混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部裂縫的超聲波檢測與分析

(河北大學(xué)　河北　保定　071000)

經(jīng)調(diào)查顯示，我國每年混凝土用量約九億立方米，鋼筋用量約2000萬噸，我國工程建設(shè)中僅混凝土結(jié)構(gòu)每年需耗資2000億元以上。[1]混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速、運用廣泛，從新建材、新技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用，到工程結(jié)構(gòu)的建造，都取得了巨大成就。

一、裂縫控制等級

裂縫是評判混凝土結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)之一。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2015，結(jié)構(gòu)構(gòu)件正截面的受力裂縫控制等級分為三級，一級為嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，二級為一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，三級為允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件。不同環(huán)境類別下最大裂縫寬度ωmax的取值見圖1：

圖1　結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度的限值(mm)

二、裂縫檢測

一般裂縫檢測可分為裂縫寬度檢測與裂縫深度檢測。裂縫寬度檢測要求裂縫寬度測試儀器的讀書精度優(yōu)于0.02mm。側(cè)位處混凝土表面應(yīng)清潔、平整、裂縫內(nèi)部不能有灰塵或泥漿，宜選擇裂縫張開狀態(tài)下檢測。裂縫寬度觀測儀由帶刻度線的LCD顯示屏、顯微測量頭、VPS連接電纜和檢驗刻板組成,主要應(yīng)用于橋梁、隧道、墻體、混凝土路面、金屬表面等裂縫寬度的定量檢測。[2]

圖2　裂縫寬度檢測儀

該儀器采用電子成像技術(shù)，將被測物體表面裂縫原貌實時顯示在4.3寸彩色屏幕上；裂縫寬度自動判讀、手動判讀，電子標(biāo)尺人工判讀三種模式，分辨率達0.0025mm；校準(zhǔn)功能，可用標(biāo)準(zhǔn)刻度板進行校準(zhǔn)。

檢測混凝土內(nèi)部裂縫的方法有聲脈沖法和射線法兩大類。[3]聲脈沖法分為超聲波法和聲發(fā)射法等，其中超聲波法技術(shù)較為成熟，運用較為廣泛。超聲波傳播速度的快慢與混凝土的密實度有直接關(guān)系，聲速高則混凝土密實，聲速慢則不密實。

三、超聲波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度

在混凝土原料、配合比、齡期和測試距離一致的情況下，依據(jù)脈沖波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播的時間、速度、接收波振幅和頻率等參數(shù)的變化情況，來判斷裂縫深度。

單面平測法：

對于深度小于50cm的混凝土淺裂縫，常采用單面平測法?；炷链怪绷芽p中常充滿空氣，由于固體與氣體界面對聲波構(gòu)成反射面，造成通過的聲能被大量吸收，聲波只能繞裂縫頂端通過，以此來測試出垂直裂縫深度。

圖3　單面平測法

同理，使換能器中心的連線垂直于裂縫的走向，改變換能器間距，在不同l′下讀取相應(yīng)的超聲波穿過時間ti，并由此計算超聲波傳播的實際距離li。然后按下列公式計算垂直裂縫深度：

(3-1)

雙面斜測法：

斜測法適用于結(jié)構(gòu)的裂縫部位具有兩個互相平行的可測表面的情況，檢測時將發(fā)、收換能器分別置于結(jié)構(gòu)的兩個表面，且兩個換能器的軸線不重合。采取多點檢測的方法，記錄個檢測點接收波形的幅值或頻率。若換能器的連線通過裂縫，超聲波在裂縫界面上產(chǎn)生較大的衰減，幅值和頻率較不通過裂縫時有明顯降低，從而判斷裂縫的深度。[3]

沖擊回波法：[4]

使用小鋼球沖擊混凝土作為聲源，通過被測混凝土傳播縱波、橫波和表面波，當(dāng)這些博被寬帶換能器接收后，通過時域或頻域分析方法，可以找出被接收信號特征與混凝土的裂縫、孔洞和厚度之間的關(guān)系。

四、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的原因

混凝土結(jié)構(gòu)處于外荷載和變形的作用下，常見的變形作用有溫度、收縮、不均勻沉降等因素。

(1)外荷載在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生直接應(yīng)力，主要是主拉應(yīng)力引起的裂縫發(fā)展；(2)外荷載在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的次應(yīng)力引起的裂縫。次應(yīng)力是與實際結(jié)構(gòu)物工作狀態(tài)有出入部分的內(nèi)力，時常引起結(jié)構(gòu)裂縫；(3)在溫度、收縮和膨脹、不均勻沉降等變形作用引起的裂縫。當(dāng)變形過大，這部分變形作用會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力，而當(dāng)自應(yīng)力超過混凝土的允許拉應(yīng)力時，將會引起混凝土裂縫。

五、防護措施

對于不同類型的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，應(yīng)具體情況具體分析，并及時處理，確保建筑工程的安全使用。目前常用的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補方法有：灌漿、嵌縫封堵法、表面修補法、結(jié)構(gòu)加固法和電化學(xué)防護法。[5]

灌漿、嵌縫封堵法封堵加固裂縫，采用壓力設(shè)備，在混凝土裂縫中壓入膠結(jié)材料，使膠結(jié)料與混凝土形成一個整體。表面修補法是在裂縫表面涂抹水泥漿或在混凝土表面涂刷瀝青、油漆等防腐材料。

混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑工程施工中使用廣泛，但由于各種因素，施工后和使用中的混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫，這些裂縫影響混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕，甚至威脅建筑工程的使用壽命。及時對裂縫進行檢測，進而及時修補，降低混凝土結(jié)構(gòu)的失效概率。