基于沖擊回波法的混凝土裂縫檢測(cè)試驗(yàn)研究

蘇忠高 林發(fā)明 楊敏 劉景熙

(福建博海工程技術(shù)有限公司 福建福州 350009)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程建筑行業(yè)不可或缺的材料之一，為了延長(zhǎng)建筑結(jié)構(gòu)的壽命，降低建設(shè)成本，通過(guò)對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行評(píng)估，判斷是否需要修補(bǔ)，因此必須對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)沖擊回波檢測(cè)混凝土裂縫是當(dāng)今工程建設(shè)中較為常用的方法[1]。

在國(guó)外，土耳其學(xué)者Ertugrul Cam等`人利用沖擊回波法對(duì)裂縫開(kāi)展的位置和深度進(jìn)行了分析[2]。隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用，肖國(guó)強(qiáng)、吳佳嘩等人應(yīng)用沖擊回波對(duì)混凝土厚度檢測(cè)和缺陷定位做出了詳細(xì)研究[3-4]。王征等人發(fā)現(xiàn)檢測(cè)間距對(duì)裂縫深度的精確檢測(cè)存在較大影響[5-6]。

在混凝土裂縫檢測(cè)中，由于混凝土結(jié)構(gòu)由水泥、粗骨料等構(gòu)成，在澆筑過(guò)程中形成不同界面、毛細(xì)孔等影響縱波在混凝土中傳播的因素，若裂縫檢測(cè)間距過(guò)大，則縱波將在混凝土結(jié)構(gòu)中快速衰減，傳感器接收信號(hào)不明顯，容易對(duì)裂縫計(jì)算造成較大誤差[7]；檢測(cè)間距過(guò)小時(shí)，縱波將在裂縫側(cè)邊緣進(jìn)行連續(xù)反射，也將造成縱波的衰減，造成裂縫檢測(cè)誤差[8]。因此，本文基于沖擊回波法對(duì)不同裂縫深度的試塊通過(guò)不同檢測(cè)間距檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)間距與裂縫深度檢測(cè)之間的關(guān)系做進(jìn)一步的研究。

1 裂縫深度計(jì)算原理

由于混凝土裂縫的不同深度傳播路徑也不同，因此，沖擊回波法基于裂縫中波形傳播路徑的不同，遇到障礙物反射回來(lái)時(shí)的不同波形頻譜，來(lái)確定裂縫位置[9-11]。實(shí)驗(yàn)采用沖擊回波檢測(cè)儀在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)對(duì)其中產(chǎn)生的應(yīng)力波(主要是縱波)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并將所有的測(cè)試信號(hào)導(dǎo)入分析軟件，通過(guò)軟件對(duì)波形進(jìn)行傅里葉頻譜變換得到相應(yīng)頻譜圖。圖譜中的頻率為沖擊表面、裂縫界面以及其他界面之間的多次反射產(chǎn)生瞬態(tài)共振所導(dǎo)致。通過(guò)對(duì)主頻的提取可得到裂縫相關(guān)信息，裂縫檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 水泥混凝土裂縫檢測(cè)流程

在不同介質(zhì)中應(yīng)力波傳播速度不同，在進(jìn)行裂縫檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先確定混凝土試塊中波形傳播速度；由于應(yīng)力波中縱波(P波)速度傳播速度最快，因此常通過(guò)P波的傳播路徑來(lái)檢測(cè)裂縫深度。已知混凝土結(jié)構(gòu)厚度的情況下，可以推出混凝土中的縱波波速。頻率值可以從原始信號(hào)頻譜圖中獲得，然后由式(1)計(jì)算出平均P速度。

CP=2fT/C

(1)

式中：CP——已知厚度混凝土結(jié)構(gòu)的波速測(cè)試值；

f——混凝土構(gòu)件厚度為反射頻率；

T——混凝土的構(gòu)件厚度；

C——混凝土結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，通常取0.98。

在混凝土裂縫檢測(cè)時(shí)，小鋼球與傳感器對(duì)稱放置于裂縫兩側(cè)，應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部傳播，分別到達(dá)裂縫兩端發(fā)生衍射和混凝土底端發(fā)生反射，由裂縫一端的傳感器接收信號(hào)。裂縫檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 裂縫檢測(cè)原理

由于在變換頻譜中，不同的峰值頻率表示含義不同，最高頻率峰值表示為縱波傳播到結(jié)構(gòu)底部；其他峰值表現(xiàn)為裂縫的反射頻率或試塊空隙不密實(shí)缺陷的位置。根據(jù)頻譜中的不同的峰值頻率，可以計(jì)算測(cè)試結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裂縫的深度或結(jié)構(gòu)厚度。裂縫深度的計(jì)算見(jiàn)式(2)：

(2)

式中：d——混凝土裂縫深度；

f1——裂縫缺陷頻率；

a——裂縫測(cè)試間距。

2 裂縫深度計(jì)算實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

沖擊回波儀的沖擊激勵(lì)由一內(nèi)置小鋼球與沖擊激發(fā)裝置組成，沖擊的應(yīng)力波受小鋼球的影響，在檢測(cè)過(guò)程中試塊的強(qiáng)度、表面平整度以及內(nèi)部空隙都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)造成影響。因此，該研究對(duì)試塊如下處理。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試塊制作

本試驗(yàn)所采用的設(shè)備型號(hào)是湖南芯儀電子SET-PI2-01。 儀器本身小巧輕便，易于攜帶，操作方便， 而且儀器配置信號(hào)自動(dòng)激發(fā)裝置，敲擊信號(hào)穩(wěn)定可靠，重復(fù)性極好，保證其沖擊作用所產(chǎn)生的應(yīng)力波頻率滿足裂縫情況和混凝土結(jié)構(gòu)厚度的檢測(cè)要求。

實(shí)驗(yàn)中選擇采樣頻率為125kHz，在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)檢查自動(dòng)沖擊器、傳感器與儀器連接情況，手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，檢測(cè)時(shí)將傳感器按壓緊，然后點(diǎn)擊采集按鈕，待波形穩(wěn)定，手動(dòng)保存波形數(shù)據(jù)。

為了研究混凝土試塊裂縫與測(cè)距的關(guān)系，通過(guò)對(duì)混凝土模具中嵌入薄鋼板以獲取定長(zhǎng)裂縫深度，通過(guò)改變測(cè)量間距觀察裂縫計(jì)算誤差，從而確定裂縫深度與測(cè)距的關(guān)系。

混凝土試塊的制作為了盡可能接近實(shí)際，選取厚度大小為0.5mm的薄鋼板。針對(duì)實(shí)際工程中的裂縫共做4組試塊，其尺寸結(jié)構(gòu)分為300mm×150mm×150mm,300mm×300mm×300mm兩種，將C30試塊制作材料按水∶水泥∶沙∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72的比例配置。在混凝土配比制作好后，灌入卡好薄鋼板的混凝土模具，澆筑混凝土后要振搗充分至表面無(wú)氣泡后停止，以保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)。待試塊初凝后用塑料薄膜覆蓋，在此之后把試塊放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后拆除模版，最終形成的帶裂縫混凝土試塊如圖3所示。

圖3 混凝土試塊

2.2 測(cè)點(diǎn)及數(shù)據(jù)采集

為提高裂縫深度檢測(cè)精度，針對(duì)混凝土試塊中裂縫的不同位置，在混凝土試塊的裂縫周圍布置測(cè)試區(qū)域，沿裂縫線長(zhǎng)度方向每25mm設(shè)置一條測(cè)線，沿著裂縫的縱向每25mm設(shè)置一條測(cè)線，接收區(qū)和沖擊區(qū)的點(diǎn)位沿著裂縫方向?qū)ΨQ分布，測(cè)線與測(cè)線之間的交點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)。圖4為表面大小300mm×300mm試塊測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

為研究不同試塊檢測(cè)距離與裂縫深度之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)制作3種深度裂縫分別為50mm、100mm、150mm，試塊1為完好試塊，用以確定縱波在混凝土試塊中的傳播速度。由試塊2、3和5驗(yàn)證不同測(cè)距對(duì)裂縫深度檢測(cè)精度的影響，由試塊3和4驗(yàn)證兩種不同混凝土強(qiáng)度的試塊對(duì)裂縫深度與測(cè)試距離是否有影響?；炷猎噳K的規(guī)格尺寸如表1所示。

表1 混凝土試塊規(guī)格

3 裂縫深度計(jì)算與分析

通過(guò)試塊1對(duì)P波波速進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)試塊進(jìn)行等間距的8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖5所示。

圖5 試塊1波速標(biāo)定

從圖5等間距各測(cè)點(diǎn)波速計(jì)算值可以看出，由于混凝土中存在不密實(shí)孔隙，可能會(huì)造成不同測(cè)點(diǎn)所得到的頻率值不同，但是同一試塊等間距測(cè)點(diǎn)的波速計(jì)算值不會(huì)相差太大。由此可知，試塊1中縱波波速計(jì)算平均值為3187m/s。經(jīng)試塊1驗(yàn)證同一試塊等間距測(cè)點(diǎn)的波速及頻譜相差不會(huì)出現(xiàn)太大波動(dòng)，之后試塊等間距測(cè)點(diǎn)只需選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。若通過(guò)對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的波速計(jì)算與相應(yīng)試塊平均波速比較，若某測(cè)點(diǎn)波速相差過(guò)大，則去掉此測(cè)點(diǎn)重新測(cè)量，若波速相差較小，則繼續(xù)下一點(diǎn)測(cè)量。

試驗(yàn)測(cè)試中，通過(guò)改變沖擊點(diǎn)和信號(hào)接收點(diǎn)的距離，對(duì)不同測(cè)試間距的頻譜解析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試距離過(guò)小時(shí)，波形造成嚴(yán)重畸變，影響測(cè)試計(jì)算，引入誤差。因此，試驗(yàn)中選取了50mm、100mm、150mm三種不同的間距，測(cè)試裂縫深度為50mm的裂縫；選取100mm、150mm、200mm的測(cè)試間距，測(cè)試裂縫深度為100mm的裂縫；150mm、200mm、250mm的測(cè)距，檢測(cè)深度為150mm的裂縫深度。

在對(duì)裂縫頻譜圖進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于試塊中裂縫附近存在不密實(shí)、孔隙等原因產(chǎn)生許多干擾頻譜，通過(guò)相關(guān)資料查詢可知，在混凝土試塊檢測(cè)中，裂縫頻譜圖主頻通常為頻率峰值最高峰所對(duì)應(yīng)的頻率值。通過(guò)確定出裂縫主頻，在縱波傳播過(guò)程中，在裂縫頂點(diǎn)衍射的縱波傳播路徑，與到達(dá)混凝土試塊底端反射的縱波傳播的路徑相比較短，由于傳播路徑較短，傳播過(guò)程中能量損失較少。因此，頻率大于主頻且頻率峰值第二高的頻率，可以確定為裂縫缺陷頻率。

圖6為試塊3等間距不同測(cè)點(diǎn)頻譜圖。由圖6可以看出，試塊3中當(dāng)檢測(cè)間距為200mm時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)的主頻分別為10.86kHz、10.99kHz、10.99kHz、 10.99kHz，平均厚度頻率為10.96kHz。裂縫缺陷頻率分別為12.33kHz、11.23kHz、11.60kHz、12.33kHz，平均缺陷頻率為11.87kHz。通過(guò)將厚度頻率代入式(1)，可以得到試塊3中縱波傳播速度為3355.10m/s；將縱波波速和裂縫缺陷頻率代入式(2)，即可計(jì)算得到裂縫深度為99.87mm，而實(shí)際裂縫預(yù)留深度為100mm，二者誤差為0.13%。通過(guò)此方法將不同試塊進(jìn)行一一測(cè)量，然后將不同測(cè)量間距的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的缺陷頻率通過(guò)公式計(jì)算，所得的裂縫深度結(jié)果與實(shí)際預(yù)留的裂縫深度進(jìn)行了誤差比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 試塊3等間距不同測(cè)點(diǎn)頻譜圖

表2 不同試塊不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表2可以知道，當(dāng)試塊2檢測(cè)間距為50mm時(shí)，由于沖擊點(diǎn)與信號(hào)接收傳感器離裂縫過(guò)近，在波形傳播過(guò)程中縱波在混凝土-空氣界面進(jìn)行反射，造成能量的衰減，對(duì)波形采集造成較大干擾，因此裂縫計(jì)算的誤差較大。由表格中試塊檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)檢測(cè)間距與裂縫深度相近時(shí)，裂縫檢測(cè)得到的誤差較低。由此可知，當(dāng)裂縫計(jì)算值與裂縫檢測(cè)間距相近時(shí)，可進(jìn)一步確定此裂縫深度可作為實(shí)際裂縫深度。從試塊4、5可以看出，當(dāng)縱波在試塊中傳播時(shí)，若傳播路程較遠(yuǎn)，在傳播過(guò)程中由于內(nèi)部的不密實(shí)造成能量衰減，造成裂縫檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生比較大的誤差。在試塊檢測(cè)中，不同試塊的不同間距測(cè)點(diǎn)測(cè)試得出的厚度頻率不同，造成此現(xiàn)象的原因可能為在波形傳播過(guò)程中由于改變檢測(cè)間距，傳播路徑長(zhǎng)度改變較大，因此，反應(yīng)在頻率上出現(xiàn)厚度頻率不同。而由于實(shí)驗(yàn)各頻率點(diǎn)為等間距測(cè)點(diǎn)，因此所得頻率為各測(cè)點(diǎn)的平均值，表現(xiàn)在表格中數(shù)據(jù)為不同間距測(cè)點(diǎn)的厚度頻率相同。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)間距不斷增大時(shí)，裂縫檢測(cè)精度會(huì)不斷提高。然而，當(dāng)試塊檢測(cè)間距大于200mm時(shí)，裂縫檢測(cè)結(jié)果誤差較大。通過(guò)不同試塊的不同間距的檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)檢測(cè)間距為裂縫深度的1.5～2倍時(shí)，在此間距范圍對(duì)裂縫深度為50mm、100mm、150mm的試塊檢測(cè)結(jié)果比較精確。

4 結(jié)論

沖擊回波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在工程領(lǐng)域一直都是一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，本文通過(guò)芯儀沖擊回波儀基于沖擊回波法研究不同的沖擊與接受距離來(lái)檢測(cè)混凝土的裂縫深度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)檢測(cè)間距和裂縫深度相近時(shí)，此時(shí)裂縫檢測(cè)誤差最小。

在基于沖擊回波法研究混凝土試塊裂縫檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)試塊表面是否平整對(duì)檢測(cè)有著很大的影響。在檢測(cè)時(shí)，試塊的厚度、裂縫的位置、待測(cè)的區(qū)域平滑程度、試塊內(nèi)部的蜂窩麻面和凹凸不平，會(huì)產(chǎn)生多余的噪聲，從而影響測(cè)試精度。在檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)人員對(duì)傳感器的按壓力度，也會(huì)對(duì)信號(hào)的接受造成影響，引起信號(hào)分析的頻譜差異。

實(shí)驗(yàn)選取C30混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)薄鋼板制作的裂縫分布規(guī)整，而實(shí)際工程應(yīng)用中的混凝土裂縫呈不規(guī)則分布。因此，本實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)所得裂縫深度對(duì)應(yīng)于實(shí)際工程應(yīng)用中主裂縫深度，對(duì)于裂縫不同分支的深度檢測(cè)以及混凝土內(nèi)部裂縫分布情況可作進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)采用的沖擊回波儀器的沖擊激勵(lì)為6mm小鋼球，在混凝土裂縫檢測(cè)中，不同大小的小鋼球產(chǎn)生的激勵(lì)源不同，縱波攜帶能量大小不同，因此對(duì)不同深度裂縫的檢測(cè)精度會(huì)不一樣。有興趣的同行可以在不同激勵(lì)源對(duì)裂縫深度檢測(cè)的影響做后續(xù)研究。