基于陣列超聲成像法的混凝土裂縫深度檢測

張 軍，顧 盛，潘永東，張 健，吳玉龍

(1.昆山市建設工程質量檢測中心，昆山 215337；2.同濟大學 航空航天與力學學院，上海 200092)

混凝土是土木工程領域應用最廣泛的建筑材料之一，其質量直接關系到建筑結構的安全。受設計、施工管理方面的影響，混凝土結構很容易產生不同程度的裂縫。裂縫不僅會影響建筑物的美觀和使用功能，還會影響結構的整體穩定性及耐久性，嚴重時甚至會引發安全事故。因此，必須對混凝土構件裂縫進行檢測，準確掌握裂縫的走勢、寬度、長度和深度[1-3]，以判斷裂縫對建筑物的危害程度并研究相應的修補措施[4]。

目前，混凝土結構裂縫深度的檢測方法主要分為沖擊彈性波法和超聲波法：沖擊彈性波法產生的信號頻率低但能量高，傳播距離遠，受混凝土內部鋼筋、水分和其他雜質的影響較小，但只適用于單裂縫的檢測，無法對多裂縫進行檢測[5]；超聲波法分為單面平測法、雙面斜測法和鉆孔對測法。CECS21:2000 《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》 介紹了超聲波法檢測。鉆孔對測法與雙面斜測法對混凝土結構及其加工條件的要求較高，且檢測精度較低[6-7]；而單面平測法只要求混凝土結構有一個可測表面，檢測精度較高，被廣泛應用于工程實踐中。但傳統單面平測法采用雙探頭進行檢測，耗時較多，檢測效率低下；且檢測時需要使用耦合劑來保證超聲信號的傳輸，探頭耦合的好壞會直接影響檢測精度。因此，單面平測法還需要進一步的優化[8-10]。

與傳統的超聲法相比，陣列超聲成像法使用的是橫波換能器。同樣頻率下，波長越小，縱波的空間分辨率更高。采用干耦合點接觸式換能器陣列技術，將傳統點測改為面測可實現連續掃描，并且不用任何耦合劑，檢測效率得到大幅度提升；測試完成后，通過合成孔徑成像技術可實現圖像重構，能夠更加直觀地反映檢測物體的內部質量。陣列超聲成像法廣泛應用于電力、石油化工、鐵路、核工業、航空航天等領域，其中最常見的應用是焊縫檢測與缺陷檢測[11-12]。筆者將陣列超聲成像法引入混凝土結構裂縫的深度檢測中，主要介紹了陣列超聲成像法檢測混凝土裂縫深度的原理及影響因素，同時設計制作了一塊預設7條不同深度裂縫的素混凝土試件，使用A1040 MIRA混凝土陣列超聲成像儀進行跨單裂縫檢測及試件整體成像檢測，并對檢測結果進行了分析，相關結論可為后續研究提供借鑒。

1 陣列超聲成像法的用途及其測試原理

1.1 檢測物體的厚度

圖1為陣列超聲成像儀檢測物體厚度的聲傳播路徑示意，數字1～12代表每排換能器的編號，檢測時，第1排換能器激發超聲信號，其余換能器接收超聲信號。此后，下一排換能器激發超聲信號，其右側的換能器接收超聲信號。此過程循環重復，直至前11排換能器都已經激發過超聲信號。圖1中的射線代表超聲波傳播路徑，此時超聲波在物體底部邊界發生反射，信號處理軟件根據底部反射超聲波的到達時間來推測物體的厚度。測量的信號傳播時間會被計算機根據合成孔徑成像算法處理生成換能器下方空間的二維圖像，圖像可以顯示被測物體底部超聲波反射邊界的位置，根據其顯示位置可獲得被測物體的厚度。

圖1 陣列超聲成像儀檢測物體厚度的聲傳播路徑示意

1.2 檢測物體內部的缺陷

圖2為陣列超聲成像儀檢測物體內部缺陷的聲傳播路徑示意，被測物體內部存在缺陷時，經過缺陷的超聲波在缺陷上表面提前發生反射[13]，由缺陷上表面反射的信號會先于構件底面反射的信號到達接收端，造成超聲的異常反射。測量的超聲信號波形由計算機處理后，生成換能器下方空間的二維圖像，圖像可以同時顯示缺陷及檢測物體底部邊界的位置。

圖2 陣列超聲成像儀檢測物體內部缺陷的聲傳播路徑示意

1.3 檢測裂縫深度

圖3為檢測物體存在裂縫時，裂縫附近探頭發射和接收超聲波的傳播路徑，此時經過裂縫底端的超聲波在底端處發生散射，縫底散射的超聲波信號會先于構件底面反射的信號到達換能器，信號處理軟件根據每排換能器接收到的縫底散射超聲波的傳播時間來推斷裂縫的深度。測量的信號波形會被計算機根據合成孔徑成像算法處理后，生成換能器下方空間的二維圖像，圖像可以顯示裂縫底端及被測物體底部邊界的位置。

圖3 陣列超聲成像儀檢測裂縫時的聲傳播路徑示意

以2號換能器發射的超聲波為例，圖4為有裂縫時無法被換能器接收的超聲波傳播路徑，虛線為原先沒有裂縫時超聲波的傳播路徑，實線為有裂縫時超聲波的實際傳播路徑。裂縫的存在阻擋了超聲波的傳播，超聲波經過裂縫側面時，會在混凝土-空氣界面發生反射，反射信號無法被換能器接收，因此在二維圖像上無法顯示。

圖4 有裂縫時無法被換能器接收的超聲波傳播路徑示意

陣列超聲成像法檢測裂縫深度的原理示意如圖5所示，其中2號換能器發射的超聲波在裂縫底端發生繞射后被5號換能器接收，已知激發-接收換能器之間的距離和超聲波的傳播時間，根據幾何關系可以推算出裂縫的深度。設2號與5號換能器之間的距離為X2～5,超聲波在被測物體內部的傳播速度為v，傳播時間為Δt2～5，則超聲波繞射位置處的裂縫深度d2～5如式(1)所示。

圖5 陣列超聲成像法檢測裂縫深度的原理示意

(1)

由式(1)分析可得，裂縫深度與超聲波在混凝土內部的傳播速度有關，由于混凝土是非均質固體，超聲波的傳播速度受混凝土的齡期、密實度、骨料等多方面因素影響。實際檢測時，為了確保結果的準確性，試驗前需在混凝土構件上進行超聲波在混凝土內部傳播速度的測定試驗，并在儀器上對超聲波傳播速度參數進行調整。

2 試驗構件的設計制作

在實驗室制作標準混凝土試件，試件尺寸(長×寬×深)為1 100 mm×1 100 mm×300 mm，混凝土強度等級為C30。試件內部不設鋼筋，在垂直測試面方向預設7條不同深度、不同長度的裂縫，試件中的裂縫參數見表1，裂縫在試件中的位置分布如圖6所示。

表1 試件中的裂縫參數 mm

圖6 裂縫在試件中的位置分布

木模板、鐵皮實物如圖7所示，首先按照設計圖紙加工木模板、鍍鋅鐵皮，每種型號的鐵皮裁剪兩片；然后澆筑混凝土，并用振搗棒充分振搗，確保混凝土密實；緊接著在鍍鋅鐵皮表面均勻涂抹潤滑油，將同種型號的兩片鐵皮背部緊緊貼合，一起插入試件中裂縫的設計位置處；最后在混凝土養護期間，為了避免鍍鋅鐵皮與混凝土黏結，混凝土初凝時先拔出其中一塊鐵皮，另一塊鐵皮拔出一點后再退回原來的位置，等到混凝土終凝后再完全拔出。成型后的預設裂縫混凝土試件實物如圖8所示。

圖7 木模板、鐵皮實物

圖8 成型后的預設裂縫混凝土試件實物

3 檢測過程

3.1 檢測儀器

試驗采用A1040 MIRA混凝土陣列超聲成像儀，該成像儀工作面長為370 mm、寬為130 mm，換能器陣列分布為4行×12列，共計48個，長度方向探頭間距為30 mm，寬度方向探頭間距為24 mm。該設備不僅兩側設有標尺，底面還安裝了4個激光發射器，便于現場檢測時的儀器定位。標稱換能器操作頻率為25 kHz～85 kHz橫波，均為干耦合點接觸超聲換能器(DPC)。換能器探頭均裝載有彈簧，適用于粗糙的混凝土表面。每個測點采集和處理數據的時間不超過3 s，顯示結果為換能器下方空間的二維圖像。

3.2 檢測過程及檢測數據

3.2.1 跨單裂縫檢測

檢測時，A1040 MIRA混凝土超聲陣列成像儀兩側標尺的零刻度線與裂縫大致重合，保持橫向激光定位線與裂縫平行，儀器與裂縫保持垂直，操作儀器得到換能器下方的二維斷面圖像，測試數據如圖9所示。

圖9 7種裂縫及構件底板二維斷面圖像

3.2.2 試件整體成像檢測

試驗前需提前布置測線，根據試件表面裂縫的位置分布，確定陣列超聲成像法的測線布置(見圖10)。水平測線的間距為100 mm，邊距為150 mm；豎向測線的間距為150 mm,邊距為175 mm。

圖10 測線布置示意

陣列超聲成像法的測試方法為：從測線交點(H1,V1)開始，沿著水平測線H1方向，依次對水平測線H1與豎向測線的交點采集數據，采集結束后轉換到水平測線H2,重復以上步驟。依此類推，直到水平測線和豎向測線所有交點的數據全部采集完成(見圖11)。試驗所得數據采用配套軟件IntroView處理，可實現各測點圖像拼接并自動剔除重復區域，最后得到測線范圍內的三維影像(見圖12)。

圖11 數據采集圖

圖12 試件整體的超聲陣列三維影像

3.3 結果分析

從二維影像斷面圖中讀取各裂縫檢測深度，與其實際深度進行分析對比(見表2)。

由表2分析可得：1號裂縫相對誤差最大，為16.7%，主要是因為1號裂縫長度短且位于試件邊緣，檢測時受邊界效應影響，測試數據誤差較大，因此不具備參考價值。2,3,4,5,6,7號裂縫相對誤差分別為-10%,5%,4%,3.3%,0,0，均滿足標準JJF 1334-2012 《混凝土裂縫寬度及深度測量儀校準規范》：測量深度為50～500 mm時，最大允許誤差為±10%，儀器檢測精度滿足要求。3，4，5，6，7號裂縫相對誤差在±5%以內，檢測精度較高。且隨著裂縫深度的不斷加深，儀器的測試誤差逐漸變小，這是因為混凝土具有不均勻性，超聲波實際傳播速度與試驗前測定的聲速誤差較大，隨著裂縫深度的不斷加深，經過裂縫底端的超聲射線逐漸增加，超聲實際傳播速度與試驗前測定的聲速誤差逐漸減小，其檢測精度也就逐漸提高。

表 2 裂縫深度檢測值與實際值對比

從試件整體的三維影像圖可以看出：2，3，4，5，6，7號裂縫均被成功檢測出，且效果十分明顯，而1號裂縫卻被漏檢。這是因為，當裂縫底端位于檢測盲區內時，沒有超聲波經過裂縫底端發生繞射，并被換能器接收，因此無法被儀器探測到，從而出現漏檢的情況。在裂縫兩側略微調整儀器的位置，使裂縫底端不再位于盲區內。

4 結語

(1) 對于混凝土裂縫深度的檢測，采用陣列超聲成像的檢測方法是可行的。其檢測精度滿足標準JJF 1334-2012的要求。

(2) 經過裂縫側面的超聲波會發生反射，反射信號無法被換能器接收，經過裂縫底端的超聲波會在縫底處發生散射而繞著傳播，陣列超聲成像法根據換能器接收到的繞射超聲波的傳播時間來推斷裂縫的深度，因此生成的二維圖像可以顯示縫底的位置，但無法顯示裂縫整體。

(3) 隨著裂縫深度的不斷加深，儀器的檢測精度逐漸提高。因為構件中深度越深，超聲射線越密集，隨著裂縫深度的不斷加深，經過裂縫底端的超聲射線逐漸增加，其檢測精度逐漸提高。

(4) 陣列超聲成像儀器存在檢測盲區，當裂縫底端位于檢測盲區內時，沒有超聲波經過裂縫底端發生繞射而被換能器接收，因此裂縫無法被儀器探測到，從而出現漏檢的情況。在裂縫兩側略微調整儀器的位置，使裂縫底端不再位于盲區內，裂縫將被發現。

(5) 陣列超聲成像法具有邊界效應，當裂縫長度短且位于混凝土構件邊緣時，無法準確檢測裂縫深度。