超声单面平测法检测混凝土裂缝深度的探讨

石　伟（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院）



超声单面平测法检测混凝土裂缝深度的探讨

石伟
（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院）

【摘要】单面平测法测试裂缝深度主要运用于混凝土结构的桥梁、隧道、房屋建筑等实体，测试依据为《超声检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21：2000），本文对规程（CECS 21：2000）中相关测试方法及主要参数进行了阐述及解释，并通过工程实测数据，对应用中存在的一些问题进行探讨分析。

【关键词】混凝土裂缝；超声波；裂缝深度值

1　概述

规程（CECS 21：2000）中介绍的检测混凝土的非贯通裂缝的深度方法有单面平测法、双面斜侧法和钻孔对侧法，根据现场检测条件可选取相应方法对裂缝深度进行测试；当结构的裂缝部位只有一个可测表面，估计深度又不大于500mm时，可采用单面评测法。

2　测试现场的条件要求

⑴依据检测要求和测试操作条件，确定缺陷测试的部位（简称测位）。

⑵测位混凝土表面应干燥、清洁、平整，必要时可用砂轮磨平或用高强度的快凝砂浆抹平，抹平砂浆必须与混凝土结合良好。

⑶换能器应通过耦合剂与混凝土测试表面保持紧密结合，耦合层内不得夹杂泥砂或空气。

⑷检测时应避免超声传播露筋与附近钢筋轴线平行，如无法避免，应使两个换能器连线与该钢筋的最短距离不小于超声测距的1/6。

⑸当采用厚度震动式换能器平测时，宜用钢卷尺测量T、R两换能器的内边缘距离。

3　现场测试过程

测试过程分为不跨缝测量和跨缝测量两个步骤，两次测量区域为同一实体的不同区域，详解如下：

⑴不跨缝测量

本步骤可称基准测量，其目的是为了取得超声脉冲在该混凝土实体中不受裂缝影响情况下的声速值（v）和某一测试标距对应的声波传递距离真实值（li）。操作时将发射和接收换能器放置在裂缝附近的同一侧，测试标距以两换能器内边缘间距（l‘）等于100、150、200、250mm……分别读取声时（ti），并作记录。

图1　平测法裂缝深度测试跨缝测量布点示意图（单位：mm）

⑵跨缝测量

本步骤目的是测得跨缝时某一测试标距的超声波传递声时值（t0i），操作时将发射和接收换能器分别放置在以测位裂缝走向为平面对称轴的两个对称点，测试标距以两换能器内边缘间距（l‘）等于100、150、200、 250mm……，如图1所示，分别读取声时（t0i），并作记录。

4　结果计算

⑴不跨缝测试中声速值（v）、某一标距的声波真实传播距离（li）的计算

根据不跨缝测量结果，绘制“时-距”坐标图（CECS 21：2000图2）或用线性回归分析的方法，求出声时与测距之间的回归直线方程：

图2　平测“时-距”图

li=a+bti

每测点超声波实际传播距离li为：

式1中：

li——第i点的超声波实际传播距离（mm）；

l‘——第i点的R、T换能器内边缘间距（mm）；

a——“时-距”图中轴的截距或回归直线方程的常数项，a=a1+a2（mm）。

不跨缝平测的混凝土声速值为：

或v=b（Km/s）

式2中

l＇n、l＇1——第n点和第1点间的测距（mm）；

tn、t1——第n点和第1点读取的声时（μs）；

b——回归系数

⑵裂缝深度计算

计算模型图如（CECS 21：2000图3）所示，用li值代替l‘值，得到平测法测试裂缝深度近似计算公式：

图3　绕过裂缝示意图

式3、4中

li——不跨缝平测时第i点的超声波实际传播距离（mm）；

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hci——第i点计算的裂缝深度值（mm）；

t0

i——第i点跨缝平测的声时值（s）；

mhc——各点计算深度的平均值（mm）；

n——测点数

5　计算结果的判定

⑴跨缝测量中，当在某测距发现首波反相时，可用该测距及相邻的2个测距的测量值按（式3）计算值hci，取此3点的平均值作为该裂缝的深度值（hc）；

说明：激发弹性波（超声波、声波）信号在混凝土中传播，穿过裂缝端点时产生衍射，其衍射角度与裂缝深度有一定几何关系。当发射点和接收点沿裂缝对称布置，从近到远逐步移动，当激振点与裂缝距离与裂缝深度相近时，接收信号的初始相位会发生反转，称为平面裂缝深度测试的相位反转法，也是目前最为准确的超声波裂缝深度测试方法。

⑵跨缝测量中如难于发现首波反相，则以不同测距按（式3）、（式4）计算（hci）及其平均值（mhc）。将各点测距l‘与mhc相比较，凡测距小于mhc和大于3mhc，应剔除改组数据，然后取余下hci的平均值，作为该裂缝的深度值（hc）。

6　应用过程中存在问题的探讨

⑴规程计算过程考虑的误差影响因素

存在两个误差值的影响量，如图4所示，平测法时每个标距所测（ti）所对应的真实传播距离（li）均应比图中L1标距要大，因为声波传递形态肯定是如图L2、L3所示一般的弧线，到底这条弧线长度比标距大多少，不能确定，同种测试介质认为它是一个常数，把这个影响量的量值计为a1；其次换能器发射面和接收面有一定的宽度，目前我们使用的换能器测试面宽度为37.5mm，我们不能确定声波发射和接收的截止位置，可能是图4中L2和L4之间的某一位置，不能确定是不是L3所在位置，这对传播真实距离（li）有影响，对于测试标距L1，这个量肯定是增量，其量值有多大，也不能确定，但是我们认为同一对换能器在同种测试介质情况下，这个量是一个常数，同时把它计为a2。规程计算通过回归分析的方法，最大限度地消除了这两个量对计算结果的影响。

图4　无裂缝声波传递示意图

⑵实操过程的误差影响因素

T、R换能器测距过小或远大于裂缝深度，声时测试误差较大，t0i、ti对计算裂缝深度影响较大，所以对两个换能器的测距作了限制。

⑶式3近似计算中li代替l‘对真实结果的影响

如何才能更精确地计算裂缝深度真实值，用实例来说明，表1为一组实测数据：

表1　某结构混凝土裂缝平测法深度测试记录

表2　某结构混凝土裂缝平测法深度测试各次测试结果（mm）

其平均深度mhc=78.62，按要求需剔除测试标距为250mm、300mm两组数据，取余下数据的平均值，最终裂缝深度判定值为72.08mm。

图5　

计算模型中，用li直接代替l‘进行计算，测试标距为100mm时，这个计算长度增加了8.4%，标距为150mm时，计算长度增加了5.6%，依次类推，在允许范围内测试标距越大，裂缝深度计算准确率越高。按照上述分析，在满足规程声时测试误差要求的前提下，测距最接近3mhc的那一次测试的结果更接近裂缝深度真实值。

⑷如何减小测试过程中钢筋的影响

规程说明中提到：通过理论计算，当T、R换能器的连线与钢筋的最小距离大于测距的1/6时，可避免钢筋影响。

当声波跨缝在混凝土中传播到达接收器的距离比声波通过钢筋传播到达接收器的传播距离短，前者信号先到达接收器，才能避免钢筋对测试的影响。所以钢筋的影响与裂缝深度相关，规程没有列出计算过程也为对这项计算进行说明，所以较深裂缝测试时钢筋影响应考虑裂缝深度这一计算因素。根据研究数据，当T、R换能器的连线与钢筋的最小距离大于1.5hc时，才可避免上述影响。也就是说，测试时T、R换能器的连线与钢筋的最小距离要同时满足上述两个条件，结果才较准确。

那么操作计算时，则增加了以下步骤：

首先是测试时必须用钢筋扫描仪，测出测线两侧平行于测线的钢筋位置，尽量让测线布设在两排钢筋的中心，并记录下钢筋到测线的最小距离D；其次是在结果判定的第二种方法中，从最大测距数据组开始，循环计算mhc，依次比较1.5mhc和D的大小关系，不满足1.5mhc＜D的数据应该剔除。

⑸非理想状态裂缝如何测试

《超声检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21：2000）中平测法裂缝的裂缝测试现场测试要求较高，偏理想化。我们实际检测中，经常遇到结构混凝土面裂缝分布密集或裂缝极为不规则的情况，根本无法进行步骤1的不跨缝基准测量或者跨缝测量时，取不到3个及3个以上的测试标距，如图6中某高速公路大桥的简支梁。

图6　某高速大桥的简支梁裂缝照片

如图腹板纵向裂缝，多且密集。要测试该梁裂缝深度，有两点不符合规程要求，首先是不跨缝测量测线只能取在裂缝之间且平行于裂缝，这样势必就与内部钢筋平行，其次是跨缝测量测距取不到3个，无法用回归分析计算。为了了解裂缝基本情况，现场跨缝测量只取了2次标距测量，依据图（CECS 21：2000图3）直接用l‘参与计算推定其裂缝深度，公式如下：

上式中l‘认为是T、R换能器的中心距，而不是规程中图示的边缘距离。这个结果仅具有参考价值。

⑹裂缝内部发展方向不垂直于混凝土表面的裂缝深度推定

如图7所示裂缝，如果在混凝土表面按照规程平测法测试其深度，计算深度与实际深度存在偏差，在无法探明裂缝内部走向的情况下，目前所有裂缝深度测试，计算均默认为其内部发展方向垂直于混凝土表面。

图7　裂缝内部发展方向不垂直混凝土表面示意图

图7所示，以裂缝在混凝土表面中心为原点，T、R换能器的连线为X轴，建立平面坐标系，对于某一计算结果，跨缝实际声波传递为红色线条AC、CD，而计算则是按照蓝色线条AB、BD，存在其两者声波跨缝实际传播距离相等即AC+CD=AB+BD，在C点不确定位置的情况下，视其为一个边量，在X-Y坐标系内随机移动，那么其轨迹为一椭圆，椭圆方程为：

上式中

hc——结果计算中第二种判定方法得出的裂缝计算深度。

x——裂缝端点与混凝土表面裂缝中心的X轴偏移量，可在混凝土表面用钢卷尺量出；

y——裂缝内部走向不与混凝土表面垂直时，裂缝的深度推定值。

可根据上式来估算内部走向不明确的裂缝真实范围，具有一定的参考意义。

7　结语

由于现场检测条件的限制，单面平测法检测混凝土裂缝是目前应用最广的一种测试方法，规程中测试条件较理想化，测试结果与真实值存在一定误差，我们需要在测试过程中尽量使检测条件最优，减少误差，并相应的结合其他无损或有损检测进行对比修正，为科学合理地加固处治提供真实有效的数据支持。●

【参考文献】

［1］CECS 21∶2000，超声法检测混凝土缺陷技术规程［S］.

［2］某高速公路某大桥梁板裂缝检测［R］.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，2013.