較小、非常關(guān)鍵的部位。掃描式?jīng)_擊回波系統(tǒng)的研制成功，徹底解決了該問題。用IES方法每小時可測2000～3000個點，極大地提高了檢測效率。此外，由于該方法可沿直線以數(shù)厘米的間隔進行快速測試，經(jīng)實踐多次證明它還可以用于檢測后張預應(yīng)力管內(nèi)的灌漿情況。利用軟件對IES數(shù)據(jù)的進行三維處理后，還可對結(jié)構(gòu)的厚度、缺陷位置以及后張預應(yīng)力管內(nèi)的灌漿情況進行非常直觀的顯示。
（二）、掃描式?jīng)_擊回波方法原理
IES方法是在IE的基礎(chǔ)上，將固定的單個傳感器變?yōu)闈L動傳感器，從而極大地加快了測試速度。如圖11所示，IE方法只有一個接收傳感器，每測試一點螺線管沖擊一次。而IES方法采用掃描式滾動傳感器，并采用螺線管沖擊器進行連續(xù)沖擊，極大地提高了檢測效率。
圖10：掃描式?jīng)_擊回波原理圖 圖11：左上角為IES系統(tǒng)，采用滾動接收傳感器；右下角為傳統(tǒng)IE系統(tǒng)，只有一個接收傳感器
（三）、IES測試實例：
1．用IES方法測試在一個大型板的實例：
測試板資料：
l 板尺寸 = 10× 4 米
l 每隔5 cm間距進行一次IE Scanner掃描.
l 板中有蜂窩缺陷
l 板厚度有變化
l 板中存在預應(yīng)力管 (存在灌漿密實區(qū)、不密實區(qū)、空管區(qū))
圖12： IES方法測試大型板現(xiàn)場
利用IES進行的三維成像測試結(jié)果：
圖13：厚度變化處的三維成像 圖14：板中蜂窩缺陷的三維成像
圖15：預應(yīng)力管中未灌漿區(qū)域的缺陷成像 圖16：板中孔洞缺陷的三維成像
圖17：IES檢測預應(yīng)力管灌漿情況的圖形解釋
一、總結(jié)
IE沖擊回波方法被證明是一種無損檢測混凝土結(jié)構(gòu)厚度、缺陷的強大工具，在很多國家都有非常成熟的使用經(jīng)驗。其技術(shù)的日臻完善將使之成為一種越來越重要的無損檢測方法。IES方法相對于IE方法是一個巨大的進步，不僅極大地提高了傳統(tǒng)沖擊回波的檢測速度，而且解決了檢測預應(yīng)力管灌漿情況的大難題。此外，基于IES數(shù)據(jù)的軟件成像可清楚、直觀的顯示結(jié)構(gòu)的厚度變化、缺陷類型及位置。實踐證明，IES方法是一種非�？煽�、有效的檢測方法，是混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)的一次突破，必將為國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測起到非常積極的作用。 |
