酈 亮，蔡慧靜，張 軍，毛江鴻，鄭博宇，李 強(qiáng)

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315101； 2.寧波市建設(shè)工程安全質(zhì)量管理服務(wù)總站，浙江 寧波 315043； 3.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100)

0 引言

由于混凝土抗拉強(qiáng)度低，大體積混凝土結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)裂縫，如大壩、承臺(tái)、地鐵側(cè)墻等結(jié)構(gòu)均存在不同程度的開裂現(xiàn)象[1-2]?；炷灵_裂后，結(jié)構(gòu)整體性和耐久性受到影響[3-4]，因此須對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)。目前，混凝土裂縫修復(fù)方法主要包括表面處理法、化學(xué)灌漿法、自修復(fù)材料填充法、電化學(xué)沉積及生物沉積法[5]，其中，化學(xué)灌漿法技術(shù)較成熟，應(yīng)用較廣泛。灌漿修復(fù)效果關(guān)系到修復(fù)后混凝土長(zhǎng)期性能，灌漿方法、裂縫形態(tài)等對(duì)灌漿修復(fù)效果產(chǎn)生影響，修復(fù)后二次開裂、復(fù)漏等現(xiàn)象普遍存在[6]。因此，需研發(fā)便捷、可靠的灌漿修復(fù)效果檢測(cè)方法。

DL/T 5406—2010《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》[7]建議采用檢查孔壓水試驗(yàn)法或鉆芯取樣法判斷混凝土裂縫化學(xué)灌漿修復(fù)效果，上述方法判斷結(jié)果直觀、真實(shí)，但屬于有損檢測(cè)，且存在無(wú)法準(zhǔn)確反映修復(fù)斷面整體情況等問(wèn)題。超聲波技術(shù)是目前常見(jiàn)的混凝土缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可有效檢測(cè)混凝土裂縫開展深度[8]。混凝土灌漿修復(fù)效果檢測(cè)與混凝土裂縫檢測(cè)存在較大區(qū)別，主要體現(xiàn)在不同介質(zhì)材料反映的超聲波聲學(xué)信號(hào)特征值存在明顯差異[9]，需通過(guò)系統(tǒng)研究進(jìn)行揭示，從而指導(dǎo)灌漿修復(fù)效果檢測(cè)。因此，本文設(shè)計(jì)不同裂縫寬度的混凝土試件，采用灌漿工藝進(jìn)行修復(fù)，跟蹤監(jiān)測(cè)并分析了灌漿修復(fù)過(guò)程中超聲波首波波幅、聲時(shí)等聲學(xué)信號(hào)特征值。

1 超聲波技術(shù)檢測(cè)原理

將超聲波技術(shù)應(yīng)用于裂縫檢測(cè)時(shí)，在裂縫單側(cè)施加震源，產(chǎn)生彈性波，接收器置于裂縫另一側(cè)，超聲波在裂縫邊緣發(fā)生反射，并在裂縫尖端發(fā)生繞射，以球面波的形式進(jìn)行二次傳播[10-11]，如圖1所示。由于傳播路徑的改變，裂縫位置處獲取的超聲波首波波幅、聲時(shí)等明顯區(qū)別于完整混凝土，可據(jù)此判斷裂縫形態(tài)。裂縫灌漿修復(fù)后的混凝土結(jié)構(gòu)可視為由混凝土、灌漿材料與未填充空隙組成的多層復(fù)合材料。

圖1 超聲波傳播示意

2 灌漿修復(fù)試驗(yàn)

2.1 試件制作

制作裂縫寬度分別為0.3，0.6，0.9mm的3組試件，截面尺寸均為1 000mm×600mm×600mm(長(zhǎng)×寬×高)，編號(hào)依次為S-0.3，S-0.6，S-0.9，配合比均為水∶水泥∶砂∶石=158∶398∶810∶1 031(kg/m3)，均采用C35混凝土，拌合水為自來(lái)水，采用同種灌漿工藝進(jìn)行裂縫修復(fù)。

2.2 裂縫制作與控制

當(dāng)裂縫寬度、灌漿壓力與時(shí)間、漿液流動(dòng)性相同時(shí)，裂縫傾角與混凝土界面形態(tài)對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響較大[12]，使通過(guò)預(yù)置插片法模擬的光滑裂縫與真實(shí)裂縫存在較大差異。為此，研發(fā)新型混凝土裂縫制作裝置[13]，如圖2所示。為形成帶裂縫的混凝土試件，首先通過(guò)加載使試件斷裂；然后以斷裂后的試件為端模，重新立模澆筑成完整試件；最后通過(guò)外骨架裝置中的螺桿撐開新舊混凝土結(jié)合面。本研究提出的裝置可在試件預(yù)定位置制作寬度可控的貫穿式裂縫，且能在灌漿修復(fù)結(jié)束后打開試件，以觀察裂縫修復(fù)效果。

圖2 裂縫制作裝置

2.3 灌漿工藝

灌漿孔道布置如圖3所示，打孔點(diǎn)距裂縫的水平距離為15cm，相鄰打孔點(diǎn)在裂縫兩側(cè)交錯(cuò)布置，垂直距離為20cm，孔道與試件正立面的夾角為60°，鉆孔深度25cm，埋設(shè)前止水型止水針頭，利用高壓注漿機(jī)由下至上沿孔道依次灌漿。

圖3 灌漿孔道布置

在試件左右立面畫出5cm×5cm方格，在方格中心布置超聲波測(cè)點(diǎn)，依據(jù)CECS 21∶2000《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[14]的要求，使用NM-4A型非金屬超聲檢測(cè)分析儀對(duì)超聲波斜測(cè)法采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。灌漿過(guò)程中，持續(xù)采集超聲波數(shù)據(jù)，進(jìn)行定點(diǎn)跟蹤檢測(cè)。

3 灌漿修復(fù)效果與分析

3.1 修復(fù)效果

灌漿修復(fù)72h后打開各試件，觀察裂縫修復(fù)效果，可知試件S-0.3漿液覆蓋深度為24～52cm，試件S-0.6漿液覆蓋深度為40～52cm，試件S-0.9漿液完全覆蓋；漿液覆蓋區(qū)域顏色較深，且部分位置黏合強(qiáng)度較高，裂縫兩側(cè)混凝土顏色較淺。相同灌漿條件下出現(xiàn)不同灌漿深度，這與漿液擴(kuò)散半徑、裂縫寬度有關(guān)，隨著裂縫寬度的增加，漿液受到的摩阻力逐漸減小，覆蓋面積逐漸增大。

3.2 波形變化

以試件S-0.3為例(其他試件波形變化情況相似)，灌漿前后典型波形對(duì)比如圖4所示，由圖4可知，灌漿前漿液覆蓋區(qū)域測(cè)點(diǎn)首波波幅較小，首波聲時(shí)較大，且后續(xù)整體波形多處存在畸形，這是因?yàn)楣酀{前試件存在貫穿式裂縫，使超聲波在傳播過(guò)程中遇到空洞，導(dǎo)致超聲波傳播路徑發(fā)生變化，進(jìn)而使超聲波接收端獲得的首波聲時(shí)增大，波幅損失增大，后續(xù)整體波形出現(xiàn)殘缺；由于漿液的覆蓋，填充了裂縫空洞，使超聲波傳播路徑縮短，首波聲時(shí)減小，波幅損失減小，后續(xù)整體波形更完整。灌漿前后漿液未覆蓋區(qū)域測(cè)點(diǎn)波形相似，首波波幅和首波聲時(shí)相差較小，可判定測(cè)點(diǎn)超聲波波形未發(fā)生顯著變化。

圖4 灌漿前后波形對(duì)比

綜上所述，漿液覆蓋區(qū)域與未覆蓋區(qū)域測(cè)點(diǎn)超聲波波形變化情況差異顯著，可根據(jù)波形變化判斷灌漿修復(fù)后漿液覆蓋情況。以試件S-0.3為例(其他試件超聲波波形變化情況相似)，對(duì)測(cè)點(diǎn)波形隨灌漿過(guò)程的變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，灌漿4min內(nèi)，整體波形變化較小，首波波幅、聲時(shí)存在小幅波動(dòng)，可推測(cè)該時(shí)段漿液未覆蓋測(cè)區(qū)；灌漿6～10min，波形完整性明顯提升，首波聲時(shí)逐漸減小，可推測(cè)該時(shí)段漿液覆蓋測(cè)區(qū)；灌漿10min至自然硬化72h，波形進(jìn)一步完整，首波聲時(shí)進(jìn)一步減小，這是因?yàn)楣酀{硬化使兩側(cè)混凝土相互黏結(jié)，進(jìn)而使超聲波更好地傳遞。

圖5 試件S-0.3灌漿過(guò)程波形變化曲線

3.3 波幅變化

各試件波幅變化情況如圖6所示，由圖6可知，漿液覆蓋區(qū)域波幅增加明顯，最大增量達(dá)34.08dB，由40.10dB增至74.18dB，增幅約85%；漿液未覆蓋區(qū)域波幅變化較小，最大變化量?jī)H為4dB，與覆蓋區(qū)域差異明顯。實(shí)際漿液覆蓋輪廓與波幅變化輪廓較吻合，表明可通過(guò)波幅變化掌握混凝土內(nèi)部灌漿料實(shí)際分布情況。

圖6 波幅變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

利用超聲波技術(shù)對(duì)不同裂縫寬度試件灌漿修復(fù)效果進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，并分析灌漿過(guò)程中超聲波首波波幅、聲時(shí)等聲學(xué)信號(hào)特征值，得出以下結(jié)論。

1)漿液填充裂縫后，使超聲波傳播損失減小，首波聲時(shí)減小，波幅增大，整體波形更完整，聲學(xué)信號(hào)特征值與漿液未覆蓋區(qū)域差異明顯。

2)實(shí)際漿液覆蓋輪廓與波幅變化輪廓較吻合，可通過(guò)波幅變化掌握混凝土內(nèi)部灌漿料實(shí)際分布情況，可將波幅變化量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

3)通過(guò)應(yīng)用超聲波技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，可獲取灌漿深度動(dòng)態(tài)變化情況，進(jìn)而為現(xiàn)場(chǎng)施工提供技術(shù)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)灌漿工藝與灌漿效果即時(shí)評(píng)估。