克帕也木·爾肯

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域巴音郭楞管理局 水利科研所,新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

在我國,水閘工程所采用的混凝±強(qiáng)度等級(jí)普遍偏低。 鋼筋混凝±板在長期使用下會(huì)引起劣化,其修復(fù)方法有很多,如用水射流來清除損壞的部分,并通過放置修補(bǔ)材料進(jìn)行修復(fù)[1-2]等。但在某些情況下,使用這種方法修復(fù)的鋼筋混凝±板還會(huì)過早老化,其原因是未充分去除劣化部分。 下面是確定攔河閘橋鋼筋混凝±板的劣化范圍示例：①為了明確損傷的平面分布,進(jìn)行錘擊試驗(yàn)等。 ②為了明確沿板深方向的損傷分布,根據(jù)損傷的平面分布確定巖芯采樣位置。 ③從巖芯開裂和超聲速度下降的區(qū)域來評(píng)估損傷的深度。 ④在綜合評(píng)估損傷平面分布、取芯位置、損傷深度的基礎(chǔ)上,確定損傷部位的去除范圍。

近年來,針對(duì)路橋鋼筋混凝±板底部出現(xiàn)的網(wǎng)格狀裂縫和水平裂縫,可以認(rèn)為在局部裂紋周圍的區(qū)域存在微裂紋堆積的區(qū)域[3]。 超聲層析成像技術(shù)是一種混凝±無損檢測技術(shù),在橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用[4],超聲波檢測采用頻率相對(duì)較高的波,因其波長短,用于檢測內(nèi)部小缺陷的精度較高。 在損傷檢查中,必須考慮所有的損傷,包括宏觀和微觀裂紋。

本文對(duì)塔里木河攔河閘橋鋼筋混凝±板破壞過程的機(jī)理進(jìn)行研究,利用車輪運(yùn)行試驗(yàn)中經(jīng)歷疲勞的全尺寸鋼筋混凝±板坯進(jìn)行超聲層析試驗(yàn),分析實(shí)際損傷與超聲層析試驗(yàn)分析結(jié)果之間的關(guān)系。

1 材料與方法

對(duì)車輪運(yùn)行試驗(yàn)中出現(xiàn)疲勞的試件板進(jìn)行超聲斷層掃描,利用超聲速度測定試件狀態(tài)。 為驗(yàn)證超聲層析成像的有效性,將其結(jié)果與通過巖芯的超聲傳播速度測量(透射法)和注入熒光環(huán)氧樹脂調(diào)查裂縫的方法相對(duì)比,并用于塔里木河攔河閘橋鋼筋混凝±板的實(shí)際損傷檢測。

1.1 試 件

試件尺寸為3 000mm×2 000mm,厚160mm,試件板形狀尺寸及鋼筋布置見圖1。

圖1 試板和鋼筋布置的形狀和尺寸

計(jì)劃在車輪運(yùn)行試驗(yàn)后進(jìn)行凍融試驗(yàn),對(duì)試件進(jìn)行疲勞和凍融損傷聯(lián)合惡化研究;不使用防凍劑,設(shè)置較高的水灰比68%,有利于早期促進(jìn)凍害。 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)4 周時(shí)的抗壓強(qiáng)度24.5 N/mm2,采用普通硅酸鹽水泥和粗骨料粒徑最大20mm 的碎石。

1.2 車輪運(yùn)行試驗(yàn)機(jī)

車輪運(yùn)行試驗(yàn)機(jī)和支撐條件：本試驗(yàn)使用的輪跑試驗(yàn)機(jī)為曲柄式(鐵輪式),飛輪由電機(jī)旋轉(zhuǎn),飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過曲柄桿轉(zhuǎn)化為鐵輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng),見圖2。 支撐試件邊緣的兩種條件：兩個(gè)長邊的簡單支撐(車輪運(yùn)動(dòng)方向)和兩側(cè)的相對(duì)彈性支撐(跨度方向),其中支撐考慮橋板的單向荷載。

圖2 車輪運(yùn)行試驗(yàn)機(jī)

劣化目標(biāo)、運(yùn)行負(fù)荷和運(yùn)行次數(shù)：作為目標(biāo)試件板的劣化程度為設(shè)計(jì)彎曲值3.0mm 處的劣化程度,由于使用該板試件的目的是研究超聲層析成像,因此忽略受拉側(cè)混凝±狀況,將試件的劣化設(shè)定為試件破壞前的劣化值。 將運(yùn)行載荷設(shè)置在110kN 這個(gè)相對(duì)較小的值,是因?yàn)樵谲囕嗊\(yùn)行載荷比較大的試驗(yàn)中,擔(dān)心在測定試件疲勞壽命的試驗(yàn)過程中彎曲會(huì)突然增加,超過退化目標(biāo)。

在使用該運(yùn)行載荷的車輪運(yùn)行試驗(yàn)中,在達(dá)到設(shè)計(jì)彎曲值之前的運(yùn)行次數(shù)為11×104次。

1.3 板狀試件超聲層析分析

1.3.1 計(jì)算過程

采用超聲斷層掃描分析軟件進(jìn)行分析,分析過程見圖3。 首先,在平板上進(jìn)行調(diào)查的范圍被劃分為網(wǎng)格模式中有限數(shù)量的元素,每個(gè)元素都有一個(gè)單獨(dú)的超聲傳播速度值。 當(dāng)考慮給定波線i的超聲波傳播路徑(線性波剖面)時(shí),波運(yùn)動(dòng)li的傳播距離為波線i通過層析單元j的線段長度Δlij的總和。 假設(shè)給定元素j中線段Δlij超聲速度為Vj,則振蕩點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的傳播時(shí)間Ti的計(jì)算公式如下：

圖3 超聲層析成像分析程序

將式(1)得到的傳播時(shí)間與實(shí)測傳播時(shí)間進(jìn)行比較,并對(duì)軟件中的超聲速度進(jìn)行校正。 重復(fù)該計(jì)算,直到每條測量線上的實(shí)測值與計(jì)算值之間的絕對(duì)值累積總和成為預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值或更低。作為一種校正理論運(yùn)行時(shí)間和觀測運(yùn)行時(shí)間之間誤差的方法,該軟件采用SIRT 方法對(duì)速度模型進(jìn)行校正。

1.3.2 分析截面、分析區(qū)域和單元?jiǎng)澐?/p>

對(duì)于圖4 的分析截面,選取垂直于車輪運(yùn)動(dòng)方向且位于試件中心的截面,即垂直于運(yùn)動(dòng)方向(X 方向)長度1 000 mm,垂直于厚度方向(Z 方向)的長度160 mm。 選擇位于試件中心且垂直于車輪運(yùn)動(dòng)方向的截面的原因如下：沖孔剪切產(chǎn)生的裂紋被認(rèn)為是由傳播和發(fā)展的局部裂縫產(chǎn)生的,并且這些裂紋周圍有些區(qū)域是由于反復(fù)加載而積累的微裂紋。 選擇的橫截面包括一個(gè)微裂縫聚集區(qū),因?yàn)樵摍M截面與垂直于車輪行駛方向上適用于對(duì)微小裂縫進(jìn)行超聲波斷層掃描的探測。

圖4 車輪運(yùn)行試驗(yàn)后板坯中的裂紋

在圖5 的上半部分中,本次分析的區(qū)域?qū)挾葹? 000mm,劃分為5 段。 每段寬200mm,高160mm。 在圖5 的下半部分中,將200mm 乘以160mm 的面積分成20 個(gè)單元進(jìn)行計(jì)算,即每個(gè)200mm 線段的寬度除以5、160mm 的高度除以4。在表示分析結(jié)果時(shí),將每個(gè)元素細(xì)分為9 個(gè)部分,并對(duì)其進(jìn)行平滑處理。

圖5 分析橫截面、分析區(qū)域和元素劃分

根據(jù)圖5 下半部分,在每個(gè)分割區(qū)域內(nèi)測量超聲波的傳播時(shí)間,該區(qū)域內(nèi)的源和接收器分別設(shè)置在試件的上表面和下側(cè)面。 當(dāng)試件彎曲達(dá)到設(shè)計(jì)彎曲值時(shí)進(jìn)行測量,該彎曲值忽略受拉側(cè)混凝±的情況,并停止輪跑試驗(yàn)。 將分析截面劃分為5 段,超聲波具有較高的頻率,可以較好地探測到內(nèi)部較小的損傷。 但聲波在混凝±中的衰減較大,且在受損混凝±中的傳播距離會(huì)變短。

1.4 巖芯超聲傳播速度(透射法)

在圖4 所示的位置采集4 個(gè)巖芯。 與實(shí)際檢測公路橋鋼筋混凝±板損傷深度的方法類似,在試件高度方向上每間隔20mm 設(shè)置測量線,測量超聲傳播速度(以下簡稱超聲速度),超聲速度測量線的設(shè)置使其平行于層析分析的截面。 本研究選定一種用于實(shí)際檢驗(yàn)混凝±結(jié)構(gòu)的超聲設(shè)備,見圖6。

圖6 混凝土超聲波檢測儀

該裝置測量超聲波從發(fā)射到接收的傳播時(shí)間,分辨率為0. 1μs。 該傳感器的諧振頻率為28kHz,電壓1kV,傳感器直徑?20mm,測量值顯示在設(shè)備的數(shù)字顯示器上。

1.5 熒光環(huán)氧樹脂注入法識(shí)別裂縫

采用注入熒光環(huán)氧樹脂的方法,對(duì)巖芯裂紋進(jìn)行識(shí)別。 該方法的步驟如下：①測得超聲速度后,在巖芯中注入熒光環(huán)氧樹脂;②用一臺(tái)混凝±切割機(jī)對(duì)巖芯進(jìn)行切割,以便進(jìn)行層析分析;③用顯微鏡觀察切割面的裂紋情況。

2 結(jié)果與討論

超聲層析分析結(jié)果見圖7;熒光環(huán)氧樹脂注射識(shí)別的裂紋和超聲測速結(jié)果見圖8。

圖7 板坯試樣(頂部)的斷層分析結(jié)果和底面(底部)裂紋的條件

圖8 巖芯橫截面上的裂紋狀況和超聲波速度測量結(jié)果

圖8 中的超聲聲速比是測量到的巖芯超聲聲速與N1 巖芯高度1cm 的超聲聲速1. 0 的比值,研究認(rèn)為N1 巖芯的聲速基本良好,在所有巖芯中,N1 型的超聲聲速最高。

為了闡明超聲速度比的絕對(duì)值與超聲速度絕對(duì)值之間的關(guān)系,在圖7 頂部的超聲層析成像速度圖例下,取巖芯的超聲速度比,間隔為0.1。

2.1 巖芯E5

1)開裂條件。 巖芯E5 開裂的條件是在加載范圍的下方,見圖8(a),在14～12 cm 的高度發(fā)現(xiàn)水平裂縫。

2)層析分析結(jié)果：(a)水平裂縫附近的區(qū)域：在圖7 的頂部,水平裂紋附近計(jì)算的超聲速度(下稱速度)不是恒定的。 左邊區(qū)域的速度比右邊區(qū)域的速度低,速度差異的原因?qū)⒃?b)中討論。 (b)A 區(qū)：圖7 中A 區(qū)的速度相對(duì)于其周圍區(qū)域的速度較低。 研究認(rèn)為該區(qū)靠近車輪軌道的中心及在標(biāo)本的上邊緣,受到了壓應(yīng)力和損傷。 在水平裂縫附近各區(qū)的速度差異被認(rèn)為是由于壓應(yīng)力的損傷和水平裂縫附近的損傷在該區(qū)域混合,壓應(yīng)力造成的損傷(裂紋)未在顯示芯部裂紋的圖中識(shí)別,還出現(xiàn)了熒光環(huán)氧樹脂注射無法識(shí)別的微裂紋。 其原因是：①在反復(fù)加載的混凝±壓縮范圍內(nèi),出現(xiàn)類似金屬材料應(yīng)變硬化的現(xiàn)象,微裂縫發(fā)生閉合。 ②車輪運(yùn)行試驗(yàn)過程中,微裂紋反復(fù)啟閉。 在試驗(yàn)結(jié)束時(shí),微裂紋閉合,因?yàn)榇蜷_裂紋的荷載沒有作用在試件上。③使用的環(huán)氧樹脂雖然黏度較低,但微裂紋非常狹窄,注入壓力不足,無法將環(huán)氧樹脂送入該細(xì)裂紋中。 (c)B 區(qū)：圖7 中頂部顯示的B 區(qū)速度相對(duì)于其周圍區(qū)域的速度較低。 在B 區(qū)發(fā)現(xiàn)的低速被認(rèn)為與車輪加載產(chǎn)生的彎曲裂紋有關(guān),其原因如下：在拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫周圍積累了肉眼看不到的微小裂紋,由于車輪加載產(chǎn)生的彎曲裂紋和彎曲裂紋處及周圍的微裂紋,造成B 區(qū)速度較低。

3)巖芯超聲傳播速度(透射法)。 圖8(a)中,在高度15 和13cm 處的超聲傳播速度非常低。 根據(jù)裂縫情況和層析成像分析結(jié)果,研究認(rèn)為這些低速度是由于壓應(yīng)力和水平裂縫附近的損傷造成的。 從11～1cm 之間,超聲速度下降的程度較小;當(dāng)波接近巖芯的下端時(shí),超聲速度略有下降。 這種超聲速度的降低被認(rèn)為是之前討論的微裂紋。

4)層析成像分析中巖芯速度與速度的比較。 巖芯的超聲測速往往高于層析分析的測速。 如巖芯在高度11cm 處的速度(絕對(duì)值)約為3 700 m/s,而層析分析中在高度11cm 處的速度約為2 250～1 750 m/s。 在超聲波速度測量的所有結(jié)果中都可以看到這種趨勢,但在某種程度上存在差異。 其原因如下：有研究表明,隨著含水率的增大,超聲檢測中的巖芯含水率比板坯的含水率要高。 由于水的影響,其超聲波速度比在斷層分析中所確定的試樣板高。

2.2 巖芯N3

1)開裂條件。 巖芯N3 位于荷載范圍邊緣附近,通常認(rèn)為該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)沖切裂紋。 圖8(b)中,觀察到高度10～7cm 周圍存在對(duì)角裂紋,高度3～0cm 周圍出現(xiàn)垂直裂紋。

2)層析成像分析結(jié)果：(a)C 區(qū)。 圖7 頂部N3 核位置的層析分析結(jié)果顯示,C 區(qū)速度較周邊地區(qū)低,C 區(qū)從試件板上表面的輪加載范圍邊緣對(duì)角向下延伸。 上面所討論的裂紋位于C 區(qū),根據(jù)其位置和方向,研究認(rèn)為這些裂紋是在微裂紋發(fā)育、積累并經(jīng)沖切達(dá)到微裂紋極限后出現(xiàn)的。在此基礎(chǔ)上,超聲層析成像技術(shù)可以很好地識(shí)別沖切損傷區(qū)域。 (b)D 區(qū)和E 區(qū)。 D 區(qū)和E 區(qū)與C 區(qū)相鄰,呈對(duì)角線分布,平行于C 區(qū),C 區(qū)是沖孔剪切破壞區(qū)域。 D 和E 區(qū)域的速度隨著車輪運(yùn)行軌跡中心的距離逐漸減小。

3)巖芯超聲傳播速度(透射法)。 圖8(b)中,在高度11～7cm 和高度3～1cm 的區(qū)域,超聲速度非常低,這兩個(gè)區(qū)域都是上面討論的裂縫區(qū)域。 與核心E5 相似,在接近試樣頂部邊緣的高度15cm 點(diǎn)處的超聲波速度遠(yuǎn)低于其他區(qū)域。

2.3 巖芯N2

圖8(c)中,巖芯N2 未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。 對(duì)圖7 中N2 巖芯位置的層析分析結(jié)果,除了前面描述的E 區(qū)域外,F 區(qū)域的速度低于周圍區(qū)域。 對(duì)應(yīng)E 區(qū)域的速度,整體上超聲速度下降的程度較小,而高度1～5cm 處的超聲速度較低;對(duì)應(yīng)F 區(qū)域的速度,高度15cm 處的超聲速度較低,其低速度被認(rèn)為是由沖孔剪切損傷或壓應(yīng)力損傷造成的。

2.4 巖芯N1

圖8(d)中,從頂部邊緣向下至高度約8cm的區(qū)域可見垂直裂縫,這些裂縫可以在試件板的上表面觀察到。 這些裂紋被認(rèn)為是由負(fù)彎曲產(chǎn)生的,因?yàn)镹1 芯在車輪加載試驗(yàn)中接近支撐點(diǎn)。位于N1 核右側(cè)的G 區(qū)域是層析分析中速度較低的區(qū)域,G 區(qū)域的裂縫可能是負(fù)彎曲產(chǎn)生的,因?yàn)榱芽p是朝著垂直裂紋的方向發(fā)展的。 圖8(d)中的巖芯超聲速度,從高度7cm 到高度15cm,速度有較大下降,這似乎與垂直裂縫的分布相對(duì)應(yīng)。 但在圖7 頂部的層析分析中,并沒有看到與垂直裂縫分布相對(duì)應(yīng)的速度下降。 其原因可能是：在車輪運(yùn)行試驗(yàn)過程中,微裂紋反復(fù)打開和閉合。 在測試完成后,由于試樣上的應(yīng)力已不再對(duì)試樣產(chǎn)生影響,因此當(dāng)試樣的超聲傳播速度被測試時(shí),試樣表面的速度并未下降。 在用于超聲速度測量和熒光環(huán)氧樹脂注入的巖芯中,因?yàn)閺脑嚰迳先⌒緯r(shí),一直作用在試樣上的限制壓力被釋放,從而導(dǎo)致微裂紋出現(xiàn)。 由于巖芯中的這些開放裂紋,裂紋周圍區(qū)域的速度下降,通過注入的熒光環(huán)氧樹脂可以清楚地識(shí)別出裂紋。

3 結(jié) 論

采用超聲層析成像,分析了大直徑鋼筋混凝±板在疲勞狀態(tài)下的裂紋,并對(duì)疲勞作用下全尺寸鋼筋混凝±板試件的開裂進(jìn)行了研究。 結(jié)論如下：

1)超聲層析成像對(duì)沖切損傷區(qū)域的檢測效果較好,但對(duì)水平裂縫的檢測效果不明顯。 水平裂縫的成因主要有沖切和壓應(yīng)力兩種。

2)巖芯內(nèi)超聲速度的降低和超聲層析成像結(jié)果表明,除宏觀裂縫外,板坯內(nèi)部還存在著顯微裂縫。

3)在對(duì)板坯進(jìn)行熒光環(huán)氧樹脂注射時(shí),因注入壓力不足,注射時(shí)微裂縫已閉合,未發(fā)現(xiàn)微裂縫。