沖擊彈性波無損檢測技術(shù)測試混凝土裂縫深度的試驗(yàn)研究

史云飛

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞多是從裂縫開始的，如果不及時(shí)對(duì)其加以修補(bǔ)，發(fā)展嚴(yán)重時(shí)可能危害混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及安全性。因此，準(zhǔn)確掌握裂縫的深度與長度、寬度至關(guān)重要。混凝土裂縫的長度及寬度可用放大鏡結(jié)合量尺進(jìn)行檢測，其深度則無法直接檢測。而裂縫的深度是影響混凝土結(jié)構(gòu)承載能力的重要因素。因此，本文對(duì)混凝土裂縫深度的檢測方法進(jìn)行總結(jié)分析，開展室內(nèi)試驗(yàn)研究沖擊彈性波無損檢測技術(shù)的測試效果，僅供參考。

1 混凝土裂縫深度的常用檢測方法

1.1 混凝土裂縫深度檢測方法類型

檢測混凝土裂縫深度的方法大致可分為破損檢測和無損檢測。

破損檢測的方法主要為鉆芯取樣法，此方法雖然可以準(zhǔn)確檢測混凝土的裂縫深度，卻對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成了一定的損傷和破壞，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)特殊以及裂縫深度較大的大體積混凝土，無法通過鉆芯取樣法測試裂縫深度。

無損檢測又稱非破壞檢測技術(shù)，就是在不破壞混凝土原來的狀態(tài)、性質(zhì)等前提下，通過一定的檢測手段對(duì)混凝土中因有缺陷或結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致混凝土材料性質(zhì)、狀態(tài)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象進(jìn)行檢查的方法[2]。該方法簡單、直接、準(zhǔn)確。混凝土裂縫常用的無損檢測方法主要有超聲波法以及沖擊彈性波法。

1.2 常見的無損檢測方法

1.2.1 超聲波法

超聲波法檢測混凝土裂縫深度，是通過發(fā)射換能器發(fā)出超聲波，聲波穿透混凝土，接收換能器接收到聲波，通過對(duì)超聲波的聲速、聲時(shí)、接收的波幅以及波形進(jìn)行分析，判斷混凝土的裂縫深度。超聲波檢測混凝土裂縫深度的方法主要有單面平測法、雙面斜測法、孔中對(duì)測法。單面平測法適用于裂縫深度在500mm以下且只有一個(gè)可測表面，換能器分別置于裂縫表面兩側(cè)，發(fā)射換能器發(fā)出超聲波，超聲波在混凝土產(chǎn)生衍射波，接收換能器接收到波形，由于聲波傳播時(shí)間增加，由此判定混凝土裂縫的深度。雙面斜測法可采用雙面穿透斜測法檢測，適用于裂縫部位有兩個(gè)相互平行的測試表面，將發(fā)射與接收換能器分別置于測試表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)，測量聲參數(shù)，比較跨縫和不跨縫聲參數(shù)的變化，由此判定裂縫深度。鉆孔對(duì)測法適用于檢測裂縫深度50cm以上的大體積混凝土，且被檢測的混凝土有條件在裂縫兩端進(jìn)行鉆孔，注入清水，放入徑向換能器，根據(jù)聲參數(shù)的變化判定裂縫深度。

1.2.2 沖擊彈性波法

沖擊彈性波法主要通過激振錘敲擊等方式激振產(chǎn)生彈性波，彈性波在混凝土介質(zhì)中傳播，加速度傳感器接收反射波，根據(jù)接收信號(hào)的初始相位情況、傳播時(shí)間以及衰減特性判斷裂縫深度，主要的方法有相位反轉(zhuǎn)法、傳播時(shí)間差法、面波法。與超聲波法相比，沖擊彈性波波長更長，衰減較慢。在金屬制品或構(gòu)件的測試中，超聲波技術(shù)應(yīng)用較廣，認(rèn)可度較高，但是混凝土與金屬構(gòu)件是完全不同的材料，超聲波檢測混凝土裂縫深度有較大局限性，沖擊彈性波在混凝土裂縫深度的檢測過程中受水和鋼筋等影響較小，可檢測較深的裂縫深度。

2 沖擊彈性波測試方法及原理

2.1 相位反轉(zhuǎn)法

通過激振錘對(duì)混凝土表面進(jìn)行激振，激發(fā)的彈性波信號(hào)穿過混凝土中存在的裂縫時(shí)，在裂縫端點(diǎn)處會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，其衍射的角度與裂縫深度存在一定的幾何關(guān)系。對(duì)于混凝土材料而言，當(dāng)激振點(diǎn)與裂縫的距離與裂縫深度相等時(shí)，該衍射角為45°，根據(jù)三角幾何關(guān)系，此時(shí)裂縫深度應(yīng)與激振點(diǎn)到裂縫之間的距離相等。相位反轉(zhuǎn)法檢測原理如圖1所示。

圖1 相位反轉(zhuǎn)法檢測原理示意圖

相位反轉(zhuǎn)法正是基于該原理將激振點(diǎn)與接收點(diǎn)沿裂縫垂直對(duì)稱配置，從近到遠(yuǎn)逐步移動(dòng)。當(dāng)激振點(diǎn)與裂縫的距離與裂縫深度相近時(shí)，接收信號(hào)的初始相位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。若首波初始相位向上，則L＜H，若首波初始相位向下，則L＞H，裂縫深度L1＜H＜L2，一般可取相位反轉(zhuǎn)前后傳感器距離激振點(diǎn)位置的平均值作為裂縫深度。相位反轉(zhuǎn)法如圖2所示。

圖2 相位反轉(zhuǎn)法的示意圖

相位反轉(zhuǎn)法只須同時(shí)等距移動(dòng)激振錘和加速度傳感器，確定首波相位反轉(zhuǎn)時(shí)激振錘或傳感器與裂縫之間的距離，就可確定混凝土的裂縫深度。與其它混凝土裂縫深度檢測方法相比，相位反轉(zhuǎn)法不需要標(biāo)定彈性波速，可直接通過首波相位的變化確定裂縫深度，操作方便簡單且結(jié)果直觀，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2.2 傳播時(shí)間差法

該方法適合檢測混凝土結(jié)構(gòu)物中的開口裂縫。激振錘通過敲擊混凝土表面產(chǎn)生的沖擊彈性波在混凝土中傳播，遇到裂縫時(shí)，彈性波被隔斷，并在裂縫端部產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，加速度傳感器接收到的為沖擊彈性波的衍射波，此波在混凝土中傳播時(shí)間較長。利用儀器分別采集沖擊彈性波在有裂縫位置傳播的時(shí)間和無裂縫部位傳播的時(shí)間，裂縫深度與傳播時(shí)間差成正比。通過已標(biāo)定的波速以及采集到的傳播時(shí)間，計(jì)算增加的傳播距離，可推算出裂縫的深度[2]。傳播時(shí)間差法概念如圖3所示。

圖3 傳播時(shí)間差法概念圖

2.3 面波法

該方法采用的是沖擊彈性波中的瑞麗波來測試混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫深度，其原理是彈性波在混凝土表面遇到裂縫產(chǎn)生衰減，通過衰減特性來測試裂縫的深度。采用面波法測試混凝土裂縫深度，裂縫中的填充物及混凝土中的鋼筋對(duì)其測試結(jié)果影響較小，測試范圍與前兩種方法相比更大，對(duì)較深的裂縫深度有較好的檢測效果。由于表面波受測波以及邊角等邊界條件影響較大，故面波法不適合檢測狹窄結(jié)構(gòu)的裂縫深度[3]。面波法的測試方法如圖4所示。

圖4 面波法測試方法

在結(jié)構(gòu)物表面，通過激振錘擊打產(chǎn)生彈性波，瑞利波在介質(zhì)媒體表面受沖擊所產(chǎn)生的彈性波中，能量最大。表面波在混凝土中傳播的過程中，會(huì)發(fā)生幾何衰減和材料衰減，遇到裂縫時(shí)表面波傳播會(huì)被阻斷，從而產(chǎn)生衍射波，衍射波會(huì)發(fā)生較大能量衰減。根據(jù)裂縫前后的波的振幅或者能量的變化，可以推定裂縫的深度。面波法的檢測示意如圖5所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 制作模型試件

在試驗(yàn)之前，設(shè)計(jì)好試件的類型與尺寸，本次試驗(yàn)需制作4 組混凝土。利用膠合板制作混凝土的模板，隨后準(zhǔn)備試件原材料，水泥采用P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，符合《通用硅酸鹽水泥》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，碎石為5～10mm 及10～30mm 兩種級(jí)配碎石，砂子采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6 且級(jí)配良好，水為飲用水，鋼筋為HRB400熱軋帶肋鋼筋。按照C30 的設(shè)計(jì)強(qiáng)度配置四組混凝土，兩組為配筋混凝土，兩組為素混凝土。兩組素混凝土澆筑完畢后在設(shè)計(jì)的裂縫處插入2mm、4mm、5mm、6mm 厚度不等的涂有潤滑油的鐵片，剩余兩組鋼筋混凝土澆筑完畢后再在設(shè)計(jì)裂縫處插入5mm厚度的涂有潤滑油的鐵片，插入深度分別為150mm，200mm，300mm、500mm，形成裂縫深度不等的試件。試件澆筑好之后按照要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)期間每隔一段時(shí)間晃動(dòng)鐵片，保證混凝土硬化前鐵片可以抽出[4]。試件模型參數(shù)見表1。

表1 試件模型參數(shù)表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用的設(shè)備分別為沖擊彈性波無損檢測儀和混凝土面波測試儀，按照儀器操作規(guī)程分別用相位反轉(zhuǎn)法、傳播時(shí)間差法、面波法對(duì)混凝土模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。考慮到水以及填充物對(duì)測試結(jié)果的影響，可以在混凝土測試過后加入水及填充物再次進(jìn)行測試[5]。

3.2.1 不同方法檢測的裂縫深度結(jié)果

在裂縫寬度一致的情況下，用3種方法檢測裂縫深度的結(jié)果見表2；在裂縫深度相同，裂縫寬度不同的情況下，用3種方法檢測裂縫深度的結(jié)果見表3；將裂縫寬度5mm，不同裂縫深度下充水前后檢測結(jié)果見表4。

表2 裂縫寬度為5mm實(shí)測結(jié)果平均值

表3 裂縫深度為200mm實(shí)測結(jié)果平均值

表4 裂縫充水前后試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3～表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

（1）無論是對(duì)于鋼筋混凝土還是素混凝土結(jié)構(gòu)物，利用面波法都可以得到比較可靠的數(shù)據(jù)。

相位反轉(zhuǎn)法和傳播時(shí)間差法只能測試裂縫的開口深度，無法檢測混凝土內(nèi)部的裂縫。

（2）對(duì)于寬度大于2mm 的裂縫，3 種方法檢測結(jié)果相近，3種方法均適合檢測寬度大于2mm的裂縫。

相位反轉(zhuǎn)法對(duì)充水后的裂縫測試檢測結(jié)果會(huì)偏低，而面波法不受充水的影響。

4 結(jié)束語

當(dāng)前我國的裂縫檢測工作主要依賴人工完成，利用沖擊彈性波檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度的方法操作簡單、判斷直觀且效率高。通過以上室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，沖擊彈性波法檢測的裂縫深度結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)值基本相同，偏差在10%以內(nèi)。因此，沖擊彈性波裂縫檢測方法可以在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣運(yùn)用。