混凝土裂縫灌漿修復后聲學信號特征分析*

酈 亮，蔡慧靜，張 軍，毛江鴻，鄭博宇，李 強

(1.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315101； 2.寧波市建設工程安全質量管理服務總站，浙江 寧波 315043； 3.浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315100)

0 引言

由于混凝土抗拉強度低，大體積混凝土結構常出現裂縫，如大壩、承臺、地鐵側墻等結構均存在不同程度的開裂現象[1-2]。混凝土開裂后，結構整體性和耐久性受到影響[3-4]，因此須對裂縫進行修復。目前，混凝土裂縫修復方法主要包括表面處理法、化學灌漿法、自修復材料填充法、電化學沉積及生物沉積法[5]，其中，化學灌漿法技術較成熟，應用較廣泛。灌漿修復效果關系到修復后混凝土長期性能，灌漿方法、裂縫形態等對灌漿修復效果產生影響，修復后二次開裂、復漏等現象普遍存在[6]。因此，需研發便捷、可靠的灌漿修復效果檢測方法。

DL/T 5406—2010《水工建筑物化學灌漿施工規范》[7]建議采用檢查孔壓水試驗法或鉆芯取樣法判斷混凝土裂縫化學灌漿修復效果，上述方法判斷結果直觀、真實，但屬于有損檢測，且存在無法準確反映修復斷面整體情況等問題。超聲波技術是目前常見的混凝土缺陷無損檢測技術，可有效檢測混凝土裂縫開展深度[8]?；炷凉酀{修復效果檢測與混凝土裂縫檢測存在較大區別，主要體現在不同介質材料反映的超聲波聲學信號特征值存在明顯差異[9]，需通過系統研究進行揭示，從而指導灌漿修復效果檢測。因此，本文設計不同裂縫寬度的混凝土試件，采用灌漿工藝進行修復，跟蹤監測并分析了灌漿修復過程中超聲波首波波幅、聲時等聲學信號特征值。

1 超聲波技術檢測原理

將超聲波技術應用于裂縫檢測時，在裂縫單側施加震源，產生彈性波，接收器置于裂縫另一側，超聲波在裂縫邊緣發生反射，并在裂縫尖端發生繞射，以球面波的形式進行二次傳播[10-11]，如圖1所示。由于傳播路徑的改變，裂縫位置處獲取的超聲波首波波幅、聲時等明顯區別于完整混凝土，可據此判斷裂縫形態。裂縫灌漿修復后的混凝土結構可視為由混凝土、灌漿材料與未填充空隙組成的多層復合材料。

圖1 超聲波傳播示意

2 灌漿修復試驗

2.1 試件制作

制作裂縫寬度分別為0.3，0.6，0.9mm的3組試件，截面尺寸均為1 000mm×600mm×600mm(長×寬×高)，編號依次為S-0.3，S-0.6，S-0.9，配合比均為水∶水泥∶砂∶石=158∶398∶810∶1 031(kg/m3)，均采用C35混凝土，拌合水為自來水，采用同種灌漿工藝進行裂縫修復。

2.2 裂縫制作與控制

當裂縫寬度、灌漿壓力與時間、漿液流動性相同時，裂縫傾角與混凝土界面形態對漿液擴散半徑的影響較大[12]，使通過預置插片法模擬的光滑裂縫與真實裂縫存在較大差異。為此，研發新型混凝土裂縫制作裝置[13]，如圖2所示。為形成帶裂縫的混凝土試件，首先通過加載使試件斷裂；然后以斷裂后的試件為端模，重新立模澆筑成完整試件；最后通過外骨架裝置中的螺桿撐開新舊混凝土結合面。本研究提出的裝置可在試件預定位置制作寬度可控的貫穿式裂縫，且能在灌漿修復結束后打開試件，以觀察裂縫修復效果。

圖2 裂縫制作裝置

2.3 灌漿工藝

灌漿孔道布置如圖3所示，打孔點距裂縫的水平距離為15cm，相鄰打孔點在裂縫兩側交錯布置，垂直距離為20cm，孔道與試件正立面的夾角為60°，鉆孔深度25cm，埋設前止水型止水針頭，利用高壓注漿機由下至上沿孔道依次灌漿。

圖3 灌漿孔道布置

在試件左右立面畫出5cm×5cm方格，在方格中心布置超聲波測點，依據CECS 21∶2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》[14]的要求，使用NM-4A型非金屬超聲檢測分析儀對超聲波斜測法采集到的試驗數據進行分析。灌漿過程中，持續采集超聲波數據，進行定點跟蹤檢測。

3 灌漿修復效果與分析

3.1 修復效果

灌漿修復72h后打開各試件，觀察裂縫修復效果，可知試件S-0.3漿液覆蓋深度為24～52cm，試件S-0.6漿液覆蓋深度為40～52cm，試件S-0.9漿液完全覆蓋；漿液覆蓋區域顏色較深，且部分位置黏合強度較高，裂縫兩側混凝土顏色較淺。相同灌漿條件下出現不同灌漿深度，這與漿液擴散半徑、裂縫寬度有關，隨著裂縫寬度的增加，漿液受到的摩阻力逐漸減小，覆蓋面積逐漸增大。

3.2 波形變化

以試件S-0.3為例(其他試件波形變化情況相似)，灌漿前后典型波形對比如圖4所示，由圖4可知，灌漿前漿液覆蓋區域測點首波波幅較小，首波聲時較大，且后續整體波形多處存在畸形，這是因為灌漿前試件存在貫穿式裂縫，使超聲波在傳播過程中遇到空洞，導致超聲波傳播路徑發生變化，進而使超聲波接收端獲得的首波聲時增大，波幅損失增大，后續整體波形出現殘缺；由于漿液的覆蓋，填充了裂縫空洞，使超聲波傳播路徑縮短，首波聲時減小，波幅損失減小，后續整體波形更完整。灌漿前后漿液未覆蓋區域測點波形相似，首波波幅和首波聲時相差較小，可判定測點超聲波波形未發生顯著變化。

圖4 灌漿前后波形對比

綜上所述，漿液覆蓋區域與未覆蓋區域測點超聲波波形變化情況差異顯著，可根據波形變化判斷灌漿修復后漿液覆蓋情況。以試件S-0.3為例(其他試件超聲波波形變化情況相似)，對測點波形隨灌漿過程的變化進行分析，結果如圖5所示。由圖5可知，灌漿4min內，整體波形變化較小，首波波幅、聲時存在小幅波動，可推測該時段漿液未覆蓋測區；灌漿6～10min，波形完整性明顯提升，首波聲時逐漸減小，可推測該時段漿液覆蓋測區；灌漿10min至自然硬化72h，波形進一步完整，首波聲時進一步減小，這是因為灌漿硬化使兩側混凝土相互黏結，進而使超聲波更好地傳遞。

圖5 試件S-0.3灌漿過程波形變化曲線

3.3 波幅變化

各試件波幅變化情況如圖6所示，由圖6可知，漿液覆蓋區域波幅增加明顯，最大增量達34.08dB，由40.10dB增至74.18dB，增幅約85%；漿液未覆蓋區域波幅變化較小，最大變化量僅為4dB，與覆蓋區域差異明顯。實際漿液覆蓋輪廓與波幅變化輪廓較吻合，表明可通過波幅變化掌握混凝土內部灌漿料實際分布情況。

圖6 波幅變化情況

4 結語

利用超聲波技術對不同裂縫寬度試件灌漿修復效果進行跟蹤檢測，并分析灌漿過程中超聲波首波波幅、聲時等聲學信號特征值，得出以下結論。

1)漿液填充裂縫后，使超聲波傳播損失減小，首波聲時減小，波幅增大，整體波形更完整，聲學信號特征值與漿液未覆蓋區域差異明顯。

2)實際漿液覆蓋輪廓與波幅變化輪廓較吻合，可通過波幅變化掌握混凝土內部灌漿料實際分布情況，可將波幅變化量作為評價指標，為實際應用提供參考。

3)通過應用超聲波技術進行檢測，可獲取灌漿深度動態變化情況，進而為現場施工提供技術指導，實現灌漿工藝與灌漿效果即時評估。