超声法检测混凝土垂直裂缝缺陷深度应用研究

超声法检测混凝土垂直裂缝缺陷深度应用研究

赵智锋

江苏东大工程检测技术有限公司 江苏 南京 210000

摘要：混凝土裂缝是由于各种原因引起的一种常见缺陷，对于混凝土结构中常见的垂直裂缝，其深度一般较小，很少对结构的受力性能产生影响，但却会引起钢筋锈蚀、构件承载能力降低、结构刚度和强度降低，最终导致构件破坏甚至垮塌。因此，对垂直裂缝的检测是混凝土结构设计和施工质量控制的重要内容。

关键词：超声法检测；混凝土；垂直裂缝缺陷；深度应用研究

超声法检测混凝土裂缝技术是利用超声原理来测定裂缝深度和宽度的技术，通过在裂缝两侧使用超声探头对其进行纵向扫描测量，得到与声速成比例的时域信息，根据其与声速的关系计算出裂缝的深度。超声法检测混凝土垂直裂缝缺陷深度主要分为两个部分：第一部分是测量混凝土垂直裂缝宽度（即测深）；第二部分是测量混凝土垂直裂缝深度（即测深）。基于这两个方面可以计算出混凝土垂直裂缝缺陷的宽度和深度。目前，针对混凝土垂直裂缝缺陷深度计算方法有很多种，如采用厚度法、截面法和厚度加截面法等。这些方法都有其自身特点和局限性。本文在总结前人研究成果的基础上，利用有限元分析软件，通过对不同因素作用下的超声波传播过程进行分析和模拟，研究得出了适合于检测垂直裂缝的超声法计算方法。

一、概述

混凝土裂缝是造成结构破坏的主要原因，随着我国基础建设的快速发展，大量工程出现了混凝土结构的裂缝，尤其是在高填方地区和深基坑等施工环境下，裂缝对结构安全和使用性能影响严重。因此，对混凝土裂缝进行检测不仅具有重要的现实意义，而且具有广阔的应用前景。目前国内外对混凝土裂缝进行检测的方法主要有：传统的方法有超声法、回弹法等；现代高科技计算机技术也不断应用于混凝土裂缝检测技术中。本文主要研究利用超声法检测混凝土垂直裂缝深度方法，该方法具有操作简单、快速高效等优点，但由于超声法属于非接触式测量方式，其检测精度受裂缝特征影响较大，因此进一步深入研究该技术是非常必要的。

二、超声波在混凝土中传播的基本理论

超声波是一种物理波，在其传播过程中会受到各种因素的影响。如介质、声源、介质中的应力、材料特性以及传感器等。通过对超声波在混凝土介质中传播过程进行分析，可以得出超声波在混凝土介质中传播的基本理论。超声波在混凝土介质中传播时，其在声源周围将会产生一系列的反射、透射和折射等现象，从而形成超声信号。对于不同频率和方向的超声信号，其产生的能量大小是不同的。当超声波频率较高时，能量较大，传播距离较远；而当超声波频率相对较低时，能量就会很小甚至没有。对于不同频率超声信号产生的能量大小和位置，取决于超声波在介质中传播时受到的声压分布。通常，超声波在混凝土介质中传播时所产生的声能随传播距离呈指数规律衰减。当声压与材料弹性模量比值增大时，则声能衰减得越快；反之，当声压与弹性模量比值减小时，则声能衰减得非常缓慢。在混凝土中进行超声波检测时应选择适当的检测频率和声压分布来确保测试结果的准确性以及精确度。

三、有限元模型的建立

为了建立有限元模型，本文结合试验的实际情况，将模型建立为三维实体模型，并对模型的网格进行划分。根据实验确定的钢筋直径、混凝土强度及混凝土裂缝等参数，选取不同的单元尺寸、材料参数、荷载等，建立不同的有限元模型。在钢筋混凝土模型中，混凝土材料采用C30混凝土，模拟钢筋设置为F0=0.5mm的钢-塑性混凝土。在计算过程中，取裂缝宽度为0.2mm。由于混凝土裂缝具有不连续性特点，在网格划分时采用分层计算的方式来减少网格数量，每一层中所含单元数目取为1。对于每个单元的材料属性（如弹性模量、泊松比等）采用二次开发程序生成相应的单元类型和材料属性，从而将上述有限元模型转化为有限元实体模型。在分析过程中，设置超声波发射和接收天线安装位置为10cm×10cm。

四、不同因素对混凝土裂缝深度影响分析

本文采用ANSYS软件中的瞬态动力学模块，以混凝土材料为例，建立了有限元模型。相关工作人员在设定混凝土材料力学性能时，材料的应力应变曲线和材料的弹性模量E0(或E0=2)。通过定义单元类型和划分网格，将实体模型划分为4100个节点。在定义材料参数时，根据混凝土在不同状态下的弹性模量E0值不同来选取。此外，为了简化计算，在施加力时仅考虑单向荷载作用下的裂缝宽度效应，即：（1）在加载应力σA0+σA1/2+σA3=584kPa时，取混凝土弹性模量E0=1.37GPa，混凝土内压应力σp=1.43MPa。（2）在施加轴力时取钢筋直径D=10mm。

五、模型试验

根据实际结构情况，制作混凝土垂直裂缝缺陷模型。在模型顶部及底部沿纵向每隔10cm做一条小缝，横向为20cm，模拟垂直裂缝中的裂缝；在混凝土材料中添加约2.5kg的水泥、60kg的粉煤灰以及约2.5kg的钢纤维，并添加水来进行养护。设置材料参数为：混凝土强度C25,水灰比为0.45,粉煤灰掺量为25%；在混凝土中添加钢纤维后，设置模型顶部和底部各3条小缝。模型制作完成后，进行超声波检测。通过计算得出了不同因素影响下的混凝土裂缝深度（即测深），分析了不同因素对超声波检测混凝土垂直裂缝的影响。在实验过程中对每个因素都进行了详细的分析和描述，得出相对应的结论

六、误差分析

为了进一步分析计算过程中误差的来源，根据有限元模拟结果，本文对该裂缝深度计算方法的误差进行了分析。根据有限元模拟结果，混凝土垂直裂缝深度计算结果与实际测量值存在一定的误差，但误差不大。综合各种因素，研究表明影响混凝土垂直裂缝深度计算精度的主要因素为：1)测试过程中，受测试探头与混凝土表面之间的摩擦影响；2)裂缝宽度增大时，相邻裂缝之间的测量间距存在差异；3)相邻裂缝之间的距离大于20m时，在超声波信号衰减系数较大时，无法准确地判断出裂缝位置；4)裂缝宽度较小时，测量探头与裂缝之间的摩擦影响程度较大；5)超声波信号衰减系数的影响程度随着裂缝宽度增大。误差分析这项工作在超声法检测中的作用以及意义非常重大，相关工作人员一定要及时完善自身这方面的综合素质，不断提升自身综合素养，只有这样才能在一定程度上减少误差，让相关数据变得更加精准。

结束语：

综上所述，针对超声法检测混凝土垂直裂缝缺陷深度的研究，可以得出以下结论：（1）超声波在混凝土中的传播速度与裂缝宽度的平方成正比，与裂缝深度的立方成反比。采用这种方法可以较好地解决混凝土裂缝深度难以计算的问题，且可以计算出裂缝深度；（2）对于裂缝深度比较大的混凝土试件，利用超声波传播速度与裂缝宽度的立方成正比进行计算。因此，对超声波在混凝土内的传播速度进行分析，可以得出混凝土垂直裂缝深度；（3）采用厚度法来计算混凝土垂直裂缝的深度，该方法简便快捷、结果可靠且不受试验条件限制。但是，对于大型结构，采用厚度法计算出的结果有时会与实际情况不符。因此，本文采用了等效水头高度法来计算混凝土垂直裂缝深度；（4）将超声波法检测技术与有限元数值模拟技术相结合，对超声波在混凝土中传播过程进行了仿真分析和模拟。通过对混凝土垂直裂缝深度计算结果分析，研究发现该方法可以满足工程检测要求，且能得到与实际情况一致的结论。

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