基于超声波技术的低热水泥全级配混凝土微裂缝探测方法

胡玉叶，赵 莉

(安徽新华学院 城市建设学院，安徽 合肥 230088)

混凝土是我国土木工程中的重要材料，砖混结构是现有建筑结构中，占比较大的结构。混凝土使用期间，主要包括微裂缝引起的早期性能退化、裂缝逐渐发展造成的混凝土损伤积累，以及裂缝发展为贯通状态造成的最终断裂[1]，可知裂缝的形成是造成混凝土材料退化的重要原因。混凝土结构出现微裂缝时，表示混凝土已出现退化情况[2]，混凝土的退化情况影响混凝土在建筑结构中的使用寿命。混凝土结构在工程建设中的重要性与日俱增，精准探测混凝土微裂缝，是评定混凝土质量的重要途径。混凝土材料的微裂缝极为细小[3]，同时并未扩展至混凝土结构构件表面，因此探测混凝土的微裂缝极为困难。超声波技术可以依据声音传播速度，以及声波散射、声波反射、声波能量吸收情况判断混凝土材料的内部情况，对于混凝土结构中存在的微裂缝具有极高的敏感度[4]。低热水泥混凝土具有低水化热的特性，可以改善混凝土使用过程中存在的开裂问题，低热水泥混凝土已经越来越多地应用于各种建设项目中。全级配混凝土指利用全级配骨料配制的混凝土，全级配骨料的粒径较大，可以有效降低混凝土的水化热[5]。由于全级配混凝土的骨料粒径与其他混凝土存在明显差异，因此全级配混凝土的力学性能与其他混凝土存在一定的差异[6]。低热水泥全级配混凝土的应用越来越普遍，其微裂缝探测性能更加重要。

众多研究学者针对混凝土裂缝探测问题进行研究，张振华等人针对混凝土桥梁裂缝检测难度较高的问题[7]，将改进卷积神经网络应用于裂缝检测中，该方法可以精准检测桥梁裂缝，适用于桥梁裂缝修复的实际应用中；刘学增等人将激光超声探测方法应用于混凝土裂缝深度探测中[8]，利用激光扫描激发混凝土声场，利用混凝土的时域波形信号获取混凝土的裂缝深度。以上两种方法虽然可以有效探测混凝土的裂缝深度，但是对于具有较高探测难度的混凝土微裂缝，探测性能较差。针对低热水泥全级配混凝土微裂缝探测难度较高的问题，研究基于超声波技术的低热水泥全级配混凝土微裂缝探测方法，将超声波技术应用于低热水泥全级配混凝土微裂缝探测中。通过试验验证超声波技术对低热水泥全级配混凝土微裂缝具有较高的敏感度，超声波技术探测低热水泥全级配混凝土微裂缝十分可行。

1 低热水泥全级配混凝土微裂缝探测方法

1.1 混凝土原材料与配合比

选取某应用于桥梁工程施工现场的低热水泥全级配混凝土材料作为微裂缝探测的研究对象。该低热水泥全级配混凝土所选取的骨料最大粒径为160mm，全级配混凝土的坍落度为40mm左右。低热水泥全级配混凝土的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 超声波技术的微裂缝探测原理

利用超声波技术检测低热水泥全级配混凝土微裂缝时，发射换能器是超声波技术检测低热水泥全级配混凝土微裂缝的主要部分。探测低热水泥全级配混凝土微裂缝的流程如下：首先，利用超声波探伤仪的发射换能器发射超声波信号[9]，超声波传输至低热水泥全级配混凝土后，形成反射波。其次，利用接收换能器以及信号接收器接收超声波探测的低热水泥全级配混凝土反射波数据[10]，超声波探伤仪探测低热水泥全级配混凝土的数据包括波幅、波速以及超声频谱等数据。再次，对众多数据进行分析处理，获取混凝土的微裂缝位置以及微裂缝大小。

混凝土的内部材料不均匀，当混凝土吸收超声波能量时，更多地吸收超声波的高频成分，探测低热水泥全级配混凝土微裂缝时，通常选取具有较低发射频率的超声波。低热水泥全级配混凝土不存在微裂缝时，结构质量较为均匀[11]，超声波接收器接收的超声波信号主频相同。利用超声波技术探测低热水泥全级配混凝土微裂缝时，混凝土结构的完整性被微裂缝破坏。超声波穿透混凝土时，需要绕过微裂缝传送至接收换能器中，超声波的传播距离增加，提升了超声波探测的声时。利用超声波技术探测低热水泥全级配混凝土微裂缝时，超声波探伤仪需要具有显示波形功能[12]。通过观测超声波探伤仪的波形显示结果，获取超声波信号穿过混凝土的波幅、主频率、声时以及传播声速等声学参数变化趋势，以此为依据，探测低热水泥全级配混凝土微裂缝。

利用时距法探测低热水泥全级配混凝土的微裂缝。探测低热水泥全级配混凝土微裂缝的超声波探测器主要包括发射换能器、接收换能器以及主机，将两个换能器对称设置于低热水泥全级配混凝土微裂缝的两侧[13]，接收换能器接收的超声波信号利用主机的显示界面显示。利用时距法探测低热水泥全级配混凝土微裂缝的原理图如图1所示。

图1 时距法的微裂缝探测原理图

利用时距检测法，通过平测方式探测低热水泥全级配混凝土的微裂缝。低热水泥全级配混凝土强度存在差异时，超声波信号声速同样存在差异。超声波技术通过相同声速值探测低热水泥全级配混凝土微裂缝时，声速差异将造成混凝土微裂缝出现探测误差。为了避免低热水泥全级配混凝土微裂缝探测时，超声波信号的声速值对探测结果存在影响，设置不同探测距离的探测点[14]和超声波传播的时间，利用超声波技术对低热水泥全级配混凝土微裂缝探测，获取声时、微裂缝大小以及探测距离。

探测低热水泥全级配混凝土微裂缝时，需要设置原始探测点以及固定增量的另一探测点，低热水泥全级配混凝土微裂缝深度的探测公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

d=S2-S1

(2)

式(1)和式(2)中，S1与S2分别表示低热水泥全级配混凝土试块探测点的间距，t1与t2分别表示低热水泥全级配混凝土试块不同探测点的超声波检测声时值，d表示第一个探测点与第二个探测点的探测距离增量。

利用贝塞尔公式测量超声波探伤仪的声速以及脉冲时间的标准差，贝塞尔公式获取样本标准差的数学表达式如式(3)所示。

(3)

式(3)中，n与i分别表示总探测次数以及超声波探伤仪的探测指标测量值。

1.3 低热水泥全级配混凝土试块制备

选取钢木组合模具制备低热水泥全级配混凝土试块，共制备4块混凝土试块。设置底部磨尖、嵌入厚度为5mm的钢板，置于浇筑试块模具的预设位置，选取规格为40mm×40mm的方管放置于钢板上部，制作混凝土的预制微裂缝。利用桥梁工程施工现场拌合系统出料，浇筑低热水泥全级配混凝土试块，与实际桥梁工程的混凝土生产条件相同，保证混凝土试块的均匀性与实际桥梁工程的施工情况相同。选取直径为60mm的插入式振捣棒对浇筑的低热水泥全级配混凝土进行人工振捣。通过天然养护方式养护混凝土试块，直至混凝土龄期为28天时，通过一日多次洒水养护的方式[15]，令所制备的混凝土试块保持湿润状态，保证所制备的混凝土试块充分发挥最大性能。将30天龄期的混凝土试块运输至试验基地开展混凝土微裂缝探测试验。

在完成制备的低热水泥全级配混凝土试块表面放置钢筋，利用挤压机挤压低热水泥全级配混凝土试块上的钢筋，设置混凝土试块的微裂缝。由于低热水泥全级配混凝土试块的内部压力情况，利用挤压机挤压的混凝土微裂缝底端将出现轻微合拢情况。混凝土微裂缝底端利用细钢丝深入，通过钢丝左右拉动，将微裂缝底端打磨平整[16-17]。制备低热水泥全级配混凝土试块时，混凝土表面的均匀程度较差，裂缝深度容易高于模具，需要打磨混凝土试块表面，令试块更加光滑，满足混凝土微裂缝探测所需的微裂缝深度要求，将微裂缝内包含的灰尘利用气枪去除，制作出混凝土微裂缝探测所需的不同深度微裂缝。通过以上过程制备的低热水泥全级配混凝土微裂缝，有效避免由于试块内部裂缝深度与试块侧面裂缝长度存在差异，影响混凝土微裂缝探测精度的问题。

1.4 探测仪器

选取北京恒奥德仪器仪表有限公司的HAD-UP2000型多功能数字式超声波探伤仪，作为低热水泥全级配混凝土微裂缝探测的仪器，该超声波探伤仪主要包括主机、平面换能器以及连接线，两个平面换能器分别作为发射信号以及接收信号的仪器，通过超声波探伤仪主机的发射接口和接收接口调节平面换能器的发射与接收信号功能。数字式超声波探伤仪的仪器实物图如图2所示。

图2 超声波探伤仪

2 试验结果及分析

2.1 超声波探伤仪重复性试验

超声波探伤仪的重复性试验是衡量仪器探测性能的重要指标，利用超声波探伤仪对所制备的4块低热水泥全级配混凝土试块进行重复性测量试验。利用超声波探伤仪重复测量所制备的混凝土试块7次。在所制备的混凝土试块中心轴位置以及超声波探伤仪探头位置的原点处进行标记，令所制备混凝土试块的标记点与超声波探伤仪探头为对准状态。精准测量混凝土试块高度，将混凝土试块的精准高度传送至探伤仪中。在超声波探伤仪的探头传感器以及所制备混凝土试块表面涂抹耦合剂。通过按压探头，令混凝土试块与超声波探伤仪的探头紧密接触，保证超声波信号维持在稳定状态。完成一次测量后，再次在混凝土试块表面以及超声波探头位置涂抹耦合剂，进行下一次测量。重复以上过程，直至完成7次超声波探伤仪的重复性试验。

统计7次超声波探伤仪重复性试验的声速以及脉冲时间变化，统计结果如图3和图4所示。

图3 超声波探伤仪声速变化

图4 超声波探伤仪脉冲时间变化

通过图3、图4的超声波探伤仪声速以及脉冲时间变化值，利用贝塞尔公式计算超声波探伤仪的声速以及脉冲时间变化。利用贝塞尔公式计算超声波探伤仪的声速标准差为0.28%，脉冲时间的标准差为0.35%。通过重复性试验，验证利用超声波探伤仪探测低热水泥全级配混凝土，具有良好的复现性，可以满足混凝土微裂缝探测对检测仪器的复现性要求。

2.2 超声波探伤仪波形、超声频率确定

设置超声波探伤仪的发射频率为30KHz-210KHz，统计超声波探伤仪的声速变化，超声波声速变化受发射频率影响的结果如图5所示。

图5 发射频率对超声波声速的影响

通过图5试验结果可以看出，超声波探伤仪的探头的发射频率越高时，超声波的声速逐渐提升。超声波探伤仪利用发射探头发射超声波，超声波传送至低热水泥全级配混凝土试块中，受到混凝土材料中的水分、空隙等因素影响，形成阻尼波，众多阻尼波构建了阻尼波群。超声波探伤仪探头发射的超声波频率较高时，超声波能量逐渐衰减，阻尼波群运动速度提升，补偿超声波传输过程中的相速度衰减幅度，提升超声波传输速度。以上分析可以看出，利用超声波探伤仪探测低热水泥全级配混凝土微裂缝时，伴随超声波探头发射频率的提升，超声波信号传输速度有所提升。

低热水泥全级配混凝土试块材料在超声波探伤仪的超声频率较高时，存在明显的信号衰减情况，选取合适的超声频率极为重要。设置超声波探伤仪器的超声频率为60kHz，超声波信号为180周的正弦波，设置超声波探伤仪的采样频率以及采样频率的分辨率分别为10MHz以及60Hz。超声波探伤仪的接收换能器探测低热水泥全级配混凝土微裂缝，超声波的时域信号波形图如图6所示。

图6 时域信号波形图

超声波探测器探测低热水泥全级配混凝土微裂缝的功率谱图如图7所示。

图7 超声波探测器功率谱图

通过图6、图7试验结果可以看出，超声波的超声发射频率为60kHz时，可以获取良好的低热水泥全级配混凝土微裂缝探测性能。超声波探伤仪的接收换能器可以有效获取混凝土微裂缝的波形图。时间为1.8ms时，超声波探伤仪接收换能器的波形变化明显，表明超声波探伤仪探测到低热水泥全级配混凝土试块中存在异常情况，再次验证超声波探伤仪可以有效探测低热水泥全级配混凝土试块中的微裂缝。

2.3 微裂缝探测结果

利用超声波探伤仪采集低热水泥全级配混凝土试块的超声波声时，将所采集的超声波探测数据导入波形处理软件中。超声波探伤仪探测混凝土探测点的间距增量为40mm时，混凝土微裂缝处碳化深度为5mm时的超声波信号波形图如图8所示。

图8 微裂缝碳化深度为5mm时的超声信号波形图

通过图8试验结果可以看出，混凝土内部存在微裂缝时，超声波探伤仪发射的超声波信号受到微裂缝影响，出现折射、反射和绕射情况，导致穿透混凝土的超声波信号出现变形情况。超声波信号受到微裂缝影响，后续的超声波由强逐渐变弱，出现波动情况，影响超声波信号的稳定性。低热水泥全级配混凝土试块中的微裂缝，影响超声波信号传播，超声波信号波形受到影响，出现明显波动，说明微裂缝探测有效性较高。

对所制备的低热水泥全级配混凝土试块设置碳化深度为1～5mm的微裂缝，混凝土探测点的测距为30mm，测距增量为40mm。通过超声波探伤仪的声时读数，获取混凝土微裂缝碳化深度。超声波探伤仪探测低热水泥全级配混凝土试块微裂缝碳化深度，探测结果如表2所示。

表2 混凝土微裂缝碳化深度探测结果

通过表2混凝土微裂缝探测结果可以看出，超声波探伤仪可以有效探测低热水泥全级配混凝土试块的微裂缝，具有较高的探测精度。利用超声波技术探测混凝土微裂缝，混凝土试块的声时存在差异。主要原因是混凝土试块的内部密实情况存在差异，混凝土试块中的超声波传播时，超声波波速变化，声时同样有所变化。超声波技术在低热水泥全级配混凝土试块内密实情况存在差异时，仍然可以精准探测低热水泥全级配混凝土试块的微裂缝，微裂缝碳化深度探测误差低于0.05mm。表2试验结果验证，超声波技术对低热水泥全级配混凝土微裂缝具有较高的探测能力，对于1mm的微裂缝，仍然可以精准探测。

3 结论

超声波技术在混凝土强度确定以及裂缝检测等应用中广泛使用，是具有较高可靠性、探测简单的方法。将超声波技术应用于低热水泥全级配混凝土微裂缝探测中，利用超声波技术具有的可靠探测性能，精准探测低热水泥全级配混凝土的微裂缝，保证混凝土在实际应用中的结构质量。通过试验验证，超声波技术可以精准探测低热水泥全级配混凝土的微裂缝，微裂缝探测误差较小，有效探测碳化深度为1mm～5mm的混凝土微裂缝。超声波技术通过较高频率的测试信号，利用良好的指向性，精准探测低热水泥全级配混凝土微裂缝，实用可靠，值得推广。