鋼筋混凝土水閘的超聲層析損傷評價

克帕也木·爾肯

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域巴音郭楞管理局 水利科研所,新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

在我國,水閘工程所采用的混凝±強度等級普遍偏低。 鋼筋混凝±板在長期使用下會引起劣化,其修復方法有很多,如用水射流來清除損壞的部分,并通過放置修補材料進行修復[1-2]等。但在某些情況下,使用這種方法修復的鋼筋混凝±板還會過早老化,其原因是未充分去除劣化部分。 下面是確定攔河閘橋鋼筋混凝±板的劣化范圍示例：①為了明確損傷的平面分布,進行錘擊試驗等。 ②為了明確沿板深方向的損傷分布,根據損傷的平面分布確定巖芯采樣位置。 ③從巖芯開裂和超聲速度下降的區域來評估損傷的深度。 ④在綜合評估損傷平面分布、取芯位置、損傷深度的基礎上,確定損傷部位的去除范圍。

近年來,針對路橋鋼筋混凝±板底部出現的網格狀裂縫和水平裂縫,可以認為在局部裂紋周圍的區域存在微裂紋堆積的區域[3]。 超聲層析成像技術是一種混凝±無損檢測技術,在橋梁工程中得到廣泛應用[4],超聲波檢測采用頻率相對較高的波,因其波長短,用于檢測內部小缺陷的精度較高。 在損傷檢查中,必須考慮所有的損傷,包括宏觀和微觀裂紋。

本文對塔里木河攔河閘橋鋼筋混凝±板破壞過程的機理進行研究,利用車輪運行試驗中經歷疲勞的全尺寸鋼筋混凝±板坯進行超聲層析試驗,分析實際損傷與超聲層析試驗分析結果之間的關系。

1 材料與方法

對車輪運行試驗中出現疲勞的試件板進行超聲斷層掃描,利用超聲速度測定試件狀態。 為驗證超聲層析成像的有效性,將其結果與通過巖芯的超聲傳播速度測量(透射法)和注入熒光環氧樹脂調查裂縫的方法相對比,并用于塔里木河攔河閘橋鋼筋混凝±板的實際損傷檢測。

1.1 試 件

試件尺寸為3 000mm×2 000mm,厚160mm,試件板形狀尺寸及鋼筋布置見圖1。

圖1 試板和鋼筋布置的形狀和尺寸

計劃在車輪運行試驗后進行凍融試驗,對試件進行疲勞和凍融損傷聯合惡化研究;不使用防凍劑,設置較高的水灰比68%,有利于早期促進凍害。 標準養護4 周時的抗壓強度24.5 N/mm2,采用普通硅酸鹽水泥和粗骨料粒徑最大20mm 的碎石。

1.2 車輪運行試驗機

車輪運行試驗機和支撐條件：本試驗使用的輪跑試驗機為曲柄式(鐵輪式),飛輪由電機旋轉,飛輪的旋轉運動通過曲柄桿轉化為鐵輪的往復運動,見圖2。 支撐試件邊緣的兩種條件：兩個長邊的簡單支撐(車輪運動方向)和兩側的相對彈性支撐(跨度方向),其中支撐考慮橋板的單向荷載。

圖2 車輪運行試驗機

劣化目標、運行負荷和運行次數：作為目標試件板的劣化程度為設計彎曲值3.0mm 處的劣化程度,由于使用該板試件的目的是研究超聲層析成像,因此忽略受拉側混凝±狀況,將試件的劣化設定為試件破壞前的劣化值。 將運行載荷設置在110kN 這個相對較小的值,是因為在車輪運行載荷比較大的試驗中,擔心在測定試件疲勞壽命的試驗過程中彎曲會突然增加,超過退化目標。

在使用該運行載荷的車輪運行試驗中,在達到設計彎曲值之前的運行次數為11×104次。

1.3 板狀試件超聲層析分析

1.3.1 計算過程

采用超聲斷層掃描分析軟件進行分析,分析過程見圖3。 首先,在平板上進行調查的范圍被劃分為網格模式中有限數量的元素,每個元素都有一個單獨的超聲傳播速度值。 當考慮給定波線i的超聲波傳播路徑(線性波剖面)時,波運動li的傳播距離為波線i通過層析單元j的線段長度Δlij的總和。 假設給定元素j中線段Δlij超聲速度為Vj,則振蕩點與接收點之間的傳播時間Ti的計算公式如下：

圖3 超聲層析成像分析程序

將式(1)得到的傳播時間與實測傳播時間進行比較,并對軟件中的超聲速度進行校正。 重復該計算,直到每條測量線上的實測值與計算值之間的絕對值累積總和成為預設的標準值或更低。作為一種校正理論運行時間和觀測運行時間之間誤差的方法,該軟件采用SIRT 方法對速度模型進行校正。

1.3.2 分析截面、分析區域和單元劃分

對于圖4 的分析截面,選取垂直于車輪運動方向且位于試件中心的截面,即垂直于運動方向(X 方向)長度1 000 mm,垂直于厚度方向(Z 方向)的長度160 mm。 選擇位于試件中心且垂直于車輪運動方向的截面的原因如下：沖孔剪切產生的裂紋被認為是由傳播和發展的局部裂縫產生的,并且這些裂紋周圍有些區域是由于反復加載而積累的微裂紋。 選擇的橫截面包括一個微裂縫聚集區,因為該橫截面與垂直于車輪行駛方向上適用于對微小裂縫進行超聲波斷層掃描的探測。

圖4 車輪運行試驗后板坯中的裂紋

在圖5 的上半部分中,本次分析的區域寬度為1 000mm,劃分為5 段。 每段寬200mm,高160mm。 在圖5 的下半部分中,將200mm 乘以160mm 的面積分成20 個單元進行計算,即每個200mm 線段的寬度除以5、160mm 的高度除以4。在表示分析結果時,將每個元素細分為9 個部分,并對其進行平滑處理。

圖5 分析橫截面、分析區域和元素劃分

根據圖5 下半部分,在每個分割區域內測量超聲波的傳播時間,該區域內的源和接收器分別設置在試件的上表面和下側面。 當試件彎曲達到設計彎曲值時進行測量,該彎曲值忽略受拉側混凝±的情況,并停止輪跑試驗。 將分析截面劃分為5 段,超聲波具有較高的頻率,可以較好地探測到內部較小的損傷。 但聲波在混凝±中的衰減較大,且在受損混凝±中的傳播距離會變短。

1.4 巖芯超聲傳播速度(透射法)

在圖4 所示的位置采集4 個巖芯。 與實際檢測公路橋鋼筋混凝±板損傷深度的方法類似,在試件高度方向上每間隔20mm 設置測量線,測量超聲傳播速度(以下簡稱超聲速度),超聲速度測量線的設置使其平行于層析分析的截面。 本研究選定一種用于實際檢驗混凝±結構的超聲設備,見圖6。

圖6 混凝土超聲波檢測儀

該裝置測量超聲波從發射到接收的傳播時間,分辨率為0. 1μs。 該傳感器的諧振頻率為28kHz,電壓1kV,傳感器直徑?20mm,測量值顯示在設備的數字顯示器上。

1.5 熒光環氧樹脂注入法識別裂縫

采用注入熒光環氧樹脂的方法,對巖芯裂紋進行識別。 該方法的步驟如下：①測得超聲速度后,在巖芯中注入熒光環氧樹脂;②用一臺混凝±切割機對巖芯進行切割,以便進行層析分析;③用顯微鏡觀察切割面的裂紋情況。

2 結果與討論

超聲層析分析結果見圖7;熒光環氧樹脂注射識別的裂紋和超聲測速結果見圖8。

圖7 板坯試樣(頂部)的斷層分析結果和底面(底部)裂紋的條件

圖8 巖芯橫截面上的裂紋狀況和超聲波速度測量結果

圖8 中的超聲聲速比是測量到的巖芯超聲聲速與N1 巖芯高度1cm 的超聲聲速1. 0 的比值,研究認為N1 巖芯的聲速基本良好,在所有巖芯中,N1 型的超聲聲速最高。

為了闡明超聲速度比的絕對值與超聲速度絕對值之間的關系,在圖7 頂部的超聲層析成像速度圖例下,取巖芯的超聲速度比,間隔為0.1。

2.1 巖芯E5

1)開裂條件。 巖芯E5 開裂的條件是在加載范圍的下方,見圖8(a),在14～12 cm 的高度發現水平裂縫。

2)層析分析結果：(a)水平裂縫附近的區域：在圖7 的頂部,水平裂紋附近計算的超聲速度(下稱速度)不是恒定的。 左邊區域的速度比右邊區域的速度低,速度差異的原因將在(b)中討論。 (b)A 區：圖7 中A 區的速度相對于其周圍區域的速度較低。 研究認為該區靠近車輪軌道的中心及在標本的上邊緣,受到了壓應力和損傷。 在水平裂縫附近各區的速度差異被認為是由于壓應力的損傷和水平裂縫附近的損傷在該區域混合,壓應力造成的損傷(裂紋)未在顯示芯部裂紋的圖中識別,還出現了熒光環氧樹脂注射無法識別的微裂紋。 其原因是：①在反復加載的混凝±壓縮范圍內,出現類似金屬材料應變硬化的現象,微裂縫發生閉合。 ②車輪運行試驗過程中,微裂紋反復啟閉。 在試驗結束時,微裂紋閉合,因為打開裂紋的荷載沒有作用在試件上。③使用的環氧樹脂雖然黏度較低,但微裂紋非常狹窄,注入壓力不足,無法將環氧樹脂送入該細裂紋中。 (c)B 區：圖7 中頂部顯示的B 區速度相對于其周圍區域的速度較低。 在B 區發現的低速被認為與車輪加載產生的彎曲裂紋有關,其原因如下：在拉應力產生的裂縫周圍積累了肉眼看不到的微小裂紋,由于車輪加載產生的彎曲裂紋和彎曲裂紋處及周圍的微裂紋,造成B 區速度較低。

3)巖芯超聲傳播速度(透射法)。 圖8(a)中,在高度15 和13cm 處的超聲傳播速度非常低。 根據裂縫情況和層析成像分析結果,研究認為這些低速度是由于壓應力和水平裂縫附近的損傷造成的。 從11～1cm 之間,超聲速度下降的程度較小;當波接近巖芯的下端時,超聲速度略有下降。 這種超聲速度的降低被認為是之前討論的微裂紋。

4)層析成像分析中巖芯速度與速度的比較。 巖芯的超聲測速往往高于層析分析的測速。 如巖芯在高度11cm 處的速度(絕對值)約為3 700 m/s,而層析分析中在高度11cm 處的速度約為2 250～1 750 m/s。 在超聲波速度測量的所有結果中都可以看到這種趨勢,但在某種程度上存在差異。 其原因如下：有研究表明,隨著含水率的增大,超聲檢測中的巖芯含水率比板坯的含水率要高。 由于水的影響,其超聲波速度比在斷層分析中所確定的試樣板高。

2.2 巖芯N3

1)開裂條件。 巖芯N3 位于荷載范圍邊緣附近,通常認為該區域會出現沖切裂紋。 圖8(b)中,觀察到高度10～7cm 周圍存在對角裂紋,高度3～0cm 周圍出現垂直裂紋。

2)層析成像分析結果：(a)C 區。 圖7 頂部N3 核位置的層析分析結果顯示,C 區速度較周邊地區低,C 區從試件板上表面的輪加載范圍邊緣對角向下延伸。 上面所討論的裂紋位于C 區,根據其位置和方向,研究認為這些裂紋是在微裂紋發育、積累并經沖切達到微裂紋極限后出現的。在此基礎上,超聲層析成像技術可以很好地識別沖切損傷區域。 (b)D 區和E 區。 D 區和E 區與C 區相鄰,呈對角線分布,平行于C 區,C 區是沖孔剪切破壞區域。 D 和E 區域的速度隨著車輪運行軌跡中心的距離逐漸減小。

3)巖芯超聲傳播速度(透射法)。 圖8(b)中,在高度11～7cm 和高度3～1cm 的區域,超聲速度非常低,這兩個區域都是上面討論的裂縫區域。 與核心E5 相似,在接近試樣頂部邊緣的高度15cm 點處的超聲波速度遠低于其他區域。

2.3 巖芯N2

圖8(c)中,巖芯N2 未發現明顯裂紋。 對圖7 中N2 巖芯位置的層析分析結果,除了前面描述的E 區域外,F 區域的速度低于周圍區域。 對應E 區域的速度,整體上超聲速度下降的程度較小,而高度1～5cm 處的超聲速度較低;對應F 區域的速度,高度15cm 處的超聲速度較低,其低速度被認為是由沖孔剪切損傷或壓應力損傷造成的。

2.4 巖芯N1

圖8(d)中,從頂部邊緣向下至高度約8cm的區域可見垂直裂縫,這些裂縫可以在試件板的上表面觀察到。 這些裂紋被認為是由負彎曲產生的,因為N1 芯在車輪加載試驗中接近支撐點。位于N1 核右側的G 區域是層析分析中速度較低的區域,G 區域的裂縫可能是負彎曲產生的,因為裂縫是朝著垂直裂紋的方向發展的。 圖8(d)中的巖芯超聲速度,從高度7cm 到高度15cm,速度有較大下降,這似乎與垂直裂縫的分布相對應。 但在圖7 頂部的層析分析中,并沒有看到與垂直裂縫分布相對應的速度下降。 其原因可能是：在車輪運行試驗過程中,微裂紋反復打開和閉合。 在測試完成后,由于試樣上的應力已不再對試樣產生影響,因此當試樣的超聲傳播速度被測試時,試樣表面的速度并未下降。 在用于超聲速度測量和熒光環氧樹脂注入的巖芯中,因為從試件板上取芯時,一直作用在試樣上的限制壓力被釋放,從而導致微裂紋出現。 由于巖芯中的這些開放裂紋,裂紋周圍區域的速度下降,通過注入的熒光環氧樹脂可以清楚地識別出裂紋。

3 結 論

采用超聲層析成像,分析了大直徑鋼筋混凝±板在疲勞狀態下的裂紋,并對疲勞作用下全尺寸鋼筋混凝±板試件的開裂進行了研究。 結論如下：

1)超聲層析成像對沖切損傷區域的檢測效果較好,但對水平裂縫的檢測效果不明顯。 水平裂縫的成因主要有沖切和壓應力兩種。

2)巖芯內超聲速度的降低和超聲層析成像結果表明,除宏觀裂縫外,板坯內部還存在著顯微裂縫。

3)在對板坯進行熒光環氧樹脂注射時,因注入壓力不足,注射時微裂縫已閉合,未發現微裂縫。