基于冲击回波法的混凝土裂缝检测试验研究

苏忠高 林发明 杨敏 刘景熙

(福建博海工程技术有限公司 福建福州 350009)

0 引言

混凝土结构是土木工程建筑行业不可或缺的材料之一，为了延长建筑结构的寿命，降低建设成本，通过对混凝土裂缝进行评估，判断是否需要修补，因此必须对混凝土裂缝进行检测。通过冲击回波检测混凝土裂缝是当今工程建设中较为常用的方法[1]。

在国外，土耳其学者Ertugrul Cam等`人利用冲击回波法对裂缝开展的位置和深度进行了分析[2]。随着我国工业技术的发展，推动了混凝土无损检测技术的研究和应用，肖国强、吴佳哗等人应用冲击回波对混凝土厚度检测和缺陷定位做出了详细研究[3-4]。王征等人发现检测间距对裂缝深度的精确检测存在较大影响[5-6]。

在混凝土裂缝检测中，由于混凝土结构由水泥、粗骨料等构成，在浇筑过程中形成不同界面、毛细孔等影响纵波在混凝土中传播的因素，若裂缝检测间距过大，则纵波将在混凝土结构中快速衰减，传感器接收信号不明显，容易对裂缝计算造成较大误差[7]；检测间距过小时，纵波将在裂缝侧边缘进行连续反射，也将造成纵波的衰减，造成裂缝检测误差[8]。因此，本文基于冲击回波法对不同裂缝深度的试块通过不同检测间距检测，对检测间距与裂缝深度检测之间的关系做进一步的研究。

1 裂缝深度计算原理

由于混凝土裂缝的不同深度传播路径也不同，因此，冲击回波法基于裂缝中波形传播路径的不同，遇到障碍物反射回来时的不同波形频谱，来确定裂缝位置[9-11]。实验采用冲击回波检测仪在实验过程中会对其中产生的应力波(主要是纵波)进行实时记录，并将所有的测试信号导入分析软件，通过软件对波形进行傅里叶频谱变换得到相应频谱图。图谱中的频率为冲击表面、裂缝界面以及其他界面之间的多次反射产生瞬态共振所导致。通过对主频的提取可得到裂缝相关信息，裂缝检测流程如图1所示。

图1 水泥混凝土裂缝检测流程

在不同介质中应力波传播速度不同，在进行裂缝检测时，应先确定混凝土试块中波形传播速度；由于应力波中纵波(P波)速度传播速度最快，因此常通过P波的传播路径来检测裂缝深度。已知混凝土结构厚度的情况下，可以推出混凝土中的纵波波速。频率值可以从原始信号频谱图中获得，然后由式(1)计算出平均P速度。

CP=2fT/C

(1)

式中：CP——已知厚度混凝土结构的波速测试值；

f——混凝土构件厚度为反射频率；

T——混凝土的构件厚度；

C——混凝土结构的几何参数，通常取0.98。

在混凝土裂缝检测时，小钢球与传感器对称放置于裂缝两侧，应力波在混凝土内部传播，分别到达裂缝两端发生衍射和混凝土底端发生反射，由裂缝一端的传感器接收信号。裂缝检测原理如图2所示。

图2 裂缝检测原理

由于在变换频谱中，不同的峰值频率表示含义不同，最高频率峰值表示为纵波传播到结构底部；其他峰值表现为裂缝的反射频率或试块空隙不密实缺陷的位置。根据频谱中的不同的峰值频率，可以计算测试结构的内部裂缝的深度或结构厚度。裂缝深度的计算见式(2)：

(2)

式中：d——混凝土裂缝深度；

f1——裂缝缺陷频率；

a——裂缝测试间距。

2 裂缝深度计算实验验证

冲击回波仪的冲击激励由一内置小钢球与冲击激发装置组成，冲击的应力波受小钢球的影响，在检测过程中试块的强度、表面平整度以及内部空隙都会对实验检测造成影响。因此，该研究对试块如下处理。

2.1 实验仪器及试块制作

本试验所采用的设备型号是湖南芯仪电子SET-PI2-01。 仪器本身小巧轻便，易于携带，操作方便， 而且仪器配置信号自动激发装置，敲击信号稳定可靠，重复性极好，保证其冲击作用所产生的应力波频率满足裂缝情况和混凝土结构厚度的检测要求。

实验中选择采样频率为125kHz，在试验开始时检查自动冲击器、传感器与仪器连接情况，手动调节参数，检测时将传感器按压紧，然后点击采集按钮，待波形稳定，手动保存波形数据。

为了研究混凝土试块裂缝与测距的关系，通过对混凝土模具中嵌入薄钢板以获取定长裂缝深度，通过改变测量间距观察裂缝计算误差，从而确定裂缝深度与测距的关系。

混凝土试块的制作为了尽可能接近实际，选取厚度大小为0.5mm的薄钢板。针对实际工程中的裂缝共做4组试块，其尺寸结构分为300mm×150mm×150mm,300mm×300mm×300mm两种，将C30试块制作材料按水∶水泥∶沙∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72的比例配置。在混凝土配比制作好后，灌入卡好薄钢板的混凝土模具，浇筑混凝土后要振捣充分至表面无气泡后停止，以保证内部结构密实。待试块初凝后用塑料薄膜覆盖，在此之后把试块放入养护室进行养护，最后拆除模版，最终形成的带裂缝混凝土试块如图3所示。

图3 混凝土试块

2.2 测点及数据采集

为提高裂缝深度检测精度，针对混凝土试块中裂缝的不同位置，在混凝土试块的裂缝周围布置测试区域，沿裂缝线长度方向每25mm设置一条测线，沿着裂缝的纵向每25mm设置一条测线，接收区和冲击区的点位沿着裂缝方向对称分布，测线与测线之间的交点即为测点。图4为表面大小300mm×300mm试块测点布置图。

图4 测点布置示意图

为研究不同试块检测距离与裂缝深度之间的关系，实验制作3种深度裂缝分别为50mm、100mm、150mm，试块1为完好试块，用以确定纵波在混凝土试块中的传播速度。由试块2、3和5验证不同测距对裂缝深度检测精度的影响，由试块3和4验证两种不同混凝土强度的试块对裂缝深度与测试距离是否有影响。混凝土试块的规格尺寸如表1所示。

表1 混凝土试块规格

3 裂缝深度计算与分析

通过试块1对P波波速进行标定，对试块进行等间距的8个测点进行数据采集，如图5所示。

图5 试块1波速标定

从图5等间距各测点波速计算值可以看出，由于混凝土中存在不密实孔隙，可能会造成不同测点所得到的频率值不同，但是同一试块等间距测点的波速计算值不会相差太大。由此可知，试块1中纵波波速计算平均值为3187m/s。经试块1验证同一试块等间距测点的波速及频谱相差不会出现太大波动，之后试块等间距测点只需选取4个测点进行检测。若通过对不同测点的波速计算与相应试块平均波速比较，若某测点波速相差过大，则去掉此测点重新测量，若波速相差较小，则继续下一点测量。

试验测试中，通过改变冲击点和信号接收点的距离，对不同测试间距的频谱解析结果进行对比分析。当实验测试距离过小时，波形造成严重畸变，影响测试计算，引入误差。因此，试验中选取了50mm、100mm、150mm三种不同的间距，测试裂缝深度为50mm的裂缝；选取100mm、150mm、200mm的测试间距，测试裂缝深度为100mm的裂缝；150mm、200mm、250mm的测距，检测深度为150mm的裂缝深度。

在对裂缝频谱图进行分析时发现，由于试块中裂缝附近存在不密实、孔隙等原因产生许多干扰频谱，通过相关资料查询可知，在混凝土试块检测中，裂缝频谱图主频通常为频率峰值最高峰所对应的频率值。通过确定出裂缝主频，在纵波传播过程中，在裂缝顶点衍射的纵波传播路径，与到达混凝土试块底端反射的纵波传播的路径相比较短，由于传播路径较短，传播过程中能量损失较少。因此，频率大于主频且频率峰值第二高的频率，可以确定为裂缝缺陷频率。

图6为试块3等间距不同测点频谱图。由图6可以看出，试块3中当检测间距为200mm时，不同测点的主频分别为10.86kHz、10.99kHz、10.99kHz、 10.99kHz，平均厚度频率为10.96kHz。裂缝缺陷频率分别为12.33kHz、11.23kHz、11.60kHz、12.33kHz，平均缺陷频率为11.87kHz。通过将厚度频率代入式(1)，可以得到试块3中纵波传播速度为3355.10m/s；将纵波波速和裂缝缺陷频率代入式(2)，即可计算得到裂缝深度为99.87mm，而实际裂缝预留深度为100mm，二者误差为0.13%。通过此方法将不同试块进行一一测量，然后将不同测量间距的3个测量点的缺陷频率通过公式计算，所得的裂缝深度结果与实际预留的裂缝深度进行了误差比较，结果见表2。

图6 试块3等间距不同测点频谱图

表2 不同试块不同测点测试结果对比

由表2可以知道，当试块2检测间距为50mm时，由于冲击点与信号接收传感器离裂缝过近，在波形传播过程中纵波在混凝土-空气界面进行反射，造成能量的衰减，对波形采集造成较大干扰，因此裂缝计算的误差较大。由表格中试块检测数据可知，当检测间距与裂缝深度相近时，裂缝检测得到的误差较低。由此可知，当裂缝计算值与裂缝检测间距相近时，可进一步确定此裂缝深度可作为实际裂缝深度。从试块4、5可以看出，当纵波在试块中传播时，若传播路程较远，在传播过程中由于内部的不密实造成能量衰减，造成裂缝检测时产生比较大的误差。在试块检测中，不同试块的不同间距测点测试得出的厚度频率不同，造成此现象的原因可能为在波形传播过程中由于改变检测间距，传播路径长度改变较大，因此，反应在频率上出现厚度频率不同。而由于实验各频率点为等间距测点，因此所得频率为各测点的平均值，表现在表格中数据为不同间距测点的厚度频率相同。

通过实验发现，当检测间距不断增大时，裂缝检测精度会不断提高。然而，当试块检测间距大于200mm时，裂缝检测结果误差较大。通过不同试块的不同间距的检测，可以发现，当试验检测间距为裂缝深度的1.5～2倍时，在此间距范围对裂缝深度为50mm、100mm、150mm的试块检测结果比较精确。

4 结论

冲击回波无损检测技术在工程领域一直都是一个热点和难点，本文通过芯仪冲击回波仪基于冲击回波法研究不同的冲击与接受距离来检测混凝土的裂缝深度，发现当检测间距和裂缝深度相近时，此时裂缝检测误差最小。

在基于冲击回波法研究混凝土试块裂缝检测时，发现试块表面是否平整对检测有着很大的影响。在检测时，试块的厚度、裂缝的位置、待测的区域平滑程度、试块内部的蜂窝麻面和凹凸不平，会产生多余的噪声，从而影响测试精度。在检测过程中，检测人员对传感器的按压力度，也会对信号的接受造成影响，引起信号分析的频谱差异。

实验选取C30混凝土试块进行检测，通过薄钢板制作的裂缝分布规整，而实际工程应用中的混凝土裂缝呈不规则分布。因此，本实验中检测所得裂缝深度对应于实际工程应用中主裂缝深度，对于裂缝不同分支的深度检测以及混凝土内部裂缝分布情况可作进一步研究。实验采用的冲击回波仪器的冲击激励为6mm小钢球，在混凝土裂缝检测中，不同大小的小钢球产生的激励源不同，纵波携带能量大小不同，因此对不同深度裂缝的检测精度会不一样。有兴趣的同行可以在不同激励源对裂缝深度检测的影响做后续研究。