基于沖擊回波測試的混凝土路面質量評價方法研究

陳文杰，柴華友，劉 歡

(武漢工程大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

0 前 言

目前，隨著交通量增加，混凝土路面表面及內部經常出現裂紋、空洞、脫空等質量問題，影響到混凝土路面的使用壽命和行車安全，因此，必須對其質量進行全面檢測。我國檢測路面方法有很多，但普遍檢測精度不高且存在一定缺點。沖擊回波法是一種無損檢測方法，其檢測精確、不受磁場干擾，只需單面檢測即可判斷混凝土路面內部缺陷的信息。本文研究將采用掃描式沖擊回波法(IES)對混凝土路面進行檢測，在滿足檢測精度的同時保證了其檢測效率，對我國路面的養護維修具有重要意義[1]。

1 沖擊回波法

1.1 沖擊回波法檢測原理

沖擊回波法基本檢測原理是使用球形沖擊錘在結構物體表面進行瞬時沖擊，利用傳感器來接受這一應力，脈沖激發的彈性波在結構物底面和頂面之間來回重復反射而生成的信號，將此時間域信號通過快速傅里葉變換(FFT)等頻域分析技術轉換為反映頻率域特征的頻譜圖(幅頻曲線)，進而通過分析頻譜圖上的頻率特性來判斷結構內部缺陷和質量。當混凝土中存在缺陷(如空洞、裂紋等)時，瞬時沖擊激發的彈性波(P波)也將在缺陷和板頂面之間形成重復反射，其原理與彈性波在板頂面和底面之間的重復反射相同[2]。

許多學者通過沖擊回波法來判斷混凝土結構的內部質量，最終結果表明沖擊回波法在混凝土結構檢測中是有效的[3-5]。因此，本文根據前人的研究基礎及經驗，采用沖擊回波法檢測混凝土路面質量是可行的。

1.2 掃描式沖擊回波法(IES)

掃描式沖擊回波法(IES)是一種基于沖擊回波原理的、用于大面積檢測和可形成高分辨率圖像的測試方法。利用滾動傳感器和自動沖擊器，可以對混凝土構件進行連續的掃描，提高了檢測效率。IES軟件根據式(1)計算得到厚度值T，結合測線計算的厚度值，可直觀顯示出構件厚度變化及內部缺陷位置。

(1)

式中，VP為P波傳播速度；ft為頻譜圖中對應的厚度頻率(或缺陷深度峰值頻率)；β為結構形狀系數，可取0.96[6]。

2 彈性波在混凝土路面模型中的傳播特性

模型建立，需要定義合理的荷載與約束條件才能進行計算分析，以半周期正弦函數模擬沖擊荷載，其表達式為

(2)

式中，F(t)表示瞬時沖擊力；Fmax為最大瞬時沖擊力；tc為沖擊力作用時間。

圖1所示為三種不同缺陷及完好路面的波場快照。圖4(a)可以看到在完好路面中，P波到達路面底部后反射回來的PP波與PS波，此時S波剛到達路面底部；圖1(b)為混凝土路面內部含有脫空，應力波在脫空位置的上表面反射，同時在右側繞射繼續向底部傳播；

圖1(c)為混凝土路面內局部高強，應力波在兩介質交界處，不僅會出現反射及繞射現象，此時應力波也會在高強缺陷中透射繼續向路面底部傳播，由于該處強度大，明顯看到透射的P波比路面中傳播的P波速度更大；圖1(d)為混凝土路面內局部低強，與圖1(c)不同的是由于強度低從而透射P波比路面中傳播的P波速度小，其他應力波傳播特性與圖1(c)無異。

(a)完好路面

(b)路面內部脫空

(d)路面內局部低強

3 模型試驗

由于對實際路面測試，其內部工況不可視，無法與檢測結果驗證，故本試驗設計了兩塊模型試件來替代實際路面進行檢測。

3.1 模型試件

模型試件尺寸為1 000 mm×500 mm×100 mm。在試件內部設置不同工況，模型試件及檢測示意圖見圖2。

(a)完整密實模型試件

(b)內含不同工況模型試件

如圖2所示，圖2(a)為完整密實模型試件，圖2(b)模型試件中，左側為內部脫空，中間為局部含有低強異質體，右側為局部含有高強異質體，三種工況埋深為6 cm。檢測方式為將IES儀器沿長度方向推進，沖擊器每敲擊一次模型試件傳感器隨之記錄信號。

3.2 檢測結果及分析

在對兩塊試件進行測量實驗時，IE測試車的掃描速度要求足夠慢，以避免相鄰測試點之間的干擾。從圖3中所示的結果可以看出，對完好密實模型試件測得所有點的厚度值幾乎等于200 mm，對這些測試數據進行統計發現，厚度測試結果的精準率高達96%。個別異常結果可能來自一些偶然的干擾因素，如測試表面的局部粗糙度或沙粒。

圖3 密實模型試件測量厚度

圖4 含不同工況模型試件測量厚度

對于含不同工況模型試件，通過檢測結果發現，在距離0.25 m處測點厚度值明顯大于實際試件厚度0.2 m，這是因為該處內部存在脫空，應力波在該處繞射，傳播路徑變大，檢測厚度結果變大；在距離0.5 m處測點厚度值同樣大于實際試件厚度0.2 m，這是因為該處局部存在低強異質體，應力在該傳播速度減小，透射該處時間增大，故檢測厚度結果變大；在距離0.75 m處測點厚度值則是小于實際試件厚度0.2 m，這是因為該處局部存在高強異質體，應力在該傳播速度增大，透射該處時間減小，整體厚度檢測結果隨之減小。綜上所述，數值模型和試驗檢測是合理有效的，為更復雜的實際檢測提供可靠參考。

4 結 論

1)對于混凝土路面這種只具備單一檢測面的結構，采用沖擊回波法可以檢測到其內部質量問題，該方法是目前最有效的無損檢測方法。

2)已知路面厚度時，通過IES檢測路面結果可以判斷路面內是否存在質量問題：當檢測厚度大于路面厚度，路面內可能存在內部脫空或局部強度低等質量問題；當檢測厚度小于路面厚度，路面內可能存在高強異質體。這種對路面質量評判的方法可為路面使用、養護、維修提供參考依據。

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