劉 盼

(遼寧省盤錦市大洼區(qū)水利局，遼寧 盤錦 124200)

水工混凝土受長(zhǎng)期沖擊載荷、干縮老化、溫差及施工技術(shù)等因素影響極易產(chǎn)生裂縫，并逐漸成為工程結(jié)構(gòu)較為常見(jiàn)的一種缺陷，這也是工程質(zhì)量控制的難點(diǎn)和重點(diǎn)[1]。因此，裂縫檢查、分析和處理必須引起工程技術(shù)人員的高度重視[2]。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)采用劈裂試驗(yàn)法并鉆芯取樣，對(duì)裂縫修補(bǔ)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，取芯留下的孔洞立即選用細(xì)石混凝土填實(shí)，較原構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)填料要提高一級(jí)。鉆芯檢測(cè)能夠直觀地反映修補(bǔ)質(zhì)量狀況，但所取結(jié)構(gòu)部位會(huì)產(chǎn)生二次破壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積檢查，實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一定局限性[3-4]。因此，文章擬利用超聲波法檢測(cè)裂縫灌膠修補(bǔ)質(zhì)量，并檢驗(yàn)該方法的有效性與可行性，這對(duì)改善水工結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高加固工程檢測(cè)效率和擴(kuò)大無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用范疇等具有重要意義[5-10]。

1 超聲波檢測(cè)原理

采用超聲波法檢測(cè)裂縫灌注質(zhì)量的基本條件如下：①周圍完好混凝土與裂縫處的混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度、質(zhì)量相差不大；②按照發(fā)射換能器→裂縫末端→接受換能器的途徑實(shí)現(xiàn)首波信號(hào)的跨縫傳播測(cè)量，完整和缺陷波形對(duì)比明顯。

混凝土裂縫注膠前超聲波繞縫傳播，該條件下的傳播距離及聲時(shí)增大；注膠密實(shí)后超聲波不再繞行，其播路線與完好混凝土基本相同，超聲波的傳播途徑，見(jiàn)圖1。考慮到超聲測(cè)距明顯大于裂縫寬度，所以測(cè)量結(jié)果基本不受裂縫寬度內(nèi)化學(xué)漿液波速變化的影響[13]。

圖1 超聲波的傳播途徑

2 試驗(yàn)研究

2.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表1。試件強(qiáng)度利用回彈儀檢測(cè)結(jié)果為25.8MPa，強(qiáng)度等級(jí)C25，配合比為水∶水泥∶砂∶石=0.56∶1∶1.6∶2.91。

表1 試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)參數(shù)

首先，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙完成模板加工，按設(shè)計(jì)配合比稱取相應(yīng)的原材料，混凝土澆筑后要振搗密實(shí)；然后，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的鍍鋅鐵皮插入裂縫所處位置，為了防止養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土硬化與鋼板黏結(jié)，每隔1h注油并適當(dāng)晃動(dòng)鐵皮，12h后將間隔時(shí)間延長(zhǎng)。

2.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)利用NM-4A非金屬超聲檢測(cè)儀測(cè)量水工混凝土裂縫注膠質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集之前先打磨試件測(cè)試表面，以此保持混凝土與換能器表面之間的良好耦合，并確保測(cè)試面的平整性和測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度；在測(cè)試表面上畫尺寸大小均為50mm×50mm的網(wǎng)格，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)取網(wǎng)格的交叉點(diǎn)，測(cè)試時(shí)將凡士林耦合劑涂抹于混凝土表面，試件測(cè)試面網(wǎng)格，見(jiàn)圖2。

(a)單面平測(cè)法 (b)雙面斜測(cè)法

1)單面平測(cè)法：在測(cè)試面上安設(shè)T、R換能器并采集數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)采集劃分成跨縫和不跨縫兩種采集方式?？缈p數(shù)據(jù)采集是在被測(cè)裂縫的兩側(cè)對(duì)稱安設(shè)T、R轉(zhuǎn)能器，按等差逐漸增大換能器之間的間距；不跨縫數(shù)據(jù)采集是在裂縫附近的完好區(qū)安設(shè)T、R換能器，并按等差逐漸增大其間距。

2)雙面斜測(cè)法：在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)測(cè)試面上安設(shè)T、R換能器并采集數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)要按照名稱一一對(duì)應(yīng)兩側(cè)面的測(cè)點(diǎn)，即h-h′、g-g′、f-f′、e-e′、d-d′、c-c′、b-b′、a-a′，其中通過(guò)和不通過(guò)裂縫的各4組，每組7個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)過(guò)程中分3次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體如下：

1)在試件拆模后養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28d時(shí)畫好測(cè)試網(wǎng)，并完成第一次數(shù)據(jù)采集。

2)在裂縫表面涂抹預(yù)先調(diào)好的黏鋼膠，裂縫兩端預(yù)留注膠孔，室溫環(huán)境下靜置24h，黏鋼膠固化期間不得擾動(dòng)混凝土表面，自然養(yǎng)護(hù)至完全固化時(shí)間≥5d，對(duì)各測(cè)點(diǎn)按順序完成第二次數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)采集后人工拌制灌縫膠，并按同一方向充分?jǐn)嚢杈鶆?，該過(guò)程要盡可能減少氣泡的引入，從配置到用完控制漿液拌制時(shí)間≤0.5h；然后傾斜放置試件，使預(yù)留的兩個(gè)注射孔朝向相反，手持注射器向縫內(nèi)注膠至飽和，為確保裂縫內(nèi)膠體充分滲透必須保持壓力穩(wěn)定一段時(shí)間。

3)縫內(nèi)漿液初凝時(shí)觀察補(bǔ)縫質(zhì)量，若發(fā)現(xiàn)縫內(nèi)未充滿或漿液凹陷要實(shí)施末次補(bǔ)漿，漿液自然養(yǎng)護(hù)固化時(shí)間≥5d，該過(guò)程中不得擾動(dòng)混凝土表面，對(duì)各測(cè)點(diǎn)按順序完成第三次數(shù)據(jù)采集。

3 結(jié)果與分析

3.1 理論聲時(shí)計(jì)算

完好混凝土為第一次數(shù)據(jù)采集，完好混凝土的聲速、聲時(shí)及測(cè)距，見(jiàn)表2；采用最小二乘法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合生成時(shí)距圖，時(shí)距擬合曲線，見(jiàn)圖3。測(cè)試時(shí)從a3-a4開(kāi)始以保證測(cè)點(diǎn)間距及其位置屬于同一測(cè)線。由圖3可知，不跨縫超聲波測(cè)距與聲時(shí)呈現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性，所以依據(jù)聲時(shí)可以準(zhǔn)確地判斷出測(cè)距。

表2 完好混凝土的聲速、聲時(shí)及測(cè)距

圖3 時(shí)距擬合曲線

平測(cè)時(shí)，超聲波的實(shí)際傳播距離并非換能器中心或內(nèi)邊緣的距離，而是具有一個(gè)修正量m。通過(guò)直線回歸分析完好混凝土各測(cè)點(diǎn)聲時(shí)ti與對(duì)應(yīng)的測(cè)距l(xiāng)i，可以生成相應(yīng)的直線方程，具體表達(dá)式為：

l=m+vt

(1)

(2)

(3)

式中：v為超聲波的傳播波速；l為實(shí)際傳播距離；ti為各測(cè)段超聲聲時(shí)；li為換能器中心距；n為測(cè)試組數(shù)。

經(jīng)回歸分析生成聲時(shí)與傳播距離之間的線性方程為l=3.81025t，利用該方程可以計(jì)算混凝土完好處超聲波的理論波速為3.81025×103m/s，其修正量0.5218mm，以及測(cè)距處于300～900mm之間的理論聲時(shí)，理論聲時(shí)推算值，見(jiàn)表3。

表3 理論聲時(shí)推算值

3.2 單面平測(cè)法

1)注膠前進(jìn)行第一次檢測(cè)的跨縫兩點(diǎn)聲時(shí)數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)第一次跨縫檢測(cè)聲時(shí)，見(jiàn)表4。結(jié)果顯示測(cè)距越大則聲時(shí)越大，實(shí)測(cè)聲時(shí)與理論聲時(shí)相差較大，由于聲波繞縫傳播測(cè)量的聲時(shí)和測(cè)距均有所增大，這符合裂縫產(chǎn)生的測(cè)距增量變化特征。

表4 各測(cè)點(diǎn)第一次跨縫檢測(cè)聲時(shí)

續(xù)表4 各測(cè)點(diǎn)第一次跨縫檢測(cè)聲時(shí)

2)裂縫表面抹黏膠的第二次檢測(cè)結(jié)果，各測(cè)點(diǎn)第二次跨縫檢測(cè)聲時(shí)，見(jiàn)表5。結(jié)果顯示第二次與第一次的實(shí)測(cè)聲時(shí)基本相同，整體相差不大。裂縫表面抹膠時(shí)內(nèi)部仍為空區(qū)，超聲跨縫傳播與混凝土內(nèi)部傳播的路徑總體相同。所以，裂縫灌注質(zhì)量較差時(shí)可以利用超聲波法檢測(cè)。

表5 各測(cè)點(diǎn)第二次跨縫檢測(cè)聲時(shí)

3)裂縫內(nèi)部灌膠密實(shí)的第三次檢測(cè)結(jié)果，各測(cè)點(diǎn)第三次跨縫檢測(cè)聲時(shí)，見(jiàn)表6。結(jié)果顯示裂縫內(nèi)部灌膠密實(shí)與密實(shí)混凝土的超聲波傳遞路徑相似，較跨縫波形檢測(cè)波形的完整性更好，聲時(shí)明顯減小且首波更易判斷，聲時(shí)與測(cè)距存在更明顯的線性關(guān)系。

表6 各測(cè)點(diǎn)第三次跨縫檢測(cè)聲時(shí)

對(duì)比分析灌漿前、后同一對(duì)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)變化情況，因灌漿改變了傳播路徑使得聲時(shí)檢測(cè)值明顯減小，并且測(cè)距越近則聲時(shí)變化越明顯。灌漿后，完好混凝土理論聲時(shí)與裂縫兩側(cè)超聲波實(shí)際聲時(shí)的差別總體處于5%以下。將混凝土試件進(jìn)行切割，結(jié)果發(fā)現(xiàn)縫內(nèi)灌漿密實(shí)，故檢測(cè)結(jié)果能夠客觀反映裂縫灌漿效果。

整理統(tǒng)計(jì)完好混凝土理論聲時(shí)與單面平測(cè)法檢測(cè)的三次平均聲時(shí)，聲時(shí)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，見(jiàn)圖4。結(jié)果顯示內(nèi)部灌膠的基準(zhǔn)聲時(shí)與平均聲時(shí)比較接近，時(shí)距圖存在明顯的線性關(guān)系，這表明縫內(nèi)灌膠密實(shí)。

圖4 聲時(shí)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

3.3 雙面斜測(cè)法

雙面斜測(cè)法共完成兩次數(shù)據(jù)采集，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)距相同均為650mm，其操作流程與單面平測(cè)法相差不大。兩次數(shù)據(jù)采集為模板拆除完成后和裂縫注膠完成后，雙面斜測(cè)法各測(cè)點(diǎn)聲時(shí)，見(jiàn)表7。其中，h-h′、g-g′、f-f′、e-e′屬于跨縫測(cè)量，其它屬不跨縫測(cè)量。

表7 雙面斜測(cè)法各測(cè)點(diǎn)聲時(shí)

結(jié)果顯示，第一次檢測(cè)的跨縫兩點(diǎn)間的理論聲時(shí)與超聲波實(shí)測(cè)聲時(shí)相差較大，而不跨縫兩點(diǎn)間的理論聲時(shí)與超聲波實(shí)測(cè)聲時(shí)基本相同；第二次檢測(cè)的跨縫及布跨縫兩點(diǎn)間的理論聲時(shí)與超聲波實(shí)測(cè)聲時(shí)基本相同，兩者相差≤5%，檢測(cè)結(jié)果能夠客觀反映灌膠質(zhì)量狀況。

整理統(tǒng)計(jì)完好混凝土理論聲時(shí)與雙面斜測(cè)法檢測(cè)的兩次平均聲時(shí)，聲時(shí)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，見(jiàn)圖5。結(jié)果顯示灌膠后理論聲時(shí)與平均聲時(shí)比較接近，這表明縫內(nèi)注膠已經(jīng)密實(shí)。

圖5 聲時(shí)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié) 論

1)將裂縫及表面抹膠裂縫利用單面平測(cè)法檢測(cè)時(shí)，其理論聲時(shí)與實(shí)測(cè)聲時(shí)相差>25%，測(cè)距相同情況下兩者的實(shí)測(cè)聲時(shí)相差≤5%。研究認(rèn)為，裂縫及其表面抹膠處的超聲波傳播路徑相似。

2)通過(guò)檢測(cè)灌膠、表面抹膠、注膠前等狀態(tài)下同一測(cè)點(diǎn)的波形和聲時(shí)變化可以定性分析注膠效果，實(shí)際工程中若檢測(cè)裂縫處理前后狀態(tài)存在困難，可通過(guò)對(duì)比灌縫混凝土檢測(cè)聲時(shí)與裂縫附近完好混凝土理論聲時(shí)，兩次檢測(cè)聲時(shí)相差≤5%則認(rèn)為裂縫灌漿已密實(shí)。將裂縫灌膠質(zhì)量利用超聲波法進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果可靠且傳播路徑清晰。

3)雖然鉆芯取樣法能夠直觀地反映裂縫注膠質(zhì)量與效果，但會(huì)產(chǎn)生二次破壞，難以大范圍推廣應(yīng)用。因此，超聲波法具有應(yīng)用范圍廣、操作方便、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，避免了工程結(jié)構(gòu)再次受到損傷，與鉆芯取樣法相結(jié)合可以作為檢測(cè)裂縫注膠質(zhì)量的有效手段。