基于超聲波法混凝土裂縫注膠質量檢測研究

胡漢敏

(福州外語外貿學院 智能建造學院，福州 350202)

混凝土結構因施工技術、自身材料收縮徐變、長期溫度荷載及沖擊荷載等因素，會產生一些結構缺陷，其中裂縫是混凝土結構缺陷最常見的類型之一.隨著裂縫不斷形成與發展，會危害結構的安全性及耐久性.因此，應重視裂縫的檢查及分析，并根據裂縫的性質、產生的原因及尺寸深度進行加固處理[1-4].

目前，對混凝土裂縫采用的加固處理方法一般包括表面抹膠封閉法和化學注膠法.采用表面抹膠進行封閉修補的裂縫，可通過直接觀測裂縫修補表面抹膠的均勻性及飽滿度來判定裂縫修補的質量，而用化學注膠修補的混凝土裂縫，由于其位于結構內部，如何檢測裂縫修補質量成為了當前工程加固的熱點和難題.按現行加固規范[5]，裂縫修補后的質量可采用鉆芯取樣，并通過芯樣劈裂試驗來檢測和判定，它可準確地反映裂縫修補質量的優劣.但鉆芯形成的孔洞給結構造成了二次損傷，且該方法只能局部判定裂縫修補后的質量，難以大面積使用.超聲波法作為一種新型無損檢測技術，操作簡單、方便，能很好地彌補鉆芯檢測范圍小及給結構造成的二次損傷的不足，目前，國內外采用超聲波法檢測混凝土裂縫深度、內部缺陷、結構厚度及預應力管道密實度等方面研究較多[6-10]，但利用超聲波法對混凝土裂縫注膠修補后的質量判定研究較少.

本文通過在混凝土梁上預制6 個深度為15 cm的裂縫，并對該混凝土梁裂縫按其深度3，4.5，6，9，12 和15 cm 分別進行了注膠修補處理，再采用超聲波技術對混凝土裂縫注膠進行修補質量檢測.通過處理后的試驗數據提出質量修補判定依據，提高了混凝土加固工程檢測效率，可為類似工程提供參考.

1 超聲波法基本原理

利用超聲波法對混凝土裂縫注膠質量檢測需滿足3 個基本假定：

1)完好混凝土與周圍存在裂縫的混凝土的質量(密實度、強度等)基本相同；

2)完好混凝土與周圍存在裂縫的混凝土的聲速相同；

3)裂縫跨縫測量時，首波信號傳播路徑從發射換能器繞過裂縫的末端到達接收換能器.

超聲波在完好混凝土中是沿著混凝土的表面進行傳播的，當混凝土出現裂縫時，超聲波會沿著裂縫的端部繞行傳播，傳播的距離增長，相應的首波聲時隨之增大.當裂縫修補密實以后，原有阻礙聲波傳播的路徑被打通，此時超聲波傳播路徑與完好混凝土的超聲傳播路徑相同，其在混凝土中的傳播路徑如圖1 所示.由于裂縫寬度遠遠小于換能器之間的測距，故裂縫寬度內修補物質的波速變化對測量結果基本無影響[11-13].

圖1 超聲波在混凝土中的傳播路徑

2 超聲波裂縫注膠質量判定依據

當裂縫僅僅只被表面修補，沒有對內部修補時，由超聲波傳播最小路徑原理可知，此時測得的混凝土修補后的聲時與完好混凝土聲時也基本一致.此時若僅僅按照首波聲時判定混凝土修補情況就會出現誤判，因為超聲波波幅也是反映物體內部傳播能量的一個指標.當混凝土內部出現裂縫，在裂縫處能量傳播會出現衰減，波幅數值則會變小.當裂縫修補密實以后，由于介質的存在，波幅衰減較少.波形對比見圖2.因此，混凝土裂縫修補后首波聲時與完好混凝土聲時基本一致，這只是裂縫注膠質量完好的必要非充分條件，還需將混凝土裂縫修補后首波波幅與完好混凝土波幅對比，其值越接近，修補質量越好.

圖2 超聲波的波形對比

現假定每個修補后的裂縫共測試n個點，xi為裂縫第i點某參數的測量值，mx為實測某參數的平均值，按公式(1)計算，Sx為某參數標準差，按公式(2)計算.

標準差反映了測試數據的離散性，數值越小說明測試數據越穩定，也表明裂縫修補質量越均勻.同時，如果測試參數的平均值與完好混凝土對應參數的絕對誤差小于測試參數的標準差，則等同于修補后混凝土相關測試參數與完好混凝土對應參數一致，即可認為此時修補的裂縫質量符合加固要求.因此，本文提出裂縫修補完好的首波聲時與波幅判定依據按式(3)～式(4)進行計算.

3 試驗概況

3.1 試件設計加工

為了測得不同裂縫注膠飽滿度超聲波首波聲時與波幅的區別，本文現場澆筑了1根強度為C30的混凝土梁，梁上預制了6 條深度15 cm，寬度2 cm 的裂縫.該預制裂縫從左向右依次編號為A～F，構件尺寸見圖3 和表1.現場依據混凝土梁構造尺寸及需要預制裂縫位置進行木模板加工，在木模板裂縫預設的位置插入涂有潤滑劑尺寸為500 mm×200 mm×2 mm 的不銹鋼板，制作完成的木模具如圖4 所示.為了避免澆筑完成的混凝土硬化后難以將不銹鋼板抽出，在混凝土初凝后，需每隔1 h 晃動一下不銹鋼板，并在晃動的同時同步沿著不銹鋼板左右表面注入潤滑劑；在混凝土終凝前，增加不銹鋼板晃動的頻率，并在混凝土終凝時，將不銹鋼板及時抽出.澆筑完成的混凝土構件見圖5.

表1 試件參數 mm

圖3 預制混凝土梁裂縫

圖4 現場制作帶裂縫的混凝土梁木模具

圖5 澆筑完成的混凝土構件

3.2 試驗檢測方法

首先，待混凝土試驗梁達到28 d 強度后，對試件表面進行打磨，使其測試面平整；其次，在混凝土梁完好區域繪制間距為100，150 和200 mm 的3 對測試點，其編號分別為1-1’，2-2’和3-3’；最后，在6 條裂縫區域沿著裂縫對稱布置3對測試點，測試點跨峰間距及沿著寬度方向間距為100 mm，其編號為a-a’，b-b’和c-c’.測區的尺寸及位置如圖6 所示.

圖6 單面平測法測試網格

數據采集時在測試點處涂抹凡士林作為耦合劑，并用超聲波檢測儀分別進行不跨縫檢測及跨縫檢測.不跨縫檢測數據采集時，把T 和R 換能器放在混凝土試驗梁完好區域進行采集；跨縫檢測數據采集時，將T 和R 換能器分別放在混凝土梁裂縫區域的裂縫兩側進行數據采集，見圖7.

圖7 現場數據采集

3.3 試驗數據采集

本試驗檢測數據采集分為裂縫未處理、裂縫表面抹膠和裂縫注膠3 個階段.

階段1：混凝土梁達到養護強度后，分別對完好混凝土梁區域及6 個裂縫區域進行首波聲時及波幅的第1 次數據采集，見圖7.

階段2：采集完初始數據后，分別在A～E 裂縫深度為3，4.5，6，9 和12 cm 位置處，插入1根截面為2 mm×2 mm 矩形鋼絲條，并在其表面涂抹上結構膠；待鋼絲條固定后，再在A～F 裂縫表面涂抹鋼粘膠，并分別在抹膠裂縫表面留有注膠孔及出氣孔，見圖8～圖9；待鋼粘膠硬化后，在第1 階段數據采集點處，再對6 個裂縫區域進行首波聲時及波幅的第2 次數據采集.

圖8 6 個裂縫注膠深度示意

圖9 裂縫表面抹膠

階段3：完成裂縫表面抹膠數據采集后，向第2 階段預留在6 條裂縫表面的注膠孔中，注入調配好的灌封膠.在注射時要保證壓力穩定，使灌封膠在A～F 裂縫縫隙內充分滲入，直到出氣孔有灌封膠流出，才表明在預設裂縫深度灌注完成，見圖10 和圖11.經過幾個小時灌封膠硬化后，仍在第1 階段數據采集點處，對6 個裂縫區域進行首波聲時及波幅的第3 次數據采集.

圖10 灌封膠注射

圖11 完成注膠的混凝土梁

4 試驗數據分析

第1 階段在混凝土試驗梁完好區域測得的典型首波聲時及波幅結果分別見表2 和表3.

表2 完好混凝土各測點聲時

表3 完好混凝土各測試點波幅

結合表2 實測數據，采用最小二乘法擬合出超聲波首波聲時-測距圖，見圖12.由圖12 可知，混凝土梁完好區域超聲波聲時與測距為線性關系，且該直線不過原點.這說明采用單面平測法超聲波實際傳播距離不是2 個換能器之間的測距，還存在一個修正量B.對完好混凝土區域各測距li與對應的首波聲時ti進行線性回歸分析，可求出直線方程[14]為

圖12 超聲波首波聲時-測距直線

其中，l為超聲波實際傳播距離；v為超聲波傳播波速；li為各檢測組換能器中心距；ti為各檢測組超聲波首波聲時；n為檢測組數.

由式(6)可求出超聲波在混凝土梁完好區域的理論波速約為3.776×103m/s，測距修正量為23.6 mm.回歸后的線性方程為l=3 776t-23.6，依據該公式可計算出測距為100 mm 時，混凝土梁完好區域理論首波聲時為26.5 μs.

單面平測法3 個階段檢測跨A～F 裂縫測點首波聲時檢測結果見表4 和表5.由表4 和表5 可知，裂縫未修補前，6 條裂縫首波聲時均比完好混凝土首波聲時大；當在6 條裂縫表面抹膠及注膠后，原有斷開的傳播路徑被鋼粘膠連通，此時測得的首波聲時平均值與完好混凝土首波聲時絕對誤差均小于測得的首波聲時標準差.事實上，A～F裂縫在第2階段只是表面抹膠，第3階段A～E裂縫并沒有將裂縫修補完全.因此，僅通過首波聲時來判定裂縫修補質量并不全面.

表4 單面平測法3 個階段檢測跨A、B 及C 裂縫測點首波聲時

表5 單面平測法3 個階段檢測跨D、E 及F 裂縫測點首波聲時

單面平測法3 個階段檢測跨A～F 裂縫測點首波波幅檢測結果見表6 和表7.由表6 和表7 可知，裂縫未修補前及裂縫表面抹膠后，測得的裂縫區域首波波幅數值較完好混凝土區域首波波幅小，且首波聲時平均值與完好混凝土首波聲時絕對誤差均大于測得的首波聲時標準差.這說明此時還未完成裂縫修補，與實際情況相符.當對A～F 裂縫按3，4.5，6，9，12 和15 cm 灌縫修補后，測得的A～E 裂縫區域首波波幅數值仍較完好混凝土區域首波波幅小，且A～E 裂縫首波聲時平均值與完好混凝土首波聲時絕對誤差均大于測得的首波聲時標準差；F 裂縫進行了完全修補，測得的首波波幅數值與完好混凝土區域首波波幅基本一致，且F 裂縫首波聲時平均值與完好混凝土首波聲時絕對誤差小于測得的首波聲時標準差.為了準確反映注膠效果，對混凝土梁進行鉆芯取樣，從鉆芯取樣斷面發現，A～E 裂縫灌漿不飽滿，F 裂縫灌漿飽滿，與超聲波檢測數據結果吻合.

表6 單面平測法3 個階段檢測跨A、B 及C 裂縫測點首波波幅

表7 單面平測法3 個階段檢測跨D、E 及F 裂縫測點首波波幅

5 結論

1)當裂縫僅修補表面或者對其內部注膠處理后，測得的混凝土梁修補后的首波聲時與完好混凝土首波聲時絕對誤差均小于測得的首波聲時標準差.這表明僅僅按照首波聲時判定混凝土修補情況會出現誤判.

2)超聲波波幅是反映物體內部傳播能量的一個指標.當混凝土內部出現裂縫，在裂縫處能量傳播會出現衰減，波幅值變小；當裂縫修補密實以后，由于介質的存在，波幅衰減較少.此時，測得的首波波幅數值與完好混凝土區域首波波幅基本一致，且首波聲時平均值與完好混凝土首波聲時絕對誤差小于測得的首波聲時標準差.

因此，混凝土裂縫修補后首波聲時與完好混凝土聲時基本一致，只是裂縫注膠質量完好的必要非充分條件，還需結合混凝土裂縫修補后首波波幅與完好混凝土波幅對比結果.二者測得的平均值與完好混凝土對應參數的絕對誤差均小于測試參數的標準差時，才能證明裂縫修補質量完好.