超聲法檢測混凝土垂直裂縫缺陷深度應用研究

校永志,余元寶,李 娜,郝伯謹

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院;2.水利部堤防安全與病害防治工程技術研究中心;3.河南黃科工程技術檢測有限公司,鄭州 450003）

1 引言

現代化混凝土工程建筑，到處可見鋼筋混凝土框架結構主體建筑。長期實踐檢驗證明，混凝土結構是土木建筑結構最重要的部分，其耐久性和承載力在房屋、橋梁、隧道、大壩、涵閘等建筑中占有舉足輕重的地位。但是，由于混凝土干燥收縮、應力變形等問題很容易就會產生結構裂縫，裂縫是混凝土結構構件中最常見的質量問題。

由于裂縫的形成、狀態、受力狀況以及所處位置的不同，對結構構件的影響也不盡相同。比較嚴重的裂縫可能危害結構的整體穩定性及建筑物的耐久性等,對建筑物的安全與運行將產生較大影響；但也有些裂縫，如建筑物的干燥收縮、表面溫度變化、表面養護欠缺等引起的表面裂紋與淺表面裂縫等則對建筑物沒有明顯的影響，因此對建筑物結構產生安全影響的較寬及較深的裂縫要對其開裂寬度及深度進行檢驗測試[1-6]。

裂縫深度的無損檢測方法有多種。超聲波檢測技術因其操作方便，可靠性性高，是目前應用比較廣泛的無損檢測方法之一,根據測試面的條件和檢測人員的檢測習慣，運用較多的檢驗測試方法有鉆孔對測法、雙面斜測法、單面平測法等技術。其中，單面平測法適用面最廣。故而我們選取具有代表意義的平測技術進行測試[7-13]。

超聲法檢測混凝土裂縫缺陷深度平測技術在國內也有諸多的研究成果，但是各個研究成果之間也有較多不同之處且只針對垂直裂縫缺陷深度的研究也相對較少，為了驗證超聲法檢測混凝土裂縫的垂直缺陷深度是否準確、可靠，本文就超聲波檢測裂縫垂直深度做了一些基礎性的試驗研究供大家參考討論。

2 測試方法與測量步驟

2.1 超聲平測法檢測垂直裂縫深度的方法

超聲波檢測首先應確定待測構件的完好狀態（不跨縫）下的聲時及聲速狀況，根據完好試件與裂縫處測得的數值對比計算出裂縫深度，超聲平測法檢測垂直裂縫深度的具體方法如下：

將收、發換能器探頭按照測試的要求和測線布置情況，平放在質量均勻、裂縫較寬的混凝土表面并充分耦合，耦合劑可用甘油、漿糊或黃油等，放置兩個探頭的內側邊緣相距d′。在不同d′值(如50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、400mm 等， 可適當增加檢測點數)的情況下，分別讀出兩探頭之間的相應傳播時間t0。以距離d′為縱坐標，時間t0為橫坐標，將數據點繪在坐標紙上。如果被測處的混凝土質量完好且較均勻、所測各點應大致在一條不通過原點的直線上。根據圖形用直線回歸計算法計算出直線的斜率，此斜率既為超聲波于該處混凝土中的傳播速度v，按d=t0v,計算不同t0值下收、發換能器在相應的超聲波傳播距離d(d略大于d′)[14-15]。

2.2 繞縫傳播時間的測量步驟

在探頭垂直于裂縫的情況下，將收、發換能器按事先布置好的測線平放在裂縫兩側混凝土的表面，該表面應平整、無明顯外觀缺陷否則將影響測試結果，并將換能器以裂縫為中心軸對稱布置，兩換能器中心連線垂直于裂縫的走向，如圖1。

圖1 裂縫深度測試

沿測線依次同距離改變換能器的邊緣距離d′。在不同d′值(如50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、400mm等)，分別讀出相應繞裂縫傳播時間t1。

垂直裂縫深度按下式計算:

式中 h—裂縫垂直深度，cm;t1—繞縫傳播時間，μs;

t0—相應無縫平測傳播時間，μs;

d—兩換能器間的聲波傳輸距離，cm。

（1）依據在同一測線上不同距離測得的繞縫傳播時間（t1）、相應無縫平測傳播時間（t0）和兩換能器間的聲波傳輸距離（d），計算出裂縫垂直深度（h）。把d＜h與d＞2h的數據舍棄，取其余不少于兩個h值的算術平均值作為裂縫深度的測試結果。

（2）在進行跨縫測量時接收波首波會有反相現象，故而應注意觀察首波相位。換能器間距從較小距離增加到裂縫深度1.5倍左右時，可能出現這一現象，如出現此現象可用反相波前、后兩次測量的結果計算裂縫深度，并取其平均值作為評定結果。

2.3 測試時應注意的事項

裂縫深度測試時，換能器探頭應與混凝土表面接觸良好。當有鋼筋穿過裂縫時，收、發探頭的布置應使其連線避開鋼筋軸線，避開的最小間離一般為縫深的1.5倍。在測量繞縫傳播的時間時，應讀取底波后第一個接收到的信號；有時也會因為換能器與混凝士耦合不良等原因，使第一個信號比較微弱不能很明顯的判斷首波位置，可能會誤讀首波后的疊加信號，造成測量錯誤；一般而言隨著探頭相互的距離逐級遞增，首個接收信號的幅度逐漸減小，如果情況反常，需檢查測量時有無錯誤。

3 實驗例證

通過現場制作的素混凝土標準試件進行裂縫深度測試，完好試件與存在裂縫試件均采用電動攪拌機攪拌、電動震動平臺振搗、采用同一種尺寸及配合比制作,已求標準試件的測試條件與工況相一致,試件相關參數與配合比見表1。

表1 試件參數與配合比一覽表

標準試件制作了2組完好的試件以確定同種試件的不跨縫聲時，跨縫試件的裂縫深度分別為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm，采用超聲平測技術對裂縫的垂直深度進行檢測，測試儀器采用重慶奔騰WSD-2A型非金屬超聲波檢測儀，測線布置與裂縫垂直，測定完好試件聲時測線布置見圖2，跨縫測線布置見圖3。

圖2 測定完好試件測線布置簡圖

圖3 跨縫測線布置簡圖

對試驗結果依據前文所述方法及計算公式進行計算，其最終試驗結果見表2。

表2 裂縫試件的試驗檢測計算結果

通過上述數據，制作出裂縫深度的試件實際深度與試驗計算深度的關系曲線（見圖4）、裂縫深度的絕對誤差關系曲線（見圖5）、裂縫深度的相對誤差關系曲線（見圖6），以更好的對比試驗成果。

圖4 試件裂縫實際深度與計算深度關系曲線

圖5 裂縫深度的絕對誤差關系曲線

圖6 裂縫深度的相對誤差關系曲線

從試驗結果來看，所測8個試樣相對誤差最小值為試驗編號CZLF-3的150mm深裂縫，其相對誤差為0.40%；試樣相對誤差最大相值為試驗編號CZLF-8的400mm深裂縫，其相對誤差為7.40%。

4 結論

通過上述試驗，從其試驗結果可看出在裂縫深度為50mm～250mm之間的數據相對誤差較小，在300mm～400mm之間的數據相對誤差較大，但較大誤差仍在規范要求的超聲法檢測技術可測量最大深度范圍內（最大檢測深度500mm），其數據相對而言是較準確可靠的、其可信度在工程檢測領域是在可接受范圍的，在不破壞工程實體的前提下超聲波檢測技術在工程實體檢測中相較其他方法在裂縫間無明顯填充物、且可消除鋼筋影響的前提下，可滿足工程現場裂縫檢測的應用需求。

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