環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的超聲波檢測(cè)

方永浩,賈麗麗,戴 王比,康秋波,葛兆祥,劉建軍,陳大兵

(1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司,江蘇 南京 211100)

裂縫是環(huán)形鋼筋混凝土電桿的主要缺陷之一[1-4],它不僅直接影響電桿的承載力,而且降低了混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用,嚴(yán)重影響電桿的使用壽命[5-6]。準(zhǔn)確檢測(cè)鋼筋混凝土電桿裂縫深度,對(duì)于電桿的安全使用和評(píng)估具有重要意義。

超聲波檢測(cè)是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度檢測(cè)的常用方法,主要用于平面混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)[7-10]。鋼筋混凝土電桿表面是環(huán)形的,用于平面構(gòu)件的檢測(cè)方法及相關(guān)計(jì)算均不能直接應(yīng)用于環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的測(cè)定和計(jì)算。另外,鋼筋混凝土電桿中鋼筋的存在可能影響裂縫深度的測(cè)定結(jié)果。祝賀等[11]將平面混凝土的裂縫深度檢測(cè)與計(jì)算方法應(yīng)用于環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度檢測(cè),但僅是對(duì)環(huán)向裂縫的檢測(cè),沒(méi)有考慮鋼筋的影響。筆者采用不同裂縫深度的環(huán)形鋼筋混凝土試件,研究超聲波視波速與裂縫深度的關(guān)系及用超聲波測(cè)定環(huán)形混凝土制品裂縫深度的方法,并應(yīng)用于環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度的測(cè)定。

1 試件制備

用P?O42.5級(jí)水泥、細(xì)度模數(shù)為2.65的河沙、最大粒徑為25mm的石灰?guī)r碎石、Ⅱ級(jí)粉煤灰和聚羧酸減水劑配制C40混凝土,制作成外徑、內(nèi)徑、高度分別為200mm,75mm,200mm的環(huán)形混凝土試件。對(duì)于研究縱向裂縫檢測(cè)方法的試件,成型時(shí)在模具中放置厚度為0.3mm、不同寬度的PVC薄片;對(duì)于研究鋼筋影響的試件,在PVC薄片上附一段?10mm的光圓鋼筋,混凝土終凝后即抽去PVC薄片,24 h后脫模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);對(duì)于研究環(huán)向裂縫檢測(cè)方法的試件,用切割機(jī)沿圓周切出不同深度的縫隙。

2 裂縫檢測(cè)和裂縫深度計(jì)算方法

用ZBL-U520非金屬超聲檢測(cè)儀(頻率為50kHz)檢測(cè)含裂縫環(huán)形混凝土的超聲波傳播聲時(shí)并計(jì)算裂縫深度。

2.1 縱向裂縫檢測(cè)與計(jì)算

2.1.1 裂縫處無(wú)鋼筋

首先將發(fā)射換能器1置于A點(diǎn),將接收換能器2置于B點(diǎn),A點(diǎn)、B點(diǎn)位于裂縫同一側(cè),見(jiàn)圖1(a),用凡士林將換能器1與電桿耦合,使2個(gè)換能器間的圓弧長(zhǎng)S分別為60mm,80mm,100mm,120mm,140mm,依次移動(dòng)換能器2并讀取相應(yīng)的聲時(shí)值t。兩換能器中心直線間距按式(1)計(jì)算,視波速按式(2)計(jì)算:

式中:R為環(huán)形試件外徑。

圖1 環(huán)形混凝土試件縱向裂縫檢測(cè)示意圖

計(jì)算不同測(cè)距的視波速的平均值ˉv,作為無(wú)裂縫混凝土電桿的波速。

然后進(jìn)行跨縫的聲時(shí)測(cè)量。將換能器1和2分別置于以裂縫為軸心的對(duì)稱兩側(cè),控制 S分別為60mm,80mm,100mm,120mm,140mm,依次移動(dòng)換能器1和2,并讀取相應(yīng)的聲時(shí)值t c,見(jiàn)圖1(b)。當(dāng)兩換能器的連線與裂縫的交點(diǎn)E高于裂縫尖端C點(diǎn)時(shí),因波的實(shí)際傳播距離于兩換能器的直線距,故按式(2)計(jì)算得的視波速v小于混凝土實(shí)際平均波速。當(dāng)兩換能器的連線正好與裂縫尖端相切時(shí)(此時(shí)換能器1和2分別位于 A′,B′點(diǎn)),波的實(shí)際傳播距離就為兩換能器的直線距離,所求得的視波速等于兩換能器置于裂縫同一側(cè)時(shí)所得平均波速ˉv。

則裂縫深度取不同的S,可以得到不同的t和tc,從而得到不同的裂縫深度值。取各深度值的平均值,即為裂縫深度測(cè)定值。

當(dāng)兩換能器的連線與裂縫尖端相切(圖1(b)中E點(diǎn)與C點(diǎn)重合)或 E點(diǎn)低于C點(diǎn)時(shí),假定混凝土表面與內(nèi)部是均勻的,則兩換能器跨縫測(cè)得的波速與兩換能器置于裂縫同一側(cè)時(shí)所得波速ˉv相等。因此也可以將兩換能器分別置于以裂縫為軸心的對(duì)稱兩側(cè),測(cè)定不同測(cè)距時(shí)的視波速v,當(dāng)測(cè)得的視波速剛好等于混凝土實(shí)際平均波速時(shí),兩換能器的連線正好與裂縫尖端相切,可得裂縫深度

2.1.2 裂縫處含鋼筋

含鋼筋的裂縫深度測(cè)定方法基本與無(wú)鋼筋時(shí)相似。當(dāng)裂縫深度未達(dá)到鋼筋保護(hù)層厚度時(shí),鋼筋的存在對(duì)裂縫深度測(cè)定結(jié)果基本無(wú)影響。如裂縫深度超過(guò)鋼筋而未完全穿透混凝土壁厚,則當(dāng)兩換能器連線與鋼筋相切時(shí),視波速最大;當(dāng)兩換能器間距繼續(xù)增大時(shí),視波速又減小。如裂縫尖端超越鋼筋距離不是太小時(shí)(若太小就只能忽略鋼筋以下部分深度),則隨著兩換能器間距繼續(xù)增大,視波速降至最小值后又增大。當(dāng)兩換能器的連線正好與裂縫尖端相切時(shí),波的實(shí)際傳播距離就為兩換能器的直線距離,所求得的視波速基本等于混凝土實(shí)際平均波速,裂縫深度可按式(4)計(jì)算。當(dāng)裂縫已貫穿環(huán)形混凝土壁厚時(shí),兩換能器連線超過(guò)鋼筋后視波速持續(xù)減小。

2.2 環(huán)向裂縫測(cè)定與計(jì)算

對(duì)于環(huán)形混凝土制品中的環(huán)向裂縫,由于配筋比較密集,無(wú)論是鋼筋穿越裂縫還是穿越裂縫下方,如兩換能器沿構(gòu)件軸向布置,均無(wú)法達(dá)到“換能器需避開(kāi)鋼筋的距離應(yīng)至少為裂縫深度的1.5倍”的要求[12],即無(wú)法避免鋼筋“短路”作用的影響。為此采用兩換能器的連線斜跨環(huán)向裂縫的布置方法。

首先將發(fā)射換能器1和接收換能器2置于裂縫同一側(cè),分別位于 T點(diǎn)、R點(diǎn)(圖2(c)),兩換能器內(nèi)側(cè)邊緣與中間鋼筋的距離大于60mm(按最大裂縫深度為40mm的1.5倍計(jì))。將換能器1耦合好,控制換能器1,2內(nèi)邊緣線軸向間距分別為20mm,40mm,60mm,80mm,依次移動(dòng)換能器2并讀取相應(yīng)的聲時(shí)值t。如圖2中D點(diǎn)和R點(diǎn)之間的圓弧長(zhǎng)為S,則D點(diǎn)、R點(diǎn)之間的直線距離為

圖2 環(huán)形混凝土試件環(huán)向裂縫檢測(cè)示意圖

兩換能器的直線距離為

接收換能器在其他位置時(shí)計(jì)算方法相同。

然后進(jìn)行跨縫的聲時(shí)測(cè)量。將換能器1,2由T,R點(diǎn)分別平移至圖2(c)所示的裂縫兩邊對(duì)稱的A,B點(diǎn)位置,測(cè)量超聲波聲時(shí)。

如兩換能器在裂縫同一側(cè)時(shí)測(cè)得聲時(shí)為 t,聲速為v,兩換能器分別置于A點(diǎn)和B點(diǎn)時(shí)測(cè)得聲時(shí)為tc,結(jié)合圖2和圖3可得

上述方法僅適用于環(huán)向裂縫深度未達(dá)鋼筋處時(shí)的裂縫深度檢測(cè)。當(dāng)裂縫深度超越鋼筋時(shí),鋼筋起到超聲波跨越裂縫的“橋梁”作用。對(duì)于當(dāng)裂縫深度超越鋼筋的情況,兩換能器仍按斜跨環(huán)形裂縫布置,而其測(cè)定方法和原理類似于含鋼筋的縱向裂縫深度測(cè)定方法,即根據(jù)換能器在不同位置測(cè)得的視波速的變化來(lái)判斷。

圖3 裂縫深度計(jì)算示圖

3 測(cè)定結(jié)果

3.1 環(huán)形混凝土試件裂縫深度

圖4是采用2.1.1中方法對(duì)縱向裂縫深度的測(cè)定結(jié)果(裂縫處不含鋼筋)。從圖4可以看出,裂縫深度越小,測(cè)量絕對(duì)偏差越小,但相對(duì)偏差越大。在裂縫深度為1～4cm的范圍內(nèi),本文方法測(cè)定結(jié)果與裂縫實(shí)際深度的最大絕對(duì)偏差小于0.3cm,最大相對(duì)誤差為18%。

圖4 縱向裂縫深度測(cè)量偏差(不含鋼筋)

圖5是采用2.1.2中方法對(duì)裂縫處含?10mm鋼筋(鋼筋埋深3cm,即保護(hù)層厚度為2.5cm)的縱向裂縫深度的測(cè)定結(jié)果。裂縫中含有鋼筋,對(duì)測(cè)定準(zhǔn)確度有一定影響,隨著測(cè)定深度的增大絕對(duì)偏差增大,但最大相對(duì)偏差變化不大。在裂縫深度為1～4cm的范圍內(nèi),測(cè)定結(jié)果與裂縫實(shí)際深度的最大絕對(duì)偏差為0.3cm,最大相對(duì)誤差為15%。

圖5 縱向裂縫深度測(cè)量偏差(含鋼筋)

圖6是對(duì)環(huán)向裂縫深度的測(cè)定結(jié)果。從圖6中可以看出,用本文方法檢測(cè),在環(huán)向裂縫深度為1～4cm范圍內(nèi),測(cè)量值與實(shí)際深度的最大偏差為0.40cm,最大相對(duì)偏差為22%。

3.2 環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度

圖6 環(huán)向裂縫深度測(cè)量偏差(含鋼筋)

圖7是對(duì)4根舊環(huán)形鋼筋混凝土電桿共13條不同裂縫(包括縱向裂縫、環(huán)向裂縫、含鋼筋裂縫與不含鋼筋裂縫)的裂縫深度測(cè)量結(jié)果。測(cè)量后鑿開(kāi)裂縫,用游標(biāo)卡尺測(cè)量裂縫各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際深度。從圖7中可以看到:用本文方法對(duì)環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度(深度范圍為1～4cm)的測(cè)定均值與電桿裂縫實(shí)際深度的最大絕對(duì)偏差為0.5cm,最大相對(duì)偏差為20%。

圖7 環(huán)形鋼筋混凝土電桿裂縫深度測(cè)量偏差

從上述結(jié)果看,用超聲波法測(cè)量鋼筋混凝土電桿裂縫深度,盡管可以基本滿足要求,但總的來(lái)說(shuō)誤差還是較大。分析其原因,除了鋼筋和形狀因素影響檢測(cè)結(jié)果以外,本文所用試件和鋼筋混凝土電桿的尺寸較小,裂縫深度都很淺,因此測(cè)量時(shí)換能器間距比較小,混凝土材料的非均質(zhì)性影響就變得顯著,材料的非均質(zhì)性對(duì)聲速的不均勻性影響較大,顯著影響測(cè)量結(jié)果。

4 結(jié) 論

a.對(duì)于裂縫處無(wú)鋼筋時(shí)縱向裂縫深度的測(cè)定,可采用類似于混凝土基面為平面時(shí)的平測(cè)法(時(shí)距法)測(cè)定裂縫深度,裂縫深度按式(4)計(jì)算。

b.對(duì)于裂縫處含鋼筋的縱向裂縫深度的測(cè)定,當(dāng)裂縫深度未達(dá)到鋼筋保護(hù)層厚度時(shí),可用與裂縫處無(wú)鋼筋時(shí)的相同方法測(cè)量和計(jì)算裂縫深度;當(dāng)裂縫深度超過(guò)鋼筋時(shí),可采用類似于混凝土基面為平面時(shí)的對(duì)測(cè)法,根據(jù)測(cè)得視波速的變化判斷換能器連線正好與裂縫尖端相切的位置,裂縫深度按式(5)計(jì)算。

c.對(duì)于有鋼筋穿越的環(huán)向裂縫的深度測(cè)量,可采用兩換能器連線斜跨裂縫的布置方法,可基本規(guī)避鋼筋的影響;測(cè)量時(shí)兩換能器內(nèi)側(cè)邊緣與中間鋼筋距離大于60mm,裂縫深度按式(11)計(jì)算。

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