基于超聲波法水工混凝土裂縫注膠質量檢測分析

劉 闊

(遼寧省清河水庫管理局有限責任公司，沈陽 110000)

受長期沖擊荷載、溫度荷載、材料自身收縮徐變以及施工技術等因素作用，水工混凝土會產生許多結構缺陷，其中最常見的缺陷就是混凝土裂縫[1]。裂縫的不斷延伸與發展給結構的耐久性和安全性造成嚴重影響，必須及時檢查和分析裂縫，并結合裂縫的尺寸深度、產生原因及性質進行加固處理[2-4]。目前，化學注膠法和表面抹膠封閉法是混凝土裂縫加固處理的常用方法。對于封閉修補表面抹膠的裂縫，依據表面抹膠修補的裂縫飽滿度和均勻性可以直接判定裂縫修補質量，而化學注膠修補的裂縫位于結構內部，其裂縫修補質量的檢測逐漸成為工程技術人員關注的熱點問題[5-6]。根據現行加固規范可以利用鉆芯取樣法，通過芯樣劈裂試驗判定裂縫修補后的質量，從而反映出裂縫修補的狀況。但該方法只能判定局部裂縫修補后的質量且鉆芯形成的孔洞給結構帶來二次損傷，其推廣應用受到一定限制。超聲波法是一種操作簡單且能夠較好地解決鉆芯樣給結構造成二次損傷及檢測范圍小等問題的無損檢測技術，已廣泛應用于預應力管道密實度、結構厚度、內部缺陷及混凝土裂縫深度檢測等領域[7-9]。結合現有研究成果，對水工混凝土裂縫注膠質量利用超聲波法檢測的研究還現有報道。因此，文章在混凝土梁上采用不銹鋼鋼板預制6條裂縫(深度150mm)，按照30mm、45mm、60mm、90mm、120mm和150mm深對該混凝土梁預制裂縫進行注膠修補處理，對修補后的每個裂縫再應用單面平測法進行超聲法檢測，結合試驗數據提出裂縫注膠修補質量判定標準，大大提高了工程檢測效率，可為其他類似工程裂縫修補質量檢測提供了一定技術支持。

1 超聲波檢測法

1.1 基本原理

對裂縫注膠質量利用超聲波法檢測時，應符合以下基本條件：①裂縫周邊的混凝土強度、密實度、聲速與完好混凝土基本相同；②跨縫測量時，以繞過裂縫末端從發射換能器到達接受換能器作為首波信號傳播路徑。

完好混凝土中超聲波沿表面傳播，若遇裂縫則會沿裂縫端部繞行傳播，從而使得傳播距離和首波聲時增大。裂縫修補密實后會打通原有阻礙聲波傳統的路徑，該條件下與完好混凝土的傳播路徑相同，超聲波傳播路徑如圖1。因換能器之間的測距遠遠大于裂縫寬度，所以測量結構基本不受裂修補物質的波速變化影響。

圖1 超聲波的傳播路徑示意圖

1.2 判定依據

若僅僅修補裂縫表面而未修補其內部，依據最小路徑傳播原理可知此時測定的完好云凝土與修補后的混凝土聲時基本相同。該條件下單純地依靠首波聲時會導致修補質量的誤判，所以超聲波波幅也是衡量能量傳播的重要參數。混凝土內部存在裂縫時超聲波的能量傳播會出現衰減，波幅數值也會出現一定的減小，而裂縫修補密實后波幅衰減較少。因此，完好混凝土與裂縫修補后的混凝土首波聲時基本相同，此外還要比較完好混凝土與修補后混凝土的首波波幅，兩者越接近則注膠質量越好。

設每個裂縫修補后的測點分別有n個，測點i的某參數測量值xi，某參數的實測平均值mx，標準差為Sx，其計算公式為：

(1)

(2)

標準差越小則測試數據的穩定性越好，混凝土裂縫注膠質量也就越均勻；若測試參數的標準差不小于完好混凝土對應參數與裂縫修補后測試參數平均值之間的絕對誤差，則等同于完好混凝土與混凝土修補后對應參數保持一致，即裂縫修補質量達到工程加固的設計要求。因此，文章利用公式(3)-(4)計算裂縫修補完好時混凝土的首波波幅及聲時，即：

(3)

(4)

2 試驗研究

2.1 試件加工

為反映超聲波首波波幅及聲時在不同注膠飽滿度裂縫中的差別，本研究現場澆筑C30混凝土梁(尺寸：長2000mm×高250mm×寬500mm)，在梁上采用不銹鋼鋼板預制出6條長500mm×寬20mm×深150mm的裂縫，從左到右預制裂縫編號依次為A-F。

現場依據需要預制預制裂縫的位置和混凝土梁構造尺寸加工木模板，將長500mm×寬2mm×高200mm并涂有潤滑劑的不銹鋼板摻入木模板裂縫預設的位置，完成木模板制作。為防止出現硬化后不銹鋼板難以抽出的情況，混凝土初凝后將不銹鋼板每隔1h晃動一下，晃動過程中把潤滑劑沿不銹鋼板兩側注入；混凝土終凝前適當增大晃動概率，并在終凝前及時不銹鋼板抽出。

2.2 檢測方法

首先，在混凝土梁澆筑完成28d后，打磨試件表面使其測試面保持平整，然后在完好區按照100mm、150mm、200mm繪制3對測試點，編號依次為1-1′、2-2′、3-3′；沿裂縫對稱布置3對測試點，編號依次為a-a′、b-b′、c-c′，測試點沿著寬度方向間距及跨縫間距均為100mm，如圖2所示。

圖2 預制混凝土梁縫的單面平測網格

采集數據時將凡士林耦合劑涂抹于測試點處，并按照跨縫及不跨縫兩種方式用超聲波檢測儀進行測試。不跨縫檢測時應在混凝土梁完好區域安放T、R換能器進行數據采集，跨縫檢測時要在混凝土裂縫兩側安放T、R換能器進行數據采集。

2.3 數據采集

按照未處理裂縫、表面抹膠裂縫和注膠裂縫3個階段進行試驗檢測數據采集，具體如下：①構件達到養護齡期后，對6個裂縫區域及混凝土完好區域進行第1次首波波幅及聲時數據采集。②初始數據采集完成后，對裂縫A-E的30mm、45mm、60mm、90mm和120mm深位置處插入1根表面涂抹結構膠的矩形鋼絲條，截面2mm×2mm；鋼絲條固定后將鋼黏膠涂抹于裂縫A-F表面，表面預留出氣孔及注膠孔；鋼黏膠硬化后對6個裂縫區域，在第1次數據采集點處進行第2次首波波幅及聲時數據采集。③表面抹膠數據采集完成后，沿裂縫表面預留的注膠孔注入調配好的灌封膠，注射過程中要維持穩定壓力，確保灌封膠能夠充分滲入A-F裂縫縫隙，以灌封膠從出氣孔流出作為完成預設裂縫深度灌注的標準。③灌封膠經幾個小時硬化后，對6個裂縫區域仍在第1次數據采集點處進行第3次首波波幅及聲時數據采集。

2.4 數據分析

在混凝土梁完好區域第1階段測試的首波波幅及聲時數據，如表1所示。采用最小二乘法對表1中實測數據進行擬合處理，繪制超聲波測距-首波聲時圖，如圖3所示。

表1 混凝土完好區各測點波幅及聲時

結果顯示，完好區混凝土超聲波測距與聲時呈明顯的線性關系，擬合線未通過原點表明還存在一個修正量B，即2個換能器之間的測距并非超聲波單面平測的實際傳播距離。線性回歸分析混凝土完好區域的首波聲時ti與各對應測距li的關系，可以建立直線方程：

(5)

(6)

l=vt+B

(7)

式中：l、v為超聲波的實際傳播距離和傳播速度；li、ti為各監測組的換能器中心距和超聲波首波聲時；n為檢測組數。

采用公式(5)可以求出完好區域混凝土超聲波理論波速為3.772×103m/s，測距修正量22.8mm，經歸回分析構建線性方程l=3772t-22.8，由此可以計算出測距100mm時完好區域混凝土理論首波聲時26.1μs。跨A-F裂縫測點3個階段單面平測首波聲時檢測結果如表2所示。結果顯示，完好混凝土的首波聲時比修補前的6個裂縫小；裂縫表面注膠及抹膠后鋼黏膠連通了原有斷開的傳播路徑，完好混凝土首波聲時與此時檢測的首波聲時平均值之間的絕對誤差均小于標準差。實際上，在第2個階段A-F裂縫僅僅是表面抹膠，第3階段并未完全修補裂縫。所以，單純的依靠首波聲時并不能全面地判定裂縫修補質量。

表2 單面平測法跨縫測點首波聲時

續表2 單面平測法跨縫測點首波聲時

跨A-F裂縫測點3個階段單面平測首波波幅檢測結果如表3所示。結果顯示，裂縫表面抹膠后及裂縫未修補前檢測的裂縫區域較混凝土完好區域的首波波幅較小，并且檢測的首波聲時標準差小于完好混凝土與裂縫表面抹膠后首波聲時平均值的絕對誤差，這表明裂縫還沒有修補，檢測結果與實際情況保持一致。按30mm、45mm、60mm、90mm、120mm和150mm深對A-F裂縫灌漿修補后，檢測的A-E裂縫區域首波波幅小于混凝土完好區域，且檢測的首波聲時標準差小于混凝土完好區首波聲時與A-E裂縫首波聲時平均值之間的絕對誤差；檢測出完全修補的F裂縫首波波幅與混凝土完好區基本相同，且檢測的首波聲時標準差小于混凝土完好區首波聲時與F裂縫首波聲時平均值之間的絕對誤差。為進一步檢驗注膠效果，通過鉆芯取樣檢測混凝土梁，結果顯示除F裂縫灌漿飽滿外其他裂縫均不飽滿，這與超聲波檢測結果基本相符[10-14]。

表3 單面平測法跨縫測點首波波幅

3 結 論

1)對裂縫內部注膠處理或僅修補表面時，測得的首波聲時標準差小于混凝土完好區首波聲時與裂縫修補后首波聲時的絕對誤差，表明單純的依靠首波聲時并不能全面地判定裂縫修補質量。

2)波幅是衡量超聲波傳播能量變化的重要參數，混凝土內部存在裂縫時能量傳播會發生衰減，波幅也有一定的減小，而裂縫修補密實后發生的波幅衰減較少。因此，混凝土完好區域首波波幅與此時測得的首波波幅保持一致，并且檢測的首波聲時標準差高于混凝土好首波聲時與裂縫修補后首波聲時平均值之間的絕對誤差。

3)混凝土完好區域與裂縫修補后的首波聲時保持一致，但還需要結合完好混凝土波幅與裂縫修補后首波波幅的比較結果，測試參數的標準差大于完好混凝土與裂縫修補后對應參數的絕對誤差，才能準確判定出混凝土裂縫注膠質量完好。