微创可视探查法在混凝土结构缺陷检测中的试验研究

许 沿，臧振涛，陈振华，江四海

（1.杭州海泽水利工程有限公司，浙江 杭州 311202；2.浙江水利水电学院勘测设计研究有限公司，浙江 杭州 310018；3.杭州河口水利科技有限公司，浙江 杭州 310000）

1 问题的提出

目前，国内水利建筑行业检测探查混凝土结构缺陷的方法主要有坑探法、钻芯法及物探法等。其中坑探法属有损探测方法，工艺原始、检测结果直观，但存在对原结构破坏大、扰动大、检测深度浅、不适合普查、不适合水下作业的缺点。常规的“钻芯法”属于半破坏检测方法[1]，该方法钻芯直径一般为100 ～ 150 mm，主要用于混凝土强度检测[2]，以及工程地质钻芯检测。物探法属于无损探测方法，如探地雷达法[3]，该方法操作方便，常应用于水上工程的隐患普查，但也由于受地下水、结构层、土层等多种因素影响，检（探）测结果往往可靠性较低。因小孔径钻芯具有清晰、直观，对结构损害小等特点[4]，提出利用陈振华等人的发明专利“微创可视探查法”[5]，并进行相关室内及实际工程应用试验研究，以确定该方法的特点及其应用范围。

2 室内试验方案

2.1 试验设备

（1）钻芯机具采用特制的混凝土钻孔机钻芯机（型号：SG — 300F）；

（2）钻头壁厚2 mm，外径32 mm；

（3）微孔摄像采用钻孔视频成像仪（TFT color monitor）；

（4）其他设备：卷尺等。

2.2 试块材料组成

（1）水泥：杭州联化水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥：P.O32.5、P.O42.5；

（2）碎石：最大粒径为10，20，40，80 mm；

（3）砂：采用细度模数为2.8，平均粒径为0.41 mm的中砂。

2.3 试验方法

混凝土是一种复合性胶凝材料，在搅拌、浇筑过程中会受到各种因素影响，粗细骨料不可能完全混合均匀。在小孔径钻芯时，不均匀的试块在受到钻头扰动时，芯样中浆体与骨料之间的胶结会受到破坏而影响芯样长度，同时，试块强度的不同、浇筑振捣密实的不同也会影响芯样长度。

试验时，试块尺寸为500 mm×500 mm×500 mm，采用室内人工浇筑、机械振捣密实并采用室内空气中养护。试块主要考虑混凝土试块，并根据其强度不同又划分为：C10，C15，C20，C25，C30，C40试块，并考虑水灰比（W/C）、骨料最大粒径（小于a）等因素，试验概要见表1。

表1 混凝土试验概要表

对于取芯质量好坏的评判，DZT 0227 — 2010《地质岩心钻探规程》提出岩芯采取率指标，并提出相应的计算方法[6]。目前，一些混凝土结构也采用芯样采取率指标进行相关质量分析[7-8]。本文对钻芯孔深以及芯样长度进行测量，通过计算芯样采取率指标用于反映胶结砌石材料的密实度。

2.4 钻芯及观测结果

采用微创钻芯机钻芯，利用特制基座以减少机身颤动对芯样采取率的影响。钻芯过程中，保证水量供应，起润滑和冷却的作用。同时，钻芯过程中满足JGJ/T 384 — 2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》相关要求。将取出的芯样按先后顺序放置在特制的芯样盒内，放置时注意交界面相对应，利用卷尺测量芯样（每组芯样3次，每个芯样测量3次，取均值，精确到mm），利用微孔摄像仪进行孔内摄像，查看孔壁的光滑程度是否有脱空、裂缝等，若出现脱空，利用特制的探钩进行孔内探查、测量脱空深度，代表性芯样及孔内探查结果见图1。

图1 代表性芯样及孔内探查结果图

根据现场钻芯测量计算可知，相关砂浆及混凝土芯样采取率计算结果见表2。

表2 混凝土芯样采取率计算结果表

3 实际工程应用

为了研究微创可视探查法是否适用于水下钻芯探查，本次在温岭市新金清闸工程（始建于1932年10月，1934年8月竣工）的闸底板进行水上作业、水下钻芯探查试验研究。

试验在水深5.2 m，上下游水位差小于0.5 m的条件下进行。针对水质浑浊，能见度不高的问题，采用投放明矾或聚合氯化铝的方式进行短时间澄清水质，同时在微孔探查时，利用小流量导管进行孔内清水置换，以改善可视度。试验时，选择钻头外径为44 mm，相关典型闸孔的芯样、底板内部及底部脱空情况见图2 ～ 4。

图2 3#上游闸底板微孔取芯芯样图

图3 4#下游闸底板微孔取芯芯样图

图4 孔内、孔底典型摄像截图

根据现场钻出的芯样及孔内探查情况可知：新金清闸闸底板整体浇筑质量较高、变形缝（油毛毡部分）除表面发生老化外，内部完好，仍能发挥相应功能，但部分闸底板存在裂缝，底部存在脱空等隐患，例如3#闸孔上游侧的S3 - 3号孔（位于靠近上游斜向裂缝的位置），钻孔深度为110 cm，获取的芯样总长为104 cm，芯样采取率为94.5%，芯样上部3 cm为灰黄色纤维状不明物（疑是烂木板），8 ～ 20 cm 和 30 ～ 40 cm 处出现宽 0.1 ～ 0.2 cm 的不规则裂缝，闸底板下部脱空约5 cm。

4 结果分析

采用室内和实际工程试验，通过对芯样外观观察、微孔内部探查以及芯样采取率计算，可知微创可视探查法的特点：

（1）微孔可视探查与芯样表观观测相结合，能够清晰直观地反映出胶结材料内部结构，能够反映胶结材料内部是否存在蜂窝、麻面、疏松区等质量缺陷[9]以及裂缝、脱空等隐患；

（2）采用微创钻芯法进行芯样采取率测定时，除了不适用由粗砂及低强度较大直径骨料的混凝土外，其他砂浆、混凝土胶结材料均可应用；

（3）在需要测量芯样采取率的应用中，除M2.5砂浆及骨料直径为5 ～ 80 mm的C10胶结材料受微创钻芯法的影响，需要进行一定的折算，其他强度的胶结材料芯样采取率都达到95.0%以上，可以忽略微创钻芯法对芯样的损伤，直接应用于检测探查。

（4）采用微创可视探查法进行胶结材料检测，能够直观地反应结构的密实度、内部裂缝、脱空等特征，且具备设备轻巧，操作简单，可以任意方向钻取芯样等优点。

（5）微创可视探查法不仅适用于新建、改建、扩建的挡墙、海堤防浪墙水闸等混凝土结构的隐患探查，而且还适用于相关水利工程的水下隐患探查。

5 结 语

针对目前已有的混凝土胶结材料缺陷检测方法的不足，本文利用微创可视探查法，进行不同骨料、不同强度的室内试验及实际工程的试验研究。通过对芯样观察、孔内摄像探查以及芯样采取率计算可知：微孔可视探查法对结构损伤微小，能够清晰、直观地反映出胶结材料内部结构、胶结材料内部是否存在蜂窝、麻面、疏松区等质量缺陷以及裂缝、脱空等隐患；该方法中的芯样采取率指标能够反映检测结构的混凝土密实度；同时，该方法具有设备轻巧、操作简单、可以任意方向钻取芯样、能够适应于干地及水下钻芯探查等优点。

微创可视探查法为新建、改建、扩建的挡墙、海堤防浪墙水闸等混凝土结构的缺陷检测及已建水利工程的隐患探查提供一种可靠的检测手段。