冲击弹性波法检测混凝土结构裂缝深度的研究

朱欣明

（中铁四局集团第一工程有限公司 安徽合肥 230000）

冲击弹性波法检测混凝土结构裂缝深度的研究

朱欣明

（中铁四局集团第一工程有限公司 安徽合肥 230000）

混凝土结构在建设及使用过程中会由于多种原因出现裂缝。裂缝的形态、尺寸、深度是描述裂缝的重要指标，其中裂缝深度的测量作为工程质量检测难点亟待解决。本文采用冲击弹性波法对混凝土结构裂缝深度进行检测，结合室内试验对检测手段的可靠性进行验证后，对比数据，得出冲击弹性波对裂缝检测深度测量的误差可以控制在5%内。

前言

混凝土作为一种有着优秀性能的材料，是当代最主要的土木工程材料之一，广泛应用于各种建筑工程中。而实际混凝土结构由于干燥导致的收缩、温度导致的应力变化、外荷载及基础沉降等会产生裂缝。裂缝的成因不同对结构的影响也不尽相同，裂缝作为一种混凝土缺陷经常出现在混凝土结构中，它将严重影响建筑物的安全和耐久性。

混凝土裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝由粘着裂缝、水泥石裂缝和集料裂缝组成。它们无规则的分布在混凝土构件中，不贯穿，因此在非特殊部位，微观裂缝对结构影响不大。混凝土宏观裂缝一般由微观裂缝拓展造成，既是我们通常所指的混凝土裂缝，裂缝按深度的不同，分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种，若宏观裂缝超出《GB50010-2010》对裂缝宽度控制的要求时[1]，则归为有害裂缝，会使结构物的安全性降低，危及结构安全。

在发现裂缝在混凝土结构中出现时，需要合理准确的评价裂缝对结构安全的影响并确定加固方案，必须确定裂缝当况状态、发展趋势和产生原因，裂缝宽度、长度以及深度是主要的评价指标[2]，其中深度是关键指标。而在实际检测工作中，深度的测量是比较复杂的，直接的检测手段是钻芯取样，该方法耗费时间较长并且对结构有一定的损害，且对于一些结构的特殊位置或者深度较大的裂缝，无条件进行取芯工作，所以需要一种简单、高效、准确的无损检测方法来进行混凝土裂缝深度检测。

1 裂缝深度的无损检测方法

裂缝深度的无损方法有很多种，大致分为基于超声波、声波和冲击弹性波的检测方法[3]。

（1）超声波法：通过超声波穿透探测声速、接收信号的首波幅值和波形分析来获取裂缝深度值，但信号的频率较高能量较低、频谱的相应性能相应较差，只能适用于浅裂缝的检测。

（2）声波法：通过设置在裂缝两边钻取的孔道内声波管产生接收信号来获取裂缝深度值，需要对深度有个预估值并且对钻取的孔道要求较大，因而在实际工程中的适用性也降低。

（3）冲击弹性波法：通过在结构表面激振产生弹性波，通过传感器采集信号，信号频率低但能量高，可以在混凝土中传播更远，因而不仅适用于浅裂缝同样适用于较深裂缝的检测。并且由于其对工作条件要求低，基本不受充填物及水分的影响，受钢筋影响可进行修正，在小空间内完成检测工作而广泛应用于实际工程。

2 冲击弹性波检测裂缝深度原理

2.1 测试设备

冲击弹性波检测设备主要由激振装置、传感器、放大器、信号采集系统组成。

2.2 检测原理

冲击弹性波做为一种应力波，一般由不同大小的激振锤激发，能量大且集中，能够穿透10m左右的混凝土。在应用到混凝土裂缝深度检测中，主要是利用应力波在有裂缝和无裂缝的混凝土中其传播形式的显著差异性。而应力波的激发与采集则是裂缝一侧激振，另一侧采集的方式如图1。

当激发的应力波在混凝土中传播，波前遇到混凝土内部裂缝开口表面时，其运动规律发生改变；应力波波前到达裂缝的混凝土-空气界面，由波阻抗差异导致波基本会被反射，形成反射波PC（如图2），因此，此时应力波无法传递到裂缝的另一侧，混凝土质点不产生位移，接收点的传感器接收不到信号值。

图1 传播情况一

图2 传播情况二

当混凝土中的应力波波前传播至裂缝最深极限位置时，既产生衍射现象，形成球形的衍射波PdP（见图3）。

当PdP波第一次传播至接收端处时，引起混凝土表面质点发生位移，接收传感器所接收到的时域信号表现为振幅突变[4]。

图3 传播情况三

2.3 深度计算

以垂直裂缝为研究模型时，从一侧开始激振混凝土表面另一侧传感器接收到信号时，P波的传播时间为△t，也就是P波沿路径AB+BC（图4）传播的时间。设P波的波速为Cp，则：

由三角关系可知：

图4 深度检测布置图

如果式中参量 L1，L2，△t都已知话，那么就可以由式（1）、（2）、（3）计算出裂缝深度h，得到式（4）：

式（4）中如果让L1=L2的话，可以简化上式；而实际在检测采集数据操作过程中为了达到满足L1=L2时，只需要控制并调整冲击点和传感器的间距[5]。因此，令L1=L2=L，则公式可以进一步简化为：

由式（5）可以得出，需要已知的基本参数为P波在混凝土结构中传播速度CP。波速带入值可采用不同强度混凝土对应的弹性波波速一般值，也可以采用直接测定法，将波速值带入公式（5）就可以得出裂缝深度。

直接测定法是直接使用两个传感器在健康的混凝土表面直接测定，或者在已知厚度的板上测量。根据纵波首次到达两个传感器的时间差△t和两个传感器之间的间距L，可得P波波速由下式（6）确定：

如果是在已知厚度为H的板上测量，则波速可通过下式（7）计算：

式中：f为接收器接收到波的频率值。

3 检测室内试验

共设三组室内试验模型，模型尺寸数据分别如表1。裂缝预设按表1中尺寸由铁皮制作，完成后表面涂一层机械油，在混凝土构件浇筑完成后插入预设位置，经1h后取出，用塑料布遮挡预设裂缝处，再进行养护。

表1 室内试验模型及裂缝预设尺寸表

混凝土构件达到龄期后分别对三组模型进行检测，为了消除测试误差，每个裂缝进行三次检测，取平均值与预设尺寸进行比对，检测结果如下表 2～4。

为了更加客观对比检测结果和实际情况，选取1号构件裂缝深度15cm处和3号构件0.5cm裂缝宽度处进行取芯（见图5），量取裂缝深度，结果如表5。

4 结论

（1）使用冲击弹性波检测混凝土结构裂缝深度方法简单、原理清晰，所需检测环境要求低，判断直观且效率高，适用于各种条件下的检测工作，将成为一种广泛使用的无损检测手段。

（2）经室内试验结果得出，冲击弹性波法检测出的裂缝深度结果与预设数据基本相同，偏差在5%以内，可以在实际工程中推广使用。

（3）将来应用于实际工程中，可能将面对由于混凝土结构裂缝的形式多种多样，或裂缝内易积压灰尘杂质，造成获得的深度数据出现一定偏差。所以在实际的检测过程中，如果条件允许，可是使用气泵预先处理，使检测结果更精确。在后续试验中也将模拟裂缝中存在杂质情况的检测工作。

表2 1号构件检测结果表

表3 2号构件检测结果表

表4 3号构件检测结果表

表5 选取部位取芯结果表

图5 裂缝处所取芯样标记图

[1]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[S].

[2]吴新旋.《混凝土无损检测技术手册》[M].北京：人民交通出版社，2003：262～279.

[3]顾铁东，林维正，苏航.冲击回波法在混凝土无损检测中的应用[J].无损检测测，2004，26（9）：468～472.

[4]吴佳晔，安雪晖，田北平.混凝土无损检测技术的现状和进展[J].四川理工学院学报（自然科学版），2009，22（4）：4～7.

[5]董寿兴，张晓燕，金元.超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度[J].建筑材料学报，1998.

TU755.7

A

1004-7344（2016）11-0308-02

2016-3-29

朱欣明（1980-），男，本科，主要从事工程技术管理工作。