劉 闊

(遼寧省清河水庫管理局有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

受長期沖擊荷載、溫度荷載、材料自身收縮徐變以及施工技術(shù)等因素作用，水工混凝土?xí)a(chǎn)生許多結(jié)構(gòu)缺陷，其中最常見的缺陷就是混凝土裂縫[1]。裂縫的不斷延伸與發(fā)展給結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性造成嚴(yán)重影響，必須及時檢查和分析裂縫，并結(jié)合裂縫的尺寸深度、產(chǎn)生原因及性質(zhì)進(jìn)行加固處理[2-4]。目前，化學(xué)注膠法和表面抹膠封閉法是混凝土裂縫加固處理的常用方法。對于封閉修補(bǔ)表面抹膠的裂縫，依據(jù)表面抹膠修補(bǔ)的裂縫飽滿度和均勻性可以直接判定裂縫修補(bǔ)質(zhì)量，而化學(xué)注膠修補(bǔ)的裂縫位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其裂縫修補(bǔ)質(zhì)量的檢測逐漸成為工程技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)問題[5-6]。根據(jù)現(xiàn)行加固規(guī)范可以利用鉆芯取樣法，通過芯樣劈裂試驗(yàn)判定裂縫修補(bǔ)后的質(zhì)量，從而反映出裂縫修補(bǔ)的狀況。但該方法只能判定局部裂縫修補(bǔ)后的質(zhì)量且鉆芯形成的孔洞給結(jié)構(gòu)帶來二次損傷，其推廣應(yīng)用受到一定限制。超聲波法是一種操作簡單且能夠較好地解決鉆芯樣給結(jié)構(gòu)造成二次損傷及檢測范圍小等問題的無損檢測技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力管道密實(shí)度、結(jié)構(gòu)厚度、內(nèi)部缺陷及混凝土裂縫深度檢測等領(lǐng)域[7-9]。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，對水工混凝土裂縫注膠質(zhì)量利用超聲波法檢測的研究還現(xiàn)有報(bào)道。因此，文章在混凝土梁上采用不銹鋼鋼板預(yù)制6條裂縫(深度150mm)，按照30mm、45mm、60mm、90mm、120mm和150mm深對該混凝土梁預(yù)制裂縫進(jìn)行注膠修補(bǔ)處理，對修補(bǔ)后的每個裂縫再應(yīng)用單面平測法進(jìn)行超聲法檢測，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出裂縫注膠修補(bǔ)質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了工程檢測效率，可為其他類似工程裂縫修補(bǔ)質(zhì)量檢測提供了一定技術(shù)支持。

1 超聲波檢測法

1.1 基本原理

對裂縫注膠質(zhì)量利用超聲波法檢測時，應(yīng)符合以下基本條件：①裂縫周邊的混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度、聲速與完好混凝土基本相同；②跨縫測量時，以繞過裂縫末端從發(fā)射換能器到達(dá)接受換能器作為首波信號傳播路徑。

完好混凝土中超聲波沿表面?zhèn)鞑?，若遇裂縫則會沿裂縫端部繞行傳播，從而使得傳播距離和首波聲時增大。裂縫修補(bǔ)密實(shí)后會打通原有阻礙聲波傳統(tǒng)的路徑，該條件下與完好混凝土的傳播路徑相同，超聲波傳播路徑如圖1。因換能器之間的測距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裂縫寬度，所以測量結(jié)構(gòu)基本不受裂修補(bǔ)物質(zhì)的波速變化影響。

圖1 超聲波的傳播路徑示意圖

1.2 判定依據(jù)

若僅僅修補(bǔ)裂縫表面而未修補(bǔ)其內(nèi)部，依據(jù)最小路徑傳播原理可知此時測定的完好云凝土與修補(bǔ)后的混凝土聲時基本相同。該條件下單純地依靠首波聲時會導(dǎo)致修補(bǔ)質(zhì)量的誤判，所以超聲波波幅也是衡量能量傳播的重要參數(shù)?；炷羶?nèi)部存在裂縫時超聲波的能量傳播會出現(xiàn)衰減，波幅數(shù)值也會出現(xiàn)一定的減小，而裂縫修補(bǔ)密實(shí)后波幅衰減較少。因此，完好混凝土與裂縫修補(bǔ)后的混凝土首波聲時基本相同，此外還要比較完好混凝土與修補(bǔ)后混凝土的首波波幅，兩者越接近則注膠質(zhì)量越好。

設(shè)每個裂縫修補(bǔ)后的測點(diǎn)分別有n個，測點(diǎn)i的某參數(shù)測量值xi，某參數(shù)的實(shí)測平均值mx，標(biāo)準(zhǔn)差為Sx，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

標(biāo)準(zhǔn)差越小則測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性越好，混凝土裂縫注膠質(zhì)量也就越均勻；若測試參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差不小于完好混凝土對應(yīng)參數(shù)與裂縫修補(bǔ)后測試參數(shù)平均值之間的絕對誤差，則等同于完好混凝土與混凝土修補(bǔ)后對應(yīng)參數(shù)保持一致，即裂縫修補(bǔ)質(zhì)量達(dá)到工程加固的設(shè)計(jì)要求。因此，文章利用公式(3)-(4)計(jì)算裂縫修補(bǔ)完好時混凝土的首波波幅及聲時，即：

(3)

(4)

2 試驗(yàn)研究

2.1 試件加工

為反映超聲波首波波幅及聲時在不同注膠飽滿度裂縫中的差別，本研究現(xiàn)場澆筑C30混凝土梁(尺寸：長2000mm×高250mm×寬500mm)，在梁上采用不銹鋼鋼板預(yù)制出6條長500mm×寬20mm×深150mm的裂縫，從左到右預(yù)制裂縫編號依次為A-F。

現(xiàn)場依據(jù)需要預(yù)制預(yù)制裂縫的位置和混凝土梁構(gòu)造尺寸加工木模板，將長500mm×寬2mm×高200mm并涂有潤滑劑的不銹鋼板摻入木模板裂縫預(yù)設(shè)的位置，完成木模板制作。為防止出現(xiàn)硬化后不銹鋼板難以抽出的情況，混凝土初凝后將不銹鋼板每隔1h晃動一下，晃動過程中把潤滑劑沿不銹鋼板兩側(cè)注入；混凝土終凝前適當(dāng)增大晃動概率，并在終凝前及時不銹鋼板抽出。

2.2 檢測方法

首先，在混凝土梁澆筑完成28d后，打磨試件表面使其測試面保持平整，然后在完好區(qū)按照100mm、150mm、200mm繪制3對測試點(diǎn)，編號依次為1-1′、2-2′、3-3′；沿裂縫對稱布置3對測試點(diǎn)，編號依次為a-a′、b-b′、c-c′，測試點(diǎn)沿著寬度方向間距及跨縫間距均為100mm，如圖2所示。

圖2 預(yù)制混凝土梁縫的單面平測網(wǎng)格

采集數(shù)據(jù)時將凡士林耦合劑涂抹于測試點(diǎn)處，并按照跨縫及不跨縫兩種方式用超聲波檢測儀進(jìn)行測試。不跨縫檢測時應(yīng)在混凝土梁完好區(qū)域安放T、R換能器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，跨縫檢測時要在混凝土裂縫兩側(cè)安放T、R換能器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)采集

按照未處理裂縫、表面抹膠裂縫和注膠裂縫3個階段進(jìn)行試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)采集，具體如下：①構(gòu)件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，對6個裂縫區(qū)域及混凝土完好區(qū)域進(jìn)行第1次首波波幅及聲時數(shù)據(jù)采集。②初始數(shù)據(jù)采集完成后，對裂縫A-E的30mm、45mm、60mm、90mm和120mm深位置處插入1根表面涂抹結(jié)構(gòu)膠的矩形鋼絲條，截面2mm×2mm；鋼絲條固定后將鋼黏膠涂抹于裂縫A-F表面，表面預(yù)留出氣孔及注膠孔；鋼黏膠硬化后對6個裂縫區(qū)域，在第1次數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處進(jìn)行第2次首波波幅及聲時數(shù)據(jù)采集。③表面抹膠數(shù)據(jù)采集完成后，沿裂縫表面預(yù)留的注膠孔注入調(diào)配好的灌封膠，注射過程中要維持穩(wěn)定壓力，確保灌封膠能夠充分滲入A-F裂縫縫隙，以灌封膠從出氣孔流出作為完成預(yù)設(shè)裂縫深度灌注的標(biāo)準(zhǔn)。③灌封膠經(jīng)幾個小時硬化后，對6個裂縫區(qū)域仍在第1次數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處進(jìn)行第3次首波波幅及聲時數(shù)據(jù)采集。

2.4 數(shù)據(jù)分析

在混凝土梁完好區(qū)域第1階段測試的首波波幅及聲時數(shù)據(jù)，如表1所示。采用最小二乘法對表1中實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，繪制超聲波測距-首波聲時圖，如圖3所示。

表1 混凝土完好區(qū)各測點(diǎn)波幅及聲時

結(jié)果顯示，完好區(qū)混凝土超聲波測距與聲時呈明顯的線性關(guān)系，擬合線未通過原點(diǎn)表明還存在一個修正量B，即2個換能器之間的測距并非超聲波單面平測的實(shí)際傳播距離。線性回歸分析混凝土完好區(qū)域的首波聲時ti與各對應(yīng)測距l(xiāng)i的關(guān)系，可以建立直線方程：

(5)

(6)

l=vt+B

(7)

式中：l、v為超聲波的實(shí)際傳播距離和傳播速度；li、ti為各監(jiān)測組的換能器中心距和超聲波首波聲時；n為檢測組數(shù)。

采用公式(5)可以求出完好區(qū)域混凝土超聲波理論波速為3.772×103m/s，測距修正量22.8mm，經(jīng)歸回分析構(gòu)建線性方程l=3772t-22.8，由此可以計(jì)算出測距100mm時完好區(qū)域混凝土理論首波聲時26.1μs。跨A-F裂縫測點(diǎn)3個階段單面平測首波聲時檢測結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，完好混凝土的首波聲時比修補(bǔ)前的6個裂縫??；裂縫表面注膠及抹膠后鋼黏膠連通了原有斷開的傳播路徑，完好混凝土首波聲時與此時檢測的首波聲時平均值之間的絕對誤差均小于標(biāo)準(zhǔn)差。實(shí)際上，在第2個階段A-F裂縫僅僅是表面抹膠，第3階段并未完全修補(bǔ)裂縫。所以，單純的依靠首波聲時并不能全面地判定裂縫修補(bǔ)質(zhì)量。

表2 單面平測法跨縫測點(diǎn)首波聲時

續(xù)表2 單面平測法跨縫測點(diǎn)首波聲時

跨A-F裂縫測點(diǎn)3個階段單面平測首波波幅檢測結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，裂縫表面抹膠后及裂縫未修補(bǔ)前檢測的裂縫區(qū)域較混凝土完好區(qū)域的首波波幅較小，并且檢測的首波聲時標(biāo)準(zhǔn)差小于完好混凝土與裂縫表面抹膠后首波聲時平均值的絕對誤差，這表明裂縫還沒有修補(bǔ)，檢測結(jié)果與實(shí)際情況保持一致。按30mm、45mm、60mm、90mm、120mm和150mm深對A-F裂縫灌漿修補(bǔ)后，檢測的A-E裂縫區(qū)域首波波幅小于混凝土完好區(qū)域，且檢測的首波聲時標(biāo)準(zhǔn)差小于混凝土完好區(qū)首波聲時與A-E裂縫首波聲時平均值之間的絕對誤差；檢測出完全修補(bǔ)的F裂縫首波波幅與混凝土完好區(qū)基本相同，且檢測的首波聲時標(biāo)準(zhǔn)差小于混凝土完好區(qū)首波聲時與F裂縫首波聲時平均值之間的絕對誤差。為進(jìn)一步檢驗(yàn)注膠效果，通過鉆芯取樣檢測混凝土梁，結(jié)果顯示除F裂縫灌漿飽滿外其他裂縫均不飽滿，這與超聲波檢測結(jié)果基本相符[10-14]。

表3 單面平測法跨縫測點(diǎn)首波波幅

3 結(jié) 論

1)對裂縫內(nèi)部注膠處理或僅修補(bǔ)表面時，測得的首波聲時標(biāo)準(zhǔn)差小于混凝土完好區(qū)首波聲時與裂縫修補(bǔ)后首波聲時的絕對誤差，表明單純的依靠首波聲時并不能全面地判定裂縫修補(bǔ)質(zhì)量。

2)波幅是衡量超聲波傳播能量變化的重要參數(shù)，混凝土內(nèi)部存在裂縫時能量傳播會發(fā)生衰減，波幅也有一定的減小，而裂縫修補(bǔ)密實(shí)后發(fā)生的波幅衰減較少。因此，混凝土完好區(qū)域首波波幅與此時測得的首波波幅保持一致，并且檢測的首波聲時標(biāo)準(zhǔn)差高于混凝土好首波聲時與裂縫修補(bǔ)后首波聲時平均值之間的絕對誤差。

3)混凝土完好區(qū)域與裂縫修補(bǔ)后的首波聲時保持一致，但還需要結(jié)合完好混凝土波幅與裂縫修補(bǔ)后首波波幅的比較結(jié)果，測試參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差大于完好混凝土與裂縫修補(bǔ)后對應(yīng)參數(shù)的絕對誤差，才能準(zhǔn)確判定出混凝土裂縫注膠質(zhì)量完好。