混凝土裂縫深度的無損檢測方法研究綜述

混凝土結構開裂后會形成狹長的裂縫，這些裂縫直接影響結構的承載力、安全性和耐久性。裂縫深度是判定裂縫對建筑結構安全性能影響的重要指標，裂縫深度的無損檢測多利用波在混凝土中傳播時遇到裂縫會產(chǎn)生的特定響應來進行檢測。工程上常使用的檢測方法為超聲波法和沖擊彈性波法。超聲波原理清晰、操作簡單、儀器便攜，但能量低、頻譜響應差；沖擊彈性波能量高、衰減慢、受裂縫填充物的影響小、適合不同深度的裂縫檢測，逐漸成為裂縫深度無損檢測的新興方法。

混凝土； 裂縫深度； 無損檢測； 方法研究綜述

TU375A

［定稿日期］2024-02-20

［基金資助］西安鐵路職業(yè)技術學院2022年校級科研項目（項目編號：XTZY22G16）

［作者簡介］謝程程（1988—），女，碩士，助教，主要從事土木工程相關專業(yè)教學工作。

0 引言

房屋、建筑結構中的混凝土結構的破壞與裂縫的深度和發(fā)展程度息息相關。裂縫是混凝土結構中常見的、很難避免的現(xiàn)象，當建筑結構受外力荷載、不均勻沉降、地震等作用時可能開裂，裂縫的出現(xiàn)會導致混凝土保護層對鋼筋的保護失效，導致水和有害雜質(zhì)進入混凝土內(nèi)部，引起鋼筋銹脹，誘發(fā)更多開裂并降低結構耐久性，因此裂縫是結構損傷的表現(xiàn)，是耐久性不足的預警。

要判定裂縫對混凝土結構安全性的影響，就需要明確裂縫產(chǎn)生的原因、當前狀態(tài)和發(fā)展趨勢。裂縫當前的狀態(tài)參數(shù)包括長度、寬度和深度，裂縫深度的檢測相較于長度和寬度要困難的多。由于開裂形成的裂縫多為狹長形狀，常規(guī)實體檢測工具無法完全深入其內(nèi)部，鉆芯法雖能準確的確定裂縫深度和走向，但對結構的整體性和安全性有破壞。

混凝土裂縫深度的無損檢測常使用超聲波法和沖擊彈性波法，其基本原理是波在混凝土結構內(nèi)部傳播，當遇到裂縫時會產(chǎn)生反射、繞射、能量衰減等特定響應，通過對傳感器接收到的波的波形、相位、幅值、時間差等進行一系列分析和處理，得到波的參數(shù)與裂縫深度之間的數(shù)學關系或曲線，從而達到檢測的目的。

1 超聲波法檢測裂縫深度

超聲波法是目前檢測混凝土深度的常規(guī)方法。超聲波法檢測混凝土裂縫深度是根據(jù)超聲波在混凝土中傳播的速度、首波幅度和頻率等參數(shù)的相對變化，來判定混凝土裂縫深度的情況。

根據(jù)被測混凝土結構的形狀和裂縫的位置，采用不同的檢測形式：單面平測法，雙面斜測法和鉆孔對測法，本文主要介紹前兩種。

1.1 單面平測法

當被測混凝土結構只有一個檢測面時，意味著超聲波的激振器和接收傳感器必須處于同一平面，此時采用單面平測法。

在混凝土結構沒有裂縫的一側，激振器產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過t0時間被傳感器接收，所經(jīng)過的路程為L0，可得出超聲波的波速為v=L0/t0；將激振器和傳感器均勻布置在裂縫兩側，激振器產(chǎn)生的超聲波遇到裂縫時，會從裂縫的尖端繞射到接收傳感器，傳播時間為t1，所經(jīng)過的路程為L1，可得出超聲波的波速為L1=vt1，可得式（1），式（2）。

L1=2h2+（L02）2

（1）

h=L02（t1t0）2-1

（2）

式中：h為裂縫深度，cm;t0為無縫的傳播時間，μs；t1為繞縫的傳播時間，μs；L0為激振器與傳感器之間的距離，cm；如圖1所示。

超聲波在裂縫中的填充物（水、灰塵）以及和周圍鋼筋中傳播時，速度會增大，實際測得的傳播時間就偏小，檢測結果較實際深度值偏小；當裂縫比較深時，超聲波的能量會衰減地較快，不利于接收，因此單面平測法對于深裂縫的檢測誤差較大。

1.2 雙面斜測法

常見的梁、柱等結構能夠提供兩個相互平行的表面，將激振器和傳感器傾斜布置在結構的兩個側面，通過對比多組測點的超聲波到達時間、能量衰減等情況，即可判斷裂縫達到的深度，同樣也可以判定裂縫是否在截面內(nèi)貫通（圖2）。

2 沖擊彈性波法檢測混凝土裂縫深度

沖擊彈性波是在固體介質(zhì)中傳播的微小粒子擾動波，一般采用沖擊的激振方式產(chǎn)生（如使用激振錘敲擊），頻率在數(shù)百至50 kHz，根據(jù)波的初始相位、傳播時間差、能量衰減特性等來判斷裂縫深度。沖擊彈性波能量大、衰減慢、波長長、測試距離遠，在無損檢測行業(yè)得到越來越多的應用。

2.1 相位反轉(zhuǎn)法

沖擊彈性波在混凝土結構內(nèi)部進行傳播遇到裂縫時，波在裂縫的尖端處會發(fā)生衍射，衍射角度與裂縫深度有關。當激振點與傳感器之間的距離與裂縫深度接近時，傳感器接收到信號的初始相位會發(fā)生反轉(zhuǎn)，此為相位反轉(zhuǎn)法的檢測原理。

該方法在檢測裂縫深度時，只需在裂縫兩端等距離布置激振點和傳感器，以裂縫為中心，由近到遠地將激振點和傳感器等距離的外移，分析接收信號的初相位，確定首波相位發(fā)轉(zhuǎn)的臨界點，即可確定混凝土裂縫的深度（圖3）。

在實際檢測時，在裂縫兩側均勻布置若干測點，激振點和傳感器位置一一對應同時向外移動，當檢測到的波的初相位發(fā)生反轉(zhuǎn)時，即說明當前傳感器（激振器）與裂縫中心的距離和裂縫深度值幾乎相等。相位反轉(zhuǎn)法操作簡單，無需計算；測點之間的間隔越小，檢測精度越高。

2.2 瑞利面波法

瑞利波是沖擊彈性波中的表面波，由縱波（P波）和橫波（S波）在介質(zhì)表面相互作用形成，主要集中在介質(zhì)表面和淺層大概一個波長范圍以內(nèi)；相對于縱波和橫波，瑞利波的能量強，占彈性波總能量的67%左右，在實際工程中更容易被檢測到；由于依存于材料的剪切力學特性，因此對裂縫更加敏感。瑞利面波法（以下簡稱面波法）作為一種新興的無損檢測方法，近年來備受研究者們的青睞，本文將重點就面波法進行闡述（圖4）。

2.2.1 按振幅比計算

瑞利波在傳播過程中發(fā)生的幾何衰減和材料衰減，均可以通過系統(tǒng)補正而保持振幅不變；當遇到裂縫時，其傳播過程被中斷，波在裂縫尖端發(fā)生繞射，因此通過裂縫的波的振幅和能量會降低。根據(jù)裂縫前后波的振幅的變化，能夠推算出裂縫深度；或者通過分析其能量的衰減特性，找到面波能量衰減和裂縫深度之間的對應函數(shù)關系，從而達到檢測裂縫深度的目的。

根據(jù)理論分析和若干試驗資料的驗證，可以得出裂縫深度和裂縫前后波的振幅比的關系為式（3）：

h=-0.7429λln（x）（3）

式中：h為裂縫深度，m;λ為瑞利波的波長，m；x為裂縫后振幅與裂縫前振幅之比。

2.2.2 按能量衰減計算

當利用波在裂縫前后的能量衰減來檢測裂縫深度時，其檢測原理如下：瑞利波在遇到裂縫時，波形深度大于表面裂縫深度的波可以繞過裂縫最深處，傳播到裂縫對側，即為繞射瑞利波；波形深度小于表面裂縫深度的波在裂縫處發(fā)生反射，形成反射瑞利波。裂縫越深，能夠繞射過去的波越少，能量衰減地越厲害。

將繞射瑞利面波能量與入射瑞利面波的能量的比值稱為能量傳遞系數(shù)，用Tr表示，將裂縫深度h與瑞利面波的波長λ的比值進行歸一化處理，稱為裂縫歸一化深度，用h/λ表示。研究發(fā)現(xiàn)，當傳播介質(zhì)固定時，瑞利波的能量傳遞系數(shù)Tr與裂縫歸一化深度h/λ之間存在一定關系，此對應關系與裂縫深度無關。

基于上述現(xiàn)象，需建立不同裂縫深度模型，將兩個傳感器等距離分布在裂縫兩側（圖5），激振器產(chǎn)生的波被兩個傳感器接收到后，傳感器1接收到的波為入射波，傳感器2接收到的波為繞射波，采集波形時需激振不同頻率的瑞利波，從而得到若干Tr與h/λ一一對應的數(shù)值，將h/λ作為橫坐標，Tr作為縱坐標，即可得到能量傳遞系數(shù)關系曲線（圖5）。

未知深度的裂縫檢測，只需采用相同檢測方式，得出已知裂縫深度的能量傳遞系數(shù)值和波長，在能量傳遞系數(shù)關系曲線上找到對應的歸一化深度值，即可推算出裂縫的深度。

3 裂縫深度無損檢測方法對比

混凝土無損檢測采用的超聲波頻率范圍為0.2～5 MHz，頻率高、穿透能力強，超聲波法原理清晰，儀器操作簡單、便攜；但由于能量低且衰減很快，頻譜響應性能較差，對于深層裂縫和內(nèi)部有水、雜質(zhì)的裂縫不敏感，在檢測過程中，需要在探頭和被檢測表面之間的空隙中填充滿耦合劑，增加工作量。

沖擊彈性波頻率為20 Hz～20 kHz，頻率低但能量高，頻譜響應性能較好。瑞利波對裂縫敏感，波長長，可以檢測2 m范圍內(nèi)的較深裂縫，受裂縫內(nèi)部水和雜質(zhì)的影響較??；但不適合狹窄建筑結構，受邊界條件影響大，在有內(nèi)部剝離、脫空的結構中會引起板波和振動，檢測誤差較大；使用波的能量衰減原理進行檢測時，需在被檢裂縫同等材質(zhì)的混凝土中布置若干深度的裂縫進行不同頻率下瑞利波繞射能量的采集、處理，方能得出能量傳遞系數(shù)關系曲線，雖然檢測精度較高，但操作復雜、工作量大（表1）。

4 結論

混凝土裂縫是影響建筑結構安全性和耐久性的重要因素，只有準確檢測出其深度值才能更好地指導建筑工程質(zhì)量監(jiān)測和維護。受其狹長形狀和結構形狀的限制，檢測行業(yè)一直在不斷地研究和改進裂縫深度的檢測方法。

超聲波法在裂縫深度檢測上有較早的應用，同時配套儀器設備也得到較好的開發(fā)，操作簡單易掌握，但由于受填充物影響大，只適用淺、開口形狀的裂縫，對于大體積混凝土中的深裂縫檢測誤差較大。

沖擊彈性波頻率低、能量大、衰減慢，針對不同深淺程度的裂縫，都可以找到適用的檢測方法。淺層裂縫可使用相位反轉(zhuǎn)法，操作簡單，結果直觀，但受填充物的影響較大。深層裂縫可使用面波法，受水、鋼筋和填充物影響小，測試效率及精度均較高，但需采集很多組數(shù)據(jù)才能確定出能量傳遞關系曲線，操作工作量大；進行較多的數(shù)據(jù)處理，需要操作人員有一定的理論研究和數(shù)據(jù)處理的基礎，對工程實踐應用的推廣存在一定難度。

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