基于超声波法水工混凝土裂缝注胶质量检测分析

刘 阔

(辽宁省清河水库管理局有限责任公司，沈阳 110000)

受长期冲击荷载、温度荷载、材料自身收缩徐变以及施工技术等因素作用，水工混凝土会产生许多结构缺陷，其中最常见的缺陷就是混凝土裂缝[1]。裂缝的不断延伸与发展给结构的耐久性和安全性造成严重影响，必须及时检查和分析裂缝，并结合裂缝的尺寸深度、产生原因及性质进行加固处理[2-4]。目前，化学注胶法和表面抹胶封闭法是混凝土裂缝加固处理的常用方法。对于封闭修补表面抹胶的裂缝，依据表面抹胶修补的裂缝饱满度和均匀性可以直接判定裂缝修补质量，而化学注胶修补的裂缝位于结构内部，其裂缝修补质量的检测逐渐成为工程技术人员关注的热点问题[5-6]。根据现行加固规范可以利用钻芯取样法，通过芯样劈裂试验判定裂缝修补后的质量，从而反映出裂缝修补的状况。但该方法只能判定局部裂缝修补后的质量且钻芯形成的孔洞给结构带来二次损伤，其推广应用受到一定限制。超声波法是一种操作简单且能够较好地解决钻芯样给结构造成二次损伤及检测范围小等问题的无损检测技术，已广泛应用于预应力管道密实度、结构厚度、内部缺陷及混凝土裂缝深度检测等领域[7-9]。结合现有研究成果，对水工混凝土裂缝注胶质量利用超声波法检测的研究还现有报道。因此，文章在混凝土梁上采用不锈钢钢板预制6条裂缝(深度150mm)，按照30mm、45mm、60mm、90mm、120mm和150mm深对该混凝土梁预制裂缝进行注胶修补处理，对修补后的每个裂缝再应用单面平测法进行超声法检测，结合试验数据提出裂缝注胶修补质量判定标准，大大提高了工程检测效率，可为其他类似工程裂缝修补质量检测提供了一定技术支持。

1 超声波检测法

1.1 基本原理

对裂缝注胶质量利用超声波法检测时，应符合以下基本条件：①裂缝周边的混凝土强度、密实度、声速与完好混凝土基本相同；②跨缝测量时，以绕过裂缝末端从发射换能器到达接受换能器作为首波信号传播路径。

完好混凝土中超声波沿表面传播，若遇裂缝则会沿裂缝端部绕行传播，从而使得传播距离和首波声时增大。裂缝修补密实后会打通原有阻碍声波传统的路径，该条件下与完好混凝土的传播路径相同，超声波传播路径如图1。因换能器之间的测距远远大于裂缝宽度，所以测量结构基本不受裂修补物质的波速变化影响。

图1 超声波的传播路径示意图

1.2 判定依据

若仅仅修补裂缝表面而未修补其内部，依据最小路径传播原理可知此时测定的完好云凝土与修补后的混凝土声时基本相同。该条件下单纯地依靠首波声时会导致修补质量的误判，所以超声波波幅也是衡量能量传播的重要参数。混凝土内部存在裂缝时超声波的能量传播会出现衰减，波幅数值也会出现一定的减小，而裂缝修补密实后波幅衰减较少。因此，完好混凝土与裂缝修补后的混凝土首波声时基本相同，此外还要比较完好混凝土与修补后混凝土的首波波幅，两者越接近则注胶质量越好。

设每个裂缝修补后的测点分别有n个，测点i的某参数测量值xi，某参数的实测平均值mx，标准差为Sx，其计算公式为：

(1)

(2)

标准差越小则测试数据的稳定性越好，混凝土裂缝注胶质量也就越均匀；若测试参数的标准差不小于完好混凝土对应参数与裂缝修补后测试参数平均值之间的绝对误差，则等同于完好混凝土与混凝土修补后对应参数保持一致，即裂缝修补质量达到工程加固的设计要求。因此，文章利用公式(3)-(4)计算裂缝修补完好时混凝土的首波波幅及声时，即：

(3)

(4)

2 试验研究

2.1 试件加工

为反映超声波首波波幅及声时在不同注胶饱满度裂缝中的差别，本研究现场浇筑C30混凝土梁(尺寸：长2000mm×高250mm×宽500mm)，在梁上采用不锈钢钢板预制出6条长500mm×宽20mm×深150mm的裂缝，从左到右预制裂缝编号依次为A-F。

现场依据需要预制预制裂缝的位置和混凝土梁构造尺寸加工木模板，将长500mm×宽2mm×高200mm并涂有润滑剂的不锈钢板掺入木模板裂缝预设的位置，完成木模板制作。为防止出现硬化后不锈钢板难以抽出的情况，混凝土初凝后将不锈钢板每隔1h晃动一下，晃动过程中把润滑剂沿不锈钢板两侧注入；混凝土终凝前适当增大晃动概率，并在终凝前及时不锈钢板抽出。

2.2 检测方法

首先，在混凝土梁浇筑完成28d后，打磨试件表面使其测试面保持平整，然后在完好区按照100mm、150mm、200mm绘制3对测试点，编号依次为1-1′、2-2′、3-3′；沿裂缝对称布置3对测试点，编号依次为a-a′、b-b′、c-c′，测试点沿着宽度方向间距及跨缝间距均为100mm，如图2所示。

图2 预制混凝土梁缝的单面平测网格

采集数据时将凡士林耦合剂涂抹于测试点处，并按照跨缝及不跨缝两种方式用超声波检测仪进行测试。不跨缝检测时应在混凝土梁完好区域安放T、R换能器进行数据采集，跨缝检测时要在混凝土裂缝两侧安放T、R换能器进行数据采集。

2.3 数据采集

按照未处理裂缝、表面抹胶裂缝和注胶裂缝3个阶段进行试验检测数据采集，具体如下：①构件达到养护龄期后，对6个裂缝区域及混凝土完好区域进行第1次首波波幅及声时数据采集。②初始数据采集完成后，对裂缝A-E的30mm、45mm、60mm、90mm和120mm深位置处插入1根表面涂抹结构胶的矩形钢丝条，截面2mm×2mm；钢丝条固定后将钢黏胶涂抹于裂缝A-F表面，表面预留出气孔及注胶孔；钢黏胶硬化后对6个裂缝区域，在第1次数据采集点处进行第2次首波波幅及声时数据采集。③表面抹胶数据采集完成后，沿裂缝表面预留的注胶孔注入调配好的灌封胶，注射过程中要维持稳定压力，确保灌封胶能够充分渗入A-F裂缝缝隙，以灌封胶从出气孔流出作为完成预设裂缝深度灌注的标准。③灌封胶经几个小时硬化后，对6个裂缝区域仍在第1次数据采集点处进行第3次首波波幅及声时数据采集。

2.4 数据分析

在混凝土梁完好区域第1阶段测试的首波波幅及声时数据，如表1所示。采用最小二乘法对表1中实测数据进行拟合处理，绘制超声波测距-首波声时图，如图3所示。

表1 混凝土完好区各测点波幅及声时

结果显示，完好区混凝土超声波测距与声时呈明显的线性关系，拟合线未通过原点表明还存在一个修正量B，即2个换能器之间的测距并非超声波单面平测的实际传播距离。线性回归分析混凝土完好区域的首波声时ti与各对应测距li的关系，可以建立直线方程：

(5)

(6)

l=vt+B

(7)

式中：l、v为超声波的实际传播距离和传播速度；li、ti为各监测组的换能器中心距和超声波首波声时；n为检测组数。

采用公式(5)可以求出完好区域混凝土超声波理论波速为3.772×103m/s，测距修正量22.8mm，经归回分析构建线性方程l=3772t-22.8，由此可以计算出测距100mm时完好区域混凝土理论首波声时26.1μs。跨A-F裂缝测点3个阶段单面平测首波声时检测结果如表2所示。结果显示，完好混凝土的首波声时比修补前的6个裂缝小；裂缝表面注胶及抹胶后钢黏胶连通了原有断开的传播路径，完好混凝土首波声时与此时检测的首波声时平均值之间的绝对误差均小于标准差。实际上，在第2个阶段A-F裂缝仅仅是表面抹胶，第3阶段并未完全修补裂缝。所以，单纯的依靠首波声时并不能全面地判定裂缝修补质量。

表2 单面平测法跨缝测点首波声时

续表2 单面平测法跨缝测点首波声时

跨A-F裂缝测点3个阶段单面平测首波波幅检测结果如表3所示。结果显示，裂缝表面抹胶后及裂缝未修补前检测的裂缝区域较混凝土完好区域的首波波幅较小，并且检测的首波声时标准差小于完好混凝土与裂缝表面抹胶后首波声时平均值的绝对误差，这表明裂缝还没有修补，检测结果与实际情况保持一致。按30mm、45mm、60mm、90mm、120mm和150mm深对A-F裂缝灌浆修补后，检测的A-E裂缝区域首波波幅小于混凝土完好区域，且检测的首波声时标准差小于混凝土完好区首波声时与A-E裂缝首波声时平均值之间的绝对误差；检测出完全修补的F裂缝首波波幅与混凝土完好区基本相同，且检测的首波声时标准差小于混凝土完好区首波声时与F裂缝首波声时平均值之间的绝对误差。为进一步检验注胶效果，通过钻芯取样检测混凝土梁，结果显示除F裂缝灌浆饱满外其他裂缝均不饱满，这与超声波检测结果基本相符[10-14]。

表3 单面平测法跨缝测点首波波幅

3 结 论

1)对裂缝内部注胶处理或仅修补表面时，测得的首波声时标准差小于混凝土完好区首波声时与裂缝修补后首波声时的绝对误差，表明单纯的依靠首波声时并不能全面地判定裂缝修补质量。

2)波幅是衡量超声波传播能量变化的重要参数，混凝土内部存在裂缝时能量传播会发生衰减，波幅也有一定的减小，而裂缝修补密实后发生的波幅衰减较少。因此，混凝土完好区域首波波幅与此时测得的首波波幅保持一致，并且检测的首波声时标准差高于混凝土好首波声时与裂缝修补后首波声时平均值之间的绝对误差。

3)混凝土完好区域与裂缝修补后的首波声时保持一致，但还需要结合完好混凝土波幅与裂缝修补后首波波幅的比较结果，测试参数的标准差大于完好混凝土与裂缝修补后对应参数的绝对误差，才能准确判定出混凝土裂缝注胶质量完好。