沖擊彈性波無損檢測技術測試混凝土裂縫深度的試驗研究

史云飛

（山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619）

0 引言

鋼筋混凝土結構的破壞多是從裂縫開始的，如果不及時對其加以修補，發展嚴重時可能危害混凝土結構的強度、穩定性以及安全性。因此，準確掌握裂縫的深度與長度、寬度至關重要。混凝土裂縫的長度及寬度可用放大鏡結合量尺進行檢測，其深度則無法直接檢測。而裂縫的深度是影響混凝土結構承載能力的重要因素。因此，本文對混凝土裂縫深度的檢測方法進行總結分析，開展室內試驗研究沖擊彈性波無損檢測技術的測試效果，僅供參考。

1 混凝土裂縫深度的常用檢測方法

1.1 混凝土裂縫深度檢測方法類型

檢測混凝土裂縫深度的方法大致可分為破損檢測和無損檢測。

破損檢測的方法主要為鉆芯取樣法，此方法雖然可以準確檢測混凝土的裂縫深度，卻對混凝土結構造成了一定的損傷和破壞，對于一些結構特殊以及裂縫深度較大的大體積混凝土，無法通過鉆芯取樣法測試裂縫深度。

無損檢測又稱非破壞檢測技術，就是在不破壞混凝土原來的狀態、性質等前提下，通過一定的檢測手段對混凝土中因有缺陷或結構差異導致混凝土材料性質、狀態或內部結構等物理性質發生變化的現象進行檢查的方法[2]。該方法簡單、直接、準確。混凝土裂縫常用的無損檢測方法主要有超聲波法以及沖擊彈性波法。

1.2 常見的無損檢測方法

1.2.1 超聲波法

超聲波法檢測混凝土裂縫深度，是通過發射換能器發出超聲波，聲波穿透混凝土，接收換能器接收到聲波，通過對超聲波的聲速、聲時、接收的波幅以及波形進行分析，判斷混凝土的裂縫深度。超聲波檢測混凝土裂縫深度的方法主要有單面平測法、雙面斜測法、孔中對測法。單面平測法適用于裂縫深度在500mm以下且只有一個可測表面，換能器分別置于裂縫表面兩側，發射換能器發出超聲波，超聲波在混凝土產生衍射波，接收換能器接收到波形，由于聲波傳播時間增加，由此判定混凝土裂縫的深度。雙面斜測法可采用雙面穿透斜測法檢測，適用于裂縫部位有兩個相互平行的測試表面，將發射與接收換能器分別置于測試表面對應點，測量聲參數，比較跨縫和不跨縫聲參數的變化，由此判定裂縫深度。鉆孔對測法適用于檢測裂縫深度50cm以上的大體積混凝土，且被檢測的混凝土有條件在裂縫兩端進行鉆孔，注入清水，放入徑向換能器，根據聲參數的變化判定裂縫深度。

1.2.2 沖擊彈性波法

沖擊彈性波法主要通過激振錘敲擊等方式激振產生彈性波，彈性波在混凝土介質中傳播，加速度傳感器接收反射波，根據接收信號的初始相位情況、傳播時間以及衰減特性判斷裂縫深度，主要的方法有相位反轉法、傳播時間差法、面波法。與超聲波法相比，沖擊彈性波波長更長，衰減較慢。在金屬制品或構件的測試中，超聲波技術應用較廣，認可度較高，但是混凝土與金屬構件是完全不同的材料，超聲波檢測混凝土裂縫深度有較大局限性，沖擊彈性波在混凝土裂縫深度的檢測過程中受水和鋼筋等影響較小，可檢測較深的裂縫深度。

2 沖擊彈性波測試方法及原理

2.1 相位反轉法

通過激振錘對混凝土表面進行激振，激發的彈性波信號穿過混凝土中存在的裂縫時，在裂縫端點處會發生衍射現象，其衍射的角度與裂縫深度存在一定的幾何關系。對于混凝土材料而言，當激振點與裂縫的距離與裂縫深度相等時，該衍射角為45°，根據三角幾何關系，此時裂縫深度應與激振點到裂縫之間的距離相等。相位反轉法檢測原理如圖1所示。

圖1 相位反轉法檢測原理示意圖

相位反轉法正是基于該原理將激振點與接收點沿裂縫垂直對稱配置，從近到遠逐步移動。當激振點與裂縫的距離與裂縫深度相近時，接收信號的初始相位會發生反轉。若首波初始相位向上，則L＜H，若首波初始相位向下，則L＞H，裂縫深度L1＜H＜L2，一般可取相位反轉前后傳感器距離激振點位置的平均值作為裂縫深度。相位反轉法如圖2所示。

圖2 相位反轉法的示意圖

相位反轉法只須同時等距移動激振錘和加速度傳感器，確定首波相位反轉時激振錘或傳感器與裂縫之間的距離，就可確定混凝土的裂縫深度。與其它混凝土裂縫深度檢測方法相比，相位反轉法不需要標定彈性波速，可直接通過首波相位的變化確定裂縫深度，操作方便簡單且結果直觀，具有一定的實用價值。

2.2 傳播時間差法

該方法適合檢測混凝土結構物中的開口裂縫。激振錘通過敲擊混凝土表面產生的沖擊彈性波在混凝土中傳播，遇到裂縫時，彈性波被隔斷，并在裂縫端部產生衍射現象，加速度傳感器接收到的為沖擊彈性波的衍射波，此波在混凝土中傳播時間較長。利用儀器分別采集沖擊彈性波在有裂縫位置傳播的時間和無裂縫部位傳播的時間，裂縫深度與傳播時間差成正比。通過已標定的波速以及采集到的傳播時間，計算增加的傳播距離，可推算出裂縫的深度[2]。傳播時間差法概念如圖3所示。

圖3 傳播時間差法概念圖

2.3 面波法

該方法采用的是沖擊彈性波中的瑞麗波來測試混凝土結構的裂縫深度，其原理是彈性波在混凝土表面遇到裂縫產生衰減，通過衰減特性來測試裂縫的深度。采用面波法測試混凝土裂縫深度，裂縫中的填充物及混凝土中的鋼筋對其測試結果影響較小，測試范圍與前兩種方法相比更大，對較深的裂縫深度有較好的檢測效果。由于表面波受測波以及邊角等邊界條件影響較大，故面波法不適合檢測狹窄結構的裂縫深度[3]。面波法的測試方法如圖4所示。

圖4 面波法測試方法

在結構物表面，通過激振錘擊打產生彈性波，瑞利波在介質媒體表面受沖擊所產生的彈性波中，能量最大。表面波在混凝土中傳播的過程中，會發生幾何衰減和材料衰減，遇到裂縫時表面波傳播會被阻斷，從而產生衍射波，衍射波會發生較大能量衰減。根據裂縫前后的波的振幅或者能量的變化，可以推定裂縫的深度。面波法的檢測示意如圖5所示。

3 試驗驗證

3.1 制作模型試件

在試驗之前，設計好試件的類型與尺寸，本次試驗需制作4 組混凝土。利用膠合板制作混凝土的模板，隨后準備試件原材料，水泥采用P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，符合《通用硅酸鹽水泥》技術標準，碎石為5～10mm 及10～30mm 兩種級配碎石，砂子采用河砂，細度模數為2.6 且級配良好，水為飲用水，鋼筋為HRB400熱軋帶肋鋼筋。按照C30 的設計強度配置四組混凝土，兩組為配筋混凝土，兩組為素混凝土。兩組素混凝土澆筑完畢后在設計的裂縫處插入2mm、4mm、5mm、6mm 厚度不等的涂有潤滑油的鐵片，剩余兩組鋼筋混凝土澆筑完畢后再在設計裂縫處插入5mm厚度的涂有潤滑油的鐵片，插入深度分別為150mm，200mm，300mm、500mm，形成裂縫深度不等的試件。試件澆筑好之后按照要求進行養護，在養護期間每隔一段時間晃動鐵片，保證混凝土硬化前鐵片可以抽出[4]。試件模型參數見表1。

表1 試件模型參數表

3.2 試驗結果分析

試驗采用的設備分別為沖擊彈性波無損檢測儀和混凝土面波測試儀，按照儀器操作規程分別用相位反轉法、傳播時間差法、面波法對混凝土模型進行數據采集，完成后進行數據解析。考慮到水以及填充物對測試結果的影響，可以在混凝土測試過后加入水及填充物再次進行測試[5]。

3.2.1 不同方法檢測的裂縫深度結果

在裂縫寬度一致的情況下，用3種方法檢測裂縫深度的結果見表2；在裂縫深度相同，裂縫寬度不同的情況下，用3種方法檢測裂縫深度的結果見表3；將裂縫寬度5mm，不同裂縫深度下充水前后檢測結果見表4。

表2 裂縫寬度為5mm實測結果平均值

表3 裂縫深度為200mm實測結果平均值

表4 裂縫充水前后試驗結果

3.2.2 試驗結果分析

由表3～表4試驗數據分析可知：

（1）無論是對于鋼筋混凝土還是素混凝土結構物，利用面波法都可以得到比較可靠的數據。

相位反轉法和傳播時間差法只能測試裂縫的開口深度，無法檢測混凝土內部的裂縫。

（2）對于寬度大于2mm 的裂縫，3 種方法檢測結果相近，3種方法均適合檢測寬度大于2mm的裂縫。

相位反轉法對充水后的裂縫測試檢測結果會偏低，而面波法不受充水的影響。

4 結束語

當前我國的裂縫檢測工作主要依賴人工完成，利用沖擊彈性波檢測混凝土結構裂縫深度的方法操作簡單、判斷直觀且效率高。通過以上室內試驗結果可以得出，沖擊彈性波法檢測的裂縫深度結果與設計數值基本相同，偏差在10%以內。因此，沖擊彈性波裂縫檢測方法可以在實際工程中進行推廣運用。