混凝土裂缝灌浆修复后声学信号特征分析*

郦 亮，蔡慧静，张 军，毛江鸿，郑博宇，李 强

(1.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315101； 2.宁波市建设工程安全质量管理服务总站，浙江 宁波 315043； 3.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100)

0 引言

由于混凝土抗拉强度低，大体积混凝土结构常出现裂缝，如大坝、承台、地铁侧墙等结构均存在不同程度的开裂现象[1-2]。混凝土开裂后，结构整体性和耐久性受到影响[3-4]，因此须对裂缝进行修复。目前，混凝土裂缝修复方法主要包括表面处理法、化学灌浆法、自修复材料填充法、电化学沉积及生物沉积法[5]，其中，化学灌浆法技术较成熟，应用较广泛。灌浆修复效果关系到修复后混凝土长期性能，灌浆方法、裂缝形态等对灌浆修复效果产生影响，修复后二次开裂、复漏等现象普遍存在[6]。因此，需研发便捷、可靠的灌浆修复效果检测方法。

DL/T 5406—2010《水工建筑物化学灌浆施工规范》[7]建议采用检查孔压水试验法或钻芯取样法判断混凝土裂缝化学灌浆修复效果，上述方法判断结果直观、真实，但属于有损检测，且存在无法准确反映修复断面整体情况等问题。超声波技术是目前常见的混凝土缺陷无损检测技术，可有效检测混凝土裂缝开展深度[8]。混凝土灌浆修复效果检测与混凝土裂缝检测存在较大区别，主要体现在不同介质材料反映的超声波声学信号特征值存在明显差异[9]，需通过系统研究进行揭示，从而指导灌浆修复效果检测。因此，本文设计不同裂缝宽度的混凝土试件，采用灌浆工艺进行修复，跟踪监测并分析了灌浆修复过程中超声波首波波幅、声时等声学信号特征值。

1 超声波技术检测原理

将超声波技术应用于裂缝检测时，在裂缝单侧施加震源，产生弹性波，接收器置于裂缝另一侧，超声波在裂缝边缘发生反射，并在裂缝尖端发生绕射，以球面波的形式进行二次传播[10-11]，如图1所示。由于传播路径的改变，裂缝位置处获取的超声波首波波幅、声时等明显区别于完整混凝土，可据此判断裂缝形态。裂缝灌浆修复后的混凝土结构可视为由混凝土、灌浆材料与未填充空隙组成的多层复合材料。

图1 超声波传播示意

2 灌浆修复试验

2.1 试件制作

制作裂缝宽度分别为0.3，0.6，0.9mm的3组试件，截面尺寸均为1 000mm×600mm×600mm(长×宽×高)，编号依次为S-0.3，S-0.6，S-0.9，配合比均为水∶水泥∶砂∶石=158∶398∶810∶1 031(kg/m3)，均采用C35混凝土，拌合水为自来水，采用同种灌浆工艺进行裂缝修复。

2.2 裂缝制作与控制

当裂缝宽度、灌浆压力与时间、浆液流动性相同时，裂缝倾角与混凝土界面形态对浆液扩散半径的影响较大[12]，使通过预置插片法模拟的光滑裂缝与真实裂缝存在较大差异。为此，研发新型混凝土裂缝制作装置[13]，如图2所示。为形成带裂缝的混凝土试件，首先通过加载使试件断裂；然后以断裂后的试件为端模，重新立模浇筑成完整试件；最后通过外骨架装置中的螺杆撑开新旧混凝土结合面。本研究提出的装置可在试件预定位置制作宽度可控的贯穿式裂缝，且能在灌浆修复结束后打开试件，以观察裂缝修复效果。

图2 裂缝制作装置

2.3 灌浆工艺

灌浆孔道布置如图3所示，打孔点距裂缝的水平距离为15cm，相邻打孔点在裂缝两侧交错布置，垂直距离为20cm，孔道与试件正立面的夹角为60°，钻孔深度25cm，埋设前止水型止水针头，利用高压注浆机由下至上沿孔道依次灌浆。

图3 灌浆孔道布置

在试件左右立面画出5cm×5cm方格，在方格中心布置超声波测点，依据CECS 21∶2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[14]的要求，使用NM-4A型非金属超声检测分析仪对超声波斜测法采集到的试验数据进行分析。灌浆过程中，持续采集超声波数据，进行定点跟踪检测。

3 灌浆修复效果与分析

3.1 修复效果

灌浆修复72h后打开各试件，观察裂缝修复效果，可知试件S-0.3浆液覆盖深度为24～52cm，试件S-0.6浆液覆盖深度为40～52cm，试件S-0.9浆液完全覆盖；浆液覆盖区域颜色较深，且部分位置黏合强度较高，裂缝两侧混凝土颜色较浅。相同灌浆条件下出现不同灌浆深度，这与浆液扩散半径、裂缝宽度有关，随着裂缝宽度的增加，浆液受到的摩阻力逐渐减小，覆盖面积逐渐增大。

3.2 波形变化

以试件S-0.3为例(其他试件波形变化情况相似)，灌浆前后典型波形对比如图4所示，由图4可知，灌浆前浆液覆盖区域测点首波波幅较小，首波声时较大，且后续整体波形多处存在畸形，这是因为灌浆前试件存在贯穿式裂缝，使超声波在传播过程中遇到空洞，导致超声波传播路径发生变化，进而使超声波接收端获得的首波声时增大，波幅损失增大，后续整体波形出现残缺；由于浆液的覆盖，填充了裂缝空洞，使超声波传播路径缩短，首波声时减小，波幅损失减小，后续整体波形更完整。灌浆前后浆液未覆盖区域测点波形相似，首波波幅和首波声时相差较小，可判定测点超声波波形未发生显著变化。

图4 灌浆前后波形对比

综上所述，浆液覆盖区域与未覆盖区域测点超声波波形变化情况差异显著，可根据波形变化判断灌浆修复后浆液覆盖情况。以试件S-0.3为例(其他试件超声波波形变化情况相似)，对测点波形随灌浆过程的变化进行分析，结果如图5所示。由图5可知，灌浆4min内，整体波形变化较小，首波波幅、声时存在小幅波动，可推测该时段浆液未覆盖测区；灌浆6～10min，波形完整性明显提升，首波声时逐渐减小，可推测该时段浆液覆盖测区；灌浆10min至自然硬化72h，波形进一步完整，首波声时进一步减小，这是因为灌浆硬化使两侧混凝土相互黏结，进而使超声波更好地传递。

图5 试件S-0.3灌浆过程波形变化曲线

3.3 波幅变化

各试件波幅变化情况如图6所示，由图6可知，浆液覆盖区域波幅增加明显，最大增量达34.08dB，由40.10dB增至74.18dB，增幅约85%；浆液未覆盖区域波幅变化较小，最大变化量仅为4dB，与覆盖区域差异明显。实际浆液覆盖轮廓与波幅变化轮廓较吻合，表明可通过波幅变化掌握混凝土内部灌浆料实际分布情况。

图6 波幅变化情况

4 结语

利用超声波技术对不同裂缝宽度试件灌浆修复效果进行跟踪检测，并分析灌浆过程中超声波首波波幅、声时等声学信号特征值，得出以下结论。

1)浆液填充裂缝后，使超声波传播损失减小，首波声时减小，波幅增大，整体波形更完整，声学信号特征值与浆液未覆盖区域差异明显。

2)实际浆液覆盖轮廓与波幅变化轮廓较吻合，可通过波幅变化掌握混凝土内部灌浆料实际分布情况，可将波幅变化量作为评价指标，为实际应用提供参考。

3)通过应用超声波技术进行检测，可获取灌浆深度动态变化情况，进而为现场施工提供技术指导，实现灌浆工艺与灌浆效果即时评估。