公路工程混凝土構(gòu)件裂縫的超聲波單面平測(cè)法探討

湯飛鵬

（江蘇中基工程技術(shù)研究有限公司，江蘇 南通 226003）

0 引言

混凝土裂縫問題目前廣泛存在于很多工程項(xiàng)目中，通常是由于不科學(xué)的混凝土原材料配比設(shè)計(jì)、缺乏有效防護(hù)的外力沖擊以及難以控制的環(huán)境變化等多方面因素所造成的。而采用常規(guī)的超聲波檢測(cè)法更側(cè)重于對(duì)垂直裂縫的檢測(cè)，而忽略了實(shí)際建設(shè)工程中混凝土結(jié)構(gòu)存在的延展性裂縫和傾斜裂縫，因此需要對(duì)常規(guī)超聲單面平測(cè)法的部分檢測(cè)步驟及原理進(jìn)行改良，以此來獲得更加專業(yè)化的混凝土構(gòu)件裂縫檢測(cè)效果。

1 公路工程混凝土構(gòu)件裂縫問題的成因分析

想要有效控制混凝土構(gòu)件內(nèi)部裂縫的問題，那么首先便需要從了解和掌握造成混凝土構(gòu)件形成裂縫的主要原因及關(guān)鍵影響因素入手，這樣才能依據(jù)裂縫成因選擇更合適的檢測(cè)技術(shù)。在影響混凝土構(gòu)件質(zhì)量及綜合性能的多方面因素中，施工質(zhì)量控制、環(huán)境變化影響以及外部沖擊等幾項(xiàng)內(nèi)容，對(duì)于混凝土構(gòu)件裂縫的形成具有決定性影響[1]。

1.1 施工質(zhì)量控制

由于部分施工人員在很多關(guān)鍵環(huán)節(jié)沒有嚴(yán)格按照混凝土施工方案給定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，這便導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量較差而更容易受誘發(fā)因素影響產(chǎn)生裂縫問題。例如，由于拆模時(shí)間過早導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)終凝時(shí)間被極大壓縮，這樣便會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)彈性模量和抗壓強(qiáng)度未達(dá)使用標(biāo)準(zhǔn)，因此在承受過大的壓應(yīng)力或拉應(yīng)力的情況下，便會(huì)發(fā)生超過極限范圍的力學(xué)形變而產(chǎn)生板面斷裂。除此之外，在部分交叉作業(yè)的施工環(huán)節(jié)中，由于過往施工人員的踐踏而造成未完全凝實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)開裂的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。

1.2 環(huán)境變化影響

較快的溫度變化會(huì)由于熱脹冷縮作用而引發(fā)混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)變形量增加，這種短時(shí)間內(nèi)的大量形變問題，便會(huì)隨著積累進(jìn)一步演變?yōu)榛炷翗?gòu)件結(jié)構(gòu)斷裂等現(xiàn)象。同時(shí)混凝土自身硬化過程中也會(huì)伴隨著體積收縮現(xiàn)象，在此環(huán)節(jié)中如果施工人員沒有進(jìn)行及時(shí)的澆水養(yǎng)護(hù)，混凝土結(jié)構(gòu)便會(huì)由于水化熱釋放熱過多而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過度收縮并開裂，通常這種裂縫普遍存在于厚度較薄的銜接部位。

1.3 外部荷載壓力過大

混凝土構(gòu)件在承受過大的外部載荷作用時(shí)通常會(huì)表現(xiàn)出塑性變形與細(xì)微的裂紋，同時(shí)受力裂紋會(huì)伴隨著持續(xù)加載量的提高而向四周不斷拓展，這會(huì)進(jìn)一步降低混凝土結(jié)構(gòu)的剛度而發(fā)生斷裂形成裂縫。例如當(dāng)載重量過大的車輛行駛通過公路時(shí)，由于車身重量給予公路路面和路基結(jié)構(gòu)的壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其標(biāo)準(zhǔn)承受范圍，這就會(huì)間接導(dǎo)致承重結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件在強(qiáng)烈的荷載壓力下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫[2]。

2 超聲波單面平測(cè)法檢測(cè)技術(shù)的原理分析

超聲波單面平測(cè)法技術(shù)的核心在于對(duì)超聲波信號(hào)的獲取，以及對(duì)超聲波在介質(zhì)傳遞過程中波頻、波幅變化規(guī)律的分析。因此利用特殊的超聲波發(fā)射儀器和信號(hào)接收設(shè)備進(jìn)行組合，便能夠通過發(fā)射特定頻率波動(dòng)的超聲波信號(hào)，使其穿過待測(cè)的混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)并返回到信號(hào)接收器中。這樣檢測(cè)人員便可以依據(jù)信號(hào)波動(dòng)變化，來掌握混凝土構(gòu)件中裂縫存在的方位以及尺寸大小等參數(shù)信息。而在實(shí)際檢測(cè)過程中，又可以依據(jù)使用條件和檢測(cè)路徑的不同，將超聲波單面平測(cè)法分為不跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線與跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線兩種類型。

2.1 不跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線

超聲波在不同介質(zhì)中的傳遞速度以及和不同接觸面碰撞后所發(fā)生的回彈速度均有所不同。因此便可以利用超聲波傳遞過程中產(chǎn)生的聲時(shí)差，配合安置在待測(cè)物體同側(cè)的兩個(gè)換能器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波觸碰到混凝土結(jié)

構(gòu)和裂縫時(shí)，分別產(chǎn)生的兩種不同回彈信號(hào)進(jìn)行接收并依據(jù)信號(hào)傳遞時(shí)差來分析裂縫情況的功能。

2.2 跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線

跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線通常用于精確檢測(cè)混凝土構(gòu)件式中裂縫的深度信息，其基本原理也是以超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度和回彈波動(dòng)信號(hào)的差異性原則，通過不斷縮小待測(cè)物兩側(cè)換能器的內(nèi)距來形成不同的聲時(shí)信號(hào)進(jìn)而通過對(duì)比測(cè)算裂縫深度。

3 常規(guī)裂縫檢測(cè)方法分析

3.1 常規(guī)檢測(cè)法技術(shù)原理

針對(duì)混凝土構(gòu)件內(nèi)部裂縫深度和位置信息的檢測(cè)問題，通常情況下是檢測(cè)人員采用的主要方法，是通過將不跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線與跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)兩種方法下聲時(shí)值變化對(duì)應(yīng)的超聲波在構(gòu)件內(nèi)部傳播距離的不同，較為準(zhǔn)確地測(cè)算出垂直方向上混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的長(zhǎng)度及深度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，常規(guī)檢測(cè)法所應(yīng)用的主要技術(shù)原理，便是利用了超聲波傳遞距離與聲速之間所具有的線性關(guān)系，從而將其定義為測(cè)算混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)裂縫深度的數(shù)據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)，這樣便能夠?qū)崿F(xiàn)距離和時(shí)間之間的轉(zhuǎn)化來側(cè)面表征出裂縫深度等待測(cè)信息。

3.2 檢測(cè)步驟及數(shù)據(jù)處理分析

（1）混凝土波速檢測(cè)及聲速值計(jì)算。混凝土波速檢測(cè)環(huán)節(jié)采用的主要方法依據(jù)的是不跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線法原理，即通過兩個(gè)安裝在同側(cè)的換能器對(duì)具有一定回彈時(shí)間差的聲波信號(hào)分別進(jìn)行接收，這也是最能夠直觀反映出超聲波在混凝土構(gòu)件中實(shí)際傳播速度的重要方法。將測(cè)算得到的聲時(shí)值和檢測(cè)前設(shè)定好的換能器內(nèi)距代入到下面線性回歸方程中[3]：標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)時(shí)間間隔下超聲波在檢測(cè)物體中的實(shí)際傳播距離：

上述兩公式分別計(jì)算的是不跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線法中所設(shè)置的兩個(gè)換能器內(nèi)距，和在特定時(shí)間點(diǎn)下經(jīng)過多次均勻時(shí)間間隔檢測(cè)后，獲得的超聲波通過檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部過程中實(shí)際傳播的真實(shí)距離。其中α為線性回歸直線方程中換能器內(nèi)距值在直線坐標(biāo)系下的截距，同時(shí)也代表了超聲波檢測(cè)聲時(shí)距離計(jì)算方程中的常數(shù)項(xiàng)內(nèi)容。

將換能器內(nèi)距和超聲波實(shí)測(cè)距離數(shù)值代入到混凝土聲速值計(jì)算公式中得到：

（2）裂縫深度檢測(cè)及計(jì)算。檢測(cè)混凝土構(gòu)件裂縫深度時(shí)應(yīng)采用跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線法，結(jié)合公式（1）、（2）計(jì)算得到的換能器內(nèi)距值和實(shí)測(cè)傳播距離以及公式（3）、（4）提供的聲速值，計(jì)算裂縫深度：

4 改良的裂縫檢測(cè)法分析

4.1 檢測(cè)原理分析

超聲波單面平測(cè)法經(jīng)過改良后，分別設(shè)置了裂縫深度檢測(cè)、延伸方向檢測(cè)以及測(cè)試面角度三個(gè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)上述三個(gè)參數(shù)的測(cè)算能夠更加精確的定位和描述混凝土構(gòu)件內(nèi)部裂縫的基本情況。在應(yīng)用改良的超聲波單面平測(cè)法時(shí)要注意，檢測(cè)前需要假設(shè)混凝土構(gòu)件為材料均勻、沒有其他特殊結(jié)構(gòu)組成的理想狀態(tài)[4]。

4.2 檢測(cè)步驟及數(shù)據(jù)計(jì)算

首先利用常規(guī)檢測(cè)法的基本流程計(jì)算混凝土內(nèi)部超聲波傳遞的實(shí)際波速，如圖1所示，將固定在兩側(cè)的換能器同時(shí)、同距移動(dòng)，測(cè)得的聲時(shí)值中最小值點(diǎn)即為裂縫末端投影于混凝土結(jié)構(gòu)表面的基準(zhǔn)點(diǎn)，并依據(jù)投影點(diǎn)位置判斷垂直裂縫的類型。

圖1 垂直裂縫檢測(cè)示意

依據(jù)示意圖中ACD三角形參數(shù)計(jì)算發(fā)射換能器內(nèi)邊距至裂縫終末點(diǎn)AC距離：

計(jì)算裂縫末端點(diǎn)至裂縫口間距CD：

當(dāng)投影點(diǎn)位于裂縫兩側(cè)測(cè)試面上時(shí)如圖2所示進(jìn)行檢測(cè)分析。

圖2 斜裂縫檢測(cè)示意

根據(jù)示意圖中ECD三角形參數(shù)計(jì)算裂縫末端點(diǎn)至裂縫口間距CE：

計(jì)算裂縫與測(cè)試面夾角∠CED：

通過工程實(shí)踐可知，上述改良的超聲波單面平測(cè)法適用于對(duì)混凝土構(gòu)件內(nèi)部裂縫延展方向、深度及與檢測(cè)面夾角的檢測(cè)工作，并且能夠獲得更為精確的檢測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超聲波單面平測(cè)法對(duì)于檢測(cè)公路工程混凝土構(gòu)件內(nèi)部裂縫能夠發(fā)揮出良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和適用效果。而通過對(duì)超聲波檢測(cè)法進(jìn)行改良后可以獲取更為詳細(xì)和精確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，因此檢測(cè)技術(shù)人員應(yīng)盡可能全面掌握改良后的檢測(cè)方法，并通過在實(shí)踐工作中的不斷探索和研究對(duì)其進(jìn)行完善與加強(qiáng)。