基于超聲波技術(shù)的低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測方法

胡玉葉，趙 莉

(安徽新華學(xué)院 城市建設(shè)學(xué)院，安徽 合肥 230088)

混凝土是我國土木工程中的重要材料，磚混結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)中，占比較大的結(jié)構(gòu)。混凝土使用期間，主要包括微裂縫引起的早期性能退化、裂縫逐漸發(fā)展造成的混凝土損傷積累，以及裂縫發(fā)展為貫通狀態(tài)造成的最終斷裂[1]，可知裂縫的形成是造成混凝土材料退化的重要原因?；炷两Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂縫時，表示混凝土已出現(xiàn)退化情況[2]，混凝土的退化情況影響混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的使用壽命?；炷两Y(jié)構(gòu)在工程建設(shè)中的重要性與日俱增，精準(zhǔn)探測混凝土微裂縫，是評定混凝土質(zhì)量的重要途徑?；炷敛牧系奈⒘芽p極為細(xì)小[3]，同時并未擴展至混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，因此探測混凝土的微裂縫極為困難。超聲波技術(shù)可以依據(jù)聲音傳播速度，以及聲波散射、聲波反射、聲波能量吸收情況判斷混凝土材料的內(nèi)部情況，對于混凝土結(jié)構(gòu)中存在的微裂縫具有極高的敏感度[4]。低熱水泥混凝土具有低水化熱的特性，可以改善混凝土使用過程中存在的開裂問題，低熱水泥混凝土已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于各種建設(shè)項目中。全級配混凝土指利用全級配骨料配制的混凝土，全級配骨料的粒徑較大，可以有效降低混凝土的水化熱[5]。由于全級配混凝土的骨料粒徑與其他混凝土存在明顯差異，因此全級配混凝土的力學(xué)性能與其他混凝土存在一定的差異[6]。低熱水泥全級配混凝土的應(yīng)用越來越普遍，其微裂縫探測性能更加重要。

眾多研究學(xué)者針對混凝土裂縫探測問題進(jìn)行研究，張振華等人針對混凝土橋梁裂縫檢測難度較高的問題[7]，將改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于裂縫檢測中，該方法可以精準(zhǔn)檢測橋梁裂縫，適用于橋梁裂縫修復(fù)的實際應(yīng)用中；劉學(xué)增等人將激光超聲探測方法應(yīng)用于混凝土裂縫深度探測中[8]，利用激光掃描激發(fā)混凝土聲場，利用混凝土的時域波形信號獲取混凝土的裂縫深度。以上兩種方法雖然可以有效探測混凝土的裂縫深度，但是對于具有較高探測難度的混凝土微裂縫，探測性能較差。針對低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測難度較高的問題，研究基于超聲波技術(shù)的低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測方法，將超聲波技術(shù)應(yīng)用于低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測中。通過試驗驗證超聲波技術(shù)對低熱水泥全級配混凝土微裂縫具有較高的敏感度，超聲波技術(shù)探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫十分可行。

1 低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測方法

1.1 混凝土原材料與配合比

選取某應(yīng)用于橋梁工程施工現(xiàn)場的低熱水泥全級配混凝土材料作為微裂縫探測的研究對象。該低熱水泥全級配混凝土所選取的骨料最大粒徑為160mm，全級配混凝土的坍落度為40mm左右。低熱水泥全級配混凝土的配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 超聲波技術(shù)的微裂縫探測原理

利用超聲波技術(shù)檢測低熱水泥全級配混凝土微裂縫時，發(fā)射換能器是超聲波技術(shù)檢測低熱水泥全級配混凝土微裂縫的主要部分。探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫的流程如下：首先，利用超聲波探傷儀的發(fā)射換能器發(fā)射超聲波信號[9]，超聲波傳輸至低熱水泥全級配混凝土后，形成反射波。其次，利用接收換能器以及信號接收器接收超聲波探測的低熱水泥全級配混凝土反射波數(shù)據(jù)[10]，超聲波探傷儀探測低熱水泥全級配混凝土的數(shù)據(jù)包括波幅、波速以及超聲頻譜等數(shù)據(jù)。再次，對眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲取混凝土的微裂縫位置以及微裂縫大小。

混凝土的內(nèi)部材料不均勻，當(dāng)混凝土吸收超聲波能量時，更多地吸收超聲波的高頻成分，探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫時，通常選取具有較低發(fā)射頻率的超聲波。低熱水泥全級配混凝土不存在微裂縫時，結(jié)構(gòu)質(zhì)量較為均勻[11]，超聲波接收器接收的超聲波信號主頻相同。利用超聲波技術(shù)探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫時，混凝土結(jié)構(gòu)的完整性被微裂縫破壞。超聲波穿透混凝土?xí)r，需要繞過微裂縫傳送至接收換能器中，超聲波的傳播距離增加，提升了超聲波探測的聲時。利用超聲波技術(shù)探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫時，超聲波探傷儀需要具有顯示波形功能[12]。通過觀測超聲波探傷儀的波形顯示結(jié)果，獲取超聲波信號穿過混凝土的波幅、主頻率、聲時以及傳播聲速等聲學(xué)參數(shù)變化趨勢，以此為依據(jù)，探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫。

利用時距法探測低熱水泥全級配混凝土的微裂縫。探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫的超聲波探測器主要包括發(fā)射換能器、接收換能器以及主機，將兩個換能器對稱設(shè)置于低熱水泥全級配混凝土微裂縫的兩側(cè)[13]，接收換能器接收的超聲波信號利用主機的顯示界面顯示。利用時距法探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫的原理圖如圖1所示。

圖1 時距法的微裂縫探測原理圖

利用時距檢測法，通過平測方式探測低熱水泥全級配混凝土的微裂縫。低熱水泥全級配混凝土強度存在差異時，超聲波信號聲速同樣存在差異。超聲波技術(shù)通過相同聲速值探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫時，聲速差異將造成混凝土微裂縫出現(xiàn)探測誤差。為了避免低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測時，超聲波信號的聲速值對探測結(jié)果存在影響，設(shè)置不同探測距離的探測點[14]和超聲波傳播的時間，利用超聲波技術(shù)對低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測，獲取聲時、微裂縫大小以及探測距離。

探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫時，需要設(shè)置原始探測點以及固定增量的另一探測點，低熱水泥全級配混凝土微裂縫深度的探測公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

d=S2-S1

(2)

式(1)和式(2)中，S1與S2分別表示低熱水泥全級配混凝土試塊探測點的間距，t1與t2分別表示低熱水泥全級配混凝土試塊不同探測點的超聲波檢測聲時值，d表示第一個探測點與第二個探測點的探測距離增量。

利用貝塞爾公式測量超聲波探傷儀的聲速以及脈沖時間的標(biāo)準(zhǔn)差，貝塞爾公式獲取樣本標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(3)所示。

(3)

式(3)中，n與i分別表示總探測次數(shù)以及超聲波探傷儀的探測指標(biāo)測量值。

1.3 低熱水泥全級配混凝土試塊制備

選取鋼木組合模具制備低熱水泥全級配混凝土試塊，共制備4塊混凝土試塊。設(shè)置底部磨尖、嵌入厚度為5mm的鋼板，置于澆筑試塊模具的預(yù)設(shè)位置，選取規(guī)格為40mm×40mm的方管放置于鋼板上部，制作混凝土的預(yù)制微裂縫。利用橋梁工程施工現(xiàn)場拌合系統(tǒng)出料，澆筑低熱水泥全級配混凝土試塊，與實際橋梁工程的混凝土生產(chǎn)條件相同，保證混凝土試塊的均勻性與實際橋梁工程的施工情況相同。選取直徑為60mm的插入式振搗棒對澆筑的低熱水泥全級配混凝土進(jìn)行人工振搗。通過天然養(yǎng)護方式養(yǎng)護混凝土試塊，直至混凝土齡期為28天時，通過一日多次灑水養(yǎng)護的方式[15]，令所制備的混凝土試塊保持濕潤狀態(tài)，保證所制備的混凝土試塊充分發(fā)揮最大性能。將30天齡期的混凝土試塊運輸至試驗基地開展混凝土微裂縫探測試驗。

在完成制備的低熱水泥全級配混凝土試塊表面放置鋼筋，利用擠壓機擠壓低熱水泥全級配混凝土試塊上的鋼筋，設(shè)置混凝土試塊的微裂縫。由于低熱水泥全級配混凝土試塊的內(nèi)部壓力情況，利用擠壓機擠壓的混凝土微裂縫底端將出現(xiàn)輕微合攏情況。混凝土微裂縫底端利用細(xì)鋼絲深入，通過鋼絲左右拉動，將微裂縫底端打磨平整[16-17]。制備低熱水泥全級配混凝土試塊時，混凝土表面的均勻程度較差，裂縫深度容易高于模具，需要打磨混凝土試塊表面，令試塊更加光滑，滿足混凝土微裂縫探測所需的微裂縫深度要求，將微裂縫內(nèi)包含的灰塵利用氣槍去除，制作出混凝土微裂縫探測所需的不同深度微裂縫。通過以上過程制備的低熱水泥全級配混凝土微裂縫，有效避免由于試塊內(nèi)部裂縫深度與試塊側(cè)面裂縫長度存在差異，影響混凝土微裂縫探測精度的問題。

1.4 探測儀器

選取北京恒奧德儀器儀表有限公司的HAD-UP2000型多功能數(shù)字式超聲波探傷儀，作為低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測的儀器，該超聲波探傷儀主要包括主機、平面換能器以及連接線，兩個平面換能器分別作為發(fā)射信號以及接收信號的儀器，通過超聲波探傷儀主機的發(fā)射接口和接收接口調(diào)節(jié)平面換能器的發(fā)射與接收信號功能。數(shù)字式超聲波探傷儀的儀器實物圖如圖2所示。

圖2 超聲波探傷儀

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 超聲波探傷儀重復(fù)性試驗

超聲波探傷儀的重復(fù)性試驗是衡量儀器探測性能的重要指標(biāo)，利用超聲波探傷儀對所制備的4塊低熱水泥全級配混凝土試塊進(jìn)行重復(fù)性測量試驗。利用超聲波探傷儀重復(fù)測量所制備的混凝土試塊7次。在所制備的混凝土試塊中心軸位置以及超聲波探傷儀探頭位置的原點處進(jìn)行標(biāo)記，令所制備混凝土試塊的標(biāo)記點與超聲波探傷儀探頭為對準(zhǔn)狀態(tài)。精準(zhǔn)測量混凝土試塊高度，將混凝土試塊的精準(zhǔn)高度傳送至探傷儀中。在超聲波探傷儀的探頭傳感器以及所制備混凝土試塊表面涂抹耦合劑。通過按壓探頭，令混凝土試塊與超聲波探傷儀的探頭緊密接觸，保證超聲波信號維持在穩(wěn)定狀態(tài)。完成一次測量后，再次在混凝土試塊表面以及超聲波探頭位置涂抹耦合劑，進(jìn)行下一次測量。重復(fù)以上過程，直至完成7次超聲波探傷儀的重復(fù)性試驗。

統(tǒng)計7次超聲波探傷儀重復(fù)性試驗的聲速以及脈沖時間變化，統(tǒng)計結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 超聲波探傷儀聲速變化

圖4 超聲波探傷儀脈沖時間變化

通過圖3、圖4的超聲波探傷儀聲速以及脈沖時間變化值，利用貝塞爾公式計算超聲波探傷儀的聲速以及脈沖時間變化。利用貝塞爾公式計算超聲波探傷儀的聲速標(biāo)準(zhǔn)差為0.28%，脈沖時間的標(biāo)準(zhǔn)差為0.35%。通過重復(fù)性試驗，驗證利用超聲波探傷儀探測低熱水泥全級配混凝土，具有良好的復(fù)現(xiàn)性，可以滿足混凝土微裂縫探測對檢測儀器的復(fù)現(xiàn)性要求。

2.2 超聲波探傷儀波形、超聲頻率確定

設(shè)置超聲波探傷儀的發(fā)射頻率為30KHz-210KHz，統(tǒng)計超聲波探傷儀的聲速變化，超聲波聲速變化受發(fā)射頻率影響的結(jié)果如圖5所示。

圖5 發(fā)射頻率對超聲波聲速的影響

通過圖5試驗結(jié)果可以看出，超聲波探傷儀的探頭的發(fā)射頻率越高時，超聲波的聲速逐漸提升。超聲波探傷儀利用發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，超聲波傳送至低熱水泥全級配混凝土試塊中，受到混凝土材料中的水分、空隙等因素影響，形成阻尼波，眾多阻尼波構(gòu)建了阻尼波群。超聲波探傷儀探頭發(fā)射的超聲波頻率較高時，超聲波能量逐漸衰減，阻尼波群運動速度提升，補償超聲波傳輸過程中的相速度衰減幅度，提升超聲波傳輸速度。以上分析可以看出，利用超聲波探傷儀探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫時，伴隨超聲波探頭發(fā)射頻率的提升，超聲波信號傳輸速度有所提升。

低熱水泥全級配混凝土試塊材料在超聲波探傷儀的超聲頻率較高時，存在明顯的信號衰減情況，選取合適的超聲頻率極為重要。設(shè)置超聲波探傷儀器的超聲頻率為60kHz，超聲波信號為180周的正弦波，設(shè)置超聲波探傷儀的采樣頻率以及采樣頻率的分辨率分別為10MHz以及60Hz。超聲波探傷儀的接收換能器探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫，超聲波的時域信號波形圖如圖6所示。

圖6 時域信號波形圖

超聲波探測器探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫的功率譜圖如圖7所示。

圖7 超聲波探測器功率譜圖

通過圖6、圖7試驗結(jié)果可以看出，超聲波的超聲發(fā)射頻率為60kHz時，可以獲取良好的低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測性能。超聲波探傷儀的接收換能器可以有效獲取混凝土微裂縫的波形圖。時間為1.8ms時，超聲波探傷儀接收換能器的波形變化明顯，表明超聲波探傷儀探測到低熱水泥全級配混凝土試塊中存在異常情況，再次驗證超聲波探傷儀可以有效探測低熱水泥全級配混凝土試塊中的微裂縫。

2.3 微裂縫探測結(jié)果

利用超聲波探傷儀采集低熱水泥全級配混凝土試塊的超聲波聲時，將所采集的超聲波探測數(shù)據(jù)導(dǎo)入波形處理軟件中。超聲波探傷儀探測混凝土探測點的間距增量為40mm時，混凝土微裂縫處碳化深度為5mm時的超聲波信號波形圖如圖8所示。

圖8 微裂縫碳化深度為5mm時的超聲信號波形圖

通過圖8試驗結(jié)果可以看出，混凝土內(nèi)部存在微裂縫時，超聲波探傷儀發(fā)射的超聲波信號受到微裂縫影響，出現(xiàn)折射、反射和繞射情況，導(dǎo)致穿透混凝土的超聲波信號出現(xiàn)變形情況。超聲波信號受到微裂縫影響，后續(xù)的超聲波由強逐漸變?nèi)?，出現(xiàn)波動情況，影響超聲波信號的穩(wěn)定性。低熱水泥全級配混凝土試塊中的微裂縫，影響超聲波信號傳播，超聲波信號波形受到影響，出現(xiàn)明顯波動，說明微裂縫探測有效性較高。

對所制備的低熱水泥全級配混凝土試塊設(shè)置碳化深度為1～5mm的微裂縫，混凝土探測點的測距為30mm，測距增量為40mm。通過超聲波探傷儀的聲時讀數(shù)，獲取混凝土微裂縫碳化深度。超聲波探傷儀探測低熱水泥全級配混凝土試塊微裂縫碳化深度，探測結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土微裂縫碳化深度探測結(jié)果

通過表2混凝土微裂縫探測結(jié)果可以看出，超聲波探傷儀可以有效探測低熱水泥全級配混凝土試塊的微裂縫，具有較高的探測精度。利用超聲波技術(shù)探測混凝土微裂縫，混凝土試塊的聲時存在差異。主要原因是混凝土試塊的內(nèi)部密實情況存在差異，混凝土試塊中的超聲波傳播時，超聲波波速變化，聲時同樣有所變化。超聲波技術(shù)在低熱水泥全級配混凝土試塊內(nèi)密實情況存在差異時，仍然可以精準(zhǔn)探測低熱水泥全級配混凝土試塊的微裂縫，微裂縫碳化深度探測誤差低于0.05mm。表2試驗結(jié)果驗證，超聲波技術(shù)對低熱水泥全級配混凝土微裂縫具有較高的探測能力，對于1mm的微裂縫，仍然可以精準(zhǔn)探測。

3 結(jié)論

超聲波技術(shù)在混凝土強度確定以及裂縫檢測等應(yīng)用中廣泛使用，是具有較高可靠性、探測簡單的方法。將超聲波技術(shù)應(yīng)用于低熱水泥全級配混凝土微裂縫探測中，利用超聲波技術(shù)具有的可靠探測性能，精準(zhǔn)探測低熱水泥全級配混凝土的微裂縫，保證混凝土在實際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。通過試驗驗證，超聲波技術(shù)可以精準(zhǔn)探測低熱水泥全級配混凝土的微裂縫，微裂縫探測誤差較小，有效探測碳化深度為1mm～5mm的混凝土微裂縫。超聲波技術(shù)通過較高頻率的測試信號，利用良好的指向性，精準(zhǔn)探測低熱水泥全級配混凝土微裂縫，實用可靠，值得推廣。