混凝土裂縫深度檢測(cè).doc

混凝土裂縫深度檢測(cè) (寧波升拓檢測(cè)技術(shù)有限公司 浙江 寧波 NCIT)對(duì)應(yīng)設(shè)備： 混凝土多功能檢測(cè)儀（SCE-MATS）PA/B/S/SA/R/RA型 概述：混凝土結(jié)構(gòu)是最重要的土木、建筑結(jié)構(gòu)，在社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)舉足輕重的地位。然而在使用過程中，不可避免地出現(xiàn)各種老化、劣化現(xiàn)象（如裂縫、混凝土強(qiáng)度降低等）。同時(shí)，如果施工質(zhì)量得不到很好的保證，會(huì)加速結(jié)構(gòu)的劣化，從而造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失。 為此，我們歷時(shí)10余年，與國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)合作開發(fā)了一整套針對(duì)混凝土的澆筑質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的缺陷的綜合解決方案和技術(shù)體系。該方案基于無損檢測(cè)技術(shù)，具有測(cè)試效率高、可靠性好、對(duì)結(jié)構(gòu)無損傷等特點(diǎn)，可以大大地提高混凝土材料及結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。該技術(shù)體系的檢測(cè)內(nèi)容主要包括： 1) 裂縫深度； 2) 混凝土構(gòu)件質(zhì)量（強(qiáng)度及剛度）； 3) 結(jié)構(gòu)尺寸 4) 表面剝離、脫空及內(nèi)部缺陷； 5) 巖體力學(xué)特性及分級(jí)測(cè)試 整個(gè)技術(shù)體系采用沖擊彈性波作為測(cè)試媒介，并集成到測(cè)試設(shè)備中（混凝土多功能檢測(cè)儀，SCE-MATS）。其測(cè)試精度和效率達(dá)到工程要求，已在國內(nèi)外數(shù)百個(gè)各類工程中得到了實(shí)際應(yīng)用。我們具有相關(guān)技術(shù)的全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并申請(qǐng)和獲得了多項(xiàng)國家發(fā)明專利，產(chǎn)品出口到日本等海外。整個(gè)技術(shù)體系采用沖擊彈性波作為測(cè)試媒介，并集成到測(cè)試設(shè)備中（混凝土多功能檢測(cè)儀，SCE-MATS）。其測(cè)試精度和效率達(dá)到工程要求，已在國內(nèi)外數(shù)百個(gè)各類工程中得到了實(shí)際應(yīng)用。我們具有相關(guān)技術(shù)的全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并申請(qǐng)和獲得了多項(xiàng)國家發(fā)明專利，產(chǎn)品出口到日本等海外。裂縫深度檢測(cè)意義：混凝土結(jié)構(gòu)是最重要的土木、建筑結(jié)構(gòu)，在社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)舉足輕重的地位。然而，由于各種原因（如干燥收縮、溫度應(yīng)力、外荷載、基礎(chǔ)變形等），裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的缺陷或損傷現(xiàn)象。由于裂縫的成因、狀態(tài)、發(fā)展以及在結(jié)構(gòu)中的位置等的不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的危害性也有很大的區(qū)別。嚴(yán)重的裂縫可能危害結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。另一方面，也有些裂縫，如表面溫度變化或干燥收縮引起的淺裂縫則無大的影響因此，為了確定裂縫的狀態(tài)、發(fā)展和成因，以及合理評(píng)價(jià)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響，選擇適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)方案和時(shí)機(jī)，掌握其深度與其長(zhǎng)度、寬度都是非常重要的。所不同的是，裂縫的深度測(cè)試較之長(zhǎng)度和寬度測(cè)試要困難得多，通常需要采用鉆孔取樣的方法加以直接測(cè)試。但是，鉆孔取樣的方法除費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)也有一定的損害以外，對(duì)深裂縫由于取樣困難往往難以測(cè)試。同時(shí)，對(duì)于裂縫的發(fā)展也難以監(jiān)測(cè)，因此，采用合理的無損檢測(cè)方法是非常必要的裂縫深度檢測(cè)測(cè)試方法和原理裂縫深度的無損檢測(cè)方法有多種。根據(jù)測(cè)試面的條件，可以分為單面平測(cè)法、雙面斜測(cè)法和鉆孔對(duì)測(cè)法。其中，單面平測(cè)法適用面最廣。方法 測(cè)試原理概要 備注 無損方法 平測(cè)法 相位反轉(zhuǎn)法 根據(jù)接收信號(hào)初始相位的反轉(zhuǎn) 采用接收信號(hào)的初始部分的特性，不適合深裂縫 傳播時(shí)間差法 根據(jù)激發(fā)信號(hào)的傳播時(shí)間 面波法 根據(jù)激發(fā)信號(hào)的衰減特性 采用接收與激發(fā)面波信號(hào)的能量特性 斜測(cè)法 傳播時(shí)間差法 根據(jù)激發(fā)信號(hào)的傳播時(shí)間 需要具備兩個(gè)平行的測(cè)試面 鉆孔方法 直接確認(rèn)法 在裂縫上鉆孔確認(rèn)其深度 最為直觀，但不適合深裂縫 對(duì)測(cè)法 在裂縫兩側(cè)鉆孔，采用聲波透射的方法 適用范圍最廣 平測(cè)法（基于首波特征） 基于首波特征的平測(cè)法包括相位反轉(zhuǎn)法和傳播時(shí)間差法。 1) 相位反轉(zhuǎn)法 當(dāng)激發(fā)的彈性波（包括聲波、超聲波）信號(hào)在混凝土內(nèi)傳播，穿過裂縫時(shí)，在裂縫端點(diǎn)處產(chǎn)生衍射，其衍射角與裂縫深度具有一定的幾何關(guān)系。相位反轉(zhuǎn)法正是基于該原理將激振點(diǎn)與接收點(diǎn)沿裂縫對(duì)稱配置，從近到遠(yuǎn)逐步移動(dòng)。當(dāng)激振點(diǎn)與裂縫的距離與裂縫深度相近時(shí)，接收信號(hào)的初始相位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。該方法只須移動(dòng)沖擊錘或換能器,確定首波相位反轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)，就可確定混凝土的裂縫深度。與其它混凝土裂縫深度檢測(cè)方法相比，具有無需通過公式計(jì)算，簡(jiǎn)單直觀的特點(diǎn)，有一定的實(shí)用價(jià)值。 2) 傳播時(shí)間差法 該方法適合混凝土結(jié)構(gòu)物中的開口裂縫。其測(cè)試原理是激勵(lì)產(chǎn)生的彈性波遇到裂縫時(shí)，波被直接隔斷，并在裂縫端部衍射通過。本方法就是通過測(cè)試波在有裂縫位置和沒有裂縫健全部位傳播的時(shí)間差來推定裂縫深度的。裂縫深度越大，傳播時(shí)間差也越長(zhǎng)。傳播時(shí)間差法又可以分為Delta法、BS（British Standard）法等子方法。其中，BS法無需測(cè)試波速, 在狹小場(chǎng)所也可適用。我們?cè)贐S法的基礎(chǔ)上提出的修正BS法。采用3點(diǎn)回歸，還能夠推測(cè)裂縫的延伸方向。 3) 此類檢測(cè)方法的局限 這兩種類型的方法都利用傳播的波的初動(dòng)成分（到達(dá)時(shí)間或者是初始相位）。盡管在金屬探傷技術(shù)中有廣泛應(yīng)用，但在測(cè)試混凝土裂縫時(shí)，卻會(huì)遇到很大的困難： (1) 接觸面/充填物的影響 受裂縫的接觸面（緊密程度或壓力情況）或充填物（水、灰塵）的影響，導(dǎo)致波會(huì)提前通過，測(cè)試的傳播時(shí)間變短，測(cè)試結(jié)果會(huì)比裂縫實(shí)際深度要淺。 (2) 接受信號(hào)能量的影響 若混凝土結(jié)構(gòu)物中的裂縫比較深，那么在裂縫端衍射的彈性波能量會(huì)降低，衍射的信號(hào)會(huì)很變?nèi)?，這對(duì)接收波初始時(shí)刻的判斷不利。極端的例子是：若混凝土結(jié)構(gòu)物中的裂縫是貫通的，那么幾乎不會(huì)有衍射波通過。(3) 初始波成分（類型）不明的影響 對(duì)于沒有裂縫、或裂縫比較淺的時(shí)候，接收波的初始成分主要是表面波和SV波。而裂縫比較深的時(shí)候，信號(hào)又很微弱，這對(duì)初始信號(hào)的判斷帶來困難。 因此，由于裂縫面的接觸、鋼筋、水分以及信號(hào)衰減的影響，使得標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法得到的裂縫深度往往較實(shí)際值偏淺，特別是對(duì)于深裂縫，其測(cè)試誤差更大。平測(cè)法（面波法） 針對(duì)現(xiàn)有平測(cè)技術(shù)的不足，我們開發(fā)了一種新的裂縫深度探測(cè)技術(shù)（簡(jiǎn)稱“波法”） 。該方法采用瑞利波（面波的一種）的衰減特性來測(cè)試混凝土構(gòu)造物中的裂縫深度。該方法測(cè)試范圍大，受充填物、鋼筋、水分的影響小，特別適合測(cè)試較深的裂縫。1) 面波法的基本原理 瑞利波是由于P 波和S 波在媒體邊界面上相互作用而形成，其傳播速度比S 波稍慢， 并主要集中的媒體表面和淺層部分，其特性非常適合于探測(cè)裂縫的深度。 (1) 瑞利波在媒體表面受沖擊所產(chǎn)生的彈性波中，能量最大，信號(hào)采集容易； (2) 依存于材料的剪切力學(xué)特性，從而對(duì)裂縫更為敏感； (3) 瑞利波大部分能量主要集中在從表面開始的1 倍波長(zhǎng)的范圍內(nèi)。 瑞利波在傳播過程中所發(fā)生的幾何衰減和材料衰減。可以通過系統(tǒng)補(bǔ)正，而保持其振幅不變。但是，瑞利波在遇到裂縫時(shí)，其傳播在某種程度上被遮斷，在通過裂縫以后波的能量和振幅會(huì)減少。因此，根據(jù)裂縫前后的波的振幅的變化（振幅比），便可以推算其深度。根據(jù)我們的試驗(yàn)資料和理論分析結(jié)果，有： 其中， 、和分別為裂縫深度、表面波波速和裂縫后/前的振幅比（需經(jīng)幾何衰減) 其中， 、和分別為裂縫深度、表面波波速和裂縫后/前的振幅比（需經(jīng)幾何衰減修正）。 H l x2) 關(guān)鍵測(cè)試技術(shù) “表面波法”最早于上世紀(jì)60 年代被提出，但一直未能得到實(shí)用。其原因在于對(duì)能量衰減的測(cè)試誤差較大，為此我們開發(fā)了基于“雙方向激振技術(shù)”的高精度能量衰減測(cè)試技術(shù)（已獲得國家發(fā)明專利，專利號(hào)：ZL200510021851.5），從而大大提高了“表面波法”的測(cè)試精度和實(shí)用性。 3) 表面波法的特點(diǎn) (1) 表面波法測(cè)試裂縫的范圍很大，可達(dá)幾米，受充填物、水分的影響較小。測(cè)試精度高。但該方法屬于半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，理論不是特別嚴(yán)密。 (2) 對(duì)于壩面等近似于半無限平面體，非常適合表面波法測(cè)試。但不適合狹窄結(jié)構(gòu)，因?yàn)楸砻娌ㄊ苓吔鐥l件（側(cè)壁、邊角等）的影響較大。 (3) 利用雙方向發(fā)振回歸技術(shù)降低了測(cè)試誤差，提高了測(cè)試精度。 (4) 有剝離的場(chǎng)合，會(huì)引起板波和振動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)試誤差大。 模型、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證基礎(chǔ)試驗(yàn)（1998-2006） 1) 混凝土塊試驗(yàn)（開口裂縫） 利用大型混凝土試驗(yàn)塊，對(duì)開口裂縫（裂縫寬2mm，無填充物）進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，對(duì)于開口裂縫， (1) 各測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果均很理想； (2) 表面波法的測(cè)試離散度相對(duì)較大。 2) 混凝土塊試驗(yàn)（裂縫面壓力） 在很多情況下，裂縫面上有可能受到壓縮應(yīng)力。對(duì)此，我們?cè)谠囼?yàn)室做了大型試驗(yàn)， 來驗(yàn)證在受壓應(yīng)力條件下表面波法的測(cè)試精度。 測(cè)試結(jié)表明： (1) 隨著壓力的增加，測(cè)試的裂縫結(jié)果逐漸變淺； (2) 傳播時(shí)間法在受到微小應(yīng)力時(shí)，已無法測(cè)試裂縫的深度； (3) 裂縫面上的應(yīng)力在5MPa 以上時(shí)，表面波法也無法檢測(cè)出裂縫的存在特點(diǎn) 1) 集成度高、測(cè)試精度好 在本套測(cè)試設(shè)備SCE-MATS中，集成了多種裂縫測(cè)試技術(shù)，各種測(cè)試技術(shù)可相互補(bǔ)充、印證，從而盡可能地提高了測(cè)試精度。 2) 測(cè)試范圍廣 本技術(shù)可測(cè)試深達(dá)2米的裂縫。 3) 可測(cè)試裂縫延伸方向 適用范圍 1) 各種鋼筋混凝土和素混凝土結(jié)構(gòu)、瀝青混凝土； 2) 土石壩、巖體： 影響因素 1) 裂縫面的壓力 其對(duì)裂縫深度檢測(cè)的影響很大。當(dāng)裂縫面上作用的壓應(yīng)力超過50KPa時(shí)，各種方法均難以檢測(cè)裂縫深度。 2) 測(cè)試對(duì)象的位置和形狀 “面波法”對(duì)測(cè)試對(duì)象的位置和形狀要求較高，一般要求平坦，具有一定的厚度并距邊界一定的距離。而“傳播時(shí)間差法”的要求較少。 3) 測(cè)試對(duì)象的材質(zhì) 本設(shè)備不僅可以測(cè)試普通混凝土、鋼筋混凝土