混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部裂縫的超聲波檢測(cè)與分析

(河北大學(xué)　河北　保定　071000)

經(jīng)調(diào)查顯示，我國(guó)每年混凝土用量約九億立方米，鋼筋用量約2000萬(wàn)噸，我國(guó)工程建設(shè)中僅混凝土結(jié)構(gòu)每年需耗資2000億元以上。[1]混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速、運(yùn)用廣泛，從新建材、新技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用，到工程結(jié)構(gòu)的建造，都取得了巨大成就。

一、裂縫控制等級(jí)

裂縫是評(píng)判混凝土結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)之一。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2015，結(jié)構(gòu)構(gòu)件正截面的受力裂縫控制等級(jí)分為三級(jí)，一級(jí)為嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，二級(jí)為一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，三級(jí)為允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件。不同環(huán)境類別下最大裂縫寬度ωmax的取值見圖1：

圖1　結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級(jí)及最大裂縫寬度的限值(mm)

二、裂縫檢測(cè)

一般裂縫檢測(cè)可分為裂縫寬度檢測(cè)與裂縫深度檢測(cè)。裂縫寬度檢測(cè)要求裂縫寬度測(cè)試儀器的讀書精度優(yōu)于0.02mm。側(cè)位處混凝土表面應(yīng)清潔、平整、裂縫內(nèi)部不能有灰塵或泥漿，宜選擇裂縫張開狀態(tài)下檢測(cè)。裂縫寬度觀測(cè)儀由帶刻度線的LCD顯示屏、顯微測(cè)量頭、VPS連接電纜和檢驗(yàn)刻板組成,主要應(yīng)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(cè)。[2]

圖2　裂縫寬度檢測(cè)儀

該儀器采用電子成像技術(shù)，將被測(cè)物體表面裂縫原貌實(shí)時(shí)顯示在4.3寸彩色屏幕上；裂縫寬度自動(dòng)判讀、手動(dòng)判讀，電子標(biāo)尺人工判讀三種模式，分辨率達(dá)0.0025mm；校準(zhǔn)功能，可用標(biāo)準(zhǔn)刻度板進(jìn)行校準(zhǔn)。

檢測(cè)混凝土內(nèi)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(fā)射法等，其中超聲波法技術(shù)較為成熟，運(yùn)用較為廣泛。超聲波傳播速度的快慢與混凝土的密實(shí)度有直接關(guān)系，聲速高則混凝土密實(shí)，聲速慢則不密實(shí)。

三、超聲波法檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度

在混凝土原料、配合比、齡期和測(cè)試距離一致的情況下，依據(jù)脈沖波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播的時(shí)間、速度、接收波振幅和頻率等參數(shù)的變化情況，來(lái)判斷裂縫深度。

單面平測(cè)法：

對(duì)于深度小于50cm的混凝土淺裂縫，常采用單面平測(cè)法。混凝土垂直裂縫中常充滿空氣，由于固體與氣體界面對(duì)聲波構(gòu)成反射面，造成通過(guò)的聲能被大量吸收，聲波只能繞裂縫頂端通過(guò)，以此來(lái)測(cè)試出垂直裂縫深度。

圖3　單面平測(cè)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(yīng)的超聲波穿過(guò)時(shí)間ti，并由此計(jì)算超聲波傳播的實(shí)際距離li。然后按下列公式計(jì)算垂直裂縫深度：

(3-1)

雙面斜測(cè)法：

斜測(cè)法適用于結(jié)構(gòu)的裂縫部位具有兩個(gè)互相平行的可測(cè)表面的情況，檢測(cè)時(shí)將發(fā)、收換能器分別置于結(jié)構(gòu)的兩個(gè)表面，且兩個(gè)換能器的軸線不重合。采取多點(diǎn)檢測(cè)的方法，記錄個(gè)檢測(cè)點(diǎn)接收波形的幅值或頻率。若換能器的連線通過(guò)裂縫，超聲波在裂縫界面上產(chǎn)生較大的衰減，幅值和頻率較不通過(guò)裂縫時(shí)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(guò)被測(cè)混凝土傳播縱波、橫波和表面波，當(dāng)這些博被寬帶換能器接收后，通過(guò)時(shí)域或頻域分析方法，可以找出被接收信號(hào)特征與混凝土的裂縫、孔洞和厚度之間的關(guān)系。

四、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的原因

混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生直接應(yīng)力，主要是主拉應(yīng)力引起的裂縫發(fā)展；(2)外荷載在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的次應(yīng)力引起的裂縫。次應(yīng)力是與實(shí)際結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)有出入部分的內(nèi)力，時(shí)常引起結(jié)構(gòu)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(dāng)變形過(guò)大，這部分變形作用會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力，而當(dāng)自應(yīng)力超過(guò)混凝土的允許拉應(yīng)力時(shí)，將會(huì)引起混凝土裂縫。

五、防護(hù)措施

對(duì)于不同類型的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，應(yīng)具體情況具體分析，并及時(shí)處理，確保建筑工程的安全使用。目前常用的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)方法有：灌漿、嵌縫封堵法、表面修補(bǔ)法、結(jié)構(gòu)加固法和電化學(xué)防護(hù)法。[5]

灌漿、嵌縫封堵法封堵加固裂縫，采用壓力設(shè)備，在混凝土裂縫中壓入膠結(jié)材料，使膠結(jié)料與混凝土形成一個(gè)整體。表面修補(bǔ)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(jié)構(gòu)在現(xiàn)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(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫，這些裂縫影響混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕，甚至威脅建筑工程的使用壽命。及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而及時(shí)修補(bǔ)，降低混凝土結(jié)構(gòu)的失效概率。