朱欣明
(中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司 安徽合肥 230000)
沖擊彈性波法檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度的研究
朱欣明
(中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司 安徽合肥 230000)
混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)及使用過(guò)程中會(huì)由于多種原因出現(xiàn)裂縫。裂縫的形態(tài)、尺寸、深度是描述裂縫的重要指標(biāo),其中裂縫深度的測(cè)量作為工程質(zhì)量檢測(cè)難點(diǎn)亟待解決。本文采用沖擊彈性波法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度進(jìn)行檢測(cè),結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)手段的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證后,對(duì)比數(shù)據(jù),得出沖擊彈性波對(duì)裂縫檢測(cè)深度測(cè)量的誤差可以控制在5%內(nèi)。
混凝土作為一種有著優(yōu)秀性能的材料,是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一,廣泛應(yīng)用于各種建筑工程中。而實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)由于干燥導(dǎo)致的收縮、溫度導(dǎo)致的應(yīng)力變化、外荷載及基礎(chǔ)沉降等會(huì)產(chǎn)生裂縫。裂縫的成因不同對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也不盡相同,裂縫作為一種混凝土缺陷經(jīng)常出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)中,它將嚴(yán)重影響建筑物的安全和耐久性。
混凝土裂縫可分為微觀(guān)裂縫和宏觀(guān)裂縫。微觀(guān)裂縫由粘著裂縫、水泥石裂縫和集料裂縫組成。它們無(wú)規(guī)則的分布在混凝土構(gòu)件中,不貫穿,因此在非特殊部位,微觀(guān)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大?;炷梁暧^(guān)裂縫一般由微觀(guān)裂縫拓展造成,既是我們通常所指的混凝土裂縫,裂縫按深度的不同,分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種,若宏觀(guān)裂縫超出《GB50010-2010》對(duì)裂縫寬度控制的要求時(shí)[1],則歸為有害裂縫,會(huì)使結(jié)構(gòu)物的安全性降低,危及結(jié)構(gòu)安全。
在發(fā)現(xiàn)裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)時(shí),需要合理準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響并確定加固方案,必須確定裂縫當(dāng)況狀態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)生原因,裂縫寬度、長(zhǎng)度以及深度是主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[2],其中深度是關(guān)鍵指標(biāo)。而在實(shí)際檢測(cè)工作中,深度的測(cè)量是比較復(fù)雜的,直接的檢測(cè)手段是鉆芯取樣,該方法耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)并且對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的損害,且對(duì)于一些結(jié)構(gòu)的特殊位置或者深度較大的裂縫,無(wú)條件進(jìn)行取芯工作,所以需要一種簡(jiǎn)單、高效、準(zhǔn)確的無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行混凝土裂縫深度檢測(cè)。
裂縫深度的無(wú)損方法有很多種,大致分為基于超聲波、聲波和沖擊彈性波的檢測(cè)方法[3]。
(1)超聲波法:通過(guò)超聲波穿透探測(cè)聲速、接收信號(hào)的首波幅值和波形分析來(lái)獲取裂縫深度值,但信號(hào)的頻率較高能量較低、頻譜的相應(yīng)性能相應(yīng)較差,只能適用于淺裂縫的檢測(cè)。
(2)聲波法:通過(guò)設(shè)置在裂縫兩邊鉆取的孔道內(nèi)聲波管產(chǎn)生接收信號(hào)來(lái)獲取裂縫深度值,需要對(duì)深度有個(gè)預(yù)估值并且對(duì)鉆取的孔道要求較大,因而在實(shí)際工程中的適用性也降低。
(3)沖擊彈性波法:通過(guò)在結(jié)構(gòu)表面激振產(chǎn)生彈性波,通過(guò)傳感器采集信號(hào),信號(hào)頻率低但能量高,可以在混凝土中傳播更遠(yuǎn),因而不僅適用于淺裂縫同樣適用于較深裂縫的檢測(cè)。并且由于其對(duì)工作條件要求低,基本不受充填物及水分的影響,受鋼筋影響可進(jìn)行修正,在小空間內(nèi)完成檢測(cè)工作而廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。
2.1 測(cè)試設(shè)備
沖擊彈性波檢測(cè)設(shè)備主要由激振裝置、傳感器、放大器、信號(hào)采集系統(tǒng)組成。
2.2 檢測(cè)原理
沖擊彈性波做為一種應(yīng)力波,一般由不同大小的激振錘激發(fā),能量大且集中,能夠穿透10m左右的混凝土。在應(yīng)用到混凝土裂縫深度檢測(cè)中,主要是利用應(yīng)力波在有裂縫和無(wú)裂縫的混凝土中其傳播形式的顯著差異性。而應(yīng)力波的激發(fā)與采集則是裂縫一側(cè)激振,另一側(cè)采集的方式如圖1。
當(dāng)激發(fā)的應(yīng)力波在混凝土中傳播,波前遇到混凝土內(nèi)部裂縫開(kāi)口表面時(shí),其運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生改變;應(yīng)力波波前到達(dá)裂縫的混凝土-空氣界面,由波阻抗差異導(dǎo)致波基本會(huì)被反射,形成反射波PC(如圖2),因此,此時(shí)應(yīng)力波無(wú)法傳遞到裂縫的另一側(cè),混凝土質(zhì)點(diǎn)不產(chǎn)生位移,接收點(diǎn)的傳感器接收不到信號(hào)值。
圖1 傳播情況一
圖2 傳播情況二
當(dāng)混凝土中的應(yīng)力波波前傳播至裂縫最深極限位置時(shí),既產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,形成球形的衍射波PdP(見(jiàn)圖3)。
當(dāng)PdP波第一次傳播至接收端處時(shí),引起混凝土表面質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移,接收傳感器所接收到的時(shí)域信號(hào)表現(xiàn)為振幅突變[4]。
圖3 傳播情況三
2.3 深度計(jì)算
以垂直裂縫為研究模型時(shí),從一側(cè)開(kāi)始激振混凝土表面另一側(cè)傳感器接收到信號(hào)時(shí),P波的傳播時(shí)間為△t,也就是P波沿路徑AB+BC(圖4)傳播的時(shí)間。設(shè)P波的波速為Cp,則:
由三角關(guān)系可知:
圖4 深度檢測(cè)布置圖
如果式中參量 L1,L2,△t都已知話(huà),那么就可以由式(1)、(2)、(3)計(jì)算出裂縫深度h,得到式(4):
式(4)中如果讓L1=L2的話(huà),可以簡(jiǎn)化上式;而實(shí)際在檢測(cè)采集數(shù)據(jù)操作過(guò)程中為了達(dá)到滿(mǎn)足L1=L2時(shí),只需要控制并調(diào)整沖擊點(diǎn)和傳感器的間距[5]。因此,令L1=L2=L,則公式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:
由式(5)可以得出,需要已知的基本參數(shù)為P波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播速度CP。波速帶入值可采用不同強(qiáng)度混凝土對(duì)應(yīng)的彈性波波速一般值,也可以采用直接測(cè)定法,將波速值帶入公式(5)就可以得出裂縫深度。
直接測(cè)定法是直接使用兩個(gè)傳感器在健康的混凝土表面直接測(cè)定,或者在已知厚度的板上測(cè)量。根據(jù)縱波首次到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間差△t和兩個(gè)傳感器之間的間距L,可得P波波速由下式(6)確定:
如果是在已知厚度為H的板上測(cè)量,則波速可通過(guò)下式(7)計(jì)算:
式中:f為接收器接收到波的頻率值。
共設(shè)三組室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)P?,模型尺寸?shù)據(jù)分別如表1。裂縫預(yù)設(shè)按表1中尺寸由鐵皮制作,完成后表面涂一層機(jī)械油,在混凝土構(gòu)件澆筑完成后插入預(yù)設(shè)位置,經(jīng)1h后取出,用塑料布遮擋預(yù)設(shè)裂縫處,再進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
表1 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)P图傲芽p預(yù)設(shè)尺寸表
混凝土構(gòu)件達(dá)到齡期后分別對(duì)三組模型進(jìn)行檢測(cè),為了消除測(cè)試誤差,每個(gè)裂縫進(jìn)行三次檢測(cè),取平均值與預(yù)設(shè)尺寸進(jìn)行比對(duì),檢測(cè)結(jié)果如下表 2~4。
為了更加客觀(guān)對(duì)比檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況,選取1號(hào)構(gòu)件裂縫深度15cm處和3號(hào)構(gòu)件0.5cm裂縫寬度處進(jìn)行取芯(見(jiàn)圖5),量取裂縫深度,結(jié)果如表5。
(1)使用沖擊彈性波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度方法簡(jiǎn)單、原理清晰,所需檢測(cè)環(huán)境要求低,判斷直觀(guān)且效率高,適用于各種條件下的檢測(cè)工作,將成為一種廣泛使用的無(wú)損檢測(cè)手段。
(2)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果得出,沖擊彈性波法檢測(cè)出的裂縫深度結(jié)果與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)基本相同,偏差在5%以?xún)?nèi),可以在實(shí)際工程中推廣使用。
(3)將來(lái)應(yīng)用于實(shí)際工程中,可能將面對(duì)由于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形式多種多樣,或裂縫內(nèi)易積壓灰塵雜質(zhì),造成獲得的深度數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定偏差。所以在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中,如果條件允許,可是使用氣泵預(yù)先處理,使檢測(cè)結(jié)果更精確。在后續(xù)試驗(yàn)中也將模擬裂縫中存在雜質(zhì)情況的檢測(cè)工作。
表2 1號(hào)構(gòu)件檢測(cè)結(jié)果表
表3 2號(hào)構(gòu)件檢測(cè)結(jié)果表
表4 3號(hào)構(gòu)件檢測(cè)結(jié)果表
表5 選取部位取芯結(jié)果表
圖5 裂縫處所取芯樣標(biāo)記圖
[1]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[S].
[2]吳新旋.《混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手冊(cè)》[M].北京:人民交通出版社,2003:262~279.
[3]顧鐵東,林維正,蘇航.沖擊回波法在混凝土無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè)測(cè),2004,26(9):468~472.
[4]吳佳曄,安雪暉,田北平.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和進(jìn)展[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,22(4):4~7.
[5]董壽興,張曉燕,金元.超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法檢測(cè)混凝土裂縫深度[J].建筑材料學(xué)報(bào),1998.
TU755.7
A
1004-7344(2016)11-0308-02
2016-3-29
朱欣明(1980-),男,本科,主要從事工程技術(shù)管理工作。