沖擊彈性波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度的研究

朱欣明

（中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司 安徽合肥 230000）

沖擊彈性波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度的研究

朱欣明

（中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司 安徽合肥 230000）

混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)及使用過程中會(huì)由于多種原因出現(xiàn)裂縫。裂縫的形態(tài)、尺寸、深度是描述裂縫的重要指標(biāo)，其中裂縫深度的測量作為工程質(zhì)量檢測難點(diǎn)亟待解決。本文采用沖擊彈性波法對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度進(jìn)行檢測，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對檢測手段的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證后，對比數(shù)據(jù)，得出沖擊彈性波對裂縫檢測深度測量的誤差可以控制在5%內(nèi)。

前言

混凝土作為一種有著優(yōu)秀性能的材料，是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一，廣泛應(yīng)用于各種建筑工程中。而實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)由于干燥導(dǎo)致的收縮、溫度導(dǎo)致的應(yīng)力變化、外荷載及基礎(chǔ)沉降等會(huì)產(chǎn)生裂縫。裂縫的成因不同對結(jié)構(gòu)的影響也不盡相同，裂縫作為一種混凝土缺陷經(jīng)常出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)中，它將嚴(yán)重影響建筑物的安全和耐久性。

混凝土裂縫可分為微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫由粘著裂縫、水泥石裂縫和集料裂縫組成。它們無規(guī)則的分布在混凝土構(gòu)件中，不貫穿，因此在非特殊部位，微觀裂縫對結(jié)構(gòu)影響不大。混凝土宏觀裂縫一般由微觀裂縫拓展造成，既是我們通常所指的混凝土裂縫，裂縫按深度的不同，分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種，若宏觀裂縫超出《GB50010-2010》對裂縫寬度控制的要求時(shí)[1]，則歸為有害裂縫，會(huì)使結(jié)構(gòu)物的安全性降低，危及結(jié)構(gòu)安全。

在發(fā)現(xiàn)裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)時(shí)，需要合理準(zhǔn)確的評價(jià)裂縫對結(jié)構(gòu)安全的影響并確定加固方案，必須確定裂縫當(dāng)況狀態(tài)、發(fā)展趨勢和產(chǎn)生原因，裂縫寬度、長度以及深度是主要的評價(jià)指標(biāo)[2]，其中深度是關(guān)鍵指標(biāo)。而在實(shí)際檢測工作中，深度的測量是比較復(fù)雜的，直接的檢測手段是鉆芯取樣，該方法耗費(fèi)時(shí)間較長并且對結(jié)構(gòu)有一定的損害，且對于一些結(jié)構(gòu)的特殊位置或者深度較大的裂縫，無條件進(jìn)行取芯工作，所以需要一種簡單、高效、準(zhǔn)確的無損檢測方法來進(jìn)行混凝土裂縫深度檢測。

1 裂縫深度的無損檢測方法

裂縫深度的無損方法有很多種，大致分為基于超聲波、聲波和沖擊彈性波的檢測方法[3]。

（1）超聲波法：通過超聲波穿透探測聲速、接收信號的首波幅值和波形分析來獲取裂縫深度值，但信號的頻率較高能量較低、頻譜的相應(yīng)性能相應(yīng)較差，只能適用于淺裂縫的檢測。

（2）聲波法：通過設(shè)置在裂縫兩邊鉆取的孔道內(nèi)聲波管產(chǎn)生接收信號來獲取裂縫深度值，需要對深度有個(gè)預(yù)估值并且對鉆取的孔道要求較大，因而在實(shí)際工程中的適用性也降低。

（3）沖擊彈性波法：通過在結(jié)構(gòu)表面激振產(chǎn)生彈性波，通過傳感器采集信號，信號頻率低但能量高，可以在混凝土中傳播更遠(yuǎn)，因而不僅適用于淺裂縫同樣適用于較深裂縫的檢測。并且由于其對工作條件要求低，基本不受充填物及水分的影響，受鋼筋影響可進(jìn)行修正，在小空間內(nèi)完成檢測工作而廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。

2 沖擊彈性波檢測裂縫深度原理

2.1 測試設(shè)備

沖擊彈性波檢測設(shè)備主要由激振裝置、傳感器、放大器、信號采集系統(tǒng)組成。

2.2 檢測原理

沖擊彈性波做為一種應(yīng)力波，一般由不同大小的激振錘激發(fā)，能量大且集中，能夠穿透10m左右的混凝土。在應(yīng)用到混凝土裂縫深度檢測中，主要是利用應(yīng)力波在有裂縫和無裂縫的混凝土中其傳播形式的顯著差異性。而應(yīng)力波的激發(fā)與采集則是裂縫一側(cè)激振，另一側(cè)采集的方式如圖1。

當(dāng)激發(fā)的應(yīng)力波在混凝土中傳播，波前遇到混凝土內(nèi)部裂縫開口表面時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生改變；應(yīng)力波波前到達(dá)裂縫的混凝土-空氣界面，由波阻抗差異導(dǎo)致波基本會(huì)被反射，形成反射波PC（如圖2），因此，此時(shí)應(yīng)力波無法傳遞到裂縫的另一側(cè)，混凝土質(zhì)點(diǎn)不產(chǎn)生位移，接收點(diǎn)的傳感器接收不到信號值。

圖1 傳播情況一

圖2 傳播情況二

當(dāng)混凝土中的應(yīng)力波波前傳播至裂縫最深極限位置時(shí)，既產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，形成球形的衍射波PdP（見圖3）。

當(dāng)PdP波第一次傳播至接收端處時(shí)，引起混凝土表面質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，接收傳感器所接收到的時(shí)域信號表現(xiàn)為振幅突變[4]。

圖3 傳播情況三

2.3 深度計(jì)算

以垂直裂縫為研究模型時(shí)，從一側(cè)開始激振混凝土表面另一側(cè)傳感器接收到信號時(shí)，P波的傳播時(shí)間為△t，也就是P波沿路徑AB+BC（圖4）傳播的時(shí)間。設(shè)P波的波速為Cp，則：

由三角關(guān)系可知：

圖4 深度檢測布置圖

如果式中參量 L1，L2，△t都已知話，那么就可以由式（1）、（2）、（3）計(jì)算出裂縫深度h，得到式（4）：

式（4）中如果讓L1=L2的話，可以簡化上式；而實(shí)際在檢測采集數(shù)據(jù)操作過程中為了達(dá)到滿足L1=L2時(shí)，只需要控制并調(diào)整沖擊點(diǎn)和傳感器的間距[5]。因此，令L1=L2=L，則公式可以進(jìn)一步簡化為：

由式（5）可以得出，需要已知的基本參數(shù)為P波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播速度CP。波速帶入值可采用不同強(qiáng)度混凝土對應(yīng)的彈性波波速一般值，也可以采用直接測定法，將波速值帶入公式（5）就可以得出裂縫深度。

直接測定法是直接使用兩個(gè)傳感器在健康的混凝土表面直接測定，或者在已知厚度的板上測量。根據(jù)縱波首次到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差△t和兩個(gè)傳感器之間的間距L，可得P波波速由下式（6）確定：

如果是在已知厚度為H的板上測量，則波速可通過下式（7）計(jì)算：

式中：f為接收器接收到波的頻率值。

3 檢測室內(nèi)試驗(yàn)

共設(shè)三組室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ统叽鐢?shù)據(jù)分別如表1。裂縫預(yù)設(shè)按表1中尺寸由鐵皮制作，完成后表面涂一層機(jī)械油，在混凝土構(gòu)件澆筑完成后插入預(yù)設(shè)位置，經(jīng)1h后取出，用塑料布遮擋預(yù)設(shè)裂縫處，再進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图傲芽p預(yù)設(shè)尺寸表

混凝土構(gòu)件達(dá)到齡期后分別對三組模型進(jìn)行檢測，為了消除測試誤差，每個(gè)裂縫進(jìn)行三次檢測，取平均值與預(yù)設(shè)尺寸進(jìn)行比對，檢測結(jié)果如下表 2～4。

為了更加客觀對比檢測結(jié)果和實(shí)際情況，選取1號構(gòu)件裂縫深度15cm處和3號構(gòu)件0.5cm裂縫寬度處進(jìn)行取芯（見圖5），量取裂縫深度，結(jié)果如表5。

4 結(jié)論

（1）使用沖擊彈性波檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度方法簡單、原理清晰，所需檢測環(huán)境要求低，判斷直觀且效率高，適用于各種條件下的檢測工作，將成為一種廣泛使用的無損檢測手段。

（2）經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果得出，沖擊彈性波法檢測出的裂縫深度結(jié)果與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)基本相同，偏差在5%以內(nèi)，可以在實(shí)際工程中推廣使用。

（3）將來應(yīng)用于實(shí)際工程中，可能將面對由于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形式多種多樣，或裂縫內(nèi)易積壓灰塵雜質(zhì)，造成獲得的深度數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定偏差。所以在實(shí)際的檢測過程中，如果條件允許，可是使用氣泵預(yù)先處理，使檢測結(jié)果更精確。在后續(xù)試驗(yàn)中也將模擬裂縫中存在雜質(zhì)情況的檢測工作。

表2 1號構(gòu)件檢測結(jié)果表

表3 2號構(gòu)件檢測結(jié)果表

表4 3號構(gòu)件檢測結(jié)果表

表5 選取部位取芯結(jié)果表

圖5 裂縫處所取芯樣標(biāo)記圖

[1]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[S].

[2]吳新旋.《混凝土無損檢測技術(shù)手冊》[M].北京：人民交通出版社，2003：262～279.

[3]顧鐵東，林維正，蘇航.沖擊回波法在混凝土無損檢測中的應(yīng)用[J].無損檢測測，2004，26（9）：468～472.

[4]吳佳曄，安雪暉，田北平.混凝土無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，22（4）：4～7.

[5]董壽興，張曉燕，金元.超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法檢測混凝土裂縫深度[J].建筑材料學(xué)報(bào)，1998.

TU755.7

A

1004-7344（2016）11-0308-02

2016-3-29

朱欣明（1980-），男，本科，主要從事工程技術(shù)管理工作。