宋福春， 王 彬

(沈陽建筑大學 交通工程學院， 沈陽 110168)

超聲波法檢測混凝土裂縫注膠質量*

宋福春， 王 彬

(沈陽建筑大學 交通工程學院， 沈陽 110168)

為了研究混凝土構件的裂縫注膠質量，進行了超聲波法檢測試驗.根據裂縫所處位置的具體情況，分別采用了單面平測法和雙面斜測法進行檢測試驗，通過將實際聲時與理論聲時進行比較，并輔以波形和波速對注膠質量進行判斷，得出了單面平測法和雙面斜測法測得的實際聲時與理論聲時的差別.結果表明，超聲波在裂縫及裂縫表面抹膠情況下傳播路線基本一致，在相同測距情況下，當灌縫混凝土實測聲時與完好混凝土理論聲時差在5%以內時，認為混凝土灌膠已密實.

混凝土結構； 超聲波； 裂縫； 單面平測法； 雙面斜測法； 聲時； 波形； 聲速

混凝土是土木工程領域廣泛應用的建筑材料，由于其施工技術、溫差、干縮老化及長期沖擊載荷等因素，使得混凝土裂縫不斷地產生和發(fā)展.裂縫已成為混凝土結構中很常見的缺陷，也是當前工程質量的熱點難題.因此，必須重視混凝土裂縫的檢查、分析及處理[1-4].

按照現(xiàn)行《混凝土結構加固設計規(guī)范》(GB50367-2013)[5]，檢驗裂縫修補質量應采用鉆取芯樣并對芯樣進行劈裂試驗的方法進行檢測，取芯造成的孔洞，立即采用強度等級較原構件提高一級的細石混凝土填實.采用鉆芯檢測可以直觀地評價所取部位的修補質量，但會對結構造成二次破壞，不便于大范圍檢查裂縫的修補質量，具有一定的局限性.本文應用超聲波技術對混凝土裂縫灌膠修補質量進行檢測，并驗證其可行性和有效性，這對擴大混凝土修補質量無損檢測的應用范疇，增加混凝土加固工程檢測效率和提高工程質量具有重要意義[6-10].

1 超聲波檢測基本原理

利用超聲波法進行混凝土裂縫灌注質量檢測的兩個前提條件是：

1) 裂縫處的混凝土與其周圍完好混凝土的質量(密實度、強度等)基本相同；

2) 跨縫測量的首波信號傳播路徑從發(fā)射換能器繞過裂縫的末端到達接收換能器，波形對比如圖1所示.

圖1 波形對比圖Fig.1 Comparison in waveform

裂縫注膠之前，超聲波在混凝土中傳播時繞行裂縫的端部，這樣使傳播距離增長，相應的聲時隨之增大.裂縫注膠密實后，超聲波傳播路線與完好混凝土超聲傳播路線相同，不再繞行裂縫端部，如圖2所示.由于裂縫寬度遠遠小于超聲測距，故裂縫寬度內化學漿液的波速變化對測量結果基本無影響[11-13].

圖2 超聲波在混凝土中的傳播路線Fig.2 Ultrasonic propagation path in concrete

2 試驗概況

2.1 試件設計加工

試驗試件總共分為2件，具體尺寸、參數(shù)見表1.試件混凝土強度等級為C25，用回彈儀檢測試件強度為25.2 MPa，其配合比為m水泥∶m砂∶m石∶m水=1∶1.5∶2.92∶0.56.

試件制作：首先按照設計圖紙加工木模板；然后澆筑混凝土，混凝土用振搗棒振搗密實；接著把事先裁剪并涂抹潤滑油的鍍鋅鐵皮插入試件設計裂縫的位置；最后在混凝土養(yǎng)護期間，為避免混凝土硬化時鋼板與混凝土粘結，每隔1 h晃動鐵皮并注油，12 h后適當增長擾動間隔時間.澆筑混凝土試件如圖3所示.

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameters for specimen mm

圖3 裂縫試件Fig.3 Specimen with cracks

2.2 試驗方法

試驗采用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀進行測量.在采集數(shù)據之前，先對試件測試表面進行打磨，保證測試面的平整，這樣換能器表面與混凝土表面之間才能保持良好的耦合進而保證測試結果的準確性；然后在測試表面上畫網格，網格的交叉點為數(shù)據采集點，網格大小均為50 mm×50 mm.測試時在換能器和混凝土表面涂抹凡士林作為耦合劑.測試面如圖4所示(單位：mm).

圖4 單面平測法測試面網格Fig.4 Test surface meshes in single plane detection

將T、R換能器放在測試面上進行數(shù)據采集，數(shù)據采集分為不跨縫采集和跨縫采集.不跨縫數(shù)據采集時把T、R換能器放在鄰近裂縫的完好區(qū)域進行采集，兩個換能器的間距需要按等差不斷增大；跨縫數(shù)據采集時把T、R換能器對稱地放在被測裂縫的兩側進行采集，其間距按等差不斷增大.圖5為采集數(shù)據操作圖.

圖5 單面平測法數(shù)據采集Fig.5 Data acquisition in single plane detection

雙面斜測法數(shù)據采集之前的準備工作同單面平測法.測試面網格如圖6所示.

圖6 雙面斜測法測試面網格Fig.6 Test surface meshes in double plane detection

將T、R換能器放在兩個對應的測試面上進行數(shù)據采集，采集時兩測面的測點要根據名稱一一對應，分為a-a′、b-b′、c-c′、d-d′、e-e′、f-f′、g-g′、h-h′一共8組(有4組是通過裂縫的，其余4組不通過裂縫)，每組有7個測點.按照圖6劃分的網格圖采集試驗數(shù)據.

2.3 試驗數(shù)據采集

試驗數(shù)據采集分三次進行.第一次數(shù)據采集在試件拆模后，混凝土養(yǎng)護時間超過28 d，在試件測試面畫好測試網格采集數(shù)據.第一次采集數(shù)據后把調好的粘鋼膠涂抹在裂縫表面，并在裂縫兩端留有注膠孔，如圖7所示.間隔24 h，期間混凝土表面不得受到擾動，待粘鋼膠已經固化，自然養(yǎng)護至完全固化，固化時間不得少于5 d，然后進行第二次數(shù)據采集，采集順序及測點位置都與第一次相同.數(shù)據采集完成后，人工拌制灌縫膠，充分攪拌均勻，并按同一方向攪拌，避免引入氣泡，拌制的漿液從配置到用完盡量控制在0.5 h以內.把試件傾斜放置，使得兩個預留的注射孔一個在上一個在下，手持注射器加壓注射.縫內灌封膠飽和后保持壓力穩(wěn)定一段時間，以保證裂縫內膠體充分滲透，如圖8所示.灌漿結束后，待縫內漿液接近初凝而不外流時，觀察補縫效果和質量.如發(fā)現(xiàn)縫內漿液凹陷、未充滿時應進行末次補灌，漿液24 h后固化.自然養(yǎng)護至完全固化，期間混凝土表面不得受到擾動，固化時間不得少于5 d，然后進行第三次數(shù)據采集.

圖7 裂縫表面抹膠圖Fig.7 Surface adhesive for crack

圖8 裂縫內部注膠圖Fig.8 Internal glue-injection for crack

2.4 試驗結果

2.4.1 理論聲時

平測時超聲波實際傳播距離既不是兩個換能器內邊緣距離，也不是兩個換能器中心的距離，其中存在一個測距修正量m.以完好混凝土各測距l(xiāng)i與對應的聲時ti進行直線回歸分析，可求出直線方程[14]為

l=vt+m

(1)

(2)

表2 完好混凝土各測點測距、聲時及聲速Tab.2 Distance，sound time and sound velocity at measuring points of intact concrete

圖9 “時距”曲線Fig.9 Time-distance curve

(3)

式中：l為超聲波實際傳播距離；v為超聲波傳播波速；li為各測段換能器中心距；ti為各測段超聲聲時；n為測試組數(shù).

由式(2)回歸后得出線性方程為l=3.805 03t，可計算出超聲波在該混凝土試件完整處的理論波速約為3.805 03×103m/s，測距修正量為0.523 5 mm.根據公式可以推算出測距分別為300～900 mm完好混凝土理論聲時，計算結果見表3.

表3 完好混凝土理論聲時
Tab.3 Theoretical sound time of intact concrete

超聲測距mm理論聲時μs30079 0400105 3500131 5600157 8超聲測距mm理論聲時μs640168 3700184 1800210 4900236 7

2.4.2 單面平測法

檢測注膠前跨縫兩點聲時，測量結果如表4所示.從表中可以看出，跨縫兩點間聲時隨著測距增大而增大，實測的聲時與理論聲時相差比較大，可以明顯看出，聲波由于繞縫傳播，測距和聲時均相應增加，其增加量與裂縫引起的測距增量相符.

表4 單面平測法第一次檢測跨裂縫各測點聲時
Tab.4 Sound time at measuring points for cross cracks in first inspection with single plane detection

測距mm測點實測聲時/μsabcdefg平均值完好混凝土理論聲時μs實際值與理論值相差%300197 5105 398 8103 8106 3100 5107 4102 879 030 14002138 4140 8143 2148 7149 6142 3149 2144 6105 336 85003182 3184 6178 2171 7175 8183 4180 5179 5131 536 66004200 5193 6201 1202 6195 2197 6196 8198 2157 825 67005275 6276 8282 4281 6280 1273 5271 1277 3184 150 68006289 5295 7290 5293 5288 3286 9293 3291 1210 438 49007369 2372 5373 1366 8375 4367 2374 2371 2236 756 8

第二次裂縫表面抹粘膠的測試數(shù)據結果如表5所示.從表中可以看出，第二次實測聲時與第一次實測聲時相比較相差不大，幾乎相同.在裂縫表面抹膠時，裂縫內部仍為空區(qū)，超聲在混凝土內部傳播路徑與跨縫傳播路線基本一致.因此，裂縫灌注質量較差時，可通過超聲波法進行檢測.

第三次數(shù)據采集結果如表6所示.從表中可以看出，由于裂縫內部灌膠密實，超聲波的傳遞路徑與密實混凝土相近，檢測波形較跨縫波形更為完整，首波更易判斷，同時聲時有明顯的減小，與測距線性關系明顯.

從同一對測點灌漿前后超聲聲時的變化上看，由于灌漿后超聲波傳播路線的改變，灌漿后聲時值比灌漿前有了明顯的減小，測距較近的情況尤為明顯.灌漿后裂縫兩側超聲波實際聲時與完好混凝土理論聲時之間的差別基本在5%以內.經過切割混凝土試件發(fā)現(xiàn)，灌漿密實，測量結果也真實地反應了灌漿效果.

表5 單面平測法第二次檢測跨裂縫各測點聲時
Tab.5 Sound time at measuring points for cross cracks in second inspection with single plane detection

測距mm測點實測聲時/μsabcdefg平均值完好混凝土理論聲時μs實際值與理論值相差%300195 2103 597 3101 1102 696 8104 1100 079 026 64002127 2136 3141 7144 8146 1139 9145 3140 2105 333 15003183 1182 5180 2175 5173 1176 6177 4178 3131 535 66004197 2194 4196 3201 9192 7193 9198 5196 4157 824 57005262 3264 1269 8270 4271 3264 5260 2266 1184 144 48006283 1288 3283 3285 7281 9279 7286 4284 1210 435 09007357 3359 1360 6358 2362 8356 4361 7359 4236 751 8

表6 單面平測法第三次檢測跨裂縫各測點聲時
Tab.6 Sound time at measuring points for cross cracks in third inspection with single plane detection

測距mm測點實測聲時/μsabcdefg平均值完好混凝土理論聲時μs實際值與理論值相差%300180 179 481 279 680 480 879 980 279 01 54002106 2108 4106 4106 8108 8109 2107 4107 6105 32 25003134 1136 2133 8135 4134 5136 6135 8135 2131 52 86004163 2161 3165 4161 8164 8162 4163 5163 2157 83 47005192 0190 8193 2193 8191 8194 2192 4192 6184 14 68006218 2217 8220 2216 8219 6217 4218 8218 4210 43 89007246 4247 4244 2248 2243 8245 8247 6246 2236 74 0

圖10 單面平測法聲時比較圖Fig.10 Comparison in sound time with single plane detection

2.4.3 雙面斜測法

雙面斜測法操作與單面平測法基本一致，斜測法的測距均為640 mm，分別進行了兩次數(shù)據采集.第一次是拆完模板后采集，第二次是裂縫注膠后采集，結果如表7、8所示.表中，a-a′、b-b′、c-c′、d-d′為不跨縫測量，其余4組為跨縫測量.

從表7中可以看出，跨縫兩點間實測的超聲波聲時與理論聲時相差比較大，不跨縫兩點間實測的超聲波聲時與理論聲時基本一致.從表8中可以看出，跨縫兩點間實測的超聲波聲時及不跨縫兩點間實測的超聲波聲時與理論聲時基本一致，差別基本在5%以內，檢測結果可以表明灌膠的質量.

表7 雙面斜測法第一次檢測各測點聲時
Tab.7 Sound time at measuring points in first inspection with double plane detection

測點實測聲時/μs1234567平均值完好混凝土理論聲時μs實際值與理論值相差%a?a′169 8172 8173 2171 6173 8171 8172 4172 7168 32 6b?b′170 8171 6169 6171 2173 6170 2172 8171 4168 31 8c?c′167 2165 6166 8167 4166 2168 2167 6167 0168 3-0 8d?d′172 5170 4169 9171 7173 7170 9172 8171 7168 32 0e?e′213 8215 6212 6213 2212 2214 6211 8213 4168 326 8f?f′233 2230 7231 8232 5234 5235 2233 8233 1168 338 5g?g′218 6217 8218 4222 3220 6219 4221 5219 8168 330 6h?h′226 2228 4227 4224 8227 0225 4227 7226 7168 334 7

表8 雙面斜測法第二次檢測各測點聲時
Tab.8 Sound time at measuring points in second inspection with double plane detection

測點實測聲時/μs1234567平均值完好混凝土理論聲時μs實際值與理論值相差%a?a′173 2171 6174 1173 4172 1172 8173 8173 0168 32 8b?b′170 8171 6169 8172 6171 8169 9170 5171 0168 31 6c?c′166 4165 8168 3167 9165 3165 1167 4166 6168 3-1 0d?d′172 4171 5173 5170 7172 9171 2171 8172 0168 32 2e?e′173 1175 8171 8174 9172 5173 6174 2173 7168 33 2f?f′175 7177 4176 1174 8176 8173 5174 2175 5168 34 3g?g′174 1176 2173 6175 4172 8174 6172 7174 2168 33 5h?h′175 0176 5173 1173 8174 5175 9175 5174 9168 33 9

根據兩次雙面斜測法檢測的平均聲時結果與完好混凝土理論聲時作對比，結果如圖11所示.從圖中可以看出，灌膠后的平均聲時與理論聲時基本一致，說明注膠已密實.

圖11 雙面斜測法聲時比較Fig.11 Comparison in sound time with double plane detection

3 結 論

本文通過應用超聲波法中的單面平測法和雙面斜測法檢測混凝土裂縫修補質量，得出以下結論：

1) 單面平測法檢測裂縫及表面抹膠裂縫兩種情況時，實際聲時與理論聲時相差均在25%以上，而且兩者相同測距的實際聲時相差3%以內.由此得出超聲波在裂縫中傳播路線與在表面抹膠裂縫中的傳播路線幾乎一致.

2) 注膠效果可以通過同一測點注膠前、表面抹膠和灌膠等狀態(tài)下聲時、波形的變化進行分析定性.在實際工程檢測中，如果不方便在裂縫處理前后都進行檢測，可通過檢測裂縫附近完好混凝土得出理論聲時，再與灌縫混凝土檢測聲時對比，若這兩次檢測聲時差在5%以內，則判斷裂縫灌膠已密實.應用超聲波法對裂縫灌膠質量進行檢查，超聲波的傳播路徑清晰，試驗結果可靠.

3) 取芯法檢測裂縫注膠效果，可以直觀地評價取芯處裂縫的注膠質量，但對結構會造成二次破壞，不便于大面積使用.而采用超聲波法檢測，操作簡單、方便，應用范圍廣，對結構不會造成任何損傷，可以與取芯法互相補充，作為混凝土裂縫灌注質量的一種檢測手段.

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(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Ultrasonic detection for glue-injection quality of cracks in concrete

SONG Fu-chun, WANG Bin

(School of Transportation Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

In order to research the glue-injection quality of cracks in concrete components, the ultrasonic detection test was carried out. According to the specific situation of crack locations, the detection test was performed with the single plane detection and double plane detection. Through comparing the actual sound time with the theoretical sound time and judging the glue-injection quality with waveform and sound velocity, the difference between the actual and theoretical sound time measured with both single plane detection and double plane detection was obtained. The results show that the propagation path of ultrasonic in the cracks with and without surface adhesive is basically consistent. Under the condition of same distance, the glue-injection ofconcrete is considered to be dense if the difference between the actual sound time of crack grouting concrete and the theoretical sound time of intact concrete is within 5%.

concrete structure; ultrasonic; crack; single plane detection; double plane detection; sound time; waveform; sound velocity

2016-03-14.

國家自然科學基金資助項目(51178279/E080801)； 遼寧省高速公路管理局項目(201408)； 住房與城鄉(xiāng)建設部基金資助項目(2015-K5-021).

宋福春(1971-)，男，遼寧遼陽人，副教授，博士，主要從事組合結構橋梁和車橋耦合振動等方面的研究.

16∶10在中國知網優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1610.050.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.21

TU 279.7

A

1000-1646(2017)01-0109-07