水工混凝土構件裂縫檢測方法及發展趨勢

賈　宇，梁永梅,湯　雷

(1.南京水利科學研究院 材料結構研究所， 南京 210024;2.鎮江市丹徒區航道管理處, 鎮江 212100)

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水工混凝土構件裂縫檢測方法及發展趨勢

賈宇1，梁永梅2,湯雷1

(1.南京水利科學研究院 材料結構研究所， 南京 210024;2.鎮江市丹徒區航道管理處, 鎮江 212100)

論述了有效發現水工混凝土裂縫的主要方法，說明參數量化是水工混凝土裂縫防控的重點?；谒せ炷翗嫾芽p檢測方法研究歷程，詳細分析了人工探視法、破損檢測法及無損檢測法的檢測機理及特點，表明現階段僅超聲紅外熱像綜合法能有效發現水工混凝土構件的微裂紋，但其在量化微裂紋參數方面的能力有待進一步提高。最后總結出“微裂紋的發現與量化”將成為今后研究的熱點，“通過混凝土裂縫模擬體輔助研究”將成為主要研究方式。

微裂紋；量化；裂縫檢測方法；裂縫模擬體

圖1　水工混凝土構件裂縫外觀

水工結構工程缺陷是水利工程安全的重大隱患，我國大量的水工混凝土結構存在著各種類型的缺陷，其中裂縫是水工結構缺陷中最常見的形式，典型的水工結構裂縫形式見圖1。結構性裂縫的延伸擴展對構件承載能力的損害最大，嚴重影響著水工結構的整體性和耐久性；微裂紋(裂紋的寬度極小或者裂紋處于閉合狀態，分布于結構表面或內部，肉眼難以識別)是結構性裂縫的先兆，結構性裂縫的產生是微裂紋任意發展的結果。因此，水工混凝土結構的裂縫防控工作十分重要，而防控工作的第一步是盡早發現微裂紋，在其發展到關鍵點時，對結構進行支護，以此控制結構性裂縫的產生。

一直以來，研究人員的重點主要集中在裂縫的檢測方面，即首先發現裂縫的存在后再定量檢測，先后出現了人工探視法、破損檢測法及無損檢測法中的超聲波法、雷達波法、紅外熱像法等。但對于肉眼尚不可見、處于擴展前期的閉合或微寬裂紋，這些方法尚不能有效發現；控制了微裂紋的發展就控制了結構性裂縫的產生，這對于水工混凝土結構的缺陷防治具有重大意義，因此微裂紋的發現及量化將是未來裂縫檢測的發展趨勢；超聲紅外熱像綜合法作為一種新型的無損檢測方法，已經能夠有效發現微裂紋，但該方法仍處于試驗研究階段，尚不能準確量化微裂紋的參數。

1　人工探視法

人工探視法：檢測人員在工程現場依靠觀察法來發現結構表面的裂縫，而后借助顯微鏡或裂縫寬度測試儀測量裂縫寬度?，F有的裂縫測量方法如表1所示[1]。

在實際水工混凝土結構裂縫檢測中，人工探視法依然是使用最廣泛的方法。該方法具有簡單直觀、容易操作的優點；但同時也費時費力，且僅局限于結構物表面處裂縫寬度的檢測;又因受到儀器精度的限制，該方法不能發現構件中的微裂紋。

2　破損檢測法

破損檢測法可以較準確地檢測表面裂縫的深度以及裂縫擴展方向。

破損檢測法主要是指采用鉆芯取樣檢測混凝土構件裂縫的方法，該方法利用專用鉆機和人造金剛石空心薄壁鉆頭，從混凝土構件中鉆取芯樣，以檢測混凝土構件內部缺陷或強度。

鉆芯取樣法的基本要求主要針對鉆孔和取芯的要求，前者包括選擇鉆孔位置、確定鉆頭直徑及鉆孔垂直度；后者包括安置鉆機、施鉆前的檢查、開鉆、鉆進取芯[2]。

破損檢測法可以完整直觀地得到表面裂縫的寬度、深度、方向等參數，具有一旦發現問題則便于采取補救措施等優點。但是，該檢測法所取芯樣有一定的局限性，無法檢測構件內部裂縫的整體分布情況，對構件具有較大的破壞性，檢測成本高；即使取出芯樣后，因微裂紋肉眼不可見、測量儀器精度有限，仍不能發現微裂紋。

3　無損檢測法

破損檢測法雖然檢測結果準確性高，但需鉆芯取樣，既費力又對構件具有破壞性，而無損檢測可以避免這兩種情況發生。無損檢測主要有超聲波法、雷達波法、紅外熱像法、超聲紅外熱像綜合法。

3.1超聲波法

3.1.1超聲波檢測的基本原理

超聲波是頻率大于20kHz、以波動形式在彈性介質中傳播的機械波。利用超聲波對混凝土構件中的裂縫進行檢測，依據的是超聲波在混凝土中的傳播特性，如：在遇到兩種介質分界面時聲波會發生反射等。常用的超聲波頻率為0.5MHz～25MHz，較低頻率用于粗晶材料和衰減較大材料的檢測，較高頻率用于細晶材料和高靈敏度檢測[3]。

3.1.2超聲檢測流程

超聲檢測流程如圖2所示[4]。

圖2　構件的超聲波檢測流程

3.1.3單面平測法研究現狀

超聲波法測量構件內部裂縫時，最常用的是單面平測法。單面平測法是當結構的裂縫部位只有一個可測表面，裂縫預估深度又不大于50cm時檢測裂縫的一種方法[5]。研究人員在單面平測法準確性方面進行了大量研究：胡二中等[6]通過斜裂縫構件模擬體試驗發現，應該用縱波波速代替規范中的橫波波速來計算裂縫深度，反相首波的出現與繞射角大小有關；柳建新等[7]發現繞射波波速不同于不跨縫平測所得波速，提出了投影點法和反相法相對規范法更能準確測出裂縫深度的觀點，并通過斜裂縫構件模擬體驗證了這兩種方法的合理性；林偉哲等[8]在對港二、三期管道混凝土裂縫檢測時發現，換能器之間的距離連線與鄰近鋼筋的夾角應保持45°左右，被測裂縫部位混凝土表面應平整、無龜裂,可以提高檢測結果的準確性。覃新友等[9]在某渡槽工程中對灌漿前后的裂縫用單面平測法測其波速變化，以此來驗證裂縫處理方法的有效性，這為單面平測法的使用提供了一種新思路。

3.1.4超聲波檢測的優缺點

超聲波有較強的穿透能力，可對50cm厚度范圍內的混凝土試件內部進行裂縫檢測；靈敏度高，可檢測構件內部尺寸較小的裂縫；可較準確地測定裂縫的深度位置[4,10-11]。

超聲檢測同時也具有局限性：混凝土材料的某些內部缺陷，如非均勻性、非致密性等，會使超聲檢測的靈敏度和信噪比變差；以常用的壓電換能器為聲源時，超聲波入射試件的效率很低，普遍在2%左右，且尚未找到能大幅提高超聲波入射率的耦合劑[4]。

為降低超聲波在混凝土中傳播的衰減，研究人員普遍使用低頻超聲波，而低頻超聲波靈敏度較低，在微裂紋尖端附近容易發生透射；因低頻超聲波有局限性，不能用于檢測微裂紋。此外，在當前超聲法測裂縫方面的文獻中，也少有關于研究超聲檢測法測微裂紋的報道。

3.2雷達波法

超聲波的穿透深度一般在50cm左右，難以對大體積混凝土構件進行掃查，而探地雷達可以較好地解決這一問題。

探地雷達是基于電磁波脈沖波的傳播原理對地下或物體內不可見的目標體或界面進行定位的廣譜電磁技術，由主機、電纜線、天線及數據處理軟件包組成。利用發射天線將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式輸入介質內部，經目標體反射后的回波信號被接收天線接收(見圖3)，后經計算機和專業軟件處理形成雷達圖像，其波形的正負峰分別以黑、白或者灰階、彩色表示[12-15]。

圖3　探地雷達測試原理示意

探地雷達對混凝土構件裂縫進行檢測的流程如圖4所示[12]。

圖4　探地雷達對混凝土構件裂縫檢測流程

探地雷達檢測混凝土裂縫具有速度快、穿透能力強、無需耦合劑等特點，并且具有極化特性，可確定裂縫缺陷的形狀、方向。但在實際應用時，需根據雷達圖像來識別混凝土的缺陷，這對檢測人員要求較高；探地雷達技術在混凝土結構中的應用尚缺乏相應的操作規范[15-17]。

由探地雷達的原理可知，探地雷達更適合于對大體積帶裂縫混凝土的檢測，在對局部小尺寸裂縫的檢測時，檢測精度低于超聲波檢測；而如前所述，超聲波檢測法尚不能有效發現微裂紋，故在理論上探地雷達也不能作為微裂紋的發現方法。

3.3紅外熱像法

上述的無損檢測方法一般有發射檢測波點和接收檢測波點，屬于點測法;此類方法在工程中需要逐點檢測，工作量大，而紅外熱像法可以解決這一問題。

紅外熱像檢測的基本原理[18]是：由于內部存在裂縫的構件的熱傳導是不均勻的，故對構件施加熱源后，構件表面溫度分布將出現不一致(見圖5)的現象，這就導致表面紅外輻射能力產生差異；紅外熱像儀可檢測出這種差異，并以熱像圖的形式直觀顯示表面溫度場的分布；依據熱像圖中溫度場的分布差異，就可以推斷物體內部存在的裂縫特征[19]。

圖5　含缺陷構件表面溫度場分布示意

目前紅外熱像技術主要是指采用紅外熱像儀進行紅外攝像,它具有如下特點:非接觸式的檢測技術適用于非接觸大面積的遙測；探測器只響應紅外線,故晝夜均可工作；溫度分辨率高達0.02 ℃,探測精度高[20]；可配合其他檢測方法一起使用[18]。

紅外熱像法檢測裂縫存在的問題[21-23]：研究人員在使用外加熱源時,檢測構件上會產生以熱源對應點為中心、向外圍梯度遞減的溫度場,這會干擾檢測結果；在紅外圖像的后期處理方面,圖像的幾何校正和拼接、溫度梯度校正等問題都沒有得到很好的解決，軟件技術和圖像處理技術嚴重限制了紅外熱像檢測在工程中的廣泛應用。

紅外熱像檢測也不能有效地發現微裂紋。微裂紋處于裂縫擴展前期的閉合或微寬狀態，由于微裂紋處縫隙寬度過小，使得微裂紋處熱容與周圍完整混凝土熱容基本相同；在對含微裂紋構件施加熱源以后，由于熱容基本相同，微裂紋處溫升與周圍完整混凝土處溫升無明顯差異，進而紅外熱像儀無法捕捉到差異溫度場，繼而無法發現構件中的微裂紋。

3.4超聲紅外熱像綜合法

相對于上述的混凝土構件裂縫檢測方法，超聲紅外熱像綜合法可以有效發現構件中的微裂紋。

3.4.1基本原理

超聲紅外熱像綜合法是將超聲波入射到混凝土中，受超聲波傳播時振動的影響，混凝土中的微裂紋在邊角處發生碰撞、摩擦，進而出現顯著溫升；混凝土材料導熱性較差，這有助于熱量在局部集中，由紅外熱像儀捕捉混凝土表面溫度場，找尋溫度場中的顯著溫升區進而發現微裂紋。

圖6　超聲紅外熱像檢測裝置結構示意

超聲紅外熱像檢測裝置的結構示意如圖6所示。超聲激發源包括超聲電源和超聲發射器，計算機可遠程控制驅動超聲電源，為超聲發射器提供電信號；超聲發射器包含超聲換能器和一個與樣品接觸的聚能桿；通常還需要耦合劑提供良好的聲耦合；紅外熱像儀用來對樣品表面溫度進行檢測和記錄[24]。

3.4.2研究進展筆者已通過試驗證明：超聲紅外熱像綜合法中的關鍵環節是選擇性激勵的實現具備了充分必要條件[24]。

圖7　含微裂紋的素混凝土試塊

圖8　素混凝土超聲激勵效果圖

充分條件：超聲波在物體內振動傳播時，即使該物體與外界完全隔絕，超聲振動也會漸漸停止。這種由于內部原因而使振動能量逐漸耗散,不可逆地轉化為熱能的現象叫內耗[25-27]。與完整的混凝土構件相比，若混凝土構件出現裂紋，其振動阻尼就會明顯增加，由于內摩擦熱效應和熱彈效應，振動波在缺陷處內耗較大，振動波衰減以及產生的熱量比無缺陷處要大，從而使得該處得到選擇性加熱而溫度升高，在熱像儀中易于被發現[28-32]。實驗室選擇100mm×100mm×400mm的長方體素混凝土試件，試塊內部及表面含不定數量的微裂紋，如圖7所示。用68kHz頻率的超聲波換能器對含微裂紋的素混凝土試塊激勵，圖8為紅外熱像圖，圖中局部出現多處顯著紅斑，這表明超聲波在微裂紋處的選擇性激勵效果顯著。

必要條件：對于含有鋼筋的混凝土構件，鋼筋與混凝土的聲阻抗差異相較于空氣與混凝土之間的差異可以忽略不計，故鋼筋與混凝土的膠結面并不會激勵發熱而干擾對微裂紋的判斷。實驗室制作尺寸為1 000mm×150mm×150mm的混凝土梁，內部置有鋼筋?；炷亮褐胁款A制裂縫，試驗前，將梁由預制裂縫處折斷，如圖9所示。用20kHz的超聲波對試塊激勵，熱像圖見圖10，圖中在主裂縫處出現較寬亮線，另其他位置也出現不同程度亮斑，且鋼筋處無明顯溫升。

圖9　折斷的混凝土梁外觀

圖10　鋼筋混凝土梁超聲激勵熱像圖

試驗中發現：超聲紅外熱像綜合法對于混凝土試塊中的微裂紋及埋藏較深的缺陷，其檢測靈敏度尚需進一步提高，初步研究發現這與輸入超聲波頻率有關。實驗室選擇 100mm×100mm×400mm的長方體素混凝土試件，試塊內部及表面含不定數量的微裂紋，見圖7。用40,80kHz頻率的超聲波換能器對試塊激勵，保證兩頻率換能器的輸出功率相同，熱像圖見圖11～12。觀察發現，同一方法、同一測試對象、不同超聲波頻率對微裂紋的檢出個數不同，即檢測靈敏度不同，這表明該檢測方法的靈敏度可以進一步提升，激勵超聲波的頻率是影響靈敏度的因素之一。

圖11　80 kHz超聲波激勵熱像圖

圖12　40 kHz超聲波激勵熱像圖

3.4.3特點與存在的問題

超聲紅外熱像技術作為一種新型的無損檢測技術，有如下特點[33]：

(1) 超聲激勵源避免了以往外加熱源在構件表面產生不均勻溫度場的問題，減少了影響檢測結果的因素。

(2) 可以實現選擇性超聲激勵，能檢測出其他無損檢測技術難以檢測的微裂紋。

因超聲紅外熱像技術在混凝土中應用的時間比較短，技術上存在一些問題：

(1) 超聲波入射進入混凝土試件時，超聲波能量的輸入率較低，影響了該技術對微裂紋檢測的靈敏度。如何提高超聲波能量的輸入率，與超聲波頻率的選擇、耦合劑的選擇、對換能器施加荷載的大小等因素有關。

(2) 從熱像圖中尚不能判斷出微裂紋參數。

4　結語

現行的無損檢測方法普遍針對的是如何“檢測”裂縫，即在知道裂縫存在的前提下，測量裂縫的具體參數，這種以“檢測”為出發點的思路已經不能滿足實際工程中裂縫的防治需要。因為在役水工結構荷載一般是運動變化的，對應于結構性裂縫也有一個從無到有、由小到大的過程；盡早發現處于擴展初期的微裂紋，并在微裂紋發展到“合適”狀態時，對結構加以修補或防護具有重大意義。而如今微裂紋的“發現”并沒有引起廣大檢測人員的重視，還沒有可以快速發現微裂紋并量化的成熟檢測方法，故超聲紅外熱像檢測技術的進一步成熟對于水工混凝土結構裂縫的“診斷”具有重大意義。

此外，由于現實檢測環境的復雜性、被測構件裂縫特征的未知性，現行的無損檢測方法尚不能做到定量測量裂縫的參數，這使得對混凝土的修復加固工作難以對癥。為了實現定量測量，筆者所在課題組認為：建立裂縫結構模擬體，量化模擬體中的裂縫參數，將以往工程實際中的待測結構這個“灰箱”亮化(“灰箱”指內部裂縫參數未知的結構，“亮化”指制作含確定裂縫參數的病害模擬體檢驗檢測結果可靠性的過程)，模擬實際中影響測量結果的環境因素，用以明確各種檢測方法的有效性、適用范圍及研究開發新的檢測方法。通過病害模擬體來精確無損檢測結果，將是以后無損檢測領域的主要研究方式。

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TheCrackDetectionMethodforHydraulicConcreteStructureanditsDevelopmentTrend

JIAYu1,LIANGYong-mei2,TANGLei1

(1.MaterialsandStructuralEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China;2.TheWaterwaysManagementBranchofDantuCountyinZhenjiangCity,Zhenjiang212100,China)

Theeffectivedetectionofmicrocracksinhydraulicconcreteandquantizationoftheirparametersarethefocusofthepreventionandcontrolofcracksinhydraulicconcrete,whichisdiscussedatthebeginningofthepaper.Basedontheresearchprogressofcrackdetectionmethodforhydraulicconcretestructure,thedetectionmechanismandfeatureofmanualdetectionmethod,destructivedetectionmethod,andnon-destructivetestingmethodareanalyzedindetail.Fromtheanalysis,itturnsoutthatultrasonicinfraredthermographycomprehensivemethodistheonlyoneabletoeffectivelydetectmicrocracksatpresentstage.Butintheaspectofquantizationofmicrocrackparameters,furtherresearchisneededforultrasonicinfraredthermographycomprehensivemethod.Atlast,itissummedupthatthedetectionandquantizationofmicrocracksshallbethefutureresearchfocus.Inaddition,usingthesimulationofconcretecracksasstudyassistancewillbecomemainresearchmethod.

Microcrack;Quantization;Crackdetectionmethod;Simulationoftheconcretecrack

2015-10-15

國家自然科學基金重大科研儀器研制資助項目(51527811)

賈宇(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向為橋梁與隧道病害檢測及數值分析。

湯雷(1972-),男,博士,主要從事水工結構病害檢測研究,E-mail:ltang@nhri.cn。

10.11973/wsjc201607017

TG115.28A

1000-6656(2016)07-0075-06