超聲單面平測法檢測混凝土裂縫深度的探討

石　偉（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院）

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超聲單面平測法檢測混凝土裂縫深度的探討

石偉
（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院）

【摘要】單面平測法測試裂縫深度主要運用于混凝土結構的橋梁、隧道、房屋建筑等實體，測試依據為《超聲檢測混凝土缺陷技術規程》（CECS 21：2000），本文對規程（CECS 21：2000）中相關測試方法及主要參數進行了闡述及解釋，并通過工程實測數據，對應用中存在的一些問題進行探討分析。

【關鍵詞】混凝土裂縫；超聲波；裂縫深度值

1　概述

規程（CECS 21：2000）中介紹的檢測混凝土的非貫通裂縫的深度方法有單面平測法、雙面斜側法和鉆孔對側法，根據現場檢測條件可選取相應方法對裂縫深度進行測試；當結構的裂縫部位只有一個可測表面，估計深度又不大于500mm時，可采用單面評測法。

2　測試現場的條件要求

⑴依據檢測要求和測試操作條件，確定缺陷測試的部位（簡稱測位）。

⑵測位混凝土表面應干燥、清潔、平整，必要時可用砂輪磨平或用高強度的快凝砂漿抹平，抹平砂漿必須與混凝土結合良好。

⑶換能器應通過耦合劑與混凝土測試表面保持緊密結合，耦合層內不得夾雜泥砂或空氣。

⑷檢測時應避免超聲傳播露筋與附近鋼筋軸線平行，如無法避免，應使兩個換能器連線與該鋼筋的最短距離不小于超聲測距的1/6。

⑸當采用厚度震動式換能器平測時，宜用鋼卷尺測量T、R兩換能器的內邊緣距離。

3　現場測試過程

測試過程分為不跨縫測量和跨縫測量兩個步驟，兩次測量區域為同一實體的不同區域，詳解如下：

⑴不跨縫測量

本步驟可稱基準測量，其目的是為了取得超聲脈沖在該混凝土實體中不受裂縫影響情況下的聲速值（v）和某一測試標距對應的聲波傳遞距離真實值（li）。操作時將發射和接收換能器放置在裂縫附近的同一側，測試標距以兩換能器內邊緣間距（l‘）等于100、150、200、250mm……分別讀取聲時（ti），并作記錄。

圖1　平測法裂縫深度測試跨縫測量布點示意圖（單位：mm）

⑵跨縫測量

本步驟目的是測得跨縫時某一測試標距的超聲波傳遞聲時值（t0i），操作時將發射和接收換能器分別放置在以測位裂縫走向為平面對稱軸的兩個對稱點，測試標距以兩換能器內邊緣間距（l‘）等于100、150、200、 250mm……，如圖1所示，分別讀取聲時（t0i），并作記錄。

4　結果計算

⑴不跨縫測試中聲速值（v）、某一標距的聲波真實傳播距離（li）的計算

根據不跨縫測量結果，繪制“時-距”坐標圖（CECS 21：2000圖2）或用線性回歸分析的方法，求出聲時與測距之間的回歸直線方程：

圖2　平測“時-距”圖

li=a+bti

每測點超聲波實際傳播距離li為：

式1中：

li——第i點的超聲波實際傳播距離（mm）；

l‘——第i點的R、T換能器內邊緣間距（mm）；

a——“時-距”圖中軸的截距或回歸直線方程的常數項，a=a1+a2（mm）。

不跨縫平測的混凝土聲速值為：

或v=b（Km/s）

式2中

l＇n、l＇1——第n點和第1點間的測距（mm）；

tn、t1——第n點和第1點讀取的聲時（μs）；

b——回歸系數

⑵裂縫深度計算

計算模型圖如（CECS 21：2000圖3）所示，用li值代替l‘值，得到平測法測試裂縫深度近似計算公式：

圖3　繞過裂縫示意圖

式3、4中

li——不跨縫平測時第i點的超聲波實際傳播距離（mm）；

語言學家D.A.Wilkins 在Linguistics in Language Teaching（1972）一書中論述了詞匯教學在交際中的重要性：“Without vocabulary, nothing can be conveyed.”[1]針對目前詞匯教學效果不甚理想的情況，為了促進教師多渠道詞匯教學，把枯燥的詞匯教學與生活情境相融合、與學生經驗相聯系，讓詞匯教學充滿趣味性、真實性、形象性和直觀性，改變學生死記硬背單詞的無奈現狀、增強記憶效果，本文從詞匯教學的有效性方面進行了簡單研究。

hci——第i點計算的裂縫深度值（mm）；

t0

i——第i點跨縫平測的聲時值（s）；

mhc——各點計算深度的平均值（mm）；

n——測點數

5　計算結果的判定

⑴跨縫測量中，當在某測距發現首波反相時，可用該測距及相鄰的2個測距的測量值按（式3）計算值hci，取此3點的平均值作為該裂縫的深度值（hc）；

說明：激發彈性波（超聲波、聲波）信號在混凝土中傳播，穿過裂縫端點時產生衍射，其衍射角度與裂縫深度有一定幾何關系。當發射點和接收點沿裂縫對稱布置，從近到遠逐步移動，當激振點與裂縫距離與裂縫深度相近時，接收信號的初始相位會發生反轉，稱為平面裂縫深度測試的相位反轉法，也是目前最為準確的超聲波裂縫深度測試方法。

⑵跨縫測量中如難于發現首波反相，則以不同測距按（式3）、（式4）計算（hci）及其平均值（mhc）。將各點測距l‘與mhc相比較，凡測距小于mhc和大于3mhc，應剔除改組數據，然后取余下hci的平均值，作為該裂縫的深度值（hc）。

6　應用過程中存在問題的探討

⑴規程計算過程考慮的誤差影響因素

存在兩個誤差值的影響量，如圖4所示，平測法時每個標距所測（ti）所對應的真實傳播距離（li）均應比圖中L1標距要大，因為聲波傳遞形態肯定是如圖L2、L3所示一般的弧線，到底這條弧線長度比標距大多少，不能確定，同種測試介質認為它是一個常數，把這個影響量的量值計為a1；其次換能器發射面和接收面有一定的寬度，目前我們使用的換能器測試面寬度為37.5mm，我們不能確定聲波發射和接收的截止位置，可能是圖4中L2和L4之間的某一位置，不能確定是不是L3所在位置，這對傳播真實距離（li）有影響，對于測試標距L1，這個量肯定是增量，其量值有多大，也不能確定，但是我們認為同一對換能器在同種測試介質情況下，這個量是一個常數，同時把它計為a2。規程計算通過回歸分析的方法，最大限度地消除了這兩個量對計算結果的影響。

圖4　無裂縫聲波傳遞示意圖

⑵實操過程的誤差影響因素

T、R換能器測距過小或遠大于裂縫深度，聲時測試誤差較大，t0i、ti對計算裂縫深度影響較大，所以對兩個換能器的測距作了限制。

⑶式3近似計算中li代替l‘對真實結果的影響

如何才能更精確地計算裂縫深度真實值，用實例來說明，表1為一組實測數據：

表1　某結構混凝土裂縫平測法深度測試記錄

表2　某結構混凝土裂縫平測法深度測試各次測試結果（mm）

其平均深度mhc=78.62，按要求需剔除測試標距為250mm、300mm兩組數據，取余下數據的平均值，最終裂縫深度判定值為72.08mm。

圖5　

計算模型中，用li直接代替l‘進行計算，測試標距為100mm時，這個計算長度增加了8.4%，標距為150mm時，計算長度增加了5.6%，依次類推，在允許范圍內測試標距越大，裂縫深度計算準確率越高。按照上述分析，在滿足規程聲時測試誤差要求的前提下，測距最接近3mhc的那一次測試的結果更接近裂縫深度真實值。

⑷如何減小測試過程中鋼筋的影響

規程說明中提到：通過理論計算，當T、R換能器的連線與鋼筋的最小距離大于測距的1/6時，可避免鋼筋影響。

當聲波跨縫在混凝土中傳播到達接收器的距離比聲波通過鋼筋傳播到達接收器的傳播距離短，前者信號先到達接收器，才能避免鋼筋對測試的影響。所以鋼筋的影響與裂縫深度相關，規程沒有列出計算過程也為對這項計算進行說明，所以較深裂縫測試時鋼筋影響應考慮裂縫深度這一計算因素。根據研究數據，當T、R換能器的連線與鋼筋的最小距離大于1.5hc時，才可避免上述影響。也就是說，測試時T、R換能器的連線與鋼筋的最小距離要同時滿足上述兩個條件，結果才較準確。

那么操作計算時，則增加了以下步驟：

首先是測試時必須用鋼筋掃描儀，測出測線兩側平行于測線的鋼筋位置，盡量讓測線布設在兩排鋼筋的中心，并記錄下鋼筋到測線的最小距離D；其次是在結果判定的第二種方法中，從最大測距數據組開始，循環計算mhc，依次比較1.5mhc和D的大小關系，不滿足1.5mhc＜D的數據應該剔除。

⑸非理想狀態裂縫如何測試

《超聲檢測混凝土缺陷技術規程》（CECS 21：2000）中平測法裂縫的裂縫測試現場測試要求較高，偏理想化。我們實際檢測中，經常遇到結構混凝土面裂縫分布密集或裂縫極為不規則的情況，根本無法進行步驟1的不跨縫基準測量或者跨縫測量時，取不到3個及3個以上的測試標距，如圖6中某高速公路大橋的簡支梁。

圖6　某高速大橋的簡支梁裂縫照片

如圖腹板縱向裂縫，多且密集。要測試該梁裂縫深度，有兩點不符合規程要求，首先是不跨縫測量測線只能取在裂縫之間且平行于裂縫，這樣勢必就與內部鋼筋平行，其次是跨縫測量測距取不到3個，無法用回歸分析計算。為了了解裂縫基本情況，現場跨縫測量只取了2次標距測量，依據圖（CECS 21：2000圖3）直接用l‘參與計算推定其裂縫深度，公式如下：

上式中l‘認為是T、R換能器的中心距，而不是規程中圖示的邊緣距離。這個結果僅具有參考價值。

⑹裂縫內部發展方向不垂直于混凝土表面的裂縫深度推定

如圖7所示裂縫，如果在混凝土表面按照規程平測法測試其深度，計算深度與實際深度存在偏差，在無法探明裂縫內部走向的情況下，目前所有裂縫深度測試，計算均默認為其內部發展方向垂直于混凝土表面。

圖7　裂縫內部發展方向不垂直混凝土表面示意圖

圖7所示，以裂縫在混凝土表面中心為原點，T、R換能器的連線為X軸，建立平面坐標系，對于某一計算結果，跨縫實際聲波傳遞為紅色線條AC、CD，而計算則是按照藍色線條AB、BD，存在其兩者聲波跨縫實際傳播距離相等即AC+CD=AB+BD，在C點不確定位置的情況下，視其為一個邊量，在X-Y坐標系內隨機移動，那么其軌跡為一橢圓，橢圓方程為：

上式中

hc——結果計算中第二種判定方法得出的裂縫計算深度。

x——裂縫端點與混凝土表面裂縫中心的X軸偏移量，可在混凝土表面用鋼卷尺量出；

y——裂縫內部走向不與混凝土表面垂直時，裂縫的深度推定值。

可根據上式來估算內部走向不明確的裂縫真實范圍，具有一定的參考意義。

7　結語

由于現場檢測條件的限制，單面平測法檢測混凝土裂縫是目前應用最廣的一種測試方法，規程中測試條件較理想化，測試結果與真實值存在一定誤差，我們需要在測試過程中盡量使檢測條件最優，減少誤差，并相應的結合其他無損或有損檢測進行對比修正，為科學合理地加固處治提供真實有效的數據支持。●

【參考文獻】

［1］CECS 21∶2000，超聲法檢測混凝土缺陷技術規程［S］.

［2］某高速公路某大橋梁板裂縫檢測［R］.四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，2013.