超声检测技术在混凝土裂缝检测中的应用.pdf

2 0 1 4 年第3 期 西南公路X I NA NGO NG L U 超声检测技术在混凝土裂缝检测中的应用 何成贵 ( 绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司 四川绵阳 6 2 1 0 0 0) 【 摘要 】 介绍了混凝土超声检测技术的检测原理、检测方法，并结合工程 实 例分析 了该技术在混凝土 无损检测 中的应 用。 【 关键词 】混凝土裂缝 ； 超声检测；无损检测 【 中图分类号 】P 6 3 1 ． 5 【 文献标识码 】A 1 超声法在混凝土检测 中的特点及 重要意义 混凝土结构在施工过程中常因各种原 因产生各 种缺陷，严重危害建筑物的安全和耐久性。这些缺 陷包括内部蜂窝状疏松区、空洞 、裂缝 、内部夹杂 物、接合面缺陷及表层损伤等。如何探测 出这些缺 陷的位置及范 围以便及 时消除缺陷是很重要 的事 情 。超声法的一大突出特点是不但能测量混凝土强 度 ，还可以探测混凝土结构 内部缺陷 ，是 目前应用 最广泛的混凝土无损检测技术 。 混 凝土 结构 裂缝影 响结构 安全 及耐久 性 ，无破 损地探测裂缝深度对于判断裂缝危害性 、制定处理 方案具有重大意义。超声法在探测混凝土结构裂缝 深度的应用中具有独特的优点。 2 裂缝探测方法及原理 2 ． 1 表面平测法 当裂缝深度不是很深 ，一般在5 0 c m以内，可以 用表面平测法进行测定。 2 ． 1 ． 1 测 试 原 理 如图1 ，当换能器 、 分置于裂缝两侧时，由 发射的超声波一部分沿表面传播 ，由于裂缝 的反 射不能直接到达接收换能器 。但另外一部分超声 波在混凝土中由 经 c。绕过裂缝到达 。这时，测 到的传播时间t 应大于经表面传播的时间。 r C， 图1 平测法测裂缝 在裂缝附近布置换能器 ，并使A D= A B= I ，测出 超声波沿无缝表面传播时间 ，并以此代表假设没 有裂缝情况下换能器在 、B处测得的传播时间。 根据三角形边长关系可导出裂缝深度h 为： 2 l _ 1 (1) 式中 一不跨缝平测声时；卜一 跨缝平测声时 ； f _ 一换能器测距。 2 ． 1 ． 2 测试步骤 (1)不跨缝平测 ：先在裂缝附近进行不跨缝 测量。在裂缝 附近无缝处划一直线 ，在直线上再划 出 1 0 0 、 1 5 0 、2 0 0 m m⋯的短线 。将一换能器置于 点不动 ，另一换能器分别距 换能器 ( 内边缘 )为 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 mm⋯ ⋯ ( 、厶 、厶 ⋯⋯ )，测 量不跨缝声时t ． 。 、 。 、 。 ⋯⋯。 (2)跨缝平测 ：垂直于裂缝划一条直线，在 直线上以裂缝为中心 ，向两端划短线 。每对短线间 【 收稿 日期】 2 0 1 4 — 0 6 — 3 0 【 作者简介 】 何成贵( 1 9 8 5 一 )，男，四川绵阳人，大学本科，助理工程师，主要从事桥梁及隧道试验检测工作。 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 西南公路 距离也为 1 0 0、1 5 0、2 0 0 m m⋯⋯。将换能器置 于 每对测线上 ，测量超声波绕经裂缝 的传播时间t 。 、 、 ⋯⋯ o 【 a J不 呀 缝 平 _删 【b)跨 缝 半 测 图2平测法测 量裂缝 深度 2 ． 1 ． 3数 据 处理 (1)求 “ 时距图” 以不跨缝各测点声 时 t ． 。 、t 2 。 、t 3 。 ⋯⋯为横 座 标，测距 、 ⋯⋯为纵座标 ，点绘出 “ 时距 图”并将 各点 连成 一条 直线 ( 图 3)。 以直线 回归 方法求出方程式 l = a + b t ~ 中的待定系数a、b。其中 是直线在纵座标上的截距。 ，( c i n) 图 3时～ 距 图 (2) 计算超声实际传播距离 超声实际传播距离l T + t , l a I 式中， 一第 f 点超声实际传播距离 ； 一第 f 点超 声换能器内边缘距离；n 一 “ 时距图”中的截距。 (3)计算裂缝深度 计算在各个测距下裂缝的计算深度h ： ^ = 2 I ( t~ ／ I一 1 (2) 式中h 一测点 改 裂缝的计算深度t 一测距为 时跨缝与不跨缝测得的声时；， 一第1 次超声实际传 播距离。 (4 ) 结果处理 计算在不 同测距 下各裂缝计算深度 的平均值 h 。把各 测距 中凡 ， 3 h 的那些组数据舍 仃 弃，以剩下的各计算裂缝深度的平均值作为裂缝深 度的最后结果。 2 ． 1 ． 4 关于波形反相 在平测 法测 裂缝 中有 一个 有趣 的现象 ，那 就是 波形反相。当我们从短测距开始作跨缝测量时 ，随 着测距增大 ，到某一测距时 ，会发现波形发生翻 转 ，这就是波形反相 。例如，当换能器在裂缝两侧 相距 1 5 c m时 ，波形如图4 口)，首波是向下的。当 测距 增 加至 2 0 c m时 ，波形 变成 图 4 b)，首 波 变成 向 匕 。 ( a J 【b) 图4 波形反相 跨缝测量中首波反相的原因有待进一步探讨 ， 但有一点是明确的：首波反相是在换能器间距离大 致为裂缝深度的 1 — 1 ． 5 倍左右时发生。 根 据这一 情况 ，新修订 的超 声测 缺规程 中除列 出了上述测量步骤外 ，作为另一种手段 ，增列了波 形反相法。即在跨缝测量时 ，随着换能器测距 的增 加 ，观察 波形反相 发生 在哪一 个测距 处 。然 后 以发 生波形反相处及前一个测距处的数据计算裂缝深度 并取其平均值作为最后测定结果。 2 ． 1 ． 5 关于钢 筋的影响 平测法测裂缝深度时应注意钢筋的情况 。当有 钢筋垂直穿过裂缝并与换能器连线大致平行时 ，如 图 5 所示 。 n n n Q l 1 ＼I 平面俯视 图 断面 囤 图5钢筋时裂缝 测量的影响 若钢筋与换能器连线间的距离 D较小时，部分 声波将折射人钢筋并沿钢筋传播且先于绕裂缝末端 传播的声波到达接收换能器。显然 ，这时的钢筋像 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 何成贵：超声检测技术在混凝土裂缝检测中的应用 一 座搭在深谷 ( 裂缝 )上的 “ 桥” ，使声波的传播 “ 短路”，结果是 ：计算的裂缝深度变小 ，甚至为 负数。在测量裂缝时 ，换能器连线应避开钢筋一定 距离。经计算与试验验证 ，应避开的距离D应大于 或等于裂缝深度的 1 ． 5 倍 。当然 ，预先不知道裂缝深 度 ，但可以在尽量远离钢筋情况下进行预测 ，根据 预测 的裂缝 深度结 果 ，看 是否 满足上 述要求 。如 不 满足 ，则计算 出的裂缝深度因钢筋的存在 比实际裂 缝 深度要小 。 2 ． 2 双面斜测法 当裂缝所在结构具有两个相对测试面时，可采 用 双面斜测法测裂缝 。 2 ． 2 ． 1 布 置测线 如图6 所示 ，一矩形梁两侧各有一条裂缝 ， 分别 以A和 表示 。这是梁的侧面图。现不知道这两条 缝各有多深 ，是否贯穿。这种情况可 以采用双面斜 测法进行扫描测量。在裂缝A一侧布置测点 1 、2、 3 、4、5 ⋯⋯，在裂缝 一侧也布置测点 1 、2 ‘ 、 3 、4 、5 ⋯⋯ 。让 1 ～ 1 、 2 ～ 2 、 3 ～ 3 、4 ~ 4 、 5 - 5 测线斜穿过裂缝所在平面A B。作为 比较 ，再布 置6 ～ 6 测线作为无缝混凝土的比较基准。以上所有 测线都是相同斜度和测距。 端视图 图6斜 测 法 测 裂缝 2 ． 2 ． 2 测量 测量各条测线的声时与振幅值。以振幅作为主 要判断依据，因此应充分注意换能器与混凝土表面 耦合 良好 、一致。 2 ． 2 ． 3判 断裂缝 1 到5 号测线均穿过裂缝所在平面。若裂缝深到 某条 测线 ( 本 图中为 1 ～ 1 、5 ～ 5 )，由于裂缝对声 波的剧烈反射 ，该条测线所测振幅将大大降低 ，一 般 降低一半 以上 。另外 ，该测线声时也会 有所延 长。根据各条测线振幅 、声时测值与6 - 6 测线的对 比，判断裂缝深入到哪条测线，从而确定裂缝的深度。 2 ． 3 钻 孔对 测法 当某些大体积混凝土结构 ( 如坝体 、底板 、廊 道 、墙体等 )出现深度超过 5 0 c m深的裂缝 ，又无相 对的二个面可供测量时，只有采用钻孔对测法 ，用 径 向换 能器在 钻孔 中测量 。 2 ． 3 ． 1 布置钻孔 1 ’ 0 《 f l a)半 面 图 b)钻 孔 图 C)孔 深 ～ 振 幅 图 图7 钻 孔对测法测裂缝 如图7 Ⅱ 所示，在裂缝两侧 ，对称于裂缝布置一 对 测试 孔 和 。A、 测孔距 离 宜为 2 m左右 ，孑 L 深应超过裂缝预计深度 5 0 c m以上 。另外 ，最好在 孔一侧再钻一个深 l m以内的浅孔 c，作为 比较 孔。 、c间孔距与 、日间孑 L 距相等。所有钻孑 L 孑 L 径应 比所用换能器直径大 1 5 mm以上 ( 一般为风钻 孔 )。钻孔应清洗，注满清水。 2 ． 3 ． 2超 声测量 先 将 径 向换 能 器分 置 于 B、 c孑 L ，测 量无缝 混 凝土的声学参数 ( 声时、振幅 ) 作为 比较的基础。 再将换能器置于 、 钻孔 ，以相同的高度从上到 下等间距同步对测。测点间距宜为2 0 c m。测量参数 以振幅为主 。 2 ． 3 ． 3结果整理 、分析 以换能器所处孔深h 为纵座标 ，振幅测值为横 座标绘制 孔深 ～振 幅变化 图 ，如图 7 c 。因为裂缝是 上宽下窄，逐渐闭合 ，所以振幅测值随孔深增大而 增大 。当换能器达到某一深度 h 后 ，整幅达到最大 值并基本稳定，则此时的h 就是所测裂缝的深度。 需要 指 出 ：所测 裂缝 内不能 积水 ，否则 将影 响 探测结果，甚至不能进行探测。 3 超声法在实际工程 中的应用 3 ． 1 工程概述 龙泉湾大桥位于绵遂高速公路 ( 绵阳段 )L J 一 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 西南公路 7 合 同段 ，上部结构均为简支结构，采用 3 0 m预制 T 梁。工程在建设期间部分已架设梁板局部出现裂 缝 ，根据委托 ，专业技术人员对出现裂缝的T 梁进 行了裂缝专项检测 。出现裂缝的梁板编号 ( 龄期 ) 为 ：右 幅 1 2 — 4 (1 0 7 d)。 3 ． 2 主要检测设备 主要检测仪器设备见表 1 ： 表 1 主要检测仪 器设备表 序号 仪器设备名称 型号规格 国别产地 1 裂缝测深仪 Z B L ． F 6 0 0 中国 北京 2 裂缝测宽仪 Z B L - F 1 0 l 中国 北京 3 数码相机 柯达C 3 5 0 中国 4 卷尺 、黄油等小型工具 ， ／ 3 I 3 检 测结果 技术人员对指定的出现裂缝的梁板进行了逐一 细致的检测 ，裂缝为腹板上的竖向裂缝 ，该类裂缝 对称出现于腹板两侧 ，分布于端横隔板与中横隔板 之间、中横隔板与中横隔板之间 、横隔板与腹板交 接处。最高延伸至腹板与翼缘板交接处，最低延伸 至马蹄下部 ，长度 1 4 0 c m～ 1 6 0 c m。 部分裂缝检测结果见表 2 。 表2 龙泉湾大桥 右幅1 2 — 4 号T梁裂缝检测表 构件名称 裂缝 条数 总长度 宽度 平均 宽度最大 深度平均 深度最大 或编号 描述 ( 条) ( c ll 1 ) 值( mm ) 值( m m1 值( m m ) 值( m m) 龙泉湾大桥 腹板 右幅 1 2 - 4 竖向 2 3 0 0 0 ．0 3 0 0 4 2 2 3 1 3 ． 4检测中注意事项及体会 根据在实际检测中的实践经验及体会 ，应用超 声法检测混凝土裂缝还需要注意一下事项 ： (1)裂缝 内要干净 、洁净 ，不得有水或泥土 等杂物； ( 2)声速测试时，可 以多测几次 ，取其 中一 个较稳定值 ；如果每次声速值差距较大 ，就要寻找 原因，或重新选定混凝土区域进行测试 ； (3)正常混凝土声速在 3 5 0 0 ~ 4 5 0 0 m ／ s 之间， 如果超出这个范围，就需要查找探头表面是否抹耦 合剂 ，测试区域是否有细小的裂缝 ，检测仪工作是 否正常等 ； ( 4)裂缝深度测时，有时数据离散性特别大 时，检测仪可能会提示错误，这时最好换一个测点 重测 。 4 结束语 混凝土超声检测技术应用于混凝土内部缺陷检 测是一个 比较科学可靠的方法 ，特别对 内部裂缝范 围的检测是 目前可行性最高的方法。因此 ，混凝土 超声检测技术的广泛应用和发展对加强混凝土质量 的监控和检测 ，保证和提高混凝土质量具有重要的 意义。 参 考 文 献 [ 1 ]林维正 ． 混凝 土超声检测 的进展 [ J 】 ． 无损检测 ，2 0 0 2 ，2 4 ( 1 0 ) ： 4 2 8 - 4 3 1 ． [ 2 ]吴慧敏 ． 结构混凝土现场检测技术 [ M] ． 长沙 ： 湖南大学出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 3 ]商涛平， 童寿兴． 混凝土裂缝深度的超声波检测方法研究f J 1 l 无损检测 2 0 0 2 ， 2 4 ( 1 ) ： 6 — 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m