粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)超聲波時域和頻域特性研究

劉建鎮(zhèn)，龍士國，唐海翔，張高峰

（湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展和建筑工業(yè)化進程的加快，為了適應(yīng)新時期建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，裝配式建筑在全國得到了大量推廣應(yīng)用[1-2]。裝配式混凝土建筑是指以工廠化生產(chǎn)的混凝土預(yù)制構(gòu)件為主，通過現(xiàn)場裝配的方式設(shè)計建造的混凝土結(jié)構(gòu)建筑。裝配式混凝土建筑與傳統(tǒng)混凝土建筑相比，具有施工質(zhì)量高、施工周期短和節(jié)能減耗等優(yōu)點[3]。裝配式建筑采用了大量的預(yù)制構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件在后澆混凝土?xí)r，澆筑面積大、鋼筋密集且預(yù)埋管線線路繁多，如果澆筑時振搗不密實，或者結(jié)合面沒有按照規(guī)范要求處理，在結(jié)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(jié)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?xí)r，由于種種原因往往不能完全按照規(guī)范要求處理已硬化混凝土的表面，很難保證結(jié)合面質(zhì)量[5]。

相關(guān)研究學(xué)者對粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合面粘結(jié)質(zhì)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(jié)合面的粘結(jié)強度進行了試驗研究。王大永等[7]使用鉆芯取樣法、地質(zhì)雷達法和超聲波檢測法對裝配式結(jié)構(gòu)的新舊混凝土結(jié)合面的質(zhì)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(jié)構(gòu)粘結(jié)界面的粘結(jié)質(zhì)量。超聲法[8]可以在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上檢測到混凝土內(nèi)部的缺陷，同時具有激發(fā)容易、操作簡單和用途廣泛等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了非常好的推廣應(yīng)用，成為應(yīng)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(jié)構(gòu)中現(xiàn)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(gòu)件中的聲學(xué)信號，得到了超聲波在脫空率較高的混凝土結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件中聲速、波幅和主頻明顯減小的變化規(guī)律。通過現(xiàn)場測試結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)比較，能夠?qū)φw結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)并分析了缺陷數(shù)據(jù)的規(guī)律性，通過建立空洞缺陷的計算模型，能有效預(yù)測空洞尺寸。但是試件數(shù)量和檢測的數(shù)據(jù)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(jié)合面進行了質(zhì)量檢測，研究表明采用超聲波平測法檢測混凝土結(jié)合面質(zhì)量是可行的。

李華良等[14]采用相控陣超聲成像技術(shù)對鋼管混凝土柱混凝土澆筑質(zhì)量進行無損檢測。結(jié)果表明相控陣超聲成像技術(shù)在混凝土與其他介質(zhì)材料結(jié)合面單面檢測中取得良好效果，可反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土澆筑質(zhì)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(nèi)部混凝土缺陷，并進行鉆芯驗證，結(jié)果表明采用超聲波透射法及相控陣超聲成像技術(shù)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(shù)對疊合面預(yù)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(jié)果表明相控陣超聲成像法可以識別疊合層明顯的膠結(jié)不良、內(nèi)部孔洞等缺陷。

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

1 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)聲場模擬方法

1.1 有限元模型的建立

根據(jù)粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)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(zhì)層依次為混凝土 1區(qū)、粘結(jié)界面區(qū)、混凝土 2區(qū)，各介質(zhì)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(fā)點和接收點進行測點布置，激發(fā)點與接收點距粘結(jié)界面區(qū)的距離為4 cm。模型的左右邊界設(shè)置為低反射邊界以減小界面反射對模擬結(jié)果的影響。通過對粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型各個介質(zhì)層添加不同的材料參數(shù)，共建立六類粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)。C20-C20、C40-C40、U-U為相同混凝土強度等級相結(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型；C40-C20、U-C40、U-C20不同混凝土強度等級相結(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型。其中粘結(jié)界面區(qū)域的材料參數(shù)取界面區(qū)域兩側(cè)混凝土區(qū)域材料參數(shù)的平均值，各模型的材料參數(shù)如表1所示。

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

圖1 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)物理模型Fig.1 Physical model of bonded concrete structure

在各類粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型的粘結(jié)界面區(qū)域內(nèi)隨機均勻設(shè)定孔徑大小為 1～2 mm的不同數(shù)量的空洞缺陷、數(shù)量為 30、60、90、120，分別代表不同粘結(jié)質(zhì)量的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型，圖2為隨機空洞個數(shù)為30的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型。

確定粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型的有限元單元類型和材料參數(shù)之后，將圖1和圖2中的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型生成有限元網(wǎng)格劃分模型。網(wǎng)格劃分在有限元建模過程中非常重要，網(wǎng)格尺寸劃分的合理性與計算結(jié)果的準確性在很大程度上呈直線相關(guān)。為了保證計算精度，聲波沿傳播方向每個波長內(nèi)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(shù)為30的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)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(jīng)過漢寧（Hanning）函數(shù)調(diào)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(shù)既可以使應(yīng)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(jié)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(shù)表達式，然后以瞬時荷載的形式加載到激發(fā)點處，所加載的激勵信號[19]的數(shù)學(xué)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(shù)；t為時間。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 聲波在介質(zhì)中的傳播聲場

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

圖5 C40-C40不同空洞數(shù)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(shù)量模型的時域波形數(shù)據(jù)為例，圖6和圖7分別為C40-C40、U-C40不同空洞數(shù)量模型的時域波形。通過對比不同空洞數(shù)量模型的首脈沖到達時刻（簡稱首波聲時）可以發(fā)現(xiàn)，不同空洞數(shù)量模型的首波聲時基本一致。當空洞數(shù)量為30或60時，時域信號衰減較慢，當空洞數(shù)量為90或120時，時域信號衰減較快，但是用首波聲時難以區(qū)分不同空洞數(shù)量的模型。

圖6 C40-C40不同空洞數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)量為0時，時域信號峰值最大，隨著空洞數(shù)量的增加，時域信號峰值依次降低，不同空洞數(shù)量模型的時域信號峰值呈規(guī)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(shù)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(shù)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(shù)量模型的時域信號峰值。由圖 10可知，空洞數(shù)量為 0時，C20-C20、C40-C40、U-U相同混凝土強度等級相結(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，界面反射較小，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，界面反射增強，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)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(jié)界面區(qū)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(shù)量模型的時域信號峰值可知，空洞數(shù)量越多的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型，信號峰值越小。由此可知粘結(jié)質(zhì)量越好，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)域的信號峰值越大。

圖10 不同空洞數(shù)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(shù)量模型的頻譜曲線。

圖11 C40-C40不同空洞數(shù)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(fā)現(xiàn)，在粘結(jié)質(zhì)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(jié)區(qū)域存在空洞時，且空洞數(shù)量越多，峰值信號降低的現(xiàn)象越明顯。因此可以對其進行頻域積分，圖13為不同空洞數(shù)量模型的頻域積分。

圖12 U-C40不同空洞數(shù)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(shù)量為 0時，C20-C20、C40-C40、U-U相同混凝土強度等級相結(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)域的頻域積分較大。不同混凝土強度等級相結(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)域的頻域積分減小。通過對比不同空洞數(shù)量模型頻域積分可知，空洞數(shù)量越多的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型，頻域積分越小。由此可知，粘結(jié)界面區(qū)域內(nèi)空洞數(shù)量越少，粘結(jié)界面粘結(jié)質(zhì)量越好，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)域的頻域積分越大。

圖13 不同空洞數(shù)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(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作

根據(jù)工程實際情況以及試驗需要，本文設(shè)計了適當簡化的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型，圖 14為粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計圖。

圖14 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型設(shè)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(yù)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(jié)界面粗糙度處理，預(yù)制混凝土試件養(yǎng)護完成后，取預(yù)制混凝土試件300 mm×600 mm平面作為粘結(jié)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(qū)域，通過人工鑿毛法對粘結(jié)界面進行粗糙處理，并采用灌沙法測定粘結(jié)界面的粗糙度，試驗設(shè)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(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型制作過程照片。

圖15 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)試樣的制作過程照片F(xiàn)ig.15 Photos of the making process of bonded concrete structure specimen

3.2 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型模型測試

采用超聲波斜測法對粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型進行聲波測試，分別在粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)界面測區(qū)和界面兩側(cè)的C30、C40混凝土測區(qū)進行聲波測試，超聲波斜測法測試粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)示意圖如圖16所示。其中T表示超聲波激發(fā)換能器，R表示超聲波接收換能器，T1-R1測試C30混凝土測區(qū)的聲波，T2-R2測試粘結(jié)界面測區(qū)的聲波，T3-R3測試C40混凝土測區(qū)的聲波。超聲測距 L=0.335 m，不同粗糙度粘結(jié)界面測區(qū)各選擇三條測試截面，分別為粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)粗糙面測區(qū)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(jié)混凝土結(jié)構(gòu)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(fā)的TH204型多功能聲波參數(shù)測試儀，換能器激發(fā)頻率為100 kHz，圖17為TH204型多功能聲波參數(shù)測試儀，圖18為粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)場測試照片。

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

圖18 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)場測試照片F(xiàn)ig.18 Field test photos of bonded concrete structure model

3.3 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型測試結(jié)果分析

圖19為粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)各測區(qū)的時域波形圖，由圖可知，C40混凝土測區(qū)和C30混凝土測區(qū)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(jié)界面區(qū)時，時域信號峰值降低明顯，界面粗糙度為 12 mm的粘結(jié)界面測區(qū)的時域信號峰值最大，界面粗糙度為4 mm的粘結(jié)界面測區(qū)的時域信號峰值最低。模擬結(jié)果表明，時域信號峰值隨著粘結(jié)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(jié)界面質(zhì)量最差。

圖19 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)各測區(qū)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(qū)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(jié)混凝土結(jié)構(gòu)各測區(qū)的頻域圖，圖 21為粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)各測區(qū)頻域積分。由圖20和圖21可知，當超聲波透射C40混凝土測區(qū)和C30混凝土測區(qū)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(jié)界面測區(qū)時，且粘結(jié)界面粗糙度越低，峰值信號降低現(xiàn)象更明顯。

圖20 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)各測區(qū)頻域圖Fig.20 Frequency domain diagram of each measurement area in bonded concrete structure

圖21 粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)各測區(qū)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(jié)混凝土結(jié)構(gòu)具有明顯的時域變化和頻域變化，界面粗糙度不足導(dǎo)致兩次澆筑的混凝土粘結(jié)不密實，增加界面粗糙度，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)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(jié)界面區(qū)域內(nèi)的粘結(jié)面積，使得新舊混凝土之間粘結(jié)更加緊密，超聲波透射粘結(jié)界面區(qū)域的能量越大。

4 結(jié) 論

（1）通過COMSOL有限元數(shù)值模擬軟件，模擬了超聲波在不同空洞數(shù)量粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型中的傳播過程，通過對比不同空洞數(shù)量粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型的時域波形，發(fā)現(xiàn)各模型的首波聲時基本一致，首波聲時并不能區(qū)分不同空洞數(shù)量的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)模型。

（2）時域分析表明，相同混凝土強度等級相結(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，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??；粘結(jié)界面區(qū)域內(nèi)的空洞數(shù)量越少，粘結(jié)界面質(zhì)量越好，超聲波透射粘結(jié)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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)合的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，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??；粘結(jié)界面區(qū)域內(nèi)的空洞數(shù)量越少，粘結(jié)界面質(zhì)量越好，超聲波透射粘結(jié)界面的能量越大，接收點的頻域積分越大。

（4）數(shù)值模擬和實驗測試結(jié)果表明，超聲波透射不同粘結(jié)質(zhì)量的粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)，具有明顯的時域變化和頻域變化，對于粘結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)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。