沖擊彈性波法檢測混凝土結構裂縫深度的研究

朱欣明

（中鐵四局集團第一工程有限公司 安徽合肥 230000）

沖擊彈性波法檢測混凝土結構裂縫深度的研究

朱欣明

（中鐵四局集團第一工程有限公司 安徽合肥 230000）

混凝土結構在建設及使用過程中會由于多種原因出現裂縫。裂縫的形態、尺寸、深度是描述裂縫的重要指標，其中裂縫深度的測量作為工程質量檢測難點亟待解決。本文采用沖擊彈性波法對混凝土結構裂縫深度進行檢測，結合室內試驗對檢測手段的可靠性進行驗證后，對比數據，得出沖擊彈性波對裂縫檢測深度測量的誤差可以控制在5%內。

前言

混凝土作為一種有著優秀性能的材料，是當代最主要的土木工程材料之一，廣泛應用于各種建筑工程中。而實際混凝土結構由于干燥導致的收縮、溫度導致的應力變化、外荷載及基礎沉降等會產生裂縫。裂縫的成因不同對結構的影響也不盡相同，裂縫作為一種混凝土缺陷經常出現在混凝土結構中，它將嚴重影響建筑物的安全和耐久性。

混凝土裂縫可分為微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫由粘著裂縫、水泥石裂縫和集料裂縫組成。它們無規則的分布在混凝土構件中，不貫穿，因此在非特殊部位，微觀裂縫對結構影響不大。混凝土宏觀裂縫一般由微觀裂縫拓展造成，既是我們通常所指的混凝土裂縫，裂縫按深度的不同，分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種，若宏觀裂縫超出《GB50010-2010》對裂縫寬度控制的要求時[1]，則歸為有害裂縫，會使結構物的安全性降低，危及結構安全。

在發現裂縫在混凝土結構中出現時，需要合理準確的評價裂縫對結構安全的影響并確定加固方案，必須確定裂縫當況狀態、發展趨勢和產生原因，裂縫寬度、長度以及深度是主要的評價指標[2]，其中深度是關鍵指標。而在實際檢測工作中，深度的測量是比較復雜的，直接的檢測手段是鉆芯取樣，該方法耗費時間較長并且對結構有一定的損害，且對于一些結構的特殊位置或者深度較大的裂縫，無條件進行取芯工作，所以需要一種簡單、高效、準確的無損檢測方法來進行混凝土裂縫深度檢測。

1 裂縫深度的無損檢測方法

裂縫深度的無損方法有很多種，大致分為基于超聲波、聲波和沖擊彈性波的檢測方法[3]。

（1）超聲波法：通過超聲波穿透探測聲速、接收信號的首波幅值和波形分析來獲取裂縫深度值，但信號的頻率較高能量較低、頻譜的相應性能相應較差，只能適用于淺裂縫的檢測。

（2）聲波法：通過設置在裂縫兩邊鉆取的孔道內聲波管產生接收信號來獲取裂縫深度值，需要對深度有個預估值并且對鉆取的孔道要求較大，因而在實際工程中的適用性也降低。

（3）沖擊彈性波法：通過在結構表面激振產生彈性波，通過傳感器采集信號，信號頻率低但能量高，可以在混凝土中傳播更遠，因而不僅適用于淺裂縫同樣適用于較深裂縫的檢測。并且由于其對工作條件要求低，基本不受充填物及水分的影響，受鋼筋影響可進行修正，在小空間內完成檢測工作而廣泛應用于實際工程。

2 沖擊彈性波檢測裂縫深度原理

2.1 測試設備

沖擊彈性波檢測設備主要由激振裝置、傳感器、放大器、信號采集系統組成。

2.2 檢測原理

沖擊彈性波做為一種應力波，一般由不同大小的激振錘激發，能量大且集中，能夠穿透10m左右的混凝土。在應用到混凝土裂縫深度檢測中，主要是利用應力波在有裂縫和無裂縫的混凝土中其傳播形式的顯著差異性。而應力波的激發與采集則是裂縫一側激振，另一側采集的方式如圖1。

當激發的應力波在混凝土中傳播，波前遇到混凝土內部裂縫開口表面時，其運動規律發生改變；應力波波前到達裂縫的混凝土-空氣界面，由波阻抗差異導致波基本會被反射，形成反射波PC（如圖2），因此，此時應力波無法傳遞到裂縫的另一側，混凝土質點不產生位移，接收點的傳感器接收不到信號值。

圖1 傳播情況一

圖2 傳播情況二

當混凝土中的應力波波前傳播至裂縫最深極限位置時，既產生衍射現象，形成球形的衍射波PdP（見圖3）。

當PdP波第一次傳播至接收端處時，引起混凝土表面質點發生位移，接收傳感器所接收到的時域信號表現為振幅突變[4]。

圖3 傳播情況三

2.3 深度計算

以垂直裂縫為研究模型時，從一側開始激振混凝土表面另一側傳感器接收到信號時，P波的傳播時間為△t，也就是P波沿路徑AB+BC（圖4）傳播的時間。設P波的波速為Cp，則：

由三角關系可知：

圖4 深度檢測布置圖

如果式中參量 L1，L2，△t都已知話，那么就可以由式（1）、（2）、（3）計算出裂縫深度h，得到式（4）：

式（4）中如果讓L1=L2的話，可以簡化上式；而實際在檢測采集數據操作過程中為了達到滿足L1=L2時，只需要控制并調整沖擊點和傳感器的間距[5]。因此，令L1=L2=L，則公式可以進一步簡化為：

由式（5）可以得出，需要已知的基本參數為P波在混凝土結構中傳播速度CP。波速帶入值可采用不同強度混凝土對應的彈性波波速一般值，也可以采用直接測定法，將波速值帶入公式（5）就可以得出裂縫深度。

直接測定法是直接使用兩個傳感器在健康的混凝土表面直接測定，或者在已知厚度的板上測量。根據縱波首次到達兩個傳感器的時間差△t和兩個傳感器之間的間距L，可得P波波速由下式（6）確定：

如果是在已知厚度為H的板上測量，則波速可通過下式（7）計算：

式中：f為接收器接收到波的頻率值。

3 檢測室內試驗

共設三組室內試驗模型，模型尺寸數據分別如表1。裂縫預設按表1中尺寸由鐵皮制作，完成后表面涂一層機械油，在混凝土構件澆筑完成后插入預設位置，經1h后取出，用塑料布遮擋預設裂縫處，再進行養護。

表1 室內試驗模型及裂縫預設尺寸表

混凝土構件達到齡期后分別對三組模型進行檢測，為了消除測試誤差，每個裂縫進行三次檢測，取平均值與預設尺寸進行比對，檢測結果如下表 2～4。

為了更加客觀對比檢測結果和實際情況，選取1號構件裂縫深度15cm處和3號構件0.5cm裂縫寬度處進行取芯（見圖5），量取裂縫深度，結果如表5。

4 結論

（1）使用沖擊彈性波檢測混凝土結構裂縫深度方法簡單、原理清晰，所需檢測環境要求低，判斷直觀且效率高，適用于各種條件下的檢測工作，將成為一種廣泛使用的無損檢測手段。

（2）經室內試驗結果得出，沖擊彈性波法檢測出的裂縫深度結果與預設數據基本相同，偏差在5%以內，可以在實際工程中推廣使用。

（3）將來應用于實際工程中，可能將面對由于混凝土結構裂縫的形式多種多樣，或裂縫內易積壓灰塵雜質，造成獲得的深度數據出現一定偏差。所以在實際的檢測過程中，如果條件允許，可是使用氣泵預先處理，使檢測結果更精確。在后續試驗中也將模擬裂縫中存在雜質情況的檢測工作。

表2 1號構件檢測結果表

表3 2號構件檢測結果表

表4 3號構件檢測結果表

表5 選取部位取芯結果表

圖5 裂縫處所取芯樣標記圖

[1]《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[S].

[2]吳新旋.《混凝土無損檢測技術手冊》[M].北京：人民交通出版社，2003：262～279.

[3]顧鐵東，林維正，蘇航.沖擊回波法在混凝土無損檢測中的應用[J].無損檢測測，2004，26（9）：468～472.

[4]吳佳曄，安雪暉，田北平.混凝土無損檢測技術的現狀和進展[J].四川理工學院學報（自然科學版），2009，22（4）：4～7.

[5]董壽興，張曉燕，金元.超聲波首波相位反轉法檢測混凝土裂縫深度[J].建筑材料學報，1998.

TU755.7

A

1004-7344（2016）11-0308-02

2016-3-29

朱欣明（1980-），男，本科，主要從事工程技術管理工作。