基于沖擊回波法的混凝土裂縫檢測(cè)試驗(yàn)研究

蘇忠高 林發(fā)明 楊敏 劉景熙

(福建博海工程技術(shù)有限公司 福建福州 350009)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程建筑行業(yè)不可或缺的材料之一，為了延長(zhǎng)建筑結(jié)構(gòu)的壽命，降低建設(shè)成本，通過對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行評(píng)估，判斷是否需要修補(bǔ)，因此必須對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行檢測(cè)。通過沖擊回波檢測(cè)混凝土裂縫是當(dāng)今工程建設(shè)中較為常用的方法[1]。

在國(guó)外，土耳其學(xué)者Ertugrul Cam等`人利用沖擊回波法對(duì)裂縫開展的位置和深度進(jìn)行了分析[2]。隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了混凝土無損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用，肖國(guó)強(qiáng)、吳佳嘩等人應(yīng)用沖擊回波對(duì)混凝土厚度檢測(cè)和缺陷定位做出了詳細(xì)研究[3-4]。王征等人發(fā)現(xiàn)檢測(cè)間距對(duì)裂縫深度的精確檢測(cè)存在較大影響[5-6]。

在混凝土裂縫檢測(cè)中，由于混凝土結(jié)構(gòu)由水泥、粗骨料等構(gòu)成，在澆筑過程中形成不同界面、毛細(xì)孔等影響縱波在混凝土中傳播的因素，若裂縫檢測(cè)間距過大，則縱波將在混凝土結(jié)構(gòu)中快速衰減，傳感器接收信號(hào)不明顯，容易對(duì)裂縫計(jì)算造成較大誤差[7]；檢測(cè)間距過小時(shí)，縱波將在裂縫側(cè)邊緣進(jìn)行連續(xù)反射，也將造成縱波的衰減，造成裂縫檢測(cè)誤差[8]。因此，本文基于沖擊回波法對(duì)不同裂縫深度的試塊通過不同檢測(cè)間距檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)間距與裂縫深度檢測(cè)之間的關(guān)系做進(jìn)一步的研究。

1 裂縫深度計(jì)算原理

由于混凝土裂縫的不同深度傳播路徑也不同，因此，沖擊回波法基于裂縫中波形傳播路徑的不同，遇到障礙物反射回來時(shí)的不同波形頻譜，來確定裂縫位置[9-11]。實(shí)驗(yàn)采用沖擊回波檢測(cè)儀在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)對(duì)其中產(chǎn)生的應(yīng)力波(主要是縱波)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并將所有的測(cè)試信號(hào)導(dǎo)入分析軟件，通過軟件對(duì)波形進(jìn)行傅里葉頻譜變換得到相應(yīng)頻譜圖。圖譜中的頻率為沖擊表面、裂縫界面以及其他界面之間的多次反射產(chǎn)生瞬態(tài)共振所導(dǎo)致。通過對(duì)主頻的提取可得到裂縫相關(guān)信息，裂縫檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 水泥混凝土裂縫檢測(cè)流程

在不同介質(zhì)中應(yīng)力波傳播速度不同，在進(jìn)行裂縫檢測(cè)時(shí)，應(yīng)先確定混凝土試塊中波形傳播速度；由于應(yīng)力波中縱波(P波)速度傳播速度最快，因此常通過P波的傳播路徑來檢測(cè)裂縫深度。已知混凝土結(jié)構(gòu)厚度的情況下，可以推出混凝土中的縱波波速。頻率值可以從原始信號(hào)頻譜圖中獲得，然后由式(1)計(jì)算出平均P速度。

CP=2fT/C

(1)

式中：CP——已知厚度混凝土結(jié)構(gòu)的波速測(cè)試值；

f——混凝土構(gòu)件厚度為反射頻率；

T——混凝土的構(gòu)件厚度；

C——混凝土結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，通常取0.98。

在混凝土裂縫檢測(cè)時(shí)，小鋼球與傳感器對(duì)稱放置于裂縫兩側(cè)，應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部傳播，分別到達(dá)裂縫兩端發(fā)生衍射和混凝土底端發(fā)生反射，由裂縫一端的傳感器接收信號(hào)。裂縫檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 裂縫檢測(cè)原理

由于在變換頻譜中，不同的峰值頻率表示含義不同，最高頻率峰值表示為縱波傳播到結(jié)構(gòu)底部；其他峰值表現(xiàn)為裂縫的反射頻率或試塊空隙不密實(shí)缺陷的位置。根據(jù)頻譜中的不同的峰值頻率，可以計(jì)算測(cè)試結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裂縫的深度或結(jié)構(gòu)厚度。裂縫深度的計(jì)算見式(2)：

(2)

式中：d——混凝土裂縫深度；

f1——裂縫缺陷頻率；

a——裂縫測(cè)試間距。

2 裂縫深度計(jì)算實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

沖擊回波儀的沖擊激勵(lì)由一內(nèi)置小鋼球與沖擊激發(fā)裝置組成，沖擊的應(yīng)力波受小鋼球的影響，在檢測(cè)過程中試塊的強(qiáng)度、表面平整度以及內(nèi)部空隙都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)造成影響。因此，該研究對(duì)試塊如下處理。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試塊制作

本試驗(yàn)所采用的設(shè)備型號(hào)是湖南芯儀電子SET-PI2-01。 儀器本身小巧輕便，易于攜帶，操作方便， 而且儀器配置信號(hào)自動(dòng)激發(fā)裝置，敲擊信號(hào)穩(wěn)定可靠，重復(fù)性極好，保證其沖擊作用所產(chǎn)生的應(yīng)力波頻率滿足裂縫情況和混凝土結(jié)構(gòu)厚度的檢測(cè)要求。

實(shí)驗(yàn)中選擇采樣頻率為125kHz，在試驗(yàn)開始時(shí)檢查自動(dòng)沖擊器、傳感器與儀器連接情況，手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，檢測(cè)時(shí)將傳感器按壓緊，然后點(diǎn)擊采集按鈕，待波形穩(wěn)定，手動(dòng)保存波形數(shù)據(jù)。

為了研究混凝土試塊裂縫與測(cè)距的關(guān)系，通過對(duì)混凝土模具中嵌入薄鋼板以獲取定長(zhǎng)裂縫深度，通過改變測(cè)量間距觀察裂縫計(jì)算誤差，從而確定裂縫深度與測(cè)距的關(guān)系。

混凝土試塊的制作為了盡可能接近實(shí)際，選取厚度大小為0.5mm的薄鋼板。針對(duì)實(shí)際工程中的裂縫共做4組試塊，其尺寸結(jié)構(gòu)分為300mm×150mm×150mm,300mm×300mm×300mm兩種，將C30試塊制作材料按水∶水泥∶沙∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72的比例配置。在混凝土配比制作好后，灌入卡好薄鋼板的混凝土模具，澆筑混凝土后要振搗充分至表面無氣泡后停止，以保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)。待試塊初凝后用塑料薄膜覆蓋，在此之后把試塊放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后拆除模版，最終形成的帶裂縫混凝土試塊如圖3所示。

圖3 混凝土試塊

2.2 測(cè)點(diǎn)及數(shù)據(jù)采集

為提高裂縫深度檢測(cè)精度，針對(duì)混凝土試塊中裂縫的不同位置，在混凝土試塊的裂縫周圍布置測(cè)試區(qū)域，沿裂縫線長(zhǎng)度方向每25mm設(shè)置一條測(cè)線，沿著裂縫的縱向每25mm設(shè)置一條測(cè)線，接收區(qū)和沖擊區(qū)的點(diǎn)位沿著裂縫方向?qū)ΨQ分布，測(cè)線與測(cè)線之間的交點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)。圖4為表面大小300mm×300mm試塊測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

為研究不同試塊檢測(cè)距離與裂縫深度之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)制作3種深度裂縫分別為50mm、100mm、150mm，試塊1為完好試塊，用以確定縱波在混凝土試塊中的傳播速度。由試塊2、3和5驗(yàn)證不同測(cè)距對(duì)裂縫深度檢測(cè)精度的影響，由試塊3和4驗(yàn)證兩種不同混凝土強(qiáng)度的試塊對(duì)裂縫深度與測(cè)試距離是否有影響?；炷猎噳K的規(guī)格尺寸如表1所示。

表1 混凝土試塊規(guī)格

3 裂縫深度計(jì)算與分析

通過試塊1對(duì)P波波速進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)試塊進(jìn)行等間距的8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖5所示。

圖5 試塊1波速標(biāo)定

從圖5等間距各測(cè)點(diǎn)波速計(jì)算值可以看出，由于混凝土中存在不密實(shí)孔隙，可能會(huì)造成不同測(cè)點(diǎn)所得到的頻率值不同，但是同一試塊等間距測(cè)點(diǎn)的波速計(jì)算值不會(huì)相差太大。由此可知，試塊1中縱波波速計(jì)算平均值為3187m/s。經(jīng)試塊1驗(yàn)證同一試塊等間距測(cè)點(diǎn)的波速及頻譜相差不會(huì)出現(xiàn)太大波動(dòng)，之后試塊等間距測(cè)點(diǎn)只需選取4個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。若通過對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的波速計(jì)算與相應(yīng)試塊平均波速比較，若某測(cè)點(diǎn)波速相差過大，則去掉此測(cè)點(diǎn)重新測(cè)量，若波速相差較小，則繼續(xù)下一點(diǎn)測(cè)量。

試驗(yàn)測(cè)試中，通過改變沖擊點(diǎn)和信號(hào)接收點(diǎn)的距離，對(duì)不同測(cè)試間距的頻譜解析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試距離過小時(shí)，波形造成嚴(yán)重畸變，影響測(cè)試計(jì)算，引入誤差。因此，試驗(yàn)中選取了50mm、100mm、150mm三種不同的間距，測(cè)試裂縫深度為50mm的裂縫；選取100mm、150mm、200mm的測(cè)試間距，測(cè)試裂縫深度為100mm的裂縫；150mm、200mm、250mm的測(cè)距，檢測(cè)深度為150mm的裂縫深度。

在對(duì)裂縫頻譜圖進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于試塊中裂縫附近存在不密實(shí)、孔隙等原因產(chǎn)生許多干擾頻譜，通過相關(guān)資料查詢可知，在混凝土試塊檢測(cè)中，裂縫頻譜圖主頻通常為頻率峰值最高峰所對(duì)應(yīng)的頻率值。通過確定出裂縫主頻，在縱波傳播過程中，在裂縫頂點(diǎn)衍射的縱波傳播路徑，與到達(dá)混凝土試塊底端反射的縱波傳播的路徑相比較短，由于傳播路徑較短，傳播過程中能量損失較少。因此，頻率大于主頻且頻率峰值第二高的頻率，可以確定為裂縫缺陷頻率。

圖6為試塊3等間距不同測(cè)點(diǎn)頻譜圖。由圖6可以看出，試塊3中當(dāng)檢測(cè)間距為200mm時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)的主頻分別為10.86kHz、10.99kHz、10.99kHz、 10.99kHz，平均厚度頻率為10.96kHz。裂縫缺陷頻率分別為12.33kHz、11.23kHz、11.60kHz、12.33kHz，平均缺陷頻率為11.87kHz。通過將厚度頻率代入式(1)，可以得到試塊3中縱波傳播速度為3355.10m/s；將縱波波速和裂縫缺陷頻率代入式(2)，即可計(jì)算得到裂縫深度為99.87mm，而實(shí)際裂縫預(yù)留深度為100mm，二者誤差為0.13%。通過此方法將不同試塊進(jìn)行一一測(cè)量，然后將不同測(cè)量間距的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的缺陷頻率通過公式計(jì)算，所得的裂縫深度結(jié)果與實(shí)際預(yù)留的裂縫深度進(jìn)行了誤差比較，結(jié)果見表2。

圖6 試塊3等間距不同測(cè)點(diǎn)頻譜圖

表2 不同試塊不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表2可以知道，當(dāng)試塊2檢測(cè)間距為50mm時(shí)，由于沖擊點(diǎn)與信號(hào)接收傳感器離裂縫過近，在波形傳播過程中縱波在混凝土-空氣界面進(jìn)行反射，造成能量的衰減，對(duì)波形采集造成較大干擾，因此裂縫計(jì)算的誤差較大。由表格中試塊檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)檢測(cè)間距與裂縫深度相近時(shí)，裂縫檢測(cè)得到的誤差較低。由此可知，當(dāng)裂縫計(jì)算值與裂縫檢測(cè)間距相近時(shí)，可進(jìn)一步確定此裂縫深度可作為實(shí)際裂縫深度。從試塊4、5可以看出，當(dāng)縱波在試塊中傳播時(shí)，若傳播路程較遠(yuǎn)，在傳播過程中由于內(nèi)部的不密實(shí)造成能量衰減，造成裂縫檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生比較大的誤差。在試塊檢測(cè)中，不同試塊的不同間距測(cè)點(diǎn)測(cè)試得出的厚度頻率不同，造成此現(xiàn)象的原因可能為在波形傳播過程中由于改變檢測(cè)間距，傳播路徑長(zhǎng)度改變較大，因此，反應(yīng)在頻率上出現(xiàn)厚度頻率不同。而由于實(shí)驗(yàn)各頻率點(diǎn)為等間距測(cè)點(diǎn)，因此所得頻率為各測(cè)點(diǎn)的平均值，表現(xiàn)在表格中數(shù)據(jù)為不同間距測(cè)點(diǎn)的厚度頻率相同。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)間距不斷增大時(shí)，裂縫檢測(cè)精度會(huì)不斷提高。然而，當(dāng)試塊檢測(cè)間距大于200mm時(shí)，裂縫檢測(cè)結(jié)果誤差較大。通過不同試塊的不同間距的檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)檢測(cè)間距為裂縫深度的1.5～2倍時(shí)，在此間距范圍對(duì)裂縫深度為50mm、100mm、150mm的試塊檢測(cè)結(jié)果比較精確。

4 結(jié)論

沖擊回波無損檢測(cè)技術(shù)在工程領(lǐng)域一直都是一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，本文通過芯儀沖擊回波儀基于沖擊回波法研究不同的沖擊與接受距離來檢測(cè)混凝土的裂縫深度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)檢測(cè)間距和裂縫深度相近時(shí)，此時(shí)裂縫檢測(cè)誤差最小。

在基于沖擊回波法研究混凝土試塊裂縫檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)試塊表面是否平整對(duì)檢測(cè)有著很大的影響。在檢測(cè)時(shí)，試塊的厚度、裂縫的位置、待測(cè)的區(qū)域平滑程度、試塊內(nèi)部的蜂窩麻面和凹凸不平，會(huì)產(chǎn)生多余的噪聲，從而影響測(cè)試精度。在檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員對(duì)傳感器的按壓力度，也會(huì)對(duì)信號(hào)的接受造成影響，引起信號(hào)分析的頻譜差異。

實(shí)驗(yàn)選取C30混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)，通過薄鋼板制作的裂縫分布規(guī)整，而實(shí)際工程應(yīng)用中的混凝土裂縫呈不規(guī)則分布。因此，本實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)所得裂縫深度對(duì)應(yīng)于實(shí)際工程應(yīng)用中主裂縫深度，對(duì)于裂縫不同分支的深度檢測(cè)以及混凝土內(nèi)部裂縫分布情況可作進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)采用的沖擊回波儀器的沖擊激勵(lì)為6mm小鋼球，在混凝土裂縫檢測(cè)中，不同大小的小鋼球產(chǎn)生的激勵(lì)源不同，縱波攜帶能量大小不同，因此對(duì)不同深度裂縫的檢測(cè)精度會(huì)不一樣。有興趣的同行可以在不同激勵(lì)源對(duì)裂縫深度檢測(cè)的影響做后續(xù)研究。