環形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的超聲波檢測

方永浩,賈麗麗,戴 王比,康秋波,葛兆祥,劉建軍,陳大兵

(1.河海大學力學與材料學院,江蘇 南京 210098;2.江蘇省電力試驗研究院有限公司,江蘇 南京 211100)

裂縫是環形鋼筋混凝土電桿的主要缺陷之一[1-4],它不僅直接影響電桿的承載力,而且降低了混凝土對鋼筋的保護作用,嚴重影響電桿的使用壽命[5-6]。準確檢測鋼筋混凝土電桿裂縫深度,對于電桿的安全使用和評估具有重要意義。

超聲波檢測是混凝土結構裂縫深度檢測的常用方法,主要用于平面混凝土結構的檢測[7-10]。鋼筋混凝土電桿表面是環形的,用于平面構件的檢測方法及相關計算均不能直接應用于環形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的測定和計算。另外,鋼筋混凝土電桿中鋼筋的存在可能影響裂縫深度的測定結果。祝賀等[11]將平面混凝土的裂縫深度檢測與計算方法應用于環形鋼筋混凝土電桿裂縫深度檢測,但僅是對環向裂縫的檢測,沒有考慮鋼筋的影響。筆者采用不同裂縫深度的環形鋼筋混凝土試件,研究超聲波視波速與裂縫深度的關系及用超聲波測定環形混凝土制品裂縫深度的方法,并應用于環形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的測定。

1 試件制備

用P?O42.5級水泥、細度模數為2.65的河沙、最大粒徑為25mm的石灰巖碎石、Ⅱ級粉煤灰和聚羧酸減水劑配制C40混凝土,制作成外徑、內徑、高度分別為200mm,75mm,200mm的環形混凝土試件。對于研究縱向裂縫檢測方法的試件,成型時在模具中放置厚度為0.3mm、不同寬度的PVC薄片;對于研究鋼筋影響的試件,在PVC薄片上附一段?10mm的光圓鋼筋,混凝土終凝后即抽去PVC薄片,24 h后脫模,標準養護;對于研究環向裂縫檢測方法的試件,用切割機沿圓周切出不同深度的縫隙。

2 裂縫檢測和裂縫深度計算方法

用ZBL-U520非金屬超聲檢測儀(頻率為50kHz)檢測含裂縫環形混凝土的超聲波傳播聲時并計算裂縫深度。

2.1 縱向裂縫檢測與計算

2.1.1 裂縫處無鋼筋

首先將發射換能器1置于A點,將接收換能器2置于B點,A點、B點位于裂縫同一側,見圖1(a),用凡士林將換能器1與電桿耦合,使2個換能器間的圓弧長S分別為60mm,80mm,100mm,120mm,140mm,依次移動換能器2并讀取相應的聲時值t。兩換能器中心直線間距按式(1)計算,視波速按式(2)計算:

式中:R為環形試件外徑。

圖1 環形混凝土試件縱向裂縫檢測示意圖

計算不同測距的視波速的平均值ˉv,作為無裂縫混凝土電桿的波速。

然后進行跨縫的聲時測量。將換能器1和2分別置于以裂縫為軸心的對稱兩側,控制 S分別為60mm,80mm,100mm,120mm,140mm,依次移動換能器1和2,并讀取相應的聲時值t c,見圖1(b)。當兩換能器的連線與裂縫的交點E高于裂縫尖端C點時,因波的實際傳播距離于兩換能器的直線距,故按式(2)計算得的視波速v小于混凝土實際平均波速。當兩換能器的連線正好與裂縫尖端相切時(此時換能器1和2分別位于 A′,B′點),波的實際傳播距離就為兩換能器的直線距離,所求得的視波速等于兩換能器置于裂縫同一側時所得平均波速ˉv。

則裂縫深度取不同的S,可以得到不同的t和tc,從而得到不同的裂縫深度值。取各深度值的平均值,即為裂縫深度測定值。

當兩換能器的連線與裂縫尖端相切(圖1(b)中E點與C點重合)或 E點低于C點時,假定混凝土表面與內部是均勻的,則兩換能器跨縫測得的波速與兩換能器置于裂縫同一側時所得波速ˉv相等。因此也可以將兩換能器分別置于以裂縫為軸心的對稱兩側,測定不同測距時的視波速v,當測得的視波速剛好等于混凝土實際平均波速時,兩換能器的連線正好與裂縫尖端相切,可得裂縫深度

2.1.2 裂縫處含鋼筋

含鋼筋的裂縫深度測定方法基本與無鋼筋時相似。當裂縫深度未達到鋼筋保護層厚度時,鋼筋的存在對裂縫深度測定結果基本無影響。如裂縫深度超過鋼筋而未完全穿透混凝土壁厚,則當兩換能器連線與鋼筋相切時,視波速最大;當兩換能器間距繼續增大時,視波速又減小。如裂縫尖端超越鋼筋距離不是太小時(若太小就只能忽略鋼筋以下部分深度),則隨著兩換能器間距繼續增大,視波速降至最小值后又增大。當兩換能器的連線正好與裂縫尖端相切時,波的實際傳播距離就為兩換能器的直線距離,所求得的視波速基本等于混凝土實際平均波速,裂縫深度可按式(4)計算。當裂縫已貫穿環形混凝土壁厚時,兩換能器連線超過鋼筋后視波速持續減小。

2.2 環向裂縫測定與計算

對于環形混凝土制品中的環向裂縫,由于配筋比較密集,無論是鋼筋穿越裂縫還是穿越裂縫下方,如兩換能器沿構件軸向布置,均無法達到“換能器需避開鋼筋的距離應至少為裂縫深度的1.5倍”的要求[12],即無法避免鋼筋“短路”作用的影響。為此采用兩換能器的連線斜跨環向裂縫的布置方法。

首先將發射換能器1和接收換能器2置于裂縫同一側,分別位于 T點、R點(圖2(c)),兩換能器內側邊緣與中間鋼筋的距離大于60mm(按最大裂縫深度為40mm的1.5倍計)。將換能器1耦合好,控制換能器1,2內邊緣線軸向間距分別為20mm,40mm,60mm,80mm,依次移動換能器2并讀取相應的聲時值t。如圖2中D點和R點之間的圓弧長為S,則D點、R點之間的直線距離為

圖2 環形混凝土試件環向裂縫檢測示意圖

兩換能器的直線距離為

接收換能器在其他位置時計算方法相同。

然后進行跨縫的聲時測量。將換能器1,2由T,R點分別平移至圖2(c)所示的裂縫兩邊對稱的A,B點位置,測量超聲波聲時。

如兩換能器在裂縫同一側時測得聲時為 t,聲速為v,兩換能器分別置于A點和B點時測得聲時為tc,結合圖2和圖3可得

上述方法僅適用于環向裂縫深度未達鋼筋處時的裂縫深度檢測。當裂縫深度超越鋼筋時,鋼筋起到超聲波跨越裂縫的“橋梁”作用。對于當裂縫深度超越鋼筋的情況,兩換能器仍按斜跨環形裂縫布置,而其測定方法和原理類似于含鋼筋的縱向裂縫深度測定方法,即根據換能器在不同位置測得的視波速的變化來判斷。

圖3 裂縫深度計算示圖

3 測定結果

3.1 環形混凝土試件裂縫深度

圖4是采用2.1.1中方法對縱向裂縫深度的測定結果(裂縫處不含鋼筋)。從圖4可以看出,裂縫深度越小,測量絕對偏差越小,但相對偏差越大。在裂縫深度為1～4cm的范圍內,本文方法測定結果與裂縫實際深度的最大絕對偏差小于0.3cm,最大相對誤差為18%。

圖4 縱向裂縫深度測量偏差(不含鋼筋)

圖5是采用2.1.2中方法對裂縫處含?10mm鋼筋(鋼筋埋深3cm,即保護層厚度為2.5cm)的縱向裂縫深度的測定結果。裂縫中含有鋼筋,對測定準確度有一定影響,隨著測定深度的增大絕對偏差增大,但最大相對偏差變化不大。在裂縫深度為1～4cm的范圍內,測定結果與裂縫實際深度的最大絕對偏差為0.3cm,最大相對誤差為15%。

圖5 縱向裂縫深度測量偏差(含鋼筋)

圖6是對環向裂縫深度的測定結果。從圖6中可以看出,用本文方法檢測,在環向裂縫深度為1～4cm范圍內,測量值與實際深度的最大偏差為0.40cm,最大相對偏差為22%。

3.2 環形鋼筋混凝土電桿裂縫深度

圖6 環向裂縫深度測量偏差(含鋼筋)

圖7是對4根舊環形鋼筋混凝土電桿共13條不同裂縫(包括縱向裂縫、環向裂縫、含鋼筋裂縫與不含鋼筋裂縫)的裂縫深度測量結果。測量后鑿開裂縫,用游標卡尺測量裂縫各測量點的實際深度。從圖7中可以看到:用本文方法對環形鋼筋混凝土電桿裂縫深度(深度范圍為1～4cm)的測定均值與電桿裂縫實際深度的最大絕對偏差為0.5cm,最大相對偏差為20%。

圖7 環形鋼筋混凝土電桿裂縫深度測量偏差

從上述結果看,用超聲波法測量鋼筋混凝土電桿裂縫深度,盡管可以基本滿足要求,但總的來說誤差還是較大。分析其原因,除了鋼筋和形狀因素影響檢測結果以外,本文所用試件和鋼筋混凝土電桿的尺寸較小,裂縫深度都很淺,因此測量時換能器間距比較小,混凝土材料的非均質性影響就變得顯著,材料的非均質性對聲速的不均勻性影響較大,顯著影響測量結果。

4 結 論

a.對于裂縫處無鋼筋時縱向裂縫深度的測定,可采用類似于混凝土基面為平面時的平測法(時距法)測定裂縫深度,裂縫深度按式(4)計算。

b.對于裂縫處含鋼筋的縱向裂縫深度的測定,當裂縫深度未達到鋼筋保護層厚度時,可用與裂縫處無鋼筋時的相同方法測量和計算裂縫深度;當裂縫深度超過鋼筋時,可采用類似于混凝土基面為平面時的對測法,根據測得視波速的變化判斷換能器連線正好與裂縫尖端相切的位置,裂縫深度按式(5)計算。

c.對于有鋼筋穿越的環向裂縫的深度測量,可采用兩換能器連線斜跨裂縫的布置方法,可基本規避鋼筋的影響;測量時兩換能器內側邊緣與中間鋼筋距離大于60mm,裂縫深度按式(11)計算。

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