蘇忠高 林發(fā)明 楊敏 劉景熙

(福建博海工程技術有限公司 福建福州 350009)

0 引言

混凝土結構是土木工程建筑行業(yè)不可或缺的材料之一，為了延長建筑結構的壽命，降低建設成本，通過對混凝土裂縫進行評估，判斷是否需要修補，因此必須對混凝土裂縫進行檢測。通過沖擊回波檢測混凝土裂縫是當今工程建設中較為常用的方法[1]。

在國外，土耳其學者Ertugrul Cam等`人利用沖擊回波法對裂縫開展的位置和深度進行了分析[2]。隨著我國工業(yè)技術的發(fā)展，推動了混凝土無損檢測技術的研究和應用，肖國強、吳佳嘩等人應用沖擊回波對混凝土厚度檢測和缺陷定位做出了詳細研究[3-4]。王征等人發(fā)現(xiàn)檢測間距對裂縫深度的精確檢測存在較大影響[5-6]。

在混凝土裂縫檢測中，由于混凝土結構由水泥、粗骨料等構成，在澆筑過程中形成不同界面、毛細孔等影響縱波在混凝土中傳播的因素，若裂縫檢測間距過大，則縱波將在混凝土結構中快速衰減，傳感器接收信號不明顯，容易對裂縫計算造成較大誤差[7]；檢測間距過小時，縱波將在裂縫側邊緣進行連續(xù)反射，也將造成縱波的衰減，造成裂縫檢測誤差[8]。因此，本文基于沖擊回波法對不同裂縫深度的試塊通過不同檢測間距檢測，對檢測間距與裂縫深度檢測之間的關系做進一步的研究。

1 裂縫深度計算原理

由于混凝土裂縫的不同深度傳播路徑也不同，因此，沖擊回波法基于裂縫中波形傳播路徑的不同，遇到障礙物反射回來時的不同波形頻譜，來確定裂縫位置[9-11]。實驗采用沖擊回波檢測儀在實驗過程中會對其中產生的應力波(主要是縱波)進行實時記錄，并將所有的測試信號導入分析軟件，通過軟件對波形進行傅里葉頻譜變換得到相應頻譜圖。圖譜中的頻率為沖擊表面、裂縫界面以及其他界面之間的多次反射產生瞬態(tài)共振所導致。通過對主頻的提取可得到裂縫相關信息，裂縫檢測流程如圖1所示。

圖1 水泥混凝土裂縫檢測流程

在不同介質中應力波傳播速度不同，在進行裂縫檢測時，應先確定混凝土試塊中波形傳播速度；由于應力波中縱波(P波)速度傳播速度最快，因此常通過P波的傳播路徑來檢測裂縫深度。已知混凝土結構厚度的情況下，可以推出混凝土中的縱波波速。頻率值可以從原始信號頻譜圖中獲得，然后由式(1)計算出平均P速度。

CP=2fT/C

(1)

式中：CP——已知厚度混凝土結構的波速測試值；

f——混凝土構件厚度為反射頻率；

T——混凝土的構件厚度；

C——混凝土結構的幾何參數(shù)，通常取0.98。

在混凝土裂縫檢測時，小鋼球與傳感器對稱放置于裂縫兩側，應力波在混凝土內部傳播，分別到達裂縫兩端發(fā)生衍射和混凝土底端發(fā)生反射，由裂縫一端的傳感器接收信號。裂縫檢測原理如圖2所示。

圖2 裂縫檢測原理

由于在變換頻譜中，不同的峰值頻率表示含義不同，最高頻率峰值表示為縱波傳播到結構底部；其他峰值表現(xiàn)為裂縫的反射頻率或試塊空隙不密實缺陷的位置。根據(jù)頻譜中的不同的峰值頻率，可以計算測試結構的內部裂縫的深度或結構厚度。裂縫深度的計算見式(2)：

(2)

式中：d——混凝土裂縫深度；

f1——裂縫缺陷頻率；

a——裂縫測試間距。

2 裂縫深度計算實驗驗證

沖擊回波儀的沖擊激勵由一內置小鋼球與沖擊激發(fā)裝置組成，沖擊的應力波受小鋼球的影響，在檢測過程中試塊的強度、表面平整度以及內部空隙都會對實驗檢測造成影響。因此，該研究對試塊如下處理。

2.1 實驗儀器及試塊制作

本試驗所采用的設備型號是湖南芯儀電子SET-PI2-01。 儀器本身小巧輕便，易于攜帶，操作方便， 而且儀器配置信號自動激發(fā)裝置，敲擊信號穩(wěn)定可靠，重復性極好，保證其沖擊作用所產生的應力波頻率滿足裂縫情況和混凝土結構厚度的檢測要求。

實驗中選擇采樣頻率為125kHz，在試驗開始時檢查自動沖擊器、傳感器與儀器連接情況，手動調節(jié)參數(shù)，檢測時將傳感器按壓緊，然后點擊采集按鈕，待波形穩(wěn)定，手動保存波形數(shù)據(jù)。

為了研究混凝土試塊裂縫與測距的關系，通過對混凝土模具中嵌入薄鋼板以獲取定長裂縫深度，通過改變測量間距觀察裂縫計算誤差，從而確定裂縫深度與測距的關系。

混凝土試塊的制作為了盡可能接近實際，選取厚度大小為0.5mm的薄鋼板。針對實際工程中的裂縫共做4組試塊，其尺寸結構分為300mm×150mm×150mm,300mm×300mm×300mm兩種，將C30試塊制作材料按水∶水泥∶沙∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72的比例配置。在混凝土配比制作好后，灌入卡好薄鋼板的混凝土模具，澆筑混凝土后要振搗充分至表面無氣泡后停止，以保證內部結構密實。待試塊初凝后用塑料薄膜覆蓋，在此之后把試塊放入養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，最后拆除模版，最終形成的帶裂縫混凝土試塊如圖3所示。

圖3 混凝土試塊

2.2 測點及數(shù)據(jù)采集

為提高裂縫深度檢測精度，針對混凝土試塊中裂縫的不同位置，在混凝土試塊的裂縫周圍布置測試區(qū)域，沿裂縫線長度方向每25mm設置一條測線，沿著裂縫的縱向每25mm設置一條測線，接收區(qū)和沖擊區(qū)的點位沿著裂縫方向對稱分布，測線與測線之間的交點即為測點。圖4為表面大小300mm×300mm試塊測點布置圖。

圖4 測點布置示意圖

為研究不同試塊檢測距離與裂縫深度之間的關系，實驗制作3種深度裂縫分別為50mm、100mm、150mm，試塊1為完好試塊，用以確定縱波在混凝土試塊中的傳播速度。由試塊2、3和5驗證不同測距對裂縫深度檢測精度的影響，由試塊3和4驗證兩種不同混凝土強度的試塊對裂縫深度與測試距離是否有影響。混凝土試塊的規(guī)格尺寸如表1所示。

表1 混凝土試塊規(guī)格

3 裂縫深度計算與分析

通過試塊1對P波波速進行標定，對試塊進行等間距的8個測點進行數(shù)據(jù)采集，如圖5所示。

圖5 試塊1波速標定

從圖5等間距各測點波速計算值可以看出，由于混凝土中存在不密實孔隙，可能會造成不同測點所得到的頻率值不同，但是同一試塊等間距測點的波速計算值不會相差太大。由此可知，試塊1中縱波波速計算平均值為3187m/s。經試塊1驗證同一試塊等間距測點的波速及頻譜相差不會出現(xiàn)太大波動，之后試塊等間距測點只需選取4個測點進行檢測。若通過對不同測點的波速計算與相應試塊平均波速比較，若某測點波速相差過大，則去掉此測點重新測量，若波速相差較小，則繼續(xù)下一點測量。

試驗測試中，通過改變沖擊點和信號接收點的距離，對不同測試間距的頻譜解析結果進行對比分析。當實驗測試距離過小時，波形造成嚴重畸變，影響測試計算，引入誤差。因此，試驗中選取了50mm、100mm、150mm三種不同的間距，測試裂縫深度為50mm的裂縫；選取100mm、150mm、200mm的測試間距，測試裂縫深度為100mm的裂縫；150mm、200mm、250mm的測距，檢測深度為150mm的裂縫深度。

在對裂縫頻譜圖進行分析時發(fā)現(xiàn)，由于試塊中裂縫附近存在不密實、孔隙等原因產生許多干擾頻譜，通過相關資料查詢可知，在混凝土試塊檢測中，裂縫頻譜圖主頻通常為頻率峰值最高峰所對應的頻率值。通過確定出裂縫主頻，在縱波傳播過程中，在裂縫頂點衍射的縱波傳播路徑，與到達混凝土試塊底端反射的縱波傳播的路徑相比較短，由于傳播路徑較短，傳播過程中能量損失較少。因此，頻率大于主頻且頻率峰值第二高的頻率，可以確定為裂縫缺陷頻率。

圖6為試塊3等間距不同測點頻譜圖。由圖6可以看出，試塊3中當檢測間距為200mm時，不同測點的主頻分別為10.86kHz、10.99kHz、10.99kHz、 10.99kHz，平均厚度頻率為10.96kHz。裂縫缺陷頻率分別為12.33kHz、11.23kHz、11.60kHz、12.33kHz，平均缺陷頻率為11.87kHz。通過將厚度頻率代入式(1)，可以得到試塊3中縱波傳播速度為3355.10m/s；將縱波波速和裂縫缺陷頻率代入式(2)，即可計算得到裂縫深度為99.87mm，而實際裂縫預留深度為100mm，二者誤差為0.13%。通過此方法將不同試塊進行一一測量，然后將不同測量間距的3個測量點的缺陷頻率通過公式計算，所得的裂縫深度結果與實際預留的裂縫深度進行了誤差比較，結果見表2。

圖6 試塊3等間距不同測點頻譜圖

表2 不同試塊不同測點測試結果對比

由表2可以知道，當試塊2檢測間距為50mm時，由于沖擊點與信號接收傳感器離裂縫過近，在波形傳播過程中縱波在混凝土-空氣界面進行反射，造成能量的衰減，對波形采集造成較大干擾，因此裂縫計算的誤差較大。由表格中試塊檢測數(shù)據(jù)可知，當檢測間距與裂縫深度相近時，裂縫檢測得到的誤差較低。由此可知，當裂縫計算值與裂縫檢測間距相近時，可進一步確定此裂縫深度可作為實際裂縫深度。從試塊4、5可以看出，當縱波在試塊中傳播時，若傳播路程較遠，在傳播過程中由于內部的不密實造成能量衰減，造成裂縫檢測時產生比較大的誤差。在試塊檢測中，不同試塊的不同間距測點測試得出的厚度頻率不同，造成此現(xiàn)象的原因可能為在波形傳播過程中由于改變檢測間距，傳播路徑長度改變較大，因此，反應在頻率上出現(xiàn)厚度頻率不同。而由于實驗各頻率點為等間距測點，因此所得頻率為各測點的平均值，表現(xiàn)在表格中數(shù)據(jù)為不同間距測點的厚度頻率相同。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，當檢測間距不斷增大時，裂縫檢測精度會不斷提高。然而，當試塊檢測間距大于200mm時，裂縫檢測結果誤差較大。通過不同試塊的不同間距的檢測，可以發(fā)現(xiàn)，當試驗檢測間距為裂縫深度的1.5～2倍時，在此間距范圍對裂縫深度為50mm、100mm、150mm的試塊檢測結果比較精確。

4 結論

沖擊回波無損檢測技術在工程領域一直都是一個熱點和難點，本文通過芯儀沖擊回波儀基于沖擊回波法研究不同的沖擊與接受距離來檢測混凝土的裂縫深度，發(fā)現(xiàn)當檢測間距和裂縫深度相近時，此時裂縫檢測誤差最小。

在基于沖擊回波法研究混凝土試塊裂縫檢測時，發(fā)現(xiàn)試塊表面是否平整對檢測有著很大的影響。在檢測時，試塊的厚度、裂縫的位置、待測的區(qū)域平滑程度、試塊內部的蜂窩麻面和凹凸不平，會產生多余的噪聲，從而影響測試精度。在檢測過程中，檢測人員對傳感器的按壓力度，也會對信號的接受造成影響，引起信號分析的頻譜差異。

實驗選取C30混凝土試塊進行檢測，通過薄鋼板制作的裂縫分布規(guī)整，而實際工程應用中的混凝土裂縫呈不規(guī)則分布。因此，本實驗中檢測所得裂縫深度對應于實際工程應用中主裂縫深度，對于裂縫不同分支的深度檢測以及混凝土內部裂縫分布情況可作進一步研究。實驗采用的沖擊回波儀器的沖擊激勵為6mm小鋼球，在混凝土裂縫檢測中，不同大小的小鋼球產生的激勵源不同，縱波攜帶能量大小不同，因此對不同深度裂縫的檢測精度會不一樣。有興趣的同行可以在不同激勵源對裂縫深度檢測的影響做后續(xù)研究。