超聲波平測法在混凝土構件裂縫發展趨勢檢測中的應用研究

黃義柱

（廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司）

0 前言

混凝土超聲檢測技術始于上世紀40 年代后期。由于該項技術具有用途廣泛、探測距離大、完全不破壞結構物等優點，迅速在國內外普及推廣，成為應用最廣泛的混凝土無破損檢測方法。大型混凝土構件投資成本大、建設周期長，當其表面出現裂縫時，裂縫的深度、成因及發展趨勢成為關注的焦點。超聲波平測法是一種較為成熟的淺裂縫檢測方法，通過對裂縫的不同發育時期進行多次檢測，探討了超聲波平測法在檢測裂縫的深度、成因及發展趨勢中的應用。

1 基本原理

聲波是物體機械振動時迫使周圍介質發生振動并使振動向外傳播而形成的一種波動。超聲波在均勻混凝土中傳播時，途經相等的距離所需的聲時相等，當發射與接收換能器間的混凝土存在裂縫時，聲波繞過裂縫末端傳播，所需聲時增大，且聲時的大小與裂縫的深度相關，因此，通過聲時的測定，即可推定兩換能器間所存在裂縫的深度。

2 檢測方法

根據中國工程建設標準化協會標準《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》(CECS21-2000)，當裂縫深度在500mm 以內，可以用表面平測法進行測定。

⑴測試原理

如圖1，A 為發射換能器，B、D 為接收換能器，A、B 位于裂縫兩側等距，D 位于A 另一側，并滿足DA 間距等于BA 間距，為l。根據最短路徑法射線追蹤方法，A 發射超聲波沿AD 方向傳播直接到達接收器D，所需時間t0；A發射超聲波沿AB 方向傳播不能直接到達接收器B，需要繞過裂縫由AC、CB 到達B，所需時間t。根據三角形邊長關系可得到裂縫深度h 為：

圖1 平測法測裂縫

⑵測試步驟

圖2 平測法測量裂縫深度

圖3 時距圖

計算不同測距下的裂縫深度平均值h%，選擇li∈［h%，3h%］，再計算裂縫深度的平均值作為裂縫深度的最終結果。

3 工程實例

3.1 工程概況

廣州市某大道K4+194 框架橋中孔框架為混凝土預制件，設計混凝土強度等級為C35，于2018 年3 月底頂進到位，6 月下旬立墻的多個墻面開始出現非貫通性裂縫，共發現12 條。受業主委托，我們分別對其中適合超聲法應用的9 條裂縫進行了檢測，目的是測定裂縫的深度并跟蹤裂縫的發展趨勢，為設計及監理部門提供分析裂縫成因的依據乃至該構件去留的決策依據。受檢的9條裂縫分別編號為：AB、CD、EF、…、OP，本文以較具代表性的EF 為例，工作布置見圖4。

圖4 工作布置示意圖

3.2 數據采集及處理

本例檢測采用淺裂縫平測法，步驟是在裂縫的被測部位以200mm、300mm、400mm、500mm、600mm 的測距布置跨縫與不跨縫測線進行聲時測量，測距取兩換能器的內邊緣間距，測線則以300～500mm 的不等間距在裂縫上均勻分布，并盡量避開水泥浮漿及混凝土表面缺陷。三次檢測均在相同測線、測點上進行，保持了測線、測點的一致性。

檢測儀器采用武漢巖海工程技術開發公司生產的RS-ST01C 一體化數字超聲儀（586 工業級電腦芯片、16MB 內置式電子硬盤、彩色液晶屏、聲時測讀精度±0.1μs、10 ～1000μs 的可調發射寬度、采樣間隔0.1μs～1638.3μs），50K 徑向換能器等。

3.3 成果分析

各測線的裂縫深度由儀器自動計算。第一次檢測9條被檢裂縫的最大深度為380mm，第二次檢測最大深度為428mm，第三次檢測最大深度為455mm、裂縫平均深度為380mm，符合《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》中對平測法檢測裂縫最大深度不得大于500mm 的規定。第二次檢測與第一次時間間隔148 天，裂縫加深2～250mm，平均變化梯度為0.69mm/天；第三次檢測與第二次時間間隔213 天，裂縫加深2～120mm，平均變化梯度為0.16mm/天，裂縫加深整體上有明顯變緩的趨勢。其中EF 裂縫深度及變化梯度結果見表1 及圖5。

表1 EF 裂縫深度及變化梯度

分析圖5 三次測定的裂縫深度分布曲線，有如下變化規律：裂縫發育的早期，較深的裂縫主要集中在立墻的底部；后期底部深裂縫的發育趨緩，中部及頂部裂縫的發育速度明顯大于底部，裂縫深度趨于均勻化，最終趨于穩定。以上結果說明，裂縫的發育始于立墻的底部，由底部向上逐步發展而成。

圖5 EF 裂縫推定深度剖面圖

4 結束語

利用超聲波平測法檢測混凝土構件中的裂縫深度和對裂縫發展趨勢進行跟蹤是一種比較方便準確、動態直觀的檢測方法。工程實例中的檢測結果，為設計及監理方提供了分析裂縫成因的依據，其裂縫發育趨于穩定的結論最終避免了施工方的重大損失。