港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫超聲波檢測(cè)方法研究

韓曉亮

(惠州市惠城區(qū)水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東 惠州 516001)

1 港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫超聲波檢測(cè)的必要性

1.1 超聲波檢測(cè)的含義

混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫超聲波檢測(cè)，是利用超聲波的特性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行穿透檢測(cè)，屬于無(wú)損傷探測(cè)檢測(cè)技術(shù)，利用超聲波檢測(cè)設(shè)備的探頭向目標(biāo)構(gòu)件借助耦合劑的作用發(fā)射超聲波，讓超聲波在混凝土的內(nèi)部進(jìn)行反射和穿透，其中，結(jié)合不同的放射信號(hào)傳輸路徑的時(shí)間差，來(lái)進(jìn)一步推測(cè)混凝土內(nèi)部構(gòu)件的缺陷問(wèn)題，根據(jù)超聲波檢測(cè)設(shè)備的顯示屏中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合回波信號(hào)的高度、位置，可以判斷混凝土建筑結(jié)構(gòu)微小裂縫的程度、大小、位置、性質(zhì)等相關(guān)內(nèi)容。需要說(shuō)明的是，超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)于裂紋、未焊透或者未熔合的混凝土缺陷問(wèn)題較為敏感，對(duì)氣孔、夾渣等相關(guān)問(wèn)題不太敏感，另外超聲波檢測(cè)技術(shù)的直觀性較差，并且存在一定的誤判幾率，對(duì)于表面的缺陷問(wèn)題檢測(cè)不夠敏感，通常被稱為檢測(cè)盲區(qū)。

1.2 超聲波檢測(cè)對(duì)于細(xì)小裂縫的重要性

通常，微小裂縫屬于肉眼無(wú)法查看的裂縫，而細(xì)小裂縫對(duì)于港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)的影響極為嚴(yán)重，一方面，港口水工建筑常年飽受海水的侵蝕，對(duì)于混凝土建筑來(lái)說(shuō)，本身具有一定的腐蝕性，另一方面，當(dāng)港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫的產(chǎn)生，為海水的侵蝕作用創(chuàng)造了必要的環(huán)境，而大多數(shù)微小裂縫屬于無(wú)法及時(shí)察覺的裂縫，利用超聲波檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)構(gòu)件內(nèi)部裂縫的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，尤其是對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋等金屬核心構(gòu)件的檢測(cè)，微小裂縫的發(fā)生，會(huì)為海水或者雨天提供進(jìn)入到建筑內(nèi)部的空隙，進(jìn)而造成內(nèi)部鋼筋銹蝕的發(fā)生，不僅會(huì)影響到建筑的使用壽命，甚至嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)造成更為致命的港口水工建筑的倒塌、塌陷、傾覆等災(zāi)難性事故，特別是防波堤與護(hù)岸等代表性建筑，常年遭受海水的侵蝕，會(huì)加劇建筑構(gòu)件內(nèi)部鋼筋的腐蝕程度，而微小裂縫的發(fā)生，正是造成后續(xù)災(zāi)難性事故的主要原因。

2 混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫超聲波檢測(cè)方法介紹

2.1 超聲波檢測(cè)方法的發(fā)展?fàn)顩r

利用超聲波開展對(duì)港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，是借助超聲波與建筑材料相互作用，并且以反射、投射、散射等相關(guān)內(nèi)容開展對(duì)應(yīng)研究，從而對(duì)建筑材料的微觀組織狀態(tài)、力學(xué)性能、材料缺陷等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行無(wú)損傷式的檢測(cè)，通常分為穿透法、共振法、脈沖反射法。其中脈沖反射法術(shù)屬于建筑材料缺陷檢測(cè)最為常見的方式，對(duì)材料缺陷，以振動(dòng)頻率0.5-25Hz的短脈沖波及西寧發(fā)射檢測(cè)，當(dāng)建筑構(gòu)件存在不同程度的抗組特性時(shí)，尤其是射入聲波與反射聲波存在不同程度的能量差距時(shí)，結(jié)合目標(biāo)材料的密度、聲速、體積等相關(guān)參數(shù)，以及反射信號(hào)的幅度高低、可以對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的微小裂縫進(jìn)行初步的判斷，其中測(cè)量射入波與反射波的時(shí)差，可以確定檢測(cè)構(gòu)件反射點(diǎn)與射入點(diǎn)的實(shí)際具體。另外由于港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)的種類較多，不同的類型的時(shí)間，不同檢測(cè)方向、檢測(cè)位置、不同材料性質(zhì)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)條件以及檢測(cè)要求都存在一定的差異性，因此對(duì)應(yīng)的檢測(cè)波形有縱向波、橫波、瑞利波、蘭姆波和爬波。大部分的港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)的微小裂縫是工作人員肉眼無(wú)法察覺的問(wèn)題，務(wù)必需要借助超聲波檢測(cè)技術(shù)，采用特定的檢測(cè)方式，結(jié)合對(duì)應(yīng)的掃描路徑、電子線路，從而得到混凝土構(gòu)件裂縫缺陷問(wèn)題的形態(tài)曲線以及裂縫位置。另外超聲波檢測(cè)技術(shù)，是基于無(wú)損特征檢測(cè)方式的應(yīng)用技術(shù)，裂縫的形態(tài)與超聲波傳遞過(guò)程中的能量衰減具有極為密切的聯(lián)系，同時(shí)與材料裂縫的微觀組織的具體組成也存在一定的關(guān)聯(lián)性。超聲波檢測(cè)還能夠?qū)炷两ㄖ?gòu)件力學(xué)性能變化、材質(zhì)下降等問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，其靈敏度較高。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)不同深度的裂縫檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，迎來(lái)了新的蛻變，與傳統(tǒng)檢測(cè)方式的不同，新的檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將更深的裂縫有效檢測(cè)，以相位變化法、橫波法和沖擊回波法為超聲波檢測(cè)技術(shù)的新型裂縫檢測(cè)方法。文章結(jié)合相位變化法、橫波法和沖擊回波法為主要檢測(cè)方式開展系統(tǒng)的研究，其中，檢測(cè)對(duì)象為碼頭設(shè)施建筑，采用三種檢測(cè)方式對(duì)碼頭設(shè)施建筑分別開展相應(yīng)的微小裂縫檢測(cè)。

2.2 相位變化法

相位變化法是借助，超聲波波檢測(cè)設(shè)備投射的檢測(cè)波可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)目標(biāo)物的擴(kuò)散，進(jìn)而產(chǎn)生聲波位移變化的檢測(cè)方式，其中當(dāng)碼頭設(shè)施建筑沒(méi)有發(fā)生微小裂縫時(shí)，其聲波傳遞的路線屬于標(biāo)準(zhǔn)路徑，不會(huì)任何的位移變化，當(dāng)聲波遇見微小裂縫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的位移變化，位移變化的程度與裂縫的大小、深度、位置、性質(zhì)等具有極為明顯的聯(lián)系。其中如圖1所示，當(dāng)聲波穿過(guò)建筑設(shè)施時(shí)，初始波T發(fā)生不同程度的位移變化，當(dāng)初始波T穿過(guò)金碼頭建筑物時(shí)，發(fā)生不同方向的折射，其中如(a)中顯示，沒(méi)有發(fā)生裂縫缺陷時(shí)，初始波T呈現(xiàn)單向波形，而當(dāng)碼頭建筑物存在微小裂縫時(shí)，初始波T會(huì)發(fā)生位移變化，初始波T變?yōu)闇p弱波F，其折射方向存在較大的變化。根據(jù)波形的變化特征，如(b)所示，與(a)存在較大差距，當(dāng)初始波T碰到其他板端時(shí)，其產(chǎn)生的波形為B1，與其有缺陷的波形存在明顯差別。通過(guò)對(duì)(a)(b)(c)三種波形進(jìn)行判斷，從而進(jìn)一步分析出碼頭建筑的缺陷問(wèn)題。

圖1 相位變化法檢測(cè)碼頭建筑物不同情況下波形路徑及波形波動(dòng)圖

相位變化法，不僅可以檢測(cè)出建筑物內(nèi)部是否存在不同程度的裂縫，還能根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式探測(cè)到細(xì)小裂縫的深度。首先需要將檢測(cè)裝置中的能量檢測(cè)器放置于裂縫兩側(cè)，利用換能器以及裂縫的間距α進(jìn)行分析。當(dāng)檢測(cè)波的振幅發(fā)生180°的變化時(shí)，可以平移換能器，隨著α變化，存在一個(gè)可以讓首波出現(xiàn)位移變化的臨界點(diǎn)，在臨界點(diǎn)附近波形變化會(huì)極為敏感，同時(shí)在移動(dòng)換能器后，首波振幅位移瞬間變化，其中在碼頭建筑物中的聲波的變化角度與建筑的材質(zhì)存在必然聯(lián)系，根據(jù)反轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)以及材料特性進(jìn)行分析，進(jìn)而可以計(jì)算出裂縫深度d。

2.3 沖擊回波法

沖擊回波法，采用直射探頭將聲波垂直入射工件待檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)的方法，通常也被稱為縱波法，或者直射聲束法，當(dāng)上部探頭對(duì)碼頭建筑進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，碼頭建筑物沒(méi)有裂縫缺陷時(shí)，那么超聲波顯示器只會(huì)顯示初始波T和底波B，如圖2中的(a)所示，進(jìn)而可以發(fā)現(xiàn)初始波T和底波B僅僅是能量的損失關(guān)系，并且能量損失程度過(guò)小，當(dāng)超聲波顯示器出初始波T和底波中出現(xiàn)F狀的波形，則可以證明出碼頭建筑物中存在微小裂縫，如圖中(b)中所示，當(dāng)超聲波顯示器出初始波T和較大的F狀波形時(shí)，如圖中(c)中所示，則表明碼頭建筑存在較大的裂縫問(wèn)題，需要對(duì)建筑物開展較大規(guī)模的維修作業(yè)。其中根據(jù)基頻共振公式h=c/2f得出裂縫距離碼頭建筑一邊的距離。其中h為厚度或者裂縫深度，c為混凝土中聲波的傳播速度，f為聲波頻率，單位為KHz，其中結(jié)合公式代表的各項(xiàng)系數(shù)，可以有效得出裂縫的具體深度[1]。該檢測(cè)方法的應(yīng)用，對(duì)于裂縫較深的建筑，起到明顯的檢測(cè)成效。

圖2 沖擊回波法檢測(cè)碼頭建筑物不同情況下波形路徑及波形波動(dòng)圖

3 對(duì)于港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫聲波檢測(cè)方法的注意事項(xiàng)

3.1 提升檢測(cè)頻率

由于港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫存在一定的模糊性，聲波檢測(cè)方式的應(yīng)用，如圖3為例，現(xiàn)代聲波檢測(cè)儀并不能實(shí)現(xiàn)一次性檢測(cè)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)物完全的檢測(cè)方式，因此需要在港口水工等相關(guān)建筑的檢測(cè)環(huán)境中，增加超聲波的檢測(cè)頻率，相關(guān)作業(yè)人員對(duì)檢測(cè)的目標(biāo)物進(jìn)行標(biāo)記和區(qū)分，明確相應(yīng)的檢測(cè)任務(wù)，對(duì)于存在模糊性的建筑物，可以實(shí)行多次的檢測(cè)流程，一方面，超聲波檢測(cè)具有無(wú)損的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于建筑的結(jié)構(gòu)性能不會(huì)產(chǎn)生任何破壞效應(yīng)，另一個(gè)方面，超聲波檢測(cè)技術(shù)開展多次檢測(cè)后，可以實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果，從而降低一次性檢測(cè)工作帶來(lái)的檢測(cè)漏洞，另外利用超聲波檢測(cè)工具時(shí)，相關(guān)的檢測(cè)次數(shù)、檢測(cè)位置要進(jìn)行詳細(xì)的記錄，為后續(xù)的檢測(cè)方案提供相應(yīng)參考依據(jù)[2]。

圖3 混凝土構(gòu)件超聲波檢測(cè)儀

3.2 強(qiáng)化檢測(cè)流程

眾所周知，港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，相應(yīng)的檢測(cè)流程以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)選用按照科學(xué)的要求開展相應(yīng)的檢測(cè)工作，作為檢測(cè)人員，應(yīng)該按照既定的規(guī)定開展檢測(cè)工作，不少工作人員為了應(yīng)付工作，對(duì)于檢測(cè)流程的相關(guān)步驟，采用跨越式檢測(cè)，尤其是檢測(cè)結(jié)果存在一致性時(shí)，會(huì)降低對(duì)于目標(biāo)建筑的警惕心理，進(jìn)而造成檢測(cè)方法的無(wú)效性，浪費(fèi)了重要的檢測(cè)機(jī)會(huì)。任何一項(xiàng)既定的檢測(cè)流程，都是超聲波檢測(cè)法，根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得出，因此其中的每一項(xiàng)步驟和檢測(cè)流程，都是確保檢測(cè)結(jié)果有效性的重要保障，任何改變檢測(cè)路徑的行為，都會(huì)直接或者間接影響到檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性，從而造成超聲波檢測(cè)方法的形同虛設(shè)。

3.3 重視復(fù)檢的重要性

復(fù)檢，是基于對(duì)于已經(jīng)查明的港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫的檢測(cè)工作，一方面，需要確定裂縫的具體位置和數(shù)量，另一方面，需要借助復(fù)檢的操作流程，提升超聲波檢測(cè)方式的有效性，避免出現(xiàn)“烏龍”檢測(cè)結(jié)果的發(fā)生。復(fù)檢，可以確保檢測(cè)結(jié)果的有效性，從而為后續(xù)裂縫補(bǔ)救措施的應(yīng)用，提供重要的參考依據(jù)，為建筑物開展裂縫解決措施的開展提供數(shù)據(jù)支持和理論支持。

4 結(jié) 論

綜上所述，對(duì)于港口水工建筑混凝土結(jié)構(gòu)微小裂縫超聲波檢測(cè)方式的研究，進(jìn)行詳細(xì)的闡述和分析，以較為先進(jìn)的檢測(cè)方式為核心，開展相關(guān)內(nèi)容的分析和研究，為超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，提供一定的支持和幫助。