水工混凝土构件裂缝检测方法及发展趋势

贾　宇，梁永梅,汤　雷

(1.南京水利科学研究院 材料结构研究所， 南京 210024;2.镇江市丹徒区航道管理处, 镇江 212100)



水工混凝土构件裂缝检测方法及发展趋势

贾宇1，梁永梅2,汤雷1

(1.南京水利科学研究院 材料结构研究所， 南京 210024;2.镇江市丹徒区航道管理处, 镇江 212100)

论述了有效发现水工混凝土裂缝的主要方法，说明参数量化是水工混凝土裂缝防控的重点。基于水工混凝土构件裂缝检测方法研究历程，详细分析了人工探视法、破损检测法及无损检测法的检测机理及特点，表明现阶段仅超声红外热像综合法能有效发现水工混凝土构件的微裂纹，但其在量化微裂纹参数方面的能力有待进一步提高。最后总结出“微裂纹的发现与量化”将成为今后研究的热点，“通过混凝土裂缝模拟体辅助研究”将成为主要研究方式。

微裂纹；量化；裂缝检测方法；裂缝模拟体

图1　水工混凝土构件裂缝外观

水工结构工程缺陷是水利工程安全的重大隐患，我国大量的水工混凝土结构存在着各种类型的缺陷，其中裂缝是水工结构缺陷中最常见的形式，典型的水工结构裂缝形式见图1。结构性裂缝的延伸扩展对构件承载能力的损害最大，严重影响着水工结构的整体性和耐久性；微裂纹(裂纹的宽度极小或者裂纹处于闭合状态，分布于结构表面或内部，肉眼难以识别)是结构性裂缝的先兆，结构性裂缝的产生是微裂纹任意发展的结果。因此，水工混凝土结构的裂缝防控工作十分重要，而防控工作的第一步是尽早发现微裂纹，在其发展到关键点时，对结构进行支护，以此控制结构性裂缝的产生。

一直以来，研究人员的重点主要集中在裂缝的检测方面，即首先发现裂缝的存在后再定量检测，先后出现了人工探视法、破损检测法及无损检测法中的超声波法、雷达波法、红外热像法等。但对于肉眼尚不可见、处于扩展前期的闭合或微宽裂纹，这些方法尚不能有效发现；控制了微裂纹的发展就控制了结构性裂缝的产生，这对于水工混凝土结构的缺陷防治具有重大意义，因此微裂纹的发现及量化将是未来裂缝检测的发展趋势；超声红外热像综合法作为一种新型的无损检测方法，已经能够有效发现微裂纹，但该方法仍处于试验研究阶段，尚不能准确量化微裂纹的参数。

1　人工探视法

人工探视法：检测人员在工程现场依靠观察法来发现结构表面的裂缝，而后借助显微镜或裂缝宽度测试仪测量裂缝宽度。现有的裂缝测量方法如表1所示[1]。

在实际水工混凝土结构裂缝检测中，人工探视法依然是使用最广泛的方法。该方法具有简单直观、容易操作的优点；但同时也费时费力，且仅局限于结构物表面处裂缝宽度的检测;又因受到仪器精度的限制，该方法不能发现构件中的微裂纹。

2　破损检测法

破损检测法可以较准确地检测表面裂缝的深度以及裂缝扩展方向。

破损检测法主要是指采用钻芯取样检测混凝土构件裂缝的方法，该方法利用专用钻机和人造金刚石空心薄壁钻头，从混凝土构件中钻取芯样，以检测混凝土构件内部缺陷或强度。

钻芯取样法的基本要求主要针对钻孔和取芯的要求，前者包括选择钻孔位置、确定钻头直径及钻孔垂直度；后者包括安置钻机、施钻前的检查、开钻、钻进取芯[2]。

破损检测法可以完整直观地得到表面裂缝的宽度、深度、方向等参数，具有一旦发现问题则便于采取补救措施等优点。但是，该检测法所取芯样有一定的局限性，无法检测构件内部裂缝的整体分布情况，对构件具有较大的破坏性，检测成本高；即使取出芯样后，因微裂纹肉眼不可见、测量仪器精度有限，仍不能发现微裂纹。

3　无损检测法

破损检测法虽然检测结果准确性高，但需钻芯取样，既费力又对构件具有破坏性，而无损检测可以避免这两种情况发生。无损检测主要有超声波法、雷达波法、红外热像法、超声红外热像综合法。

3.1超声波法

3.1.1超声波检测的基本原理

超声波是频率大于20kHz、以波动形式在弹性介质中传播的机械波。利用超声波对混凝土构件中的裂缝进行检测，依据的是超声波在混凝土中的传播特性，如：在遇到两种介质分界面时声波会发生反射等。常用的超声波频率为0.5MHz～25MHz，较低频率用于粗晶材料和衰减较大材料的检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测[3]。

3.1.2超声检测流程

超声检测流程如图2所示[4]。

图2　构件的超声波检测流程

3.1.3单面平测法研究现状

超声波法测量构件内部裂缝时，最常用的是单面平测法。单面平测法是当结构的裂缝部位只有一个可测表面，裂缝预估深度又不大于50cm时检测裂缝的一种方法[5]。研究人员在单面平测法准确性方面进行了大量研究：胡二中等[6]通过斜裂缝构件模拟体试验发现，应该用纵波波速代替规范中的横波波速来计算裂缝深度，反相首波的出现与绕射角大小有关；柳建新等[7]发现绕射波波速不同于不跨缝平测所得波速，提出了投影点法和反相法相对规范法更能准确测出裂缝深度的观点，并通过斜裂缝构件模拟体验证了这两种方法的合理性；林伟哲等[8]在对港二、三期管道混凝土裂缝检测时发现，换能器之间的距离连线与邻近钢筋的夹角应保持45°左右，被测裂缝部位混凝土表面应平整、无龟裂,可以提高检测结果的准确性。覃新友等[9]在某渡槽工程中对灌浆前后的裂缝用单面平测法测其波速变化，以此来验证裂缝处理方法的有效性，这为单面平测法的使用提供了一种新思路。

3.1.4超声波检测的优缺点

超声波有较强的穿透能力，可对50cm厚度范围内的混凝土试件内部进行裂缝检测；灵敏度高，可检测构件内部尺寸较小的裂缝；可较准确地测定裂缝的深度位置[4,10-11]。

超声检测同时也具有局限性：混凝土材料的某些内部缺陷，如非均匀性、非致密性等，会使超声检测的灵敏度和信噪比变差；以常用的压电换能器为声源时，超声波入射试件的效率很低，普遍在2%左右，且尚未找到能大幅提高超声波入射率的耦合剂[4]。

为降低超声波在混凝土中传播的衰减，研究人员普遍使用低频超声波，而低频超声波灵敏度较低，在微裂纹尖端附近容易发生透射；因低频超声波有局限性，不能用于检测微裂纹。此外，在当前超声法测裂缝方面的文献中，也少有关于研究超声检测法测微裂纹的报道。

3.2雷达波法

超声波的穿透深度一般在50cm左右，难以对大体积混凝土构件进行扫查，而探地雷达可以较好地解决这一问题。

探地雷达是基于电磁波脉冲波的传播原理对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的广谱电磁技术，由主机、电缆线、天线及数据处理软件包组成。利用发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲形式输入介质内部，经目标体反射后的回波信号被接收天线接收(见图3)，后经计算机和专业软件处理形成雷达图像，其波形的正负峰分别以黑、白或者灰阶、彩色表示[12-15]。

图3　探地雷达测试原理示意

探地雷达对混凝土构件裂缝进行检测的流程如图4所示[12]。

图4　探地雷达对混凝土构件裂缝检测流程

探地雷达检测混凝土裂缝具有速度快、穿透能力强、无需耦合剂等特点，并且具有极化特性，可确定裂缝缺陷的形状、方向。但在实际应用时，需根据雷达图像来识别混凝土的缺陷，这对检测人员要求较高；探地雷达技术在混凝土结构中的应用尚缺乏相应的操作规范[15-17]。

由探地雷达的原理可知，探地雷达更适合于对大体积带裂缝混凝土的检测，在对局部小尺寸裂缝的检测时，检测精度低于超声波检测；而如前所述，超声波检测法尚不能有效发现微裂纹，故在理论上探地雷达也不能作为微裂纹的发现方法。

3.3红外热像法

上述的无损检测方法一般有发射检测波点和接收检测波点，属于点测法;此类方法在工程中需要逐点检测，工作量大，而红外热像法可以解决这一问题。

红外热像检测的基本原理[18]是：由于内部存在裂缝的构件的热传导是不均匀的，故对构件施加热源后，构件表面温度分布将出现不一致(见图5)的现象，这就导致表面红外辐射能力产生差异；红外热像仪可检测出这种差异，并以热像图的形式直观显示表面温度场的分布；依据热像图中温度场的分布差异，就可以推断物体内部存在的裂缝特征[19]。

图5　含缺陷构件表面温度场分布示意

目前红外热像技术主要是指采用红外热像仪进行红外摄像,它具有如下特点:非接触式的检测技术适用于非接触大面积的遥测；探测器只响应红外线,故昼夜均可工作；温度分辨率高达0.02 ℃,探测精度高[20]；可配合其他检测方法一起使用[18]。

红外热像法检测裂缝存在的问题[21-23]：研究人员在使用外加热源时,检测构件上会产生以热源对应点为中心、向外围梯度递减的温度场,这会干扰检测结果；在红外图像的后期处理方面,图像的几何校正和拼接、温度梯度校正等问题都没有得到很好的解决，软件技术和图像处理技术严重限制了红外热像检测在工程中的广泛应用。

红外热像检测也不能有效地发现微裂纹。微裂纹处于裂缝扩展前期的闭合或微宽状态，由于微裂纹处缝隙宽度过小，使得微裂纹处热容与周围完整混凝土热容基本相同；在对含微裂纹构件施加热源以后，由于热容基本相同，微裂纹处温升与周围完整混凝土处温升无明显差异，进而红外热像仪无法捕捉到差异温度场，继而无法发现构件中的微裂纹。

3.4超声红外热像综合法

相对于上述的混凝土构件裂缝检测方法，超声红外热像综合法可以有效发现构件中的微裂纹。

3.4.1基本原理

超声红外热像综合法是将超声波入射到混凝土中，受超声波传播时振动的影响，混凝土中的微裂纹在边角处发生碰撞、摩擦，进而出现显著温升；混凝土材料导热性较差，这有助于热量在局部集中，由红外热像仪捕捉混凝土表面温度场，找寻温度场中的显著温升区进而发现微裂纹。

图6　超声红外热像检测装置结构示意

超声红外热像检测装置的结构示意如图6所示。超声激发源包括超声电源和超声发射器，计算机可远程控制驱动超声电源，为超声发射器提供电信号；超声发射器包含超声换能器和一个与样品接触的聚能杆；通常还需要耦合剂提供良好的声耦合；红外热像仪用来对样品表面温度进行检测和记录[24]。

3.4.2研究进展笔者已通过试验证明：超声红外热像综合法中的关键环节是选择性激励的实现具备了充分必要条件[24]。

图7　含微裂纹的素混凝土试块

图8　素混凝土超声激励效果图

充分条件：超声波在物体内振动传播时，即使该物体与外界完全隔绝，超声振动也会渐渐停止。这种由于内部原因而使振动能量逐渐耗散,不可逆地转化为热能的现象叫内耗[25-27]。与完整的混凝土构件相比，若混凝土构件出现裂纹，其振动阻尼就会明显增加，由于内摩擦热效应和热弹效应，振动波在缺陷处内耗较大，振动波衰减以及产生的热量比无缺陷处要大，从而使得该处得到选择性加热而温度升高，在热像仪中易于被发现[28-32]。实验室选择100mm×100mm×400mm的长方体素混凝土试件，试块内部及表面含不定数量的微裂纹，如图7所示。用68kHz频率的超声波换能器对含微裂纹的素混凝土试块激励，图8为红外热像图，图中局部出现多处显著红斑，这表明超声波在微裂纹处的选择性激励效果显著。

必要条件：对于含有钢筋的混凝土构件，钢筋与混凝土的声阻抗差异相较于空气与混凝土之间的差异可以忽略不计，故钢筋与混凝土的胶结面并不会激励发热而干扰对微裂纹的判断。实验室制作尺寸为1 000mm×150mm×150mm的混凝土梁，内部置有钢筋。混凝土梁中部预制裂缝，试验前，将梁由预制裂缝处折断，如图9所示。用20kHz的超声波对试块激励，热像图见图10，图中在主裂缝处出现较宽亮线，另其他位置也出现不同程度亮斑，且钢筋处无明显温升。

图9　折断的混凝土梁外观

图10　钢筋混凝土梁超声激励热像图

试验中发现：超声红外热像综合法对于混凝土试块中的微裂纹及埋藏较深的缺陷，其检测灵敏度尚需进一步提高，初步研究发现这与输入超声波频率有关。实验室选择 100mm×100mm×400mm的长方体素混凝土试件，试块内部及表面含不定数量的微裂纹，见图7。用40,80kHz频率的超声波换能器对试块激励，保证两频率换能器的输出功率相同，热像图见图11～12。观察发现，同一方法、同一测试对象、不同超声波频率对微裂纹的检出个数不同，即检测灵敏度不同，这表明该检测方法的灵敏度可以进一步提升，激励超声波的频率是影响灵敏度的因素之一。

图11　80 kHz超声波激励热像图

图12　40 kHz超声波激励热像图

3.4.3特点与存在的问题

超声红外热像技术作为一种新型的无损检测技术，有如下特点[33]：

(1) 超声激励源避免了以往外加热源在构件表面产生不均匀温度场的问题，减少了影响检测结果的因素。

(2) 可以实现选择性超声激励，能检测出其他无损检测技术难以检测的微裂纹。

因超声红外热像技术在混凝土中应用的时间比较短，技术上存在一些问题：

(1) 超声波入射进入混凝土试件时，超声波能量的输入率较低，影响了该技术对微裂纹检测的灵敏度。如何提高超声波能量的输入率，与超声波频率的选择、耦合剂的选择、对换能器施加荷载的大小等因素有关。

(2) 从热像图中尚不能判断出微裂纹参数。

4　结语

现行的无损检测方法普遍针对的是如何“检测”裂缝，即在知道裂缝存在的前提下，测量裂缝的具体参数，这种以“检测”为出发点的思路已经不能满足实际工程中裂缝的防治需要。因为在役水工结构荷载一般是运动变化的，对应于结构性裂缝也有一个从无到有、由小到大的过程；尽早发现处于扩展初期的微裂纹，并在微裂纹发展到“合适”状态时，对结构加以修补或防护具有重大意义。而如今微裂纹的“发现”并没有引起广大检测人员的重视，还没有可以快速发现微裂纹并量化的成熟检测方法，故超声红外热像检测技术的进一步成熟对于水工混凝土结构裂缝的“诊断”具有重大意义。

此外，由于现实检测环境的复杂性、被测构件裂缝特征的未知性，现行的无损检测方法尚不能做到定量测量裂缝的参数，这使得对混凝土的修复加固工作难以对症。为了实现定量测量，笔者所在课题组认为：建立裂缝结构模拟体，量化模拟体中的裂缝参数，将以往工程实际中的待测结构这个“灰箱”亮化(“灰箱”指内部裂缝参数未知的结构，“亮化”指制作含确定裂缝参数的病害模拟体检验检测结果可靠性的过程)，模拟实际中影响测量结果的环境因素，用以明确各种检测方法的有效性、适用范围及研究开发新的检测方法。通过病害模拟体来精确无损检测结果，将是以后无损检测领域的主要研究方式。

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TheCrackDetectionMethodforHydraulicConcreteStructureanditsDevelopmentTrend

JIAYu1,LIANGYong-mei2,TANGLei1

(1.MaterialsandStructuralEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China;2.TheWaterwaysManagementBranchofDantuCountyinZhenjiangCity,Zhenjiang212100,China)

Theeffectivedetectionofmicrocracksinhydraulicconcreteandquantizationoftheirparametersarethefocusofthepreventionandcontrolofcracksinhydraulicconcrete,whichisdiscussedatthebeginningofthepaper.Basedontheresearchprogressofcrackdetectionmethodforhydraulicconcretestructure,thedetectionmechanismandfeatureofmanualdetectionmethod,destructivedetectionmethod,andnon-destructivetestingmethodareanalyzedindetail.Fromtheanalysis,itturnsoutthatultrasonicinfraredthermographycomprehensivemethodistheonlyoneabletoeffectivelydetectmicrocracksatpresentstage.Butintheaspectofquantizationofmicrocrackparameters,furtherresearchisneededforultrasonicinfraredthermographycomprehensivemethod.Atlast,itissummedupthatthedetectionandquantizationofmicrocracksshallbethefutureresearchfocus.Inaddition,usingthesimulationofconcretecracksasstudyassistancewillbecomemainresearchmethod.

Microcrack;Quantization;Crackdetectionmethod;Simulationoftheconcretecrack

2015-10-15

国家自然科学基金重大科研仪器研制资助项目(51527811)

贾宇(1991-),男,硕士研究生,主要研究方向为桥梁与隧道病害检测及数值分析。

汤雷(1972-),男,博士,主要从事水工结构病害检测研究,E-mail:ltang@nhri.cn。

10.11973/wsjc201607017

TG115.28A

1000-6656(2016)07-0075-06