超声波平测法检测混凝土裂缝深度.pdf

第 4 0卷第 6期 2 0 1 4年 l 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 9l 超声波平测法检测混凝土裂缝深度 郭伟玲， 刘 军 ( 中交四航工程研究院有限公司， 广东 广州5 1 0 2 3 0 ) 摘要： 以简化数学模型为基础， 推导了超声波平测法检测裂缝深度的计算公式。根据超声波的传播原理， 研究了 超声波声速、 实际声程和裂缝深度值的确定方法。在实验室制作试件 ， 预设不同深度的垂直裂缝， 采用平测法测定 裂缝深度值， 在此基础上 ， 探讨了超声波平测法测定混凝土裂缝深度的精度和适用范围。 关键词： 超声波； 平测法； 裂缝深度 中图分类号 ： T u l 8 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 9 1 0 3 Cr a c k d e p t h i n s pe c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e u s i n g u l t r a s o n i c p l a ne t e s t i n g me t ho d GUO W e i l i n g ， L I U J u n ( C C C C F o u r t h H a r b o r E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 2 3 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e s i mp l i f i e d mo d e l ， t h e f o r mu l a o f c r a e k d e p t h i n s p e c t e d b y u l t r a s o n i c t e s t i n g me t h o d i s d e d u c e d Ac c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f u l t r a s o n i c t r a n s mi s s i o n。 t h e d e t e r mi n i n g me t h o d s o f u l t r a s o n i c s p e e d ， r e a l s o u n d p a t h a n d c r a c k d e p t h a r e d e s c ri b e d T h e c o n c r e t e s a mp l e s a r e ma d e i n t h e l a b o r a t o r y， a n d t h e c r a c k s n o r ma l t o t h e i n s p e c t e d f a c e are p r e i n s t a l l e d B a s e d o n t h e c r a c k d e p t h i n s p e c t i o n o f t h e s a mp l e s t h e a c c u r a c y a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h e u l t r a s o n i c d i s c u s s e d Ke y wo r d s ： u l t r a s o n i c w a v e ； p l a n e t e s t i n g me t h o d； c r a c k d e p t h O 引 言 在建筑工程 中， 混凝土结构应用极其广泛， 由于 抗拉强度较低 ， 养护方 法 、 温度应力 、 干燥 收缩 以及 受力损伤等都会使混凝土产生裂缝， 因此绝大多数 混凝土构件都是带裂缝 工作 的 。裂缝 的存在既 影响结构的美观和耐久性 ， 又对结构的安全性造成 一 定的影响。为了解裂缝 的现状 ， 分析其对结构的 损害情况 ， 对混凝土的裂缝深度进 行检测是十分必 要 的。裂缝深度检测常采用超声波平测法进行 ， 根 据 国内外的研究成果 ， 我 国规 范 C E C S 2 1 ： 2 0 0 0 超 声法检测混凝土缺陷技术规程 对超声波平测法作 了一定的技术要求 ， 但是 由于现场测试 的影响因素 较多 ， 超声波平测法检测裂缝深度技术还需进一步 完善。 1 超声 波平测法检测裂缝深度的基 本原理 为 了方便理论分析并推导裂缝深度计算公式 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 5 - 2 9 作者简介 ： 郭伟玲 ( 1 9 6 3一) ， 女 ， 高级工程 师 ， 主要从事 土工 、 土工合 成材料 、 结构等 的试验研究 。 E ma i l ： u n 0 3 1 l 1 2 6 c o m 需对平测时超声波在混凝土构件的传播规律作如下 基本假设 ： 1 ) 当超声波不跨裂缝传播时， 其传播路线是直 线 ； 2 ) 裂缝与构件测试面垂直； 3 ) 忽略横波和边沿波的干涉影响 ； 4 ) 不考虑钢筋对测试的影响。 根据上述假设 ， 建立超声波平测法检测裂缝深 度的数学模型 ， 其计算简图如图 1所示 。 图 1 超声波检测裂缝深度数学模型 Fi g 1 Ul t r a s o n i c d e t e c t i o n o f c r a c k d e p t h mat h e m a t i c m o de l 图中 h为裂缝深度 ， 为超声波收发换能器的 中心距 。测量时 ， 超声波发射换能器和接收换能器 对称置于裂缝两侧 ， 假设超声波在混凝土中的传播 速度为V ， 跨缝测量时超声波的传播距离为 ， 传播 时间为 t ， 则由三角关 系可得 ： 9 2 四川建筑科学研究 第4 O卷 = ( 吾 ) 一 ( ) ( ) 将 S=v t 代入式( 1 ) ， 并经数学变换可得 ： h = ( 詈 ) 一 ( 2 ) 2 检测方法 2 1 超声波声速的确定 由式 ( 2 ) 可知 ， 要确定混凝土裂缝深度 ， 首先要 确定超声波在混凝土中的声速 。声速的确定通常有 两种方法 ， 直接计算法和现场测试法。裂缝深度测 试时， 根据构件尺寸和超声波波长的关系， 超声波可 近似认为是在无限大固体介质中传播。由超声波纵 波的传播原理可知 ， 在无限大固体介质传播时， 其波 速可按式 ( 3 ) 直接计算确定。 ( 3 ) 式中 ， E为混凝土的弹性模量 ； P为混凝土的密度； 为泊松 比。 E、 P和 均为混凝土的固有参数， 可 以通过室内试验或同类混凝土的统计结果求得。 直接计算法确定? 昆 凝土的波速需要室内试验或 统计分析 ， 测试周期较长 、 成本较高， 不利于现场测 试 ， 因此常采用现场测试法确定混凝 土的波速。测 试时 ， 超声波发射和接收换能器应置于裂缝 同一侧。 为了提高测试精度和测试效率 ， 以换能器内边缘 间 距 等于 1 0 0 mm、 1 5 0 m m、 2 0 0 m m、 分别读取 声时 ， 采用最小二乘法求出测距 与声时的回归直 线方程 ， 见 式 ( 4 ) ， 式 中 6即为平测 时超声波 的波 速 。 L 6= 0+6 ( 4 ) 2 2 超声波实际声程的修正 通过大量的现场测试 发现 ， 回归直线方程的常 数 0不等于换能器直径 ， 即在完好混凝土中， 换能器 中心之间的距离并不是超声波实际的传播距离 。研 究发现 ， 平测时超声 波在完好混凝 土中并不是按 直 线传播的， 其传播规律如图2所示。 图 2 超声波在完好混凝土的传播规律 F i g 2 Th e r e g u l a r i t y o f u l a t r a s o n i c wa v e pr o pa ga t i on i n t he i nt a c t i n c o nc r e t e 由图 2可知 ， 在完好混凝土中， 超声波并非沿混 凝土表面两个换能器的连线传播 ， 而是沿表 面一定 深度以弧线形式传播， 其声程既不是探头中心之间 的距离 ， 也不是探头边沿之间的距离 J 。因此 为提 高裂缝深度测试 的精度 ， 应采用实 际声程 z 代替换 能器中心距 进行计算。 对于现场测试法确定声速的情况 ， 在完好混凝 土中， 超声波的实际声程 f 为 J ： f：L b + n l ( 5 ) 将 f 代替 代人式( 2 ) ， 可得最终裂缝深度计算 = 2 3裂缝深度跨缝测试 将超声波发射和接收换能器分别置 于裂缝 两 侧 ， 分别以不同间距测读声时 ， 并注意首波的变化情 况 ， 根据式( 6 ) 分别计算裂缝深度 。实践表明 ， 当收 发换能器的间距过小时， 超声波波形严重畸变 ， 声时 。 贝 0 量的误差增大 ， 导致裂缝深度测量误差极大， 因此 规范对两个换能器的最小 间距做 了限制 ， 现场跨缝 测量所采 用 的测 距 通 常为 1 0 0 mm、 1 5 0 m m、 2 0 0 mm、 2 5 0 mi l l 、 。以不 同间距 跨缝测量后 ， 得 到多个裂缝深度计算值 ， 为了提高测量精度 ， 需对这 些数据进行一定 的处理。根据现场测量情况 ， 当发 现首波反相时 ， 取该测距及两个相邻测距 的测量值 按式( 6 ) 计算裂缝深度 ， 取 3个深度 的平均值作 为 该裂缝的深度值。当跨缝测量中难以发现首波反相 时， 以各个测距按式( 6 ) 计算裂缝深度及其平均值 m ， 将测距 z 与 m 比较 ， 剔除 z 小于 m 和大于 3 m 的数据， 取剩余计算深度平均值作为该裂缝深度 值 。 3测量误 差及适用范 围分析 超声波平测法检测裂缝深度具有不损伤结构 、 检测速度快等优点 ， 在 国内外得 到 了广泛 的应 用。 但是由于混凝土结构和裂缝形态 的复杂性 ， 各种测 试方法的精度和使用范 围难以准确确定 ， 国内外这 方面的研究也相对较少 。 通常情况下 ， 混凝土构件 内部 的裂缝分布极不 规则 ， 纹理结构复杂多变 ， 超声波传播 到裂缝位置 ， 经过复杂的反射和衍射， 声能衰减严重 ， 使得测试结 果 比较杂乱 ， 难以进行精确的分析研究 ， 因此在研究 分析时经常采用人为设置的连续规则裂缝 。为 了简 单直观的研究规范 C E C S 2 1 ： 2 0 0 0 超声法检测混凝 土缺陷技术 规程 规定 的超声 波平测 法 的测 量精 度， 确定超声波平测法测试裂缝深度的适用范围 ， 在 2 0 1 4N o 6 郭伟玲， 等： 超声波平测法检测混凝土裂缝深度 9 3 试验室制作标准混凝土试件， 尺寸为3 5 c m 5 0 c m x 1 5 0 c m， 内部不设钢筋 ， 在垂直测试面方向预设裂 缝 ， 如图 3 、 图 4所示 。裂 缝深度分别 为 1 0 mm、 3 0 mm 5 0 mm 1 0 0 mm 、 1 5 0 mm 2 00 mm 2 5 0 mm 3 00 m m、 3 5 0 mm， 裂缝宽度为 2 3 m m。 图 3 试件立面 F i g 3 El e v a ti o n o f t h e c o n c r e t e s p e c i me n s 图 4 试件 平面 F i g 4 P l a n o f t h e c o n c r e t e s p e c i me n s 裂缝深度测试采用武汉岩海公司生产的 S T 0 1 D ( P ) 跨孔超声波检测仪 ， 换能器频率为 4 0 k H Z， 直径 为2 7 m m， 耦合剂采用黄油。测量前， 采用实测法标 定超声波系统 的零声 时 ， 标定结果 为 1 6 U S 。测试 时 ， 对裂缝进行检查 ， 保证测试面干燥 ， 裂缝深度范 围内无杂物。按不跨缝测量的方法确定超声波的声 速和实际传播的声程， 按跨缝测量方法对裂缝深度 进行测量 ， 发射和接受换能器 内边沿的间距分别为 1 0 0 m m、 1 5 0 mm、 2 0 0 m m、 。对测试数 据按本 文的方法进行数据处理 ， 具体测试结果见表 1 。 表 1 裂缝深度检测 结果 T a b l e 1 Th e r e s u l o f c r a c k d e p t h d e t e c ti o n 以试件编号为 轴 ， 分别 以实测裂缝误差 、 预设 裂缝深度和实测裂缝深度为 Y轴 ， 绘制误差和裂缝 深度变化曲线 ， 如图 5 、 图 6所示。 对试验结果进行分析 ， 可得如下结论 。 1 ) 当裂缝深度小于 3 0 mm时， 超声波平测法无 法确定裂缝深度值 。主要原 因是 为 了减小测量误 差 ， 超声波收发换能器的最小测量距离为 l oo m m， 此时各测距均大于3 倍裂缝深度， 测试误差较大， 各 测试数据均因无法满足数据处理条件而被剔 除， 导 l 2 8 垂 。 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 试件编号 图 5 实测裂缝误差变化 曲线 F i g 5 Th e c u r v e o f me a s u r e d c r a c k e r r o r c h a n g e J 2 3 4 5 6 7 l U 构件编号 图 6 裂缝深度变化 曲线 Fi g 6 Th e c u rv e o f c r a c k d e p t h c h a n g e 致无法确定裂缝深度值 。 2 ) 当裂缝深度介于 5 02 5 0 n l m之间时， 裂缝 深度实测值的误差在 5 以内， 测试精度较高。 3 ) 当裂缝深度大 于 2 5 0 m m 时， 测量误差明显 增大。主要原因是当裂缝深度较大时， 超声波绕过 裂缝 到达接收换能器 ， 超声波衰减严重 ， 波幅大幅降 低 ， 波形严重畸变 ， 读取声时时误差极大 ， 甚至会误 读后续波 ， 导致检测结果误差较大。 4 结 语 通过本文的分析可知， 对于深度介于 5 0 2 5 0 mm 的垂 直 裂 缝 ， 当 无 钢 筋 影 响 时， 现 行 标 准 C E C S 2 1 ： 2 o o o ( 超声法检测 昆 凝土缺陷技术规程 规 定的超声波平测法 ， 对裂缝深度测量的精度较高 ， 其 误差在 5 以内。 参 考 文 献： 1 周文 施 工 中混凝 土裂缝 的控 制措施 J 水运 工程 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 8 9 - 9 1 2 林维正， 苏 勇， 洪有根 混凝土裂缝深度超声波检测方法 J 无损检测， 2 O O l ， 2 3 ( 8 ) ： 3 2 3 - 3 2 6 3 罗 骐先 桩 基 工程 检 测 手册 M 北京 ： 人 民交 通 出 版社 ， 2 0 0 4 4 邢其君 超声波法对 昆 凝土构件裂缝深度检测探讨 J 青海 交通科技 ， 2 0 o 4 ( 6 ) ： 5 9 6 5 C E C S 2 1 -2 0 0 0超声法检测混凝土缺陷技术规程 S 6 童寿兴 ， 张晓燕 ， 金元 超声波首 波相位 反转法 检测混 凝土 裂缝深度 J 建筑材料学报 ， 1 9 9 8， 1 ( 3 ) ： 2 8 7 - 2 9 0 瑚 抛 o g 越