混凝土裂縫深度檢測的數學分析研究

劉鳳鳳

摘 要：混凝土作為現代建筑工程不可或缺的原材料成為提升建筑質量的重要保證，混凝土構件普遍面臨工程裂縫這一常見問題，而建筑物的安全性能受到混凝土裂縫深度的直接影響，為此，本文主要針對混凝土裂縫深度檢測方法進行了研究，設計了一種裂縫深度無損檢測方案，主要使用穿透力較強的超聲波完成有效的檢測過程，對不超過50mm的裂縫深度使用超聲波時距檢測法完成具體的分析計算過程，最終獲取了較為精確的50mm以下裂縫深度的計算結果。

關鍵詞：混凝土裂縫;深度檢測;無損檢測;超聲時距檢測法;實現路徑

中圖分類號：TU755.7 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-5922（2020）10-0115-04

Abstract：Concrete is an indispensable raw material for modern construction engineering and becomes an important guarantee for improving building quality. Concrete members are generally faced with the common problem of engineering cracks， and the safety performance of buildings is directly affected by the depth of concrete cracks. The concrete crack depth detection method was studied， and a crack depth non-destructive detection scheme was designed. The ultrasonic wave with strong penetration was used to complete the effective detection process. For the crack depth of not more than 50mm， the ultrasonic time interval detection method was used to complete the specific analysis and calculation process， and finally obtained a more accurate calculation result of crack depth below 50mm.

Key words：concrete cracks; depth inspection; non-destructive inspection; ultrasonic time interval detection method; realization path

0 引言

蓬勃發展的城市化進程促使相關土木工程建設項目不斷增加，基礎設施等建筑的投資體量逐年增加，促使混凝土結構的應用范圍不斷擴大，結構健康始終是國計民生的重要構成，極易對建筑安全造成威脅，而在實際施工及使用過程中影響混凝土結構的因素較多，不同建筑通常需使用不同的混凝土結構，混凝土產生裂縫后將降低其承載力、耐久性、抗滲性等性能，對建筑工程及混凝土結構安全帶來不同程度的威脅，造成混凝土裂縫的原因不盡相同，因此如何設計實現一種有效的混凝土裂縫深度檢測方法以便據此分析獲取混凝土產生裂縫的原因及有針對性的防治措施是目前建筑領域的研究熱點。

1 現狀分析

結構質量（包括損壞程度和耐久性等）的一項重要評價指標即為工程結構表面裂縫，在各類工程建設中（包括土木工程建筑及社會基礎設施等）混凝土結構是不可缺少的構成部分，不斷發展和提高的工程建設要求對建筑物使用壽命及經濟成本的重視程度不斷提高，這就對混凝土裂縫的檢測方法提出了更高的要求，前期的混凝土裂縫檢測是評定與計量混凝土質量情況的有效途徑，也是研究裂縫形成原因、實施有針對性修補方案的基礎，從而提升整體建筑的安全性能[1]。目前檢測混凝土裂縫方法包含多種，傳統以人工檢查方式為主的裂縫檢測方法在實踐中仍然較為常用，因檢測標準不統一（主要由人工主觀判斷導致）而造成檢測結果出現偏差，但因存在勞動強度大、耗時久、工作成本高、檢測效率及準確率不高、難以快速及時掌握結構信息等方面的問題和不足而難以滿足現代檢測需求，結構表面缺陷檢測的自動化及智能化有待提高，是工程實踐亟待解決的問題。促使超聲波檢測和沖擊彈性波檢測等現代檢測方法快速發展成為常用方法，結合數字圖像處理技術的裂縫檢測方法具有較高的應用和研究價值，并已取得了一定成果，例如，R.Jones、Leslie、CHeesman等人已經使用超聲波法成功完成了混凝土結構的檢測，針對混凝土裂縫位置和深度Chi-Won In等人已做了詳細研究，林維正、童年等人詳細研究了檢測間距、裂縫深度檢測同超聲波首波反相間的關系。超聲波平測法適用于50～250mm區間內的混凝土裂縫檢測，但對裂縫深度不超過50mm的混凝土的檢測準確度有待提高[1]。為此文章在現有研究成果基礎上，針對不同的檢測距離和混凝土裂縫深度（50mm以下），結合運用超聲波時距檢測法及超聲波首波反相前后的波形進一步優化了裂縫深度的檢測方法。

2 混凝土裂縫深度檢測原理

在對混凝土裂縫使用超聲波進行檢測時，對超聲波信號的聲學參數（傳播于混凝土內部，包括主頻率、波幅、傳播聲速和聲時等）通過使用超聲波檢測儀（能夠顯示波形）進行測試和分析實現聲學參數變化情況的準確獲取，并在此基礎上完成混凝土裂縫深度的計算。檢測距離在實際檢測混凝土裂縫涉及到跨縫時會受到混凝土裂縫深度不同程度的影響，超聲波因傳播于過長的檢測距離其能量會逐漸減弱，造成分析和計算后續波形產生一定的誤差;并且超聲波波形因受到過小的收發換能器間距的影響而易出現嚴重畸變的情況，導致裂縫深度測量結果的準確性降低（由增大的聲時測量誤差引起）。所以檢測混凝土裂縫深度時需確保選取的檢測間距合適，基于時距法的HC超聲波檢測儀在裂縫對稱的兩側放置T、R換能器[2]，如圖 1所示。

采用平測法（國內CECS21：2000）檢測裂縫時，檢測強度相同的不同試塊時可能會出現不同的內部聲速值，采用同一聲速值則易導致計算結果出現誤差（受聲速差異的影響），如果在計算時以求取的傳播于各塊試塊的聲速值為依據則會導致檢測過程計算的復雜程度明顯增加。檢測時通過BS-1881法（英國標準）的使用可在降低測試復雜性的同時，使計算結果受到不同聲速值的影響問題得到有效避免[3]。超聲波在裂縫試塊中傳播耗時通過檢測不同檢測距離的兩個裂縫測點完成讀取過程，假設，第1個和第2個測點檢測距離分別由S 1和S 2表示（單位mm），第1個和第2個測點的檢測聲時值分別由t1和t2 表示（單位μs），檢測距離增量由d表示（單位mm），傳播聲時、檢測距離、裂縫深度的計算表達式如下，S2 =2S1 時對應BS-1881標準法[4]。

3 檢測實驗設計

3.1 實驗儀器及材料

文章使用的檢測儀器如圖 2 所示，在設計檢測實驗時組成實驗設備的實驗儀器主要包括多功能超聲波檢測儀主機HC-U8 、探測裝置連接線、一組平面換能器（單一換能器具有互換性，可作為發射信號和接收信號的介質），檢測儀主機的發射接口和接收 1（或接收 2）接口分別通過探測裝置連接線連接兩只換能器。檢測實驗采用已制作好的裂縫不超過50mm的混凝土試塊作為實驗對象，混凝土構件產生的裂縫通過液壓機擠壓放置在混凝土試塊表上的鋼筋實現，本實驗采用預埋長和厚分別為300和0. 5的鋼板（寬為15、20、30、40、50，單位mm）制作試塊，取出試塊初凝后的鋼板，在裂縫底端兩側伸入細鋼絲通過左右拉動完成對裂縫底端的打磨，從而影響避免裂縫底端受到試塊內部壓力的影響而出現輕度合攏，以確保試塊平整[5]。在澆灌混凝土時受到其不均勻表面的影響會出現高出模具的裂縫深度，為使試塊達到裂縫深度要求，需使用打磨工具完成光滑性打磨試塊表面處理（根據試塊側面裂縫深度），同時注意祛除裂縫中的細小灰塵（可使用打氣泵和氣槍完成），最終完成不同深度裂縫試塊的制作，此種裂縫可使裂縫檢測的誤差（主要由試塊內部及側面裂縫的分支深度和長度不同導致）得到有效避免。試塊及檢測網格如圖 3 所示，考慮到混凝土裂縫的深度檢測受到測試間距的影響較大，將各混凝土試塊根據換能器探頭大小繪制方格網（以試塊裂縫為對稱軸，方格尺寸為25mm×25mm），在此基礎上完成檢測點的布置，從而使由過大或過小檢測間距導致的檢測誤差得到有效避免[6]。

3.2 混凝土裂縫數據采集

裂縫檢測實驗中的各組試塊均布置了3對初始檢測距離為50mm的測點，在檢測時以放置換能器的兩個測點（對稱）跨縫邊對邊的距離為依據計算各對測點間距，檢測間距增量d分別設置為25mm、50mm和100mm（根據超聲波裂縫缺陷檢測規范），計算裂縫深度時使用的聲時值對應測點的波形聲時值為前后兩次出現波形反相的情況，因此采集數據前需先判斷超聲波儀器的零聲時值t 0，保持抹允耦合劑的T、R換能器底部處于相對接觸的狀態，讀取此時檢測儀上的聲時值（即零聲時值）[7]。采集數據時，為保持壓力不變，用手緊壓已涂勻適量耦合劑的試塊待測點的平面換能器。觀察顯示器上的相關參數波動情況（包括波形、采集的聲時等），對于趨穩的波形停止采集并保存，采集3次同一試塊的等間距測點數據（位置不同），移動換能器至下一對檢測點繼續采集數據，采用超聲波數據處理軟件讀取所獲取的1組檢測數據的相應聲時值t，30mm裂縫深度在50mm和100mm的測距增量下的波形圖如圖4、圖5所示（檢測距離50mm、100mm和50mm、150mm），各混凝土試塊的裂縫聲時值通過在波形處理軟件中輸入采集的數據獲取，50mm和100mm間距增量的波形圖均有首波反相出現，據此計算裂縫深度。50mm、100mm間距增量的裂縫的傳播聲時分別為27.5μs和39μs、26.5μs和50.5μs。超聲波波形在有裂縫時會發生變形（后續波由強變弱不穩定） [8]。

4 混凝土裂縫深度計算

儀器從發射到接受到超聲信號的耗時對應為儀器聲時讀數（由t表示），實際超聲波在試塊中傳播的耗時對應為實際聲時讀數（由t1表示），即儀器聲時讀數減去零聲時值t0（在導線與傳感器中傳播耗時），混凝土試塊裂縫深度以實際聲時讀數為依據計算獲取[9]。以計算300mm×150mm×150mm的混凝土試塊裂縫深度（實際深度為30mm）為例，首對測點測距和測距增量均為50mm，t的讀數分別為27.5μs和39μs，減去4μs的零聲時值得到的t1和t2的數值分別為23.5μs和35μs;下一對測點的測距和測距增量分別為50mm和100mm，t1=26.5μs、t2=50.5μs。觀察測距增量可知首對測點滿足BS-1881的測距條件（S2=2S1），直接帶入上文公式可得裂縫深度=30.24mm。同理求得另一對測點的裂縫深度=30.06mm。表1為上述方法獲取的試塊（300×150×150mm3）不同裂縫深度，比較計算值和實際縫深值可知使用超聲波時距法可時不超過50mm的裂縫深度的計算精度得到有效提高。試塊4裂縫檢測聲時值超過5的原因可能是受到人為因素的影響導致所制作試塊的內部不密實，減小了波速、導致傳播聲時較大。但實驗計算結果表明此處使用文章檢測方法仍獲得了較高的精確性。

圖6為繪制的裂縫誤差變化曲線（x軸對應試塊編號、y軸分別對應兩組測試誤差），利用文章檢測法對不超過50mm的裂縫測試點的絕對誤差可控制在5%以下，只有試塊1的第二組測試誤差稍高。此處受到裂縫深度較淺的影響，檢測值與同實際深度的誤差值偏大（相差0.98mm），仍然在實際建筑工程檢測誤差的允許范圍內（不超過1mm），更好的滿足了較小混凝土裂縫深度的計算精度需求，驗證了使用超聲波跨縫平測法的可行性。為提高實驗數據的準確性，需要注意實驗時需盡量保持各測距的等幅讀數，檢測的測距較長時需盡量控制施加到兩個換能器上的壓力不變;出現首波波形變形時盡量避免采集無法識別的無效數據，以避免發生丟波現象降低采集數據的精確度。重復檢測某一組出現異常數據對應間距的不同測點找出異常原因[10]。

5 結語

文章針對混凝土50mm以下的裂縫深度采用超聲波檢測技術完成檢測評定過程，使裂縫深度情況得到有效反映，并且該結果同裂縫試塊預留深度的誤差不超過5%。由于文章實驗裂縫深度較為單一，該方法仍然有待進一步完善，以滿足實際檢驗中對存在樹狀分枝的裂縫的檢測需求。

參考文獻

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