混凝土裂缝深度检测技术.docx

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混凝土裂缝深度检测技术

混

凝

土

裂

缝

深

度

检

测

技

术

1测试的意义

混凝土结构是最重要的土木、建筑结构，在社会基础设施中占据举足轻重的地位。

然而，由于各种原因（如干燥收缩、温度应力、外荷载、基础变形等），裂缝是混凝土结构中最常见的缺陷或损伤现象。

由于裂缝的成因、状态、发展以及在结构中的位置等的不同，对结构的危害性也有很大的区别。

严重的裂缝可能危害结构的整体性和稳定性,对结构的安全运行产生很大影响。

另一方面，也有些裂缝，如表面温度变化或干燥收缩引起的浅裂缝则无大的影响。

此外，根据大量的观测资料，在混凝土结构物中出现的裂缝，大多数在竣工后1-2年内已产生。

如果这些裂缝处于稳定状态，其对结构的影响程度要小得多。

此外，对于裂缝的修补，如裂缝充填（往裂缝中注入水泥砂浆或者环氧树脂等充填材料，以防内部钢筋锈蚀）和裂缝补强（裂缝表面粘贴钢板等）都需要在明确裂缝的状态、成因的基础上才能合理、有效地进行。

因此，为了确定裂缝的状态、发展和成因，以及合理评价裂缝对结构物的影响，选择适当的修补方案和时机，掌握其深度与其长度、宽度都是非常重要的。

所不同的是，裂缝的深度测试较之长度和宽度测试要困难得多，通常需要采用钻孔取样的方法加以直接测试。

但是，钻孔取样的方法除费时费力，对结构也有一定的损害以外，对深裂缝由于取样困难往往难以测试。

同时，对于裂缝的发展也难以监测，因此，采用合理的无损检测方法是非常必要的。

裂缝深度的无损检测方法有多种，长期以来，研究人员开发了多种测试方法，大致可以分为：

1）基于超声波的检测方法；

2）基于冲击弹性波的检测方法

然而，由于混凝土结构及裂缝的特殊性，使得裂缝深度的无损检测变得非常困难。

同时，目前常用的裂缝深度的无损检测技术大多是从金属材料的裂缝深度检测中发展而来，在应用于混凝土结构中会遇到各种问题，使得测试结果常常较实际深度偏浅很多，因此难以在实际工程中推广应用。

当然，对裂缝深度方向的发展的监测迄今尚无有效的手段。

混凝土裂缝深度测试仪SCE-CDT

2测试方法和原理

我们自1997年开始，针对这一问题，在基于表面波的测试技术基础上，建立相对严密完整的理论体系。

并在此基础上开发了独创的“表面波法”。

同时，我们还集成了目前国内外其他几种方法以便相互印证，从而尽可能地提高测试精度。

下表为在本系统中集成的主要测试方法，其分别对应于我国、日本和英国的相关检测规程。

表2-21裂缝深度测试项目一览表

方法

测试原理概要

备注

标准方法

相位反转法

根据接收信号初始相位的反转

采用接收信号的初始部分的特性

传播时间差法

根据激发信号的传播时间

独创方法

表面波法

根据激发信号的衰减特性

采用接收与激发信号的能量特性

2.1标准测试方法

标准测试方法包括相位反转法和传播时间差法。

这2种方法均采用接收信号的初始部分的特性，为目前较为通用的测试方法。

1）相位反转法

当激发的弹性波（包括声波、超声波）信号在混凝土内传播，穿过裂缝时，在裂缝端点处产生衍射，其衍射角与裂缝深度具有一定的几何关系。

相位反转法正是根据衍射角与裂缝深度的几何关系，来对裂缝深度进行快速测试的。

将激振点与接收点沿裂缝对称配置，从近到远逐步移动。

当激振点与裂缝的距离与裂缝深度相近时，接收信号的初始相位会发生反转。

该方法只须移动冲击锤或换能器,确定首波相位反转临界点，就可确定混凝土的裂缝深度。

与其它混凝土裂缝深度检测方法相比，具有无需通过公式计算，简单直观的特点，有一定的实用价值。

图2-2-1相位反转法的概念

2）传播时间差法

该方法适合混凝土结构物中的开口裂缝。

其测试原理是激励产生的弹性波遇到裂缝时，波被直接隔断，并在裂缝端部衍射通过。

本方法实质就是通过测试波在有裂缝位置和没有裂缝健全部位传播的时间差来推定裂缝深度的。

裂缝深度越大，传播时间差也越长。

图2-2-2传播时间差法概念

传播时间差法又可以分为Delta法、BS法等子方法。

我们在BS法的基础上提出的修正BS法采用3点回归的方法，无需测试波速，还能够推测裂缝的延伸方向。

具有测试优点明显，测试理论严密，在狭小场所也可测试等优点。

3）标准测试方法的局限

这两种类型的方法都利用传播的波的初动成分（到达时间或者是初始相位）。

尽管在金属探伤技术中有广泛应用，但在测试混凝土裂缝时，却会遇到很大的困难：

1接触面/充填物的影响

受裂缝的接触面（紧密程度或压力情况）或充填物（水、灰尘）的影响，导致波会提前通过，测试的传播时间变短，测试结果会比裂缝实际深度要浅。

图2-2-3接触充填的影响

2接受信号能量的影响

若混凝土结构物中的裂缝比较深，那么在裂缝端衍射的弹性波能量会降低，衍射的信号会很变弱，这对接收波初始时刻的判断不利。

极端的例子是：

若混凝土结构物中的裂缝是贯通的，那么几乎不会有衍射波通过。

图2-2-4接受信号能量的影响

3初始波成分（类型）不明的影响

对于没有裂缝、或裂缝比较浅的时候，接收波的初始成分主要是表面波和SV波。

而裂缝比较深的时候，信号又很微弱，这对初始信号的判断带来困难。

因此，由于裂缝面的接触、钢筋、水分以及信号衰减的影响，使得标准测试方法得到的裂缝深度往往较实际值偏浅，特别是对于深裂缝，其测试误差更大。

图2-2-5初始信号不明的影响

2.2独创测试方法（表面波法）

针对现有技术的不足，我们开发了一种新的裂缝深度探测技术（简称“表面波法”）。

该方法采用冲击弹性波中的瑞利波（表面波的一种）的衰减特性来测试混凝土构造物中的裂缝深度。

该方法测试范围大，受充填物、钢筋、水分的影响小，特别适合测试较深的裂缝。

1）表面波法的基本原理

瑞利波是由于P波和S波在媒体边界面上相互作用而形成，其传播速度比S波稍慢，并主要集中的媒体表面和浅层部分，其特性非常适合于探测裂缝的深度。

1瑞利波在媒体表面受冲击所产生的弹性波中，能量最大，信号采集容易；

2依存于材料的剪切力学特性，从而对裂缝更为敏感；

3瑞利波大部分能量主要集中在从表面开始的1倍波长的范围内。

瑞利波在传播过程中所发生的几何衰减和材料衰减。

可以通过系统补正，而保持其振幅不变。

但是，瑞利波在遇到裂缝时，其传播在某种程度上被遮断，在通过裂缝以后波的能量和振幅会减少。

因此，根据裂缝前后的波的振幅的变化（振幅比），便可以推算其深度。

图2-2-6“表面波法”的概念

2）关键测试技术

“表面波法”最早于上世纪60年代被提出，但一直未能得到实用。

其原因在于对能量衰减的测试误差较大，为此我们开发了基于“双方向激振技术”的高精度能量衰减测试技术（已获得国家发明专利，专利号：

ZL200510021851.5），从而大大提高了“表面波法”的测试精度和实用性。

3）表面波法的特点

表面波法测试裂缝的范围很大，可达几米，受充填物、水分的影响较小。

特别是对贯穿裂缝精度非常高。

但该方法属于半理论半经验的方法，理论不是特别严密。

对于坝面等近似于半无限平面体，非常适合表面波法测试。

但不适合狭窄结构，因为表面波受边界条件（侧壁、边角等）的影响较大。

利用双方向发振回归技术降低了测试误差，提高了测试精度。

选择测区希望避免剥离的地方，可提高其测试精度。

因为有剥离的场合，会引起板波和振动，导入测试误差大。

表22-2裂缝深度测试方法比较

方法

传播时间差法

相位反转法

表面波法

使用弹性波的种类

P/S波

P波

R（瑞利）波

使用弹性波的成分

初始成分

卓越成分

基本测试原理

传播时间的迟延

初始相位的反转

瑞利波的衰减

测试原理的严密性

比较严密

半理论半经验

弹性波波速

必要

不必

需要

裂缝填充物的影响

大

小

钢筋的影响

大

小（可修正）

裂缝面压力的影响

大

有

测试对象厚度的影响

小

有

测试对象背面状况的影响

小

有

适用裂缝

浅、开口裂缝

深裂缝

测试面的形状

灵活

平坦、规则

图2-2-7裂缝深度的测试概念

2.3裂缝延伸方向的测试

隧道天顶的塌落危险评估、以及结构内力分别的推算等均需要掌握裂缝的方向。

本系统可以较方便地推算裂缝的延伸方向。

图2-2-7　利用自振频率的变化测试

图2-2-8　根据R波速度的变化测试

此外，我们开发的修正BS法不仅可以测试裂缝的速度，还可以测试裂缝的方向。

但该方法属于传播时间差法，其测试深度均较浅，测试精度也不十分理想。

3模型、现场验证

3.1基础试验（1998-2006）

1）混凝土块试验（开口裂缝）

利用大型混凝土试验块，对开口裂缝（裂缝宽2mm，无填充物）进行了验证试验。

结果表明，对于开口裂缝，

1各测试方法的测试结果均很理想；

2表面波法的测试离散度相对较大。

照片2-3-1试验场景

图2-3-1验证结果

2）混凝土块试验（裂缝面压力）

在很多情况下，裂缝面上有可能受到压缩应力。

对此，我们在试验室做了大型试验，来验证在受压应力条件下表面波法的测试精度。

照片2-3-2试验场景

可以看出：

1随着压力的增加，测试的裂缝结果逐渐变浅；

2传播时间法在受到微小应力时，已无法测试裂缝的深度；

3裂缝面上的应力在5MPa以上时，表面波法也无法检测出裂缝的存在。

3.2现场验证（1998-2006）

我们对隧道、挡土墙、基础等钢筋混凝土结构以及大坝中的各类裂缝，进行了无损检测以及钻孔取样验证。

1）钢筋混凝土结构物

照片2-3-3　现场测试场景照片2-3-4　钻孔验证

图2-3-2验证结果比较图（裂缝深度比较）

图2-3-3　验证结果比较图（离散程度比较）

表2-3-1　裂缝深度相对误差一览表（钢筋混凝土）

表面波法

传播时间差法/相位反转法

平均相对误差

5.38%（与实际的裂缝深度基本一致）

-58.57%（比实际的裂缝深度浅很多）

离散性

数值

28.35%

26.22%

深度分布

相对误差小

偏浅

根据验证试验的结果，可以得到如下结论：

1表面波法基本上可以准确地测试出裂缝的深度，经验证的最大测试深度为100cm；

2采用P波初始时间的方法（如传播时间法，相位反转法）则过浅地测试了裂缝深度。

该类方法的最大测试深度一般不超过20cm，往往测试了钢筋保护层厚度。

2）无钢筋混凝土结构物

照片2-3-6　钻孔验证场景照片2-3-7　钻孔结果

各测试方法的验证结果及离散程度如表3-3-1～3-3-3，图3-3-3～3-3-4所示。

图2-3-4无筋混凝土中的验证结果

图2-3-5　裂缝深度测试相对误差一览（无筋混凝土）

表2-3-2　验证结果一览

表面波法

传播时间差法

相对误差

-4.94%（与实际的裂缝深度基本一致）

-40.33%（比实际的裂缝深度浅很多）

离散性

数值

26.12%

31.19%

深度分布

测试的相对误差小

测试的相对误差大

综上所述：

1无论是对于钢筋混凝土还是无钢筋混凝土结构物，利用表面波法都可以得到比较满意的结果；

2根据50多个现场钻孔试验的验证，表面波法的测试结果的标准偏差大约为28%左右；

3利用P波的传播时间法和相位反转法，均只能测试裂缝的开口深度；

4在裂缝受压的条件下，表面波法得到的测试结果也有偏浅的趋势。

并且其偏浅的程度与裂缝面上的压缩应力有相关关系；

5为了更全面地得到裂缝的信息，在条件许可的前提下，尽可能采用多种方法对比测试。

4特点和适用范围

4.1特点

1）集成度高、测试精度好

在本套测试设备SCE-MATS中，集成了多种裂缝测试技术，各种测试技术可相互补充、印证，从而尽可能地提高了测试精度。

2）测试范围广

本技术可测试深达2米的裂缝。

3）可测试裂缝延伸方向

4.2适用范围

1）各种钢筋混凝土和素混凝土结构、沥青混凝土；

2）土石坝、岩体：

4.3影响因素

1）裂缝面的压力

其对裂缝深度检测的影响很大。

当裂缝面上作用的压应力超过50KPa时，各种方法均难以检测裂缝深度。

2）测试对象的位置和形状

“表面波法”对测试对象的位置和形状要求较高，一般要求平坦，具有一定的厚度并距边界一定的距离。

而“传播时间差法”的要求较少。

3）测试对象的材质

本设备不仅可以测试普通混凝土、钢筋混凝土，还可以测试沥青混凝土、岩石等。

4）外界温度

温度对测试结果的影响体现在裂缝面上的压力。

一般来说，温度低时裂缝容易张开，因此在测试裂缝深度时，通常选取气温较低的季节或时间段（如早、晚）进行。

5）钢筋、水分和填充物

对“表面波法”的影响较小，而对“相位反转法”和“传播时间差法”的影响较大。

4.4与超声波方法相比的优越性

目前，超声波是测试裂缝深度最常用的技术。

特别是在金属制品的裂缝深度测试中，超声波技术得到了普遍的认可。

然而，由于混凝土与金属是完全不同的材料（下表所示），使得超声波在混凝土裂缝的检测时，存在很大的局限。

同时，由于超声波一般采用P波，所采用的方法也只能是现有的标准方法（如相位反转法和传播时间差法），因此尽管超声波测试模型裂缝（均为开口裂缝）的精度较高，但在实际混凝土结构的测试中，测试值往往会远远低于实际的裂缝深度。

特别需要指出的是，超声波测试的深度大幅偏浅，是偏于危险方面的，有可能误导对结构安全的判断。

表2-5-1　金属结构与混凝土结构的比较

金属结构

混凝土结构

材料的均匀性

均匀

不均匀

裂缝面的状态

较光滑、平直、填充物少

曲折、填充物多

结构的尺寸

较小

较大

表2-5-2　超声波测试设备与本设备的比较

超声波

本设备

激振能量

小

大

信号频率

高

较低

使用弹性波成分

P波

P波、R波

测试方法

较小

较大

测试对象

裂缝形态

开口裂缝

开口、闭口裂缝

裂缝规模

浅

最大可达2m

材料

混凝土

混凝土、沥青混凝土、岩石类

测试内容

裂缝深度

可

可

裂缝倾斜方向

不可

可