冲击弹性波无损检测技术测试混凝土裂缝深度的试验研究

史云飞

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

0 引言

钢筋混凝土结构的破坏多是从裂缝开始的，如果不及时对其加以修补，发展严重时可能危害混凝土结构的强度、稳定性以及安全性。因此，准确掌握裂缝的深度与长度、宽度至关重要。混凝土裂缝的长度及宽度可用放大镜结合量尺进行检测，其深度则无法直接检测。而裂缝的深度是影响混凝土结构承载能力的重要因素。因此，本文对混凝土裂缝深度的检测方法进行总结分析，开展室内试验研究冲击弹性波无损检测技术的测试效果，仅供参考。

1 混凝土裂缝深度的常用检测方法

1.1 混凝土裂缝深度检测方法类型

检测混凝土裂缝深度的方法大致可分为破损检测和无损检测。

破损检测的方法主要为钻芯取样法，此方法虽然可以准确检测混凝土的裂缝深度，却对混凝土结构造成了一定的损伤和破坏，对于一些结构特殊以及裂缝深度较大的大体积混凝土，无法通过钻芯取样法测试裂缝深度。

无损检测又称非破坏检测技术，就是在不破坏混凝土原来的状态、性质等前提下，通过一定的检测手段对混凝土中因有缺陷或结构差异导致混凝土材料性质、状态或内部结构等物理性质发生变化的现象进行检查的方法[2]。该方法简单、直接、准确。混凝土裂缝常用的无损检测方法主要有超声波法以及冲击弹性波法。

1.2 常见的无损检测方法

1.2.1 超声波法

超声波法检测混凝土裂缝深度，是通过发射换能器发出超声波，声波穿透混凝土，接收换能器接收到声波，通过对超声波的声速、声时、接收的波幅以及波形进行分析，判断混凝土的裂缝深度。超声波检测混凝土裂缝深度的方法主要有单面平测法、双面斜测法、孔中对测法。单面平测法适用于裂缝深度在500mm以下且只有一个可测表面，换能器分别置于裂缝表面两侧，发射换能器发出超声波，超声波在混凝土产生衍射波，接收换能器接收到波形，由于声波传播时间增加，由此判定混凝土裂缝的深度。双面斜测法可采用双面穿透斜测法检测，适用于裂缝部位有两个相互平行的测试表面，将发射与接收换能器分别置于测试表面对应点，测量声参数，比较跨缝和不跨缝声参数的变化，由此判定裂缝深度。钻孔对测法适用于检测裂缝深度50cm以上的大体积混凝土，且被检测的混凝土有条件在裂缝两端进行钻孔，注入清水，放入径向换能器，根据声参数的变化判定裂缝深度。

1.2.2 冲击弹性波法

冲击弹性波法主要通过激振锤敲击等方式激振产生弹性波，弹性波在混凝土介质中传播，加速度传感器接收反射波，根据接收信号的初始相位情况、传播时间以及衰减特性判断裂缝深度，主要的方法有相位反转法、传播时间差法、面波法。与超声波法相比，冲击弹性波波长更长，衰减较慢。在金属制品或构件的测试中，超声波技术应用较广，认可度较高，但是混凝土与金属构件是完全不同的材料，超声波检测混凝土裂缝深度有较大局限性，冲击弹性波在混凝土裂缝深度的检测过程中受水和钢筋等影响较小，可检测较深的裂缝深度。

2 冲击弹性波测试方法及原理

2.1 相位反转法

通过激振锤对混凝土表面进行激振，激发的弹性波信号穿过混凝土中存在的裂缝时，在裂缝端点处会发生衍射现象，其衍射的角度与裂缝深度存在一定的几何关系。对于混凝土材料而言，当激振点与裂缝的距离与裂缝深度相等时，该衍射角为45°，根据三角几何关系，此时裂缝深度应与激振点到裂缝之间的距离相等。相位反转法检测原理如图1所示。

图1 相位反转法检测原理示意图

相位反转法正是基于该原理将激振点与接收点沿裂缝垂直对称配置，从近到远逐步移动。当激振点与裂缝的距离与裂缝深度相近时，接收信号的初始相位会发生反转。若首波初始相位向上，则L＜H，若首波初始相位向下，则L＞H，裂缝深度L1＜H＜L2，一般可取相位反转前后传感器距离激振点位置的平均值作为裂缝深度。相位反转法如图2所示。

图2 相位反转法的示意图

相位反转法只须同时等距移动激振锤和加速度传感器，确定首波相位反转时激振锤或传感器与裂缝之间的距离，就可确定混凝土的裂缝深度。与其它混凝土裂缝深度检测方法相比，相位反转法不需要标定弹性波速，可直接通过首波相位的变化确定裂缝深度，操作方便简单且结果直观，具有一定的实用价值。

2.2 传播时间差法

该方法适合检测混凝土结构物中的开口裂缝。激振锤通过敲击混凝土表面产生的冲击弹性波在混凝土中传播，遇到裂缝时，弹性波被隔断，并在裂缝端部产生衍射现象，加速度传感器接收到的为冲击弹性波的衍射波，此波在混凝土中传播时间较长。利用仪器分别采集冲击弹性波在有裂缝位置传播的时间和无裂缝部位传播的时间，裂缝深度与传播时间差成正比。通过已标定的波速以及采集到的传播时间，计算增加的传播距离，可推算出裂缝的深度[2]。传播时间差法概念如图3所示。

图3 传播时间差法概念图

2.3 面波法

该方法采用的是冲击弹性波中的瑞丽波来测试混凝土结构的裂缝深度，其原理是弹性波在混凝土表面遇到裂缝产生衰减，通过衰减特性来测试裂缝的深度。采用面波法测试混凝土裂缝深度，裂缝中的填充物及混凝土中的钢筋对其测试结果影响较小，测试范围与前两种方法相比更大，对较深的裂缝深度有较好的检测效果。由于表面波受测波以及边角等边界条件影响较大，故面波法不适合检测狭窄结构的裂缝深度[3]。面波法的测试方法如图4所示。

图4 面波法测试方法

在结构物表面，通过激振锤击打产生弹性波，瑞利波在介质媒体表面受冲击所产生的弹性波中，能量最大。表面波在混凝土中传播的过程中，会发生几何衰减和材料衰减，遇到裂缝时表面波传播会被阻断，从而产生衍射波，衍射波会发生较大能量衰减。根据裂缝前后的波的振幅或者能量的变化，可以推定裂缝的深度。面波法的检测示意如图5所示。

3 试验验证

3.1 制作模型试件

在试验之前，设计好试件的类型与尺寸，本次试验需制作4 组混凝土。利用胶合板制作混凝土的模板，随后准备试件原材料，水泥采用P·O42.5的普通硅酸盐水泥，符合《通用硅酸盐水泥》技术标准，碎石为5～10mm 及10～30mm 两种级配碎石，砂子采用河砂，细度模数为2.6 且级配良好，水为饮用水，钢筋为HRB400热轧带肋钢筋。按照C30 的设计强度配置四组混凝土，两组为配筋混凝土，两组为素混凝土。两组素混凝土浇筑完毕后在设计的裂缝处插入2mm、4mm、5mm、6mm 厚度不等的涂有润滑油的铁片，剩余两组钢筋混凝土浇筑完毕后再在设计裂缝处插入5mm厚度的涂有润滑油的铁片，插入深度分别为150mm，200mm，300mm、500mm，形成裂缝深度不等的试件。试件浇筑好之后按照要求进行养护，在养护期间每隔一段时间晃动铁片，保证混凝土硬化前铁片可以抽出[4]。试件模型参数见表1。

表1 试件模型参数表

3.2 试验结果分析

试验采用的设备分别为冲击弹性波无损检测仪和混凝土面波测试仪，按照仪器操作规程分别用相位反转法、传播时间差法、面波法对混凝土模型进行数据采集，完成后进行数据解析。考虑到水以及填充物对测试结果的影响，可以在混凝土测试过后加入水及填充物再次进行测试[5]。

3.2.1 不同方法检测的裂缝深度结果

在裂缝宽度一致的情况下，用3种方法检测裂缝深度的结果见表2；在裂缝深度相同，裂缝宽度不同的情况下，用3种方法检测裂缝深度的结果见表3；将裂缝宽度5mm，不同裂缝深度下充水前后检测结果见表4。

表2 裂缝宽度为5mm实测结果平均值

表3 裂缝深度为200mm实测结果平均值

表4 裂缝充水前后试验结果

3.2.2 试验结果分析

由表3～表4试验数据分析可知：

（1）无论是对于钢筋混凝土还是素混凝土结构物，利用面波法都可以得到比较可靠的数据。

相位反转法和传播时间差法只能测试裂缝的开口深度，无法检测混凝土内部的裂缝。

（2）对于宽度大于2mm 的裂缝，3 种方法检测结果相近，3种方法均适合检测宽度大于2mm的裂缝。

相位反转法对充水后的裂缝测试检测结果会偏低，而面波法不受充水的影响。

4 结束语

当前我国的裂缝检测工作主要依赖人工完成，利用冲击弹性波检测混凝土结构裂缝深度的方法操作简单、判断直观且效率高。通过以上室内试验结果可以得出，冲击弹性波法检测的裂缝深度结果与设计数值基本相同，偏差在10%以内。因此，冲击弹性波裂缝检测方法可以在实际工程中进行推广运用。