混凝土结构构件内部裂缝的超声波检测与分析

2018-07-12

福建质量管理 2018年14期

(河北大学　河北　保定　071000)

经调查显示，我国每年混凝土用量约九亿立方米，钢筋用量约2000万吨，我国工程建设中仅混凝土结构每年需耗资2000亿元以上。[1]混凝土结构发展迅速、运用广泛，从新建材、新技术的研究、开发和推广应用，到工程结构的建造，都取得了巨大成就。

一、裂缝控制等级

裂缝是评判混凝土结构安全性的重要指标之一。根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2015，结构构件正截面的受力裂缝控制等级分为三级，一级为严格要求不出现裂缝的构件，二级为一般要求不出现裂缝的构件，三级为允许出现裂缝的构件。不同环境类别下最大裂缝宽度ωmax的取值见图1：

图1　结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度的限值(mm)

二、裂缝检测

一般裂缝检测可分为裂缝宽度检测与裂缝深度检测。裂缝宽度检测要求裂缝宽度测试仪器的读书精度优于0.02mm。侧位处混凝土表面应清洁、平整、裂缝内部不能有灰尘或泥浆，宜选择裂缝张开状态下检测。裂缝宽度观测仪由带刻度线的LCD显示屏、显微测量头、VPS连接电缆和检验刻板组成,主要应用于桥梁、隧道、墙体、混凝土路面、金属表面等裂缝宽度的定量检测。[2]

图2　裂缝宽度检测仪

该仪器采用电子成像技术，将被测物体表面裂缝原貌实时显示在4.3寸彩色屏幕上；裂缝宽度自动判读、手动判读，电子标尺人工判读三种模式，分辨率达0.0025mm；校准功能，可用标准刻度板进行校准。

检测混凝土内部裂缝的方法有声脉冲法和射线法两大类。[3]声脉冲法分为超声波法和声发射法等，其中超声波法技术较为成熟，运用较为广泛。超声波传播速度的快慢与混凝土的密实度有直接关系，声速高则混凝土密实，声速慢则不密实。

三、超声波法检测混凝土结构裂缝深度

在混凝土原料、配合比、龄期和测试距离一致的情况下，依据脉冲波在混凝土结构中传播的时间、速度、接收波振幅和频率等参数的变化情况，来判断裂缝深度。

单面平测法：

对于深度小于50cm的混凝土浅裂缝，常采用单面平测法。混凝土垂直裂缝中常充满空气，由于固体与气体界面对声波构成反射面，造成通过的声能被大量吸收，声波只能绕裂缝顶端通过，以此来测试出垂直裂缝深度。

图3　单面平测法

同理，使换能器中心的连线垂直于裂缝的走向，改变换能器间距，在不同l′下读取相应的超声波穿过时间ti，并由此计算超声波传播的实际距离li。然后按下列公式计算垂直裂缝深度：

(3-1)

双面斜测法：

斜测法适用于结构的裂缝部位具有两个互相平行的可测表面的情况，检测时将发、收换能器分别置于结构的两个表面，且两个换能器的轴线不重合。采取多点检测的方法，记录个检测点接收波形的幅值或频率。若换能器的连线通过裂缝，超声波在裂缝界面上产生较大的衰减，幅值和频率较不通过裂缝时有明显降低，从而判断裂缝的深度。[3]

冲击回波法：[4]

使用小钢球冲击混凝土作为声源，通过被测混凝土传播纵波、横波和表面波，当这些博被宽带换能器接收后，通过时域或频域分析方法，可以找出被接收信号特征与混凝土的裂缝、孔洞和厚度之间的关系。

四、混凝土结构裂缝出现的原因

混凝土结构处于外荷载和变形的作用下，常见的变形作用有温度、收缩、不均匀沉降等因素。

(1)外荷载在混凝土结构内部产生直接应力，主要是主拉应力引起的裂缝发展；(2)外荷载在混凝土结构内部产生的次应力引起的裂缝。次应力是与实际结构物工作状态有出入部分的内力，时常引起结构裂缝；(3)在温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等变形作用引起的裂缝。当变形过大，这部分变形作用会在结构内部产生自应力，而当自应力超过混凝土的允许拉应力时，将会引起混凝土裂缝。