基于超声波法混凝土裂缝注胶质量检测研究

胡汉敏

(福州外语外贸学院 智能建造学院，福州 350202)

混凝土结构因施工技术、自身材料收缩徐变、长期温度荷载及冲击荷载等因素，会产生一些结构缺陷，其中裂缝是混凝土结构缺陷最常见的类型之一.随着裂缝不断形成与发展，会危害结构的安全性及耐久性.因此，应重视裂缝的检查及分析，并根据裂缝的性质、产生的原因及尺寸深度进行加固处理[1-4].

目前，对混凝土裂缝采用的加固处理方法一般包括表面抹胶封闭法和化学注胶法.采用表面抹胶进行封闭修补的裂缝，可通过直接观测裂缝修补表面抹胶的均匀性及饱满度来判定裂缝修补的质量，而用化学注胶修补的混凝土裂缝，由于其位于结构内部，如何检测裂缝修补质量成为了当前工程加固的热点和难题.按现行加固规范[5]，裂缝修补后的质量可采用钻芯取样，并通过芯样劈裂试验来检测和判定，它可准确地反映裂缝修补质量的优劣.但钻芯形成的孔洞给结构造成了二次损伤，且该方法只能局部判定裂缝修补后的质量，难以大面积使用.超声波法作为一种新型无损检测技术，操作简单、方便，能很好地弥补钻芯检测范围小及给结构造成的二次损伤的不足，目前，国内外采用超声波法检测混凝土裂缝深度、内部缺陷、结构厚度及预应力管道密实度等方面研究较多[6-10]，但利用超声波法对混凝土裂缝注胶修补后的质量判定研究较少.

本文通过在混凝土梁上预制6 个深度为15 cm的裂缝，并对该混凝土梁裂缝按其深度3，4.5，6，9，12 和15 cm 分别进行了注胶修补处理，再采用超声波技术对混凝土裂缝注胶进行修补质量检测.通过处理后的试验数据提出质量修补判定依据，提高了混凝土加固工程检测效率，可为类似工程提供参考.

1 超声波法基本原理

利用超声波法对混凝土裂缝注胶质量检测需满足3 个基本假定：

1)完好混凝土与周围存在裂缝的混凝土的质量(密实度、强度等)基本相同；

2)完好混凝土与周围存在裂缝的混凝土的声速相同；

3)裂缝跨缝测量时，首波信号传播路径从发射换能器绕过裂缝的末端到达接收换能器.

超声波在完好混凝土中是沿着混凝土的表面进行传播的，当混凝土出现裂缝时，超声波会沿着裂缝的端部绕行传播，传播的距离增长，相应的首波声时随之增大.当裂缝修补密实以后，原有阻碍声波传播的路径被打通，此时超声波传播路径与完好混凝土的超声传播路径相同，其在混凝土中的传播路径如图1 所示.由于裂缝宽度远远小于换能器之间的测距，故裂缝宽度内修补物质的波速变化对测量结果基本无影响[11-13].

图1 超声波在混凝土中的传播路径

2 超声波裂缝注胶质量判定依据

当裂缝仅仅只被表面修补，没有对内部修补时，由超声波传播最小路径原理可知，此时测得的混凝土修补后的声时与完好混凝土声时也基本一致.此时若仅仅按照首波声时判定混凝土修补情况就会出现误判，因为超声波波幅也是反映物体内部传播能量的一个指标.当混凝土内部出现裂缝，在裂缝处能量传播会出现衰减，波幅数值则会变小.当裂缝修补密实以后，由于介质的存在，波幅衰减较少.波形对比见图2.因此，混凝土裂缝修补后首波声时与完好混凝土声时基本一致，这只是裂缝注胶质量完好的必要非充分条件，还需将混凝土裂缝修补后首波波幅与完好混凝土波幅对比，其值越接近，修补质量越好.

图2 超声波的波形对比

现假定每个修补后的裂缝共测试n个点，xi为裂缝第i点某参数的测量值，mx为实测某参数的平均值，按公式(1)计算，Sx为某参数标准差，按公式(2)计算.

标准差反映了测试数据的离散性，数值越小说明测试数据越稳定，也表明裂缝修补质量越均匀.同时，如果测试参数的平均值与完好混凝土对应参数的绝对误差小于测试参数的标准差，则等同于修补后混凝土相关测试参数与完好混凝土对应参数一致，即可认为此时修补的裂缝质量符合加固要求.因此，本文提出裂缝修补完好的首波声时与波幅判定依据按式(3)～式(4)进行计算.

3 试验概况

3.1 试件设计加工

为了测得不同裂缝注胶饱满度超声波首波声时与波幅的区别，本文现场浇筑了1根强度为C30的混凝土梁，梁上预制了6 条深度15 cm，宽度2 cm 的裂缝.该预制裂缝从左向右依次编号为A～F，构件尺寸见图3 和表1.现场依据混凝土梁构造尺寸及需要预制裂缝位置进行木模板加工，在木模板裂缝预设的位置插入涂有润滑剂尺寸为500 mm×200 mm×2 mm 的不锈钢板，制作完成的木模具如图4 所示.为了避免浇筑完成的混凝土硬化后难以将不锈钢板抽出，在混凝土初凝后，需每隔1 h 晃动一下不锈钢板，并在晃动的同时同步沿着不锈钢板左右表面注入润滑剂；在混凝土终凝前，增加不锈钢板晃动的频率，并在混凝土终凝时，将不锈钢板及时抽出.浇筑完成的混凝土构件见图5.

表1 试件参数 mm

图3 预制混凝土梁裂缝

图4 现场制作带裂缝的混凝土梁木模具

图5 浇筑完成的混凝土构件

3.2 试验检测方法

首先，待混凝土试验梁达到28 d 强度后，对试件表面进行打磨，使其测试面平整；其次，在混凝土梁完好区域绘制间距为100，150 和200 mm 的3 对测试点，其编号分别为1-1’，2-2’和3-3’；最后，在6 条裂缝区域沿着裂缝对称布置3对测试点，测试点跨峰间距及沿着宽度方向间距为100 mm，其编号为a-a’，b-b’和c-c’.测区的尺寸及位置如图6 所示.

图6 单面平测法测试网格

数据采集时在测试点处涂抹凡士林作为耦合剂，并用超声波检测仪分别进行不跨缝检测及跨缝检测.不跨缝检测数据采集时，把T 和R 换能器放在混凝土试验梁完好区域进行采集；跨缝检测数据采集时，将T 和R 换能器分别放在混凝土梁裂缝区域的裂缝两侧进行数据采集，见图7.

图7 现场数据采集

3.3 试验数据采集

本试验检测数据采集分为裂缝未处理、裂缝表面抹胶和裂缝注胶3 个阶段.

阶段1：混凝土梁达到养护强度后，分别对完好混凝土梁区域及6 个裂缝区域进行首波声时及波幅的第1 次数据采集，见图7.

阶段2：采集完初始数据后，分别在A～E 裂缝深度为3，4.5，6，9 和12 cm 位置处，插入1根截面为2 mm×2 mm 矩形钢丝条，并在其表面涂抹上结构胶；待钢丝条固定后，再在A～F 裂缝表面涂抹钢粘胶，并分别在抹胶裂缝表面留有注胶孔及出气孔，见图8～图9；待钢粘胶硬化后，在第1 阶段数据采集点处，再对6 个裂缝区域进行首波声时及波幅的第2 次数据采集.

图8 6 个裂缝注胶深度示意

图9 裂缝表面抹胶

阶段3：完成裂缝表面抹胶数据采集后，向第2 阶段预留在6 条裂缝表面的注胶孔中，注入调配好的灌封胶.在注射时要保证压力稳定，使灌封胶在A～F 裂缝缝隙内充分渗入，直到出气孔有灌封胶流出，才表明在预设裂缝深度灌注完成，见图10 和图11.经过几个小时灌封胶硬化后，仍在第1 阶段数据采集点处，对6 个裂缝区域进行首波声时及波幅的第3 次数据采集.

图10 灌封胶注射

图11 完成注胶的混凝土梁

4 试验数据分析

第1 阶段在混凝土试验梁完好区域测得的典型首波声时及波幅结果分别见表2 和表3.

表2 完好混凝土各测点声时

表3 完好混凝土各测试点波幅

结合表2 实测数据，采用最小二乘法拟合出超声波首波声时-测距图，见图12.由图12 可知，混凝土梁完好区域超声波声时与测距为线性关系，且该直线不过原点.这说明采用单面平测法超声波实际传播距离不是2 个换能器之间的测距，还存在一个修正量B.对完好混凝土区域各测距li与对应的首波声时ti进行线性回归分析，可求出直线方程[14]为

图12 超声波首波声时-测距直线

其中，l为超声波实际传播距离；v为超声波传播波速；li为各检测组换能器中心距；ti为各检测组超声波首波声时；n为检测组数.

由式(6)可求出超声波在混凝土梁完好区域的理论波速约为3.776×103m/s，测距修正量为23.6 mm.回归后的线性方程为l=3 776t-23.6，依据该公式可计算出测距为100 mm 时，混凝土梁完好区域理论首波声时为26.5 μs.

单面平测法3 个阶段检测跨A～F 裂缝测点首波声时检测结果见表4 和表5.由表4 和表5 可知，裂缝未修补前，6 条裂缝首波声时均比完好混凝土首波声时大；当在6 条裂缝表面抹胶及注胶后，原有断开的传播路径被钢粘胶连通，此时测得的首波声时平均值与完好混凝土首波声时绝对误差均小于测得的首波声时标准差.事实上，A～F裂缝在第2阶段只是表面抹胶，第3阶段A～E裂缝并没有将裂缝修补完全.因此，仅通过首波声时来判定裂缝修补质量并不全面.

表4 单面平测法3 个阶段检测跨A、B 及C 裂缝测点首波声时

表5 单面平测法3 个阶段检测跨D、E 及F 裂缝测点首波声时

单面平测法3 个阶段检测跨A～F 裂缝测点首波波幅检测结果见表6 和表7.由表6 和表7 可知，裂缝未修补前及裂缝表面抹胶后，测得的裂缝区域首波波幅数值较完好混凝土区域首波波幅小，且首波声时平均值与完好混凝土首波声时绝对误差均大于测得的首波声时标准差.这说明此时还未完成裂缝修补，与实际情况相符.当对A～F 裂缝按3，4.5，6，9，12 和15 cm 灌缝修补后，测得的A～E 裂缝区域首波波幅数值仍较完好混凝土区域首波波幅小，且A～E 裂缝首波声时平均值与完好混凝土首波声时绝对误差均大于测得的首波声时标准差；F 裂缝进行了完全修补，测得的首波波幅数值与完好混凝土区域首波波幅基本一致，且F 裂缝首波声时平均值与完好混凝土首波声时绝对误差小于测得的首波声时标准差.为了准确反映注胶效果，对混凝土梁进行钻芯取样，从钻芯取样断面发现，A～E 裂缝灌浆不饱满，F 裂缝灌浆饱满，与超声波检测数据结果吻合.

表6 单面平测法3 个阶段检测跨A、B 及C 裂缝测点首波波幅

表7 单面平测法3 个阶段检测跨D、E 及F 裂缝测点首波波幅

5 结论

1)当裂缝仅修补表面或者对其内部注胶处理后，测得的混凝土梁修补后的首波声时与完好混凝土首波声时绝对误差均小于测得的首波声时标准差.这表明仅仅按照首波声时判定混凝土修补情况会出现误判.

2)超声波波幅是反映物体内部传播能量的一个指标.当混凝土内部出现裂缝，在裂缝处能量传播会出现衰减，波幅值变小；当裂缝修补密实以后，由于介质的存在，波幅衰减较少.此时，测得的首波波幅数值与完好混凝土区域首波波幅基本一致，且首波声时平均值与完好混凝土首波声时绝对误差小于测得的首波声时标准差.

因此，混凝土裂缝修补后首波声时与完好混凝土声时基本一致，只是裂缝注胶质量完好的必要非充分条件，还需结合混凝土裂缝修补后首波波幅与完好混凝土波幅对比结果.二者测得的平均值与完好混凝土对应参数的绝对误差均小于测试参数的标准差时，才能证明裂缝修补质量完好.