淺談混凝土結構裂縫的檢測

摘要：本文闡述了混凝土結構裂縫的分類與檢測技術，對類似工程有一定的參考價值。

關鍵詞：混凝土結構；裂縫；檢測

1 前言

工程混凝土結構物常因各種原因產生裂縫。裂縫的存在影響結構的抗滲性能，導致水及有害物質的滲入，從而危害結構的安全，或影響結構物的適用性和耐久性。為此，對已出現的裂縫應進行調查檢測，以根據裂縫的部位、狀況對結構的安全性進行評估并制定對裂縫的處理方案。

2 裂縫的分類及測試原理

2.1 裂縫的分類

裂縫的產生原因是設計、施工、材料、環境及管理等相互影響的綜合性問題。按產生原因可分為四類：

⑴ 荷載作用下的裂縫：因動、靜荷載的直接作用產生的裂縫，約占5%∽10%。

⑵ 變形作用下的裂縫：因不均勻沉降、溫度變化、濕度差異、膨脹、收縮、徐變等變形因素引起的裂縫，約占80%以上。

⑶ 變形與荷載共同作用引起的裂縫，約占5%∽10%。

⑷ 堿骨料反應膨脹應力引起的裂縫及凍融引起的裂縫，約占1%。

裂縫寬度?芏0.02～0.05mm是為肉眼可見裂縫，混凝土為有裂縫結構；裂縫寬度<0.02∽0.05mm是為肉眼不可見裂縫，混凝土為無裂縫結構。

在裂縫寬度?芏0.02～0.05mm后，根據對結構使用性能和耐久性的影響，分為有害裂縫和無害裂縫，我國允許無害裂縫寬度為0～0.3mm。

2.2 測試原理

根據聲學原理可知，聲波在傳播過程中如遇到不同介質的界面將產生反射和透射。垂直入射到界面的聲波聲壓反射量的大小可以用反射率R表示。

對于兩個半無限大介質構成的界面，反射率R由下式計算：

R=(Z2-Z1)/(Z2+Z1) （2─1）

這里，Z1、Z2─第一，第二種介質的聲阻抗或稱特性阻抗。Z=ρoooC， ρ為介質的密度，C為介質的波速。

至于裂縫，它屬于夾層對聲波的反射。聲波在夾層中往復反射這種情況下聲波聲壓的反射率R由下式計算：

（2─2）

式中：d─夾層的厚度；l─聲波在夾層中的波長；m─兩種介質的聲阻抗之比，m=Z1/Z2，Z1為夾層兩側介質的聲阻抗，Z2為夾層中介質的聲阻抗。

從（2─2）式中可看到，聲波反射率的大小取決于裂縫寬度、裂縫中充填物（空氣或水）的聲阻抗以及聲波波長（頻率）的大小。

由于裂縫對聲波的反射，當超聲發、收換能器之間存在裂縫時，接收換能器所接收到的聲信號將大大減小。通過與結構正常部位接收信號幅度的比較可以發現裂縫的存在。當然，如果裂縫中被水充填，則發現裂縫就困難一些。

3 混凝土裂縫的檢測技術

3.1 裂縫外觀形態、分布描述

觀察構件表面裂縫部位，目測并繪制裂縫分布圖，準確記錄裂縫的形態、條數、位置、長度和走向。

3.2 裂縫寬度檢測

裂縫寬度測試讀數精度應不小于0.02mm。測試部位（測位）混凝土表面清潔、平整，裂縫內部不應有灰塵或泥漿，宜選擇裂縫張開狀態下檢測。一條連續裂縫上宜布置2個以上裂縫寬度測位，在裂縫分布圖中標注檢測部位和最大裂縫寬度部位。現有的裂縫寬度的測量方法分三類：

3.2.1 塞尺或裂縫寬度對比卡：用于粗測，精度低。

3.2.2 裂縫顯微鏡：讀數精度在0.02∽0.05mm，需要人工近距離調節焦距并讀數和記錄，測試工作勞動強度大，是目前裂縫測試的主要方法。

3.2.3 近年出現的裂縫寬度測試儀是將放大的裂縫圖象顯示在顯示屏上，再人工讀取寬度的測試儀，這種測試儀避免了人工近距離調節焦距的要求，降低了勞動強度。

3.3 裂縫深度檢測

裂縫深度的檢測宜采用超聲法，根據裂縫深度與被測構件厚度的關系以及可測試表面情況可選擇采用單面平測法、雙面斜測法、鉆孔對測法。

當結構裂縫部位只有一個可測表面，裂縫的估計深度不大于被測構件厚度的一半且不大于500mm時，可采用單面平測法。要求在裂縫測位的兩側分別具有清潔、平整且無裂縫的可進行檢測的混凝土表面，裂縫兩側的可測試表面寬度分別不小于估計縫深，通過檢測跨縫的聲時和混凝土聲速，可計算測點處的裂縫深度。

當結構的裂縫部位具有兩個相互平行的測試表面時，可采用雙面穿透斜測法。雙面穿透斜測法主要用于檢測深裂縫以及判定構件相對裂縫是否構成貫穿裂縫。在保證所有測線的測距、傾斜角度以及測試系統一致的條件下，將通過裂縫斷面的測線與不通過裂縫斷面的測線比較，根據聲參數的變化，判定裂縫深度以及在斷面內是否貫通。

鉆孔對測法適用于大體積混凝土，預測深度在500mm以上的裂縫檢測。在孔中用徑向振動式換能器自上而下逐點檢測，繪制深度-波幅圖，波幅達到最大并基本穩定的位置對應裂縫深度。

4 裂縫深度檢測中的有關問題

實際工作中，一般產生裂縫的結構體很少有進行超聲對測的條件，《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》（CECS21:2000）中規定了超聲平測法檢測混凝土裂縫深度的方法。筆者在多年檢測工作中的經驗談點認識。

4.1 檢測結果與實際裂縫深度的差異

產生差異的原因有：4.1.1 混凝土的非均質性。聲波的傳播是質點振動的傳遞過程，質點振動的相互碰撞，在將動能轉換成熱能的過程中，能量的耗損使質點振動幅度漸減。致密的混凝土衰減得慢，傳播距離比質量差的混凝土要遠。4.1.2 平測法測試的混凝土聲速只是混凝土表面的聲速，其與混凝土內部聲速存在差異。4.1.3 聲波的衍射作用會導致測試精度降低。4.1.4 裂縫中有雜物或水會導致測試結果嚴重偏離。4.1.5 跨縫鋼筋會導致測式結果發生本質變化。4.1.6 測試結果是測試部位附近較淺的裂縫深度，并不能代表裂縫的最深處。4.1.7 裂縫的走向通常不是與混凝土表面垂直的，有時會影響超聲波的傳播路徑而影響測試精度。從以上所述，導致裂縫深度測量精度不高的原因還有很多。有些是由于測試原理和方法的限制不能改變的。

4.2 提高檢測精度的技術手段探討

4.2.1 從測試原理上講，不跨縫平測混凝土的聲速的精度對測試結果有作直接的影響。提高檢測精度的手段有：①測試表面要光滑，骨料不能外露；②精確測量換能器間距；③在保證聲波傳播不受裂縫影響時，測試部位盡可能與裂縫靠近。

4.2.2 從大量的裂縫深度測試過程可以看出，在進行跨縫測試過程中，大多數會發生波形反向的現象。規程中規定的方法是以一定的初始測距及變化量改變測距，這就會導致發現反相點的位置并不是剛剛發生反相的位置。根據實踐發現，越靠近反相現象發生的位置測試的縫深越準。

雖然影響裂縫深度測量的因素較多，而且有些因素難以避免。在實際工作中只要認真分析裂縫產生的原因，準確掌握儀器使用方法及測試原理，可明顯提高測試精度。

5 超聲平測法檢測裂縫深度的技術探討

5.1 關于單面平測法的適用條件

CECS21:2000中規定，當估計縫深在500mm以內時，可采用單面平測法，這鐘規定在應用時顯得過于籠統，建議在界定單面平測法的適用條件時同時考慮裂縫估計深度與被測結構厚度的關系。

5.2 發現存在首波反相的縫深計算

CECS21:2000中指出，如發現首波反相，可取相鄰三點裂縫平均值為裂縫深度值，實際應用時反相過程是個漸變過程，反相點首波弱，聲時判斷誤差較大，首波反相點的測試結果與多點平均值的測試結果有時差距較大。因此，在應用首波反相的縫深計算時，應仔細確認首波聲時的準確性。

5.3 剔除超聲測距過大或過小時的測試結果

CECS21:2000中確定，測距小于1倍縫深或測距大于3倍縫深時，其結果應剔除。經試驗表明，當測距小于1倍縫深時，信號波形清晰，深度測試值與實際深度接近，沒有剔除的必要。

參考文獻

[1] CECS 21：2000.超聲波檢測混凝土缺陷技術規程.北京：中國計劃出版社，2000.

[2] CECS 02：2005.超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程. 北京：中國計劃出版社，2005.

[3] GB 50204-2002.混凝土結構工程施工質量驗收規范. 北京：中國建筑工業出版社，2002.

作者簡介：李松（1975-），男，助理工程師，貴州德江人，主要從事水利水電工程施工，工程管理等工作。

毛天鵬（1962-），男，高級工程師，貴州遵義人，主要從事巖土工程、水利工程質量監督檢測、實驗測試，巖土工程勘察和治理等工作。