混凝土結構構件內部裂縫的超聲波檢測與分析

(河北大學　河北　保定　071000)

經調查顯示，我國每年混凝土用量約九億立方米，鋼筋用量約2000萬噸，我國工程建設中僅混凝土結構每年需耗資2000億元以上。[1]混凝土結構發展迅速、運用廣泛，從新建材、新技術的研究、開發和推廣應用，到工程結構的建造，都取得了巨大成就。

一、裂縫控制等級

裂縫是評判混凝土結構安全性的重要指標之一。根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2015，結構構件正截面的受力裂縫控制等級分為三級，一級為嚴格要求不出現裂縫的構件，二級為一般要求不出現裂縫的構件，三級為允許出現裂縫的構件。不同環境類別下最大裂縫寬度ωmax的取值見圖1：

圖1　結構構件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度的限值(mm)

二、裂縫檢測

一般裂縫檢測可分為裂縫寬度檢測與裂縫深度檢測。裂縫寬度檢測要求裂縫寬度測試儀器的讀書精度優于0.02mm。側位處混凝土表面應清潔、平整、裂縫內部不能有灰塵或泥漿，宜選擇裂縫張開狀態下檢測。裂縫寬度觀測儀由帶刻度線的LCD顯示屏、顯微測量頭、VPS連接電纜和檢驗刻板組成,主要應用于橋梁、隧道、墻體、混凝土路面、金屬表面等裂縫寬度的定量檢測。[2]

圖2　裂縫寬度檢測儀

該儀器采用電子成像技術，將被測物體表面裂縫原貌實時顯示在4.3寸彩色屏幕上；裂縫寬度自動判讀、手動判讀，電子標尺人工判讀三種模式，分辨率達0.0025mm；校準功能，可用標準刻度板進行校準。

檢測混凝土內部裂縫的方法有聲脈沖法和射線法兩大類。[3]聲脈沖法分為超聲波法和聲發射法等，其中超聲波法技術較為成熟，運用較為廣泛。超聲波傳播速度的快慢與混凝土的密實度有直接關系，聲速高則混凝土密實，聲速慢則不密實。

三、超聲波法檢測混凝土結構裂縫深度

在混凝土原料、配合比、齡期和測試距離一致的情況下，依據脈沖波在混凝土結構中傳播的時間、速度、接收波振幅和頻率等參數的變化情況，來判斷裂縫深度。

單面平測法：

對于深度小于50cm的混凝土淺裂縫，常采用單面平測法。混凝土垂直裂縫中常充滿空氣，由于固體與氣體界面對聲波構成反射面，造成通過的聲能被大量吸收，聲波只能繞裂縫頂端通過，以此來測試出垂直裂縫深度。

圖3　單面平測法

同理，使換能器中心的連線垂直于裂縫的走向，改變換能器間距，在不同l′下讀取相應的超聲波穿過時間ti，并由此計算超聲波傳播的實際距離li。然后按下列公式計算垂直裂縫深度：

(3-1)

雙面斜測法：

斜測法適用于結構的裂縫部位具有兩個互相平行的可測表面的情況，檢測時將發、收換能器分別置于結構的兩個表面，且兩個換能器的軸線不重合。采取多點檢測的方法，記錄個檢測點接收波形的幅值或頻率。若換能器的連線通過裂縫，超聲波在裂縫界面上產生較大的衰減，幅值和頻率較不通過裂縫時有明顯降低，從而判斷裂縫的深度。[3]

沖擊回波法：[4]

使用小鋼球沖擊混凝土作為聲源，通過被測混凝土傳播縱波、橫波和表面波，當這些博被寬帶換能器接收后，通過時域或頻域分析方法，可以找出被接收信號特征與混凝土的裂縫、孔洞和厚度之間的關系。

四、混凝土結構裂縫出現的原因

混凝土結構處于外荷載和變形的作用下，常見的變形作用有溫度、收縮、不均勻沉降等因素。

(1)外荷載在混凝土結構內部產生直接應力，主要是主拉應力引起的裂縫發展；(2)外荷載在混凝土結構內部產生的次應力引起的裂縫。次應力是與實際結構物工作狀態有出入部分的內力，時常引起結構裂縫；(3)在溫度、收縮和膨脹、不均勻沉降等變形作用引起的裂縫。當變形過大，這部分變形作用會在結構內部產生自應力，而當自應力超過混凝土的允許拉應力時，將會引起混凝土裂縫。

五、防護措施

對于不同類型的混凝土結構裂縫，應具體情況具體分析，并及時處理，確保建筑工程的安全使用。目前常用的混凝土結構裂縫修補方法有：灌漿、嵌縫封堵法、表面修補法、結構加固法和電化學防護法。[5]

灌漿、嵌縫封堵法封堵加固裂縫，采用壓力設備，在混凝土裂縫中壓入膠結材料，使膠結料與混凝土形成一個整體。表面修補法是在裂縫表面涂抹水泥漿或在混凝土表面涂刷瀝青、油漆等防腐材料。

混凝土結構在現代建筑工程施工中使用廣泛，但由于各種因素，施工后和使用中的混凝土結構結構容易出現裂縫，這些裂縫影響混凝土內部鋼筋銹蝕，甚至威脅建筑工程的使用壽命。及時對裂縫進行檢測，進而及時修補，降低混凝土結構的失效概率。