粘結混凝土結構超聲波時域和頻域特性研究

劉建鎮，龍士國，唐海翔，張高峰

（湘潭大學土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105）

0 引 言

隨著我國經濟轉型發展和建筑工業化進程的加快，為了適應新時期建筑行業的可持續發展，裝配式建筑在全國得到了大量推廣應用[1-2]。裝配式混凝土建筑是指以工廠化生產的混凝土預制構件為主，通過現場裝配的方式設計建造的混凝土結構建筑。裝配式混凝土建筑與傳統混凝土建筑相比，具有施工質量高、施工周期短和節能減耗等優點[3]。裝配式建筑采用了大量的預制構件，預制構件在后澆混凝土時，澆筑面積大、鋼筋密集且預埋管線線路繁多，如果澆筑時振搗不密實，或者結合面沒有按照規范要求處理，在結合面上會形成各類缺陷[4]。兩次澆筑的混凝土之間需要保持良好的結合，使新舊混凝土形成一個整體，共同承擔荷載。在第二次澆筑混凝土時，由于種種原因往往不能完全按照規范要求處理已硬化混凝土的表面，很難保證結合面質量[5]。

相關研究學者對粘結混凝土結構結合面粘結質量的檢測研究也取得了一定成果。張晉峰等[6]采用鉆芯植筋拉拔法對裝配式疊合試件結合面的粘結強度進行了試驗研究。王大永等[7]使用鉆芯取樣法、地質雷達法和超聲波檢測法對裝配式結構的新舊混凝土結合面的質量進行檢測，研究表明超聲波法能夠準確地檢測裝配式混凝土結構粘結界面的粘結質量。超聲法[8]可以在不破壞混凝土結構的基礎上檢測到混凝土內部的缺陷，同時具有激發容易、操作簡單和用途廣泛等優點，在國內外得到了非常好的推廣應用，成為應用最廣泛的混凝土無損檢測方法[9]。顏華等[10]為檢測裝配式混凝土結構中現澆混凝土的施工缺陷，通過試驗檢測超聲波在不同脫空率混凝土模型構件中的聲學信號，得到了超聲波在脫空率較高的混凝土結構模型構件中聲速、波幅和主頻明顯減小的變化規律。通過現場測試結果和試驗數據比較，能夠對整體結構缺陷進行有效的識別。趙軍等[11]采用超聲波首波聲時法對拼裝柱的密實性進行了檢測，試驗得到了缺陷位置的聲波數據并分析了缺陷數據的規律性，通過建立空洞缺陷的計算模型，能有效預測空洞尺寸。但是試件數量和檢測的數據較少。羅維剛等[12]采用超聲波斜測法[13]和超聲波平測法對梁施工結合面進行了質量檢測，研究表明采用超聲波平測法檢測混凝土結合面質量是可行的。

李華良等[14]采用相控陣超聲成像技術對鋼管混凝土柱混凝土澆筑質量進行無損檢測。結果表明相控陣超聲成像技術在混凝土與其他介質材料結合面單面檢測中取得良好效果，可反映結構內部混凝土澆筑質量。何勝華等[15]采用超聲透射法和相控陣超聲成像法檢測混凝土疊合墻試件內部混凝土缺陷，并進行鉆芯驗證，結果表明采用超聲波透射法及相控陣超聲成像技術均可以識別明顯的孔洞等缺陷。胡紅波等[16]利用相控陣超聲成像檢測技術對疊合面預埋人工缺陷的裝配式鋼筋混凝土疊合板試件進行了檢測，結果表明相控陣超聲成像法可以識別疊合層明顯的膠結不良、內部孔洞等缺陷。

綜上所述，目前對于粘結混凝土結構結合面粘結質量的檢測還沒有形成統一的方法和標準。對于檢測不同類型以及不同粘結質量的粘結混凝土結構也沒有深入研究。針對粘結混凝土結構，在已有研究的基礎上，本文采用COMSOL有限元模擬軟件，對不同粘結混凝土結構的聲場進行了仿真模擬，研究不同類型粘結混凝土結構在不同粘結質量情況下的時域特征和頻域特征。根據這一特征設計實驗，制作了三種不同界面粗糙度的粘結混凝土結構模型試件，采用超聲波斜測法對模型試件進行測試，測試結果表明超聲波透射不同粗糙度粘結界面的時域和頻域特征變化明顯。

1 粘結混凝土結構聲場模擬方法

1.1 有限元模型的建立

根據粘結混凝土結構的特征，本文建立了如下二維有限元物理模型。如圖1所示，從左至右的介質層依次為混凝土 1區、粘結界面區、混凝土 2區，各介質層的寬分別為19、2、19 cm，高為30 cm。采用超聲波斜測法對激發點和接收點進行測點布置，激發點與接收點距粘結界面區的距離為4 cm。模型的左右邊界設置為低反射邊界以減小界面反射對模擬結果的影響。通過對粘結混凝土結構模型各個介質層添加不同的材料參數，共建立六類粘結混凝土結構。C20-C20、C40-C40、U-U為相同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構模型；C40-C20、U-C40、U-C20不同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構模型。其中粘結界面區域的材料參數取界面區域兩側混凝土區域材料參數的平均值，各模型的材料參數如表1所示。

表1 模型的材料參數Table 1 Material parameters of different bonded concrete structure models

圖1 粘結混凝土結構物理模型Fig.1 Physical model of bonded concrete structure

在各類粘結混凝土結構模型的粘結界面區域內隨機均勻設定孔徑大小為 1～2 mm的不同數量的空洞缺陷、數量為 30、60、90、120，分別代表不同粘結質量的粘結混凝土結構模型，圖2為隨機空洞個數為30的粘結混凝土結構模型。

確定粘結混凝土結構模型的有限元單元類型和材料參數之后，將圖1和圖2中的粘結混凝土結構模型生成有限元網格劃分模型。網格劃分在有限元建模過程中非常重要，網格尺寸劃分的合理性與計算結果的準確性在很大程度上呈直線相關。為了保證計算精度，聲波沿傳播方向每個波長內至少有10～20個單元[17]，最大單元的尺寸選擇如表2所示。

圖2 隨機空洞個數為30的粘結混凝土結構模型Fig.2 Structural model of bonded concrete with 30 random holes

表2 模型最大單元尺寸Table 2 Maximum unit size in structural model

1.2 激勵信號的選取

模擬采用的激勵信號由3個單音頻信號疊加并經過漢寧（Hanning）函數調制而成。相對一般的半正弦、矩形波和尖脈沖等信號，Hanning窗脈沖信號主瓣高，旁瓣瞬間衰減很快，在信號識別中頻率敏感度高，這種窄帶激勵函數既可以使應力波的傳播距離增大，又可以增強自身的信號強度[18]。通過模擬結果對比分析，選擇脈沖信號的頻率f=100 kHz、脈沖寬度T=30μs、計算時間t=600μs時接收到的波形較好，易于提取分析。激勵信號的時域圖及頻譜圖如圖3和圖4所示。在模擬過程中先編寫激勵信號的函數表達式，然后以瞬時荷載的形式加載到激發點處，所加載的激勵信號[19]的數學表達式為

圖3 激勵信號的時域圖Fig.3 Time domain plot of excitation signal

圖4 激勵信號的頻譜圖Fig.4 Spectrum of the excitation signal

式中：f為頻率；n為單音頻數；t為時間。

2 模擬結果分析

2.1 聲波在介質中的傳播聲場

圖5是超聲波在C40-C40不同空洞數量模型中傳播的聲場快照。由圖5可知，在激發點處激勵超聲波信號后，超聲波就會在粘結混凝土結構模型中傳播。當超聲波通過粘結界面區域時，在粘結界面區域內遇到空洞缺陷會發生界面反射，而且隨著空洞數量的增加，超聲波在界面區域發生的反射越多，超聲波透射粘結界面區域的能量越小。

圖5 C40-C40不同空洞數量模型聲波傳播云圖Fig.5 Nephograms of sound wave propagation in C40-C40 model with different numbers of holes

2.2 時域分析

取C40-C40和U-C40不同空洞數量模型的時域波形數據為例，圖6和圖7分別為C40-C40、U-C40不同空洞數量模型的時域波形。通過對比不同空洞數量模型的首脈沖到達時刻（簡稱首波聲時）可以發現，不同空洞數量模型的首波聲時基本一致。當空洞數量為30或60時，時域信號衰減較慢，當空洞數量為90或120時，時域信號衰減較快，但是用首波聲時難以區分不同空洞數量的模型。

圖6 C40-C40不同空洞數量模型時域波形Fig.6 Time-domain signal waveforms in C40-C40 model with different number of holes

圖7 U-C40不同空洞數量模型時域波形Fig.7 Time-domain signal waveforms in U-C40 model with different number of holes

圖8和圖9分別為C40-C40和U-C40不同空洞數量模型接收到的時域信號峰值對比圖。由圖8和圖9可知，空洞數量為0時，時域信號峰值最大，隨著空洞數量的增加，時域信號峰值依次降低，不同空洞數量模型的時域信號峰值呈規律性變化，因此對所有模型的時域信號峰值進行提取分析。

圖8 C40-C40不同空洞數量模型時域信號峰值對比Fig.8 Comparison of the peaks of time-domain signal in C40-C40 model with different number of holes

圖9 U-C40不同空洞數量模型時域信號峰值對比Fig.9 Comparison of the peaks of time-domain signal in U-C40 model with different number holes

圖10為不同空洞數量模型的時域信號峰值。由圖 10可知，空洞數量為 0時，C20-C20、C40-C40、U-U相同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構模型，信號峰值分別為 3.3×10-7m、3.2×10-7m、3.0×10-7m，信號峰值較大。C40-C20、U-C40、U-C20不同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構模型，信號峰值分別為 2.8×10-7m、2.6×10-7m、2.0×10-7m，信號峰值依次降低。由此可以看出，相同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，界面反射較小，超聲波透射粘結界面區的能量大，接收點的信號峰值較大。不同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，界面反射增強，超聲波透射粘結界面區域的能量減小，且強度等級差別越大，界面反射越強，超聲波透射粘結界面區域的能量越小，接收點的信號峰值越小。通過對比不同空洞數量模型的時域信號峰值可知，空洞數量越多的粘結混凝土結構模型，信號峰值越小。由此可知粘結質量越好，超聲波透射粘結界面區域的信號峰值越大。

圖10 不同空洞數量模型時域信號峰值Fig.10 Peaks of time-domain signal in different models with different number of holes

2.3 頻域分析

對所有模型的時域信號進行 FFT，圖 11、12分別為C40-C40、U-C40不同空洞數量模型的頻譜曲線。

圖11 C40-C40不同空洞數量模型頻譜曲線Fig.11 Spectrum curves for C40-C40 model with different number of holes

將圖11和圖12中各模型的頻域信號進行對比可以發現，在粘結質量較好的情況下，頻域信號分布在50～150 kHz之間，且在100 kHz處存在明顯的峰值。當粘結區域存在空洞時，且空洞數量越多，峰值信號降低的現象越明顯。因此可以對其進行頻域積分，圖13為不同空洞數量模型的頻域積分。

圖12 U-C40不同空洞數量模型頻譜曲線Fig.12 Spectrum curves for U-C40 model with different number of holes

由圖 13可知，空洞數量為 0時，C20-C20、C40-C40、U-U相同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構模型，頻域積分分別為 0.340、0.338、0.326，頻域積分較大。C40-C20、U-C40、U-C20不同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構模型，頻域積分分別為0.239、0.237、0.186，頻域積分依次減小。由此可知，相同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，超聲波透射粘結界面區域的頻域積分較大。不同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，超聲波透射粘結界面區域的頻域積分減小。通過對比不同空洞數量模型頻域積分可知，空洞數量越多的粘結混凝土結構模型，頻域積分越小。由此可知，粘結界面區域內空洞數量越少，粘結界面粘結質量越好，超聲波透射粘結界面區域的頻域積分越大。

圖13 不同空洞數量模型頻域積分Fig.13 Frequency domain integration in different models with different number of holes

3 實驗測試

3.1 粘結混凝土結構模型設計與制作

根據工程實際情況以及試驗需要，本文設計了適當簡化的粘結混凝土結構模型，圖 14為粘結混凝土結構模型的設計圖。

圖14 粘結混凝土結構模型設計圖Fig.14 Model design drawing of bonded concrete structure

模型的制作流程主要分為以下三個步驟：（1）預制混凝土試件制作，試件的幾何尺寸為700 mm×300 mm×600 mm，澆筑C40混凝土。（2）粘結界面粗糙度處理，預制混凝土試件養護完成后，取預制混凝土試件300 mm×600 mm平面作為粘結面進行粗糙度處理，粗糙處理界面劃分為3個相同的面積區域，通過人工鑿毛法對粘結界面進行粗糙處理，并采用灌沙法測定粘結界面的粗糙度，試驗設計并制作了界面粗糙度為4 mm、8 mm和12 mm三種混凝土粗糙度界面。（3）澆筑新混凝土，新澆筑混凝土部分的幾何尺寸為300 mm×300 mm×600 mm，采用C30混凝土進行澆筑而成。圖15為粘結混凝土結構模型制作過程照片。

圖15 粘結混凝土結構試樣的制作過程照片Fig.15 Photos of the making process of bonded concrete structure specimen

3.2 粘結混凝土結構模型模型測試

采用超聲波斜測法對粘結混凝土結構模型進行聲波測試，分別在粘結混凝土結構的粘結界面測區和界面兩側的C30、C40混凝土測區進行聲波測試，超聲波斜測法測試粘結混凝土結構示意圖如圖16所示。其中T表示超聲波激發換能器，R表示超聲波接收換能器，T1-R1測試C30混凝土測區的聲波，T2-R2測試粘結界面測區的聲波，T3-R3測試C40混凝土測區的聲波。超聲測距 L=0.335 m，不同粗糙度粘結界面測區各選擇三條測試截面，分別為粘結混凝土結構粗糙面測區的上部、中部和下部。各截面選擇三個點進行測試。

圖16 超聲波斜測法測試粘結混凝土結構示意圖Fig.16 Schematic diagram of testing bonded concrete structure by ultrasonic oblique measurement

超聲波測試儀器采用本課題組自主研發的TH204型多功能聲波參數測試儀，換能器激發頻率為100 kHz，圖17為TH204型多功能聲波參數測試儀，圖18為粘結混凝土結構模型現場測試照片。

圖17 TH204型多功能聲波參數測試儀Fig.17 TH204 multi-function acoustic parameter tester

圖18 粘結混凝土結構模型現場測試照片Fig.18 Field test photos of bonded concrete structure model

3.3 粘結混凝土結構模型測試結果分析

圖19為粘結混凝土結構各測區的時域波形圖，由圖可知，C40混凝土測區和C30混凝土測區的時域信號峰值較大，時域信號衰減較慢；當超聲波透射粘結界面區時，時域信號峰值降低明顯，界面粗糙度為 12 mm的粘結界面測區的時域信號峰值最大，界面粗糙度為4 mm的粘結界面測區的時域信號峰值最低。模擬結果表明，時域信號峰值隨著粘結密實度的提高而增大，因此推斷界面粗糙度為4 mm的混凝土粘結界面質量最差。

圖19 粘結混凝土結構各測區的時域波形圖Fig.19 Time-domain signal waveforms of each measurement area in bonded concrete structure

對所有測區的時域信號進行FFT，并將頻域信號進行頻域積分處理，圖 20為粘結混凝土結構各測區的頻域圖，圖 21為粘結混凝土結構各測區頻域積分。由圖20和圖21可知，當超聲波透射C40混凝土測區和C30混凝土測區時，頻域信號集中分布在50～100 kHz之間，且在100 kHz處存在明顯的峰值；當超聲波透射粘結界面測區時，且粘結界面粗糙度越低，峰值信號降低現象更明顯。

圖20 粘結混凝土結構各測區頻域圖Fig.20 Frequency domain diagram of each measurement area in bonded concrete structure

圖21 粘結混凝土結構各測區頻域積分Fig.21 Frequency domain integration of each measurement area in bonded concrete structure

由實驗測試可得，超聲波透射不同粗糙度的粘結混凝土結構具有明顯的時域變化和頻域變化，界面粗糙度不足導致兩次澆筑的混凝土粘結不密實，增加界面粗糙度，超聲波透射粘結界面區的時域信號峰值和頻域積分增加，這是由于增加界面粗糙度能夠增加粘結界面區域內的粘結面積，使得新舊混凝土之間粘結更加緊密，超聲波透射粘結界面區域的能量越大。

4 結 論

（1）通過COMSOL有限元數值模擬軟件，模擬了超聲波在不同空洞數量粘結混凝土結構模型中的傳播過程，通過對比不同空洞數量粘結混凝土結構模型的時域波形，發現各模型的首波聲時基本一致，首波聲時并不能區分不同空洞數量的粘結混凝土結構模型。

（2）時域分析表明，相同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，界面反射較小，接收點的信號峰值較大；不同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，界面反射增強，且強度等級差別越大，界面反射就越強，接收點的信號峰值就越小；粘結界面區域內的空洞數量越少，粘結界面質量越好，超聲波透射粘結界面的能量越大，接收點的信號峰值越大。

（3）頻域分析表明，相同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，界面反射較小，接收點的頻域積分較大；不同混凝土強度等級相結合的粘結混凝土結構，界面反射增強，且強度等級差別越大，界面反射就越強，接收點的頻域積分就越小；粘結界面區域內的空洞數量越少，粘結界面質量越好，超聲波透射粘結界面的能量越大，接收點的頻域積分越大。

（4）數值模擬和實驗測試結果表明，超聲波透射不同粘結質量的粘結混凝土結構，具有明顯的時域變化和頻域變化，對于粘結混凝土結構的粘結質量，可以通過超聲波時域信號峰值和頻域積分進行有效的識別。