基于双材共振基频标定的混凝土修补材料界面粘结性能无损评价方法与流程

本发明涉及混凝土结构无损检测，尤其是涉及一种混凝土修补材料界面的粘结性能无损评价方法。

背景技术：

1、在混凝土结构服役期间，受环境侵蚀、荷载作用及材料劣化等影响，常出现开裂、剥落、蜂窝、麻面等病害，常采用各类修补材料对受损区域进行加固修复。修补材料与原有混凝土基体之间的界面粘结性能，直接决定了复合构件的整体刚度传递效率和协同受力能力。准确获取修补界面的粘结性能参数，是评估加固工程结构完整性、判定界面失效模式以及预测长期服役性能的核心基础。

2、目前针对修补界面的检测主要依赖破坏性的现场拉拔试验，或采用超声波、冲击回波等无损检测手段。其中拉拔试验需在构件表面钻孔并施加物理拉拔力，该过程破坏了结构的原始状态且检测效率低下，难以满足大面积普查的工程需求。而现有的无损检测方法通常依靠单一的弹性波反射特征，或固定的声学共振频率阈值，判别界面是否存在脱空缺陷。该类方法在面对非均质复合结构时，由于信号反馈受构件几何尺寸、修补层厚度及材料本征属性波动的影响较大，通常输出二元化的定性状态，难以将检测信号转化为反映界面微观缺陷发育程度和宏观力学强度的量化指标。

3、现有检测手段在面对复杂的实体构件时，难以在不破坏结构完整性的前提下，完成界面传力状态精准辨识与力学性能连续定量表征；且面对长期环境与荷载的耦合作用，普遍存在对早期隐性损伤追踪和预警能力不足的共性技术挑战。亟需研究一种无损、定量精准、适配现场复杂场景，且可同步评价粘结强度与长期耐久风险的混凝土修补界面粘结性能评价方法。

技术实现思路

1、针对传统界面性能检测技术仅能定性识别界面脱空、难以现场原位无损定量换算界面粘结强度，且单一指标误差大、测试流程碎片化、仅适用于实验室试块、无法区分粘结失效模式与耐久劣化程度，以及传统拉拔检测破坏性强、抽样代表性差等行业缺陷。本发明的目的在于提供一种基于双材共振基频标定的混凝土修补材料界面粘结性能无损评价方法，以期解决现有技术的上述问题。

2、技术方案，一种基于双材共振基频标定的混凝土修补材料界面粘结性能无损评价方法，基于“室内参数标定+现场原位测试”的两级技术体系，包括：

3、（1）双材双模态本征参数标定：分别制备与待修结构同材料同配比的基体与修补材料棱柱体试块，获取基体材料与修补材料的固有动态力学参数。

4、优选地，基体、修补材料标准棱柱体试块尺寸均为长400mm×宽100mm×高100mm，符合《混凝土长期性能和耐久性能试验方法》gb/t 50082-2024规范要求。

5、（2）多梯度界面粘结复合试件制备：制备多组标定用混凝土基体棱柱试块，预处理后施加预设厚度修补材料，获取预制梯度粘结复合试件的截面几何参数，并测试共振参数与界面拉拔强度。

6、优选地，标定用混凝土基体棱柱试块强度等级≥c50；修补材料为水泥基修补砂浆、聚合物改性水泥基修补砂浆、环氧修补砂浆、聚氨酯砂浆、地聚合物修补砂浆中的任意一种。

7、进一步优选地，预制梯度粘结复合试件的修补层厚度为10~50mm，养护龄期不少于28天。

8、优选地，通过差异化表面预处理工艺制造具有不同界面粗糙度的预制梯度粘结复合试件，形成覆盖从界面完全脱粘到完整粘结的连续质量梯度；其中，差异化表面预处理工艺包括压光处理、拉毛处理、凿毛处理、喷砂处理以及凿毛+涂刷界面剂中的至少三种工艺的组合。

9、（3）复合界面理论基准构建与几何修正：基于固有动态力学参数与截面几何参数进行几何修正，分别构建表征界面完全粘结状态与完全脱粘状态的理论共振基频边界。

10、（4）界面粘结定量评价模型建立：基于理论共振基频边界与测试共振参数构建综合振动特征指标，建立综合振动特征指标与界面拉拔强度的映射模型。

11、优选地，界面粘结强度采用拉拔试验测试，符合《混凝土表面抗拉强度及混凝土修补与罩面材料的粘结强度或抗拉强度的直接拉伸试验方法(拉拔法)》astm c1583/c1583m-20标准要求，拉拔头直径50mm，加载速率0.1mpa/s。

12、（5）现场原位共振采集：获取现场实体构件修补界面的原位共振基频与原位振动阻尼比，以及所处环境参数、实测修补厚度与约束条件，并基于环境参数、实测修补厚度与约束条件对理论共振基频边界进行自适应修正，得到修正后基频边界。

13、优选地，在执行结构边界约束修正时，根据现场实体构件实际的约束形式，替换理论计算所需的预设模态振型特征值，以对边界频率进行折算；在执行环境温湿度补偿修正时，提取测试现场相对基准状态的温度变化量与相对湿度变化量，利用预先标定的环境修正系数对结构边界约束修正后基频进行线性补偿。

14、优选地，实测修补厚度现场通过测厚卡尺、超声脉冲回波测厚仪或钻孔法获取；现场实际厚度与标定厚度偏差在±5mm范围内预测误差可控制在±10%以内，偏差超过±5mm则需重新计算理论基准频率后再进行评价。

15、优选的，在获取现场实体构件修补界面的原位共振基频与原位振动阻尼比时，采用便携式脉冲激振测试装置以单面测试模式进行信号采集。

16、（6）粘结性能与耐久性风险评估：根据修正后基频边界、原位共振基频与原位振动阻尼比计算得到原位综合振动特征指标，将其输入映射模型得到现场预测界面粘结强度，并基于原位共振基频与原位振动阻尼比的二维分布象限判定耐久劣化风险。

17、优选地，将现场预测粘结强度与基体材料抗拉强度以及强度评价阈值进行数值比对，根据比对结果划分修补界面的粘结质量验收等级：①当现场预测界面粘结强度大于等于2.5mpa或超过基体材料抗拉强度时，划分等级为粘结优秀，判定当前构件正常验收；②当现场预测界面粘结强度大于等于1.5mpa且小于2.5mpa时，划分等级为粘结良好，判定存在局部微裂隙弱粘结，对其实施验收并建立跟踪台账；③当现场预测界面粘结强度大于等于0.8mpa且小于1.5mpa时，划分等级为粘结合格，判定界面存在局部脱粘，承载力达到规范设定的最低限值，暂缓验收并需局部返工修补；④当现场预测界面粘结强度小于0.8mpa时，划分等级为粘结不合格，判定整体分层失效，不予验收并需全面返修。

18、优选地，以原位频率粘结系数为一维坐标，以原位振动阻尼比为另一维坐标，构建二维评价矩阵，根据测试点在二维评价矩阵中所处的分布象限，划分对应的耐久劣化风险等级：①低耐久风险区：原位频率粘结系数大于等于0.9且原位振动阻尼比小于4.0%，或者原位频率粘结系数大于等于0.7且小于0.9同时原位振动阻尼比小于2.0%，界面整体传力刚度充足，内部无微裂隙缺陷；②中耐久风险区：原位频率粘结系数大于等于0.9且原位振动阻尼比大于等于4.0%，或者原位频率粘结系数大于等于0.7且小于0.9同时原位振动阻尼比大于等于2.0%，宏观粘结未失效，短期承载力达标，但界面内部微裂隙富集现象，在温变或干湿循环作用下易持续劣化；③高耐久风险区：原位频率粘结系数大于等于0.4且小于0.7，界面存在局部脱粘，承载力大幅折减；④极高安全风险区：原位频率粘结系数小于0.4，修补层大面积脱粘，存在脱落安全隐患。

19、本发明的基于双材共振基频标定的混凝土修补材料界面粘结性能现场无损评价方法，可应用于各类混凝土结构修补加固工程中修补材料与基体界面粘结质量的现场无损检测、性能分级评价与长期耐久风险预判，其创新性在于：

20、（1）双材双模态基准标定+复合截面几何修正的评价基准体系

21、构建“基体+修补材料”双材弯曲+扭转双模态共振标定方法，联合求解两类材料的动态泊松比并修正动弹性模量，克服传统单一弯曲共振法参数误差大、基准不可复用的不足；标定成果脱离具体构件尺寸，同配比材料一次标定可跨项目复用，克服了传统共振法仅能测试单一试块的不足，为工程应用提供了参考性的基准体系。单独制备基体、修补材料标准试块，分别采集弯曲、扭转共振基频，独立求解固有动态力学参数，基于变换截面法推导完全粘结、完全脱粘两种复合惯性矩计算模式，引入模量比、厚度比、泊松比差构建三因子几何修正系数k_geo，建立不依赖试件厚度、材料配比的理论共振基频边界f_bond/f_debond，建立不同材料、不同厚度修补工程可横向对比的统一量化评价标尺，同配比材料一次标定可跨项目复用，无需每种工况单独制定验收标准，提升了方法的适用范围与评价准确性。

22、（2）频率粘结系数与阻尼折减系数耦合的定量表征模型

23、克服了现有技术仅用单一频率参数的不足，构建“刚度+损伤”双参数耦合量化体系：将修补界面等效为非线性弹簧阻尼层，以频率粘结系数α_f表征界面宏观传力刚度，量化大面积脱粘、分层失效程度；以指数型阻尼折减系数k_ξ表征界面微裂隙能量损耗(微观损伤、耐久劣化)，修正弱粘结区域承载力折减。二者耦合得到等效有效粘结面积占比η，实现“完整粘结—微裂隙弱粘结—大面积分层脱粘”全状态连续量化，有利于完成中间弱粘结区间定量评价。配套标准拉拔试验，建立等效有效粘结面积占比η与界面拉拔强度σ的映射关系模型，直接输出界面粘结强度预测值，用于替代破坏性拉拔试验。

24、（3）全链条界面粘结强度映射关系模型

25、建立“共振特征参数→修正后等效有效粘结面积占比→界面粘结强度”的完整映射链条，通过五种表面处理工艺(压光、拉毛、凿毛、喷砂、凿毛+界面剂)制造连续粘结质量梯度，覆盖完全粘结、微裂隙弱粘结、大面积脱粘工况，建立等效有效粘结面积占比与界面粘结强度的映射关系模型，直接输出工程可复用的粘结强度指标与质量分级标准，实现从“定性缺陷识别”到“定量性能评价”，无需依赖破坏性试验，评价结果可对接现行工程验收标准。

26、（4）“一维粘结强度+二维耐久风险矩阵”双评价体系

27、克服了单一频率指标的不足，构建“一维粘结强度+二维耐久风险矩阵”双评价体系：一维粘结强度分级设置四级阈值，对标astm c1583/c1583m-20等国内外标准，匹配混凝土修补工程交工验收指标，可作为监理、质监的竣工资料依据；构建“频率粘结系数-振动阻尼比”二维评价矩阵，将界面刚度特征与能量耗散特征耦合分析，划分四级耐久风险区间。同一套现场激振数据无需额外试验即可同步输出界面粘结强度、耐久风险等级两类评价结果，兼顾短期交工验收判定与长期运维决策双重评价需求。

28、（5）全流程闭环的无损检测方法

29、提供“室内双材双模态参数标定+现场单面原位共振测试”两级技术体系，构建“双材双模态本征参数标定→多梯度界面粘结复合试件制备→复合界面理论基准构建与几何修正→界面粘结定量评价模型建立→现场原位共振采集→粘结性能与耐久性风险评估”全链条闭环无损检测流程，形成从原材料到实体构件、从参数采集到性能判定的完整无损评价体系，改善了传统方法仅关注单点测试的碎片化局限，升级为覆盖原材料、施工、验收全周期的系统性无损评价方法。形成整套现场检测工艺：采用“单面激振+单面拾振”的便携检测方案，无需钻孔、无破损、无需支座、无需构件双面可达，磁吸式加速度传感器可适配潮湿、粗糙混凝土表面；明确测点布设规则、采样参数要求、厚度与约束修正算法。整套设备小型便携，单人手持设备即可完成作业，单测点完整采集时长≤2min，提升检测效率，完成大面积修补区域快速普查。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、①针对现场大体积复合构件难以实施双面穿透检测的物理限制，采用单面激振配合单面磁吸响应拾取的测试架构，降低了传统检测流程中的破坏性取芯作业，降低了实体工程检测的物理损伤风险。单人手持设备即可完成作业，单测点采集、计算、判定总时长≤2min，同等修补面积下检测效率高，适配大面积修补工程现场快速全覆盖质量筛查；同一区域可重复多次测试，可跟踪修补材料界面粘结性能随时间和环境变化的演变规律，适用于长期健康监测，检测成本与作业风险低于钻芯取样等有损方法。

32、②通过提取双材双模态的固有动态力学参数以校准复合截面理论边界，将获取的原位共振基频与阻尼比转化为宏观传力刚度与微观缺陷耗能相耦合的特征指标。该机制剔除了材料与尺寸波动带来的测量偏差，使得界面粘结强度的评估从离散的定性判定升级为连续的定量数值映射。

33、③面对非理想现场工况导致的基准漂移挑战，根据实体构件的结构约束类别及现场气象参数对理论边界执行自适应折算与补偿，降低了由于支承条件改变及温湿度变动引发的系统性声学误差，增强了算法模型在真实作业面的鲁棒性。

34、④采用弯曲+扭转双模态共振标定方法求解材料动态泊松比并修正动弹性模量；引入模量比、厚度比、泊松比差构建三因子几何修正系数；通过泊松比与几何参数双重修正，消除了材料模量、修补厚度带来的系统误差；将频率粘结系数与阻尼折减系数耦合，降低了不同修补体系的固有系统偏差，建立等效有效粘结面积占比与界面粘结强度的映射关系模型，可为不同工程、不同材料体系之间的横向对比提供参考标准。

35、⑤利用宏观刚度与微观耗能参量构建正交分布象限矩阵，克服单一瞬时力学强度难以洞察界面早期隐性劣化的不足，实现了对短期承载力达标但内部微裂隙发育等高危隐患的灵敏追踪与前置预警。本发明构建“一维粘结强度+二维耐久评价矩阵”双评价体系：一套测试数据同步提供界面粘结强度预测值、界面耐久风险等级，不仅能评价当前界面粘结性能，还能识别微裂隙弱粘结带来的耐久性隐患，为结构长期运维提供较好的的决策依据。