一种混凝土裂缝修补质量检测方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910779591.X
(22)申请日 2019.08.22
(71)申请人 福建博海工程技术有限公司
地址 350000 福建省福州市新店镇赤星村
民营工业区（32亩工业区）2号楼
(72)发明人 苏忠高　林发明　杨敏　刘景熙　
(74)专利代理机构 福州市博深专利事务所(普
通合伙) 35214
代理人 董晗
(51)Int.Cl.
G01N 29/04(2006.01)
(54)发明名称
一种混凝土裂缝修补质量检测方法
(57)摘要
本发明型专利涉及建筑工程无损检测技术
领域，特别涉及一种混凝土裂缝修补质量的检测
方法，结合裂缝修补后的幅频特征，提出裂缝修
补后一种新的裂缝修补程度的定量判别方法，定
量的得出修补程度结果和本方法的测试误差范
围。

该发明的研究属于建筑工程无损检测技术的
研究领域，通过该方法可用于房屋建筑、桥梁等
混凝土梁裂缝修补过程中，对未知裂缝及裂缝是
否修补完好做出定量的评估，对工程上的裂缝修
补质量验收具有良好的借鉴作用。

权利要求书2页 说明书7页 附图3页CN 110455917 A 2019.11.15
C N 110455917
A
1.一种混凝土裂缝修补质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在混凝土块裂缝修补后通过在混凝土块裂缝的一侧设置冲击激励装置，另一侧设置信号接收传感器，使冲击激励装置与信号接收传感器对称设置于裂缝两侧，通过冲击激励装置产生应力波，使信号接收传感器接收经过混凝土块反射的应力波；上述冲击激励装置与信号接收传感器之间的间距为检测距离；
步骤2：去除通过信号接收传感器接收的应力波的频谱图中的噪点；
若去除噪点后的频谱图中具有一个特征峰，则表面修补完全；若去除噪点后的频谱图中具有三个特征峰，则三个特征峰按照频率从小到大依次是厚度频率f、裂缝顶端频率f1和裂缝尾端频率f2，则说明裂缝未修补好；
步骤3：通过以下公式计算出修补裂缝的深度d：
其中，Cp为混凝土内纵波波速，Cp可通过厚度频率f得到；
a为冲击激励与传感器距离；
f1为裂缝顶端频率；
f2为裂缝尾端频率；
步骤4：通过以下公式计算出裂缝修补程度L：
2.根据权利要求1所述的混凝土裂缝修补质量检测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
去除通过信号接收传感器接收的应力波的频谱图中的噪点，通过设定幅值的阈值，将幅值小于阈值的频谱滤除。

3.根据权利要求2所述的混凝土裂缝修补质量检测方法，其特征在于，所述阈值为0.5dB。

4.根据权利要求1所述的混凝土裂缝修补质量检测方法，其特征在于，所述步骤1之后，还包括步骤11：定位裂缝顶端频率f1，定位方法具体如下：
通过以下公式得到幅值衰减上限和幅值衰减下限；
S1＝-4.00634×10-7×x3+2.55196×10-4×x2-0.03491×x+1.6648
S2＝1.73759×10-5×x2-0.00477×x+0.50613
其中，S1为幅值衰减上限、S2为幅值衰减下限；
x为检测距离；
再通过各检测距离x的厚度频率f的幅值减去对应的幅值衰减上限得到缺陷频率幅值下限，通过各检测距离x的厚度频率f的幅值减去对应的幅值衰减下限得到缺陷频率幅值上限，由此可以确定缺陷频率幅值的范围，根据缺陷频率大于主频以及缺陷频率幅值范围内极大值点所对应频率即可定位出修补前裂缝缺陷频率即裂缝顶端频率f1。

5.根据权利要求4所述的混凝土裂缝修补质量检测方法，其特征在于，所述步骤1之前，
还包括步骤0：在混凝土块裂缝修补前通过在混凝土块裂缝的一侧设置冲击激励装置，另一侧设置信号接收传感器，使冲击激励装置与信号接收传感器对称设置于裂缝两侧，通过冲击激励装置产生应力波，使信号接收传感器接收经过混凝土块反射的应力波；步骤0与步骤1的检测距离相同。

6.根据权利要求5所述的混凝土裂缝修补质量检测方法，其特征在于，所述步骤11之后，还包括步骤12：定位裂缝尾端频率f2，定位方法如下：
通过以下公式计算得到修补前后幅值差值的最大点；
其中，S1(n)为修补前裂缝频谱幅值点；
S2(n)为修补后裂缝频谱点；
S(f)为修补前后幅值差值最大点；
所述修补前后幅值差值最大点即为裂缝尾端频率点。

一种混凝土裂缝修补质量检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及建筑工程无损检测技术领域，特别涉及一种混凝土裂缝修补质量检测方法。

背景技术
[0002]目前，常用裂缝深度的检测方法有三种：其一是探地雷达法，它是用发射器对混凝土发射电磁波，当碰见钢筋或缺陷等电磁性质不同的物质后，电磁波将被反射回来，接收器接收此反射波，电磁波便能得到波形图，据此图可推定混凝土内部缺陷情况等。

其二是超声波法，它是用发射器连续不断发射超声脉冲波，使超声波在所检测的混凝土中传播，接着由换能器接受信号。

接受的信号将蕴含着内部结构、材料性能等信息，经过精确测定这些声学参数大小变化情况，可以测试出混凝土的性能及内部情况。

其三是冲击回波法，用一钢球或力棒冲击混凝土表面，作为脉冲回波的冲击激励，产生纵波、横波和表面波分别在混凝土里面传播，且这些波遇到分界面处会引起折射和反射等。

宽带换能器收到这些波的信号，并且运用谱分析法，测出混凝土质量与被接收信号之间的关系。

[0003]国内对于混凝土裂缝的修补程度检测通过观察裂缝边缘是否有灌缝胶填充溢出或是否能注入灌缝胶，再通过仪器对混凝土进行缺陷检测，裂缝修补完全后，通过数据检测处理观察是否会出现缺陷频率，以此判断混凝土内部缺陷，从而判断裂缝是否修补完全。

但对于裂缝内部具体修补情况，有多长的深度裂缝未修补，未修补裂缝具体处于什么位置，不能做出判断。

[0004]综上所述，如果裂缝修补不完全，只能粗略的估计混凝土内部裂缝是否修补完好，不能定量的确定混凝土内部裂缝具体修补程度以及未修补区域的准确深度。

发明内容
[0005]本发明所要解决的技术问题是：提供一种混凝土裂缝修补质量检测方法，以定量的确定混凝土内部裂缝具体修补程度以及未修补区域的准确深度。

[0006]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0007]一种混凝土裂缝修补质量检测方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：在混凝土块裂缝修补后通过在混凝土块裂缝的一侧设置冲击激励装置，另一侧设置信号接收传感器，使冲击激励装置与信号接收传感器对称设置于裂缝两侧，通过冲击激励装置产生应力波，使信号接收传感器接收经过混凝土块反射的应力波；上述冲击激励装置与信号接收传感器之间的间距为检测距离；
[0009]步骤2：去除通过信号接收传感器接收的应力波的频谱图中的噪点；
[0010]若去除噪点后的频谱图中具有一个特征峰，则表面修补完全；若去除噪点后的频谱图中具有三个特征峰，则三个特征峰按照频率从小到大依次是厚度频率f、裂缝顶端频率f1和裂缝尾端频率f2，则说明裂缝未修补好；
[0011]步骤3：通过以下公式计算出修补裂缝的深度d：
[0013]其中，Cp为混凝土内纵波波速，Cp可通过厚度频率f得到；
[0014]a为冲击激励与传感器距离；
[0015]f1为裂缝顶端频率；
[0016]f2为裂缝尾端频率；
[0017]步骤4：通过以下公式计算出裂缝修补程度L：
[0018]
[0019]本发明的有益效果在于：本发明提供的混凝土裂缝修补质量检测方法中，能有效地对修补完全的裂缝进行判断，对未修补完全裂缝的修补程度进行计算，准确的判断裂缝内部修补状况。

减少裂缝检测工作人员后期工作量，为建筑工程养护部门对裂缝修补判断提供可靠的数据支持。

附图说明
[0020]图1为本发明实施例1的低能量噪点去除对比图；
[0021]图2为本发明实施例1的裂缝修补检测原理图；
[0022]图3为本发明实施例1的裂缝衰减幅值拟合曲线；
[0023]图4为本发明实施例1的裂缝频率提取示意图；
[0024]图5为本发明实施例1的修补前后频谱图；
具体实施方式
[0025]为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

[0026]本发明最关键的构思在于：根据波的衍射，确定出波在混凝土内部裂缝传播会出现分别为厚度频率f、裂缝顶端频率f1和裂缝尾端频率f2三个高幅值频率，通过f1可计算出修补前裂缝深度，f1和f2可判断出混凝土内部未修补完全的裂缝深度。

[0027]本发明涉及一种混凝土裂缝修补质量检测方法，包括以下步骤：
[0028]步骤1：在混凝土块裂缝修补后通过在混凝土块裂缝的一侧设置冲击激励装置，另一侧设置信号接收传感器，使冲击激励装置与信号接收传感器对称设置于裂缝两侧，通过冲击激励装置产生应力波，使信号接收传感器接收经过混凝土块反射的应力波；上述冲击激励装置与信号接收传感器之间的间距为检测距离；
[0029]步骤2：去除通过信号接收传感器接收的应力波的频谱图中的噪点；
[0030]若去除噪点后的频谱图中具有一个特征峰，则表面修补完全；若去除噪点后的频谱图中具有三个特征峰，则三个特征峰按照频率从小到大依次是厚度频率f、裂缝顶端频率f1和裂缝尾端频率f2，则说明裂缝未修补好；
[0031]步骤3：通过以下公式计算出修补裂缝的深度d：
[0033]其中，Cp为混凝土内纵波波速，Cp可通过厚度频率f得到；
[0034]a为冲击激励与传感器距离；
[0035]f1为裂缝顶端频率；
[0036]f2为裂缝尾端频率；
[0037]步骤4：通过以下公式计算出裂缝修补程度L：
[0038]
[0039]上述混凝土裂缝修补质量检测方法中，根据波的反射和衍射方法，提出一种高效、精确地裂缝修补程度评估方法。

该方法通过测试应力波在混凝土内部的传播信号，根据波的衍射，确定出波在混凝土内部裂缝传播会出现分别为厚度频率f、裂缝顶端频率f1和裂缝尾端频率f2三个高幅值频率，通过f1可计算出修补前裂缝深度，f1和f2可判断出混凝土内部未修补完全的裂缝深度，利用修补前后裂缝深度可评估出裂缝修补程度；本发明能有效地对修补完全的裂缝进行判断，对未修补完全裂缝的修补程度进行计算，准确的判断裂缝内部修补状况。

减少裂缝检测工作人员后期工作量，为建筑工程养护部门对裂缝修补判断提供可靠的数据支持。

[0040]进一步的，上述混凝土裂缝修补质量检测方法中，所述步骤2具体为：
[0041]去除通过信号接收传感器接收的应力波的频谱图中的噪点，通过设定幅值的阈值，将幅值小于阈值的频谱滤除。

[0042]进一步的，上述混凝土裂缝修补质量检测方法中，所述阈值为0.5dB。

[0043]进一步的，上述混凝土裂缝修补质量检测方法中，所述步骤1之后，还包括步骤11：定位裂缝顶端频率f1，定位方法具体如下：
[0044]通过以下公式得到幅值衰减上限和幅值衰减下限；
[0045]S1＝-4.00634×10-7×x3+2.55196×10-4×x2-0.03491×x+1.6648
[0046]S2＝1.73759×10-5×x2-0.00477×x+0.50613
[0047]其中，S1为幅值衰减上限、S2为幅值衰减下限；
[0048]x为检测距离；
[0049]再通过各检测距离x的厚度频率f的幅值减去对应的幅值衰减上限得到缺陷频率幅值下限，通过各检测距离x的厚度频率f的幅值减去对应的幅值衰减下限得到缺陷频率幅值上限，由此可以确定缺陷频率幅值的范围，根据缺陷频率大于主频以及缺陷频率幅值范围内极大值点所对应频率即可定位出修补前裂缝缺陷频率即裂缝顶端频率f1。

[0050]进一步的，上述混凝土裂缝修补质量检测方法中，所述步骤1之前，还包括步骤0：在混凝土块裂缝修补前通过在混凝土块裂缝的一侧设置冲击激励装置，另一侧设置信号接收传感器，使冲击激励装置与信号接收传感器对称设置于裂缝两侧，通过冲击激励装置产生应力波，使信号接收传感器接收经过混凝土块反射的应力波；步骤0与步骤1的检测距离相同。

[0051]进一步的，上述混凝土裂缝修补质量检测方法中，所述步骤11之后，还包括步骤
12：定位裂缝尾端频率f2，定位方法如下：
[0052]通过以下公式计算得到修补前后幅值差值的最大点；
[0053]
[0054]其中，S1(n)为修补前裂缝频谱幅值点；
[0055]S2(n)为修补后裂缝频谱点；
[0056]S(f)为修补前后幅值差值最大点；
[0057]所述修补前后幅值差值最大点即为裂缝尾端频率点。

[0058]实施例1
[0059]在本实例中，总体技术方案如下：
[0060]去除频谱图中噪点
[0061]由波的能量与波的振幅的平方成正比以及傅里叶变换后频谱图幅值与信号幅值成正比，因此可以根据频谱振幅的高低对裂缝检测时所引入的低能量噪点进行筛选，减少缺陷频率提取的计算量。

根据裂缝频谱图可以发现，大部分低能量噪点的幅值范围较为集中，因此对不同裂缝频谱图的幅值大小进行综合的数理统计发现95％的幅值处于低幅值范围内，据此确定此范围内的幅值极大值点，将裂缝幅频特性中的幅值点进行一一筛选，若频率幅值低于阈值则相应幅值置为零，高于阈值则保留频率幅值。

即可去除频谱图中低能量噪点，筛选前后的幅频特性图如图(1)所示。

[0062]裂缝频谱图中缺陷频率的提取
[0063]混凝土裂缝检测中，厚度频率点频谱图中幅值最高的点也称主频点。

在确定缺陷频率时，频谱图中由于裂缝主频附近可能会出现能量相近的频率点，因此不能仅仅通过幅值比主频幅值小的点就判定为裂缝缺陷频率。

由于应力波在混凝土中传播，其能量衰减与传播距离存在一定的关系。

当裂缝检测检测距离为裂缝深度的1-3倍距离时，检测结果最精确。

因此根据满足上述检测间距与裂缝深度关系检测所得到的频谱图计算出幅值衰减值。

如图(3)所示为裂缝频率衰减幅值拟合曲线，根据7对不同检测距离的测点对裂缝试块进行检测，通过所得到的测点拟合出随测距变化的裂缝频率衰减幅值上下限。

[0064]如图(4)所示为150mm检测间距，由此拟合曲线可得幅值衰减范围为0.1816-0.8181，因此裂缝顶端频率幅值应位于2.8849-3.5214内，确定范围内极大值点为3.47，此值即为修补前缺陷频率。

[0065]如图(5)所示未修补完全的裂缝，将会出现三个幅值明显的频率点，新增裂缝频率则可由修补前后频谱幅值做差得出，差值最后得到的最大幅值点所对应的频率为修补后缺陷频率。

[0066]裂缝修补程度的计算
[0067]根据识别出来的裂缝频率判断裂缝实际修补程度，当只识别出来一个主频值时，则认为裂缝修补完全。

未修补完全的裂缝频谱图中为三个频率，因此需要进行裂缝修补程度的计算，利用修补裂缝深度计算公式计算出未修补完全的裂缝深度，通过将裂缝修补前的深度与修补后未修补完全的裂缝深度进行对比，即可得到裂缝修补程度。

[0068]本发明采用以下方案实现：基于冲击回波法的混凝土裂缝修补质量自动评价方
法，包括以下步骤：
[0069]步骤S1：混凝土裂缝修补及数据采集；
[0070]步骤S2：去除裂缝频谱图中噪点；
[0071]步骤S3：提取混凝土裂缝缺陷频率点；
[0072]步骤S4：根据步骤S3中的缺陷频率计算出修补前后的缺陷深度；
[0073]步骤S5：裂缝修补程度计算。

[0074]在本实例中，具体实施方式如下：
[0075]设备参数及其工作原理
[0076]本实例采用湖南芯仪电子冲击回波检测仪对数据进行收集，该设备由冲击激励、传感器和数据显示器组成，采样率为125KHz，增益50-92dB可调，可以高精度的采集波形信号，图(2)为冲击回波法检测裂缝深度的原理，本次试块裂缝宽度为0.5mm，实验裂缝宽度与实际裂缝宽度接近，可以较好地反映实际应用过程中的裂缝测试状况。

[0077]去除频谱图中噪点
[0078]在波的传播过程中，由于波的能量与信号振幅的平方成正比，而信号振幅与频谱幅值呈线性关系，因此可以判断低能量点幅值为裂缝检测中引入的一些干扰早点，通过对混凝土试块裂缝频谱图中低能量噪点所对应幅值范围的数理统计，找出其分布范围，通过对低能量早点的去除，可以减少对后面裂缝缺陷频率的提取的计算干扰。

去除频谱图中噪点包含以下步骤：
[0079]步骤1：将不同裂缝频谱图中幅值进行排序，发现95％的幅值点集中在0-0.5的低幅值区域，因此提取此范围内的极大值点作为频谱图去噪阈值。

[0080]步骤2：根据去噪阈值，将频谱图中幅值与阈值作差比较，若差值为正则保留原来频率幅值，否则则将此点频率幅值置零。

利用此方法历遍频谱图中所有幅值点，得到的结果即为噪点去除后的频谱图。

[0081]数裂缝频谱图中缺陷频率的提取
[0082]根据应力波在混凝土中传播时能量随传播距离的增加而衰减的越多，可以拟合出裂缝幅值衰减与检测距离的关系上下限曲线，根据此上下限曲线的幅值衰减范围，可以确定出缺陷频率的缺陷频率。

[0083]步骤1：根据冲击回波检测原理可知波形经过试块底部反射进入信号接受传感器能量衰减较少。

因此，表现在频谱图中为幅值最高的点即为厚度频率点也称主频点。

[0084]步骤2：由于应力波在混凝土中传播，其能量衰减与传播距离存在一定的关系。

当裂缝检测距离为裂缝深度的1-3倍距离时，检测结果最精确。

因此根据满足上述检测间距与裂缝深度关系检测所得到的频谱图计算出幅值衰减值。

通过不同检测间距以及相应的衰减幅值差拟合出随测距变化的裂缝频率衰减幅值上下限。

公式(1)为幅值衰减上限，公式(2)为幅值衰减下限。

[0085]S1＝-4.00634×10-7×x3+2.55196×10-4×x2-0.03491×x+1.66
[0086] (1) [0087]S2＝1.73759×10-5×x2-0.00477×x+0.50613 (2)
[0088]其中，S1、S2为频率幅值衰减值；
[0089]x为检测距离。

[0090]步骤3：由已知的裂缝检测距离x代入上述公式(1)(2)中可得到裂缝幅值衰减的范围，通过主频幅值减去幅值衰减上限即可得到缺陷频率的幅值下限，主频幅值检测幅值衰减下限即可得到缺陷频率的幅值上限。

由此可确定缺陷频率幅值的范围，根据缺陷频率大于主频以及缺陷频率幅值范围内极大值点所对应频率即可定位出修补前裂缝缺陷频率即裂缝顶端频率f1。

[0091]步骤4：若裂缝未修补完全，公式(3)可以得出修补前后频谱图中幅值差值最大点，由于修补后的裂缝尾端频率f2为新增频率点，因此修补前后频谱幅值做差的最大值点往往就是裂缝尾端频率点。

[0092]
[0093]其中，S1(n)为修补前裂缝频谱幅值点；
[0094]S2(n)为修补后裂缝频谱点；
[0095]S(f)为修补前后幅值差值最大点。

[0096]裂缝修补程度计算，裂缝程度可分为两种情况：一是修补后未出现缺陷频率，频谱图只有一个幅值明显的厚度频率f，则表明裂缝修补完全。

二是频谱图出现三个频率峰值，分别为厚度频率f、裂缝顶端频率f1、裂缝尾端频率f2，则说明裂缝未修补好，具体未修补完全的修补程度计算可根据以下步骤计算。

[0097]步骤1：由冲击回波原理根据厚度频率可求出混凝土内纵波波速C p，修补后的裂缝深度，计算如公式(4)所示。

[0098]
[0099]其中，d为修补裂缝深度；
[0100]C p为混凝土内纵波波速；
[0101]a为冲击激励与传感器距离；
[0102]f1为裂缝顶端频率；
[0103]f2为裂缝尾端频率。

[0104]步骤2：在实际检测过程中，测得修补前裂缝深度为d1，修补后未修补完全的裂缝深度为d。

则裂缝修补程度L计算公式(5)如下：
[0105]
[0106]本实例结合冲击回波检测技术，根据波的反射和衍射方法，提出一种高效、精确地裂缝修补程度评估方法。

该方法通过测试应力波在混凝土内部的传播信号，利用FFT变换和裂缝衰减幅值与检测距离关系曲线可以识别出裂缝的缺陷频率，通过裂缝修补程度计算公式可以得出裂缝修补程度，该方法可用于裂缝修补程度评估当中。

[0107]同时本方法考虑了实际测量中混凝土内部裂缝分布不均匀，不能根据混凝土表面裂缝推断出内部实际裂缝深度，据此设置了定长裂缝深度的混凝土模具，裂缝的定量修补、低能量幅值噪点的去除以及裂缝缺陷频率的自动识别，通过对裂缝修补前后的测量计算，
以此来验证本方法的可行性。

[0108]准确的对混凝土裂缝的修补程度进行评估是必不可少的，而本实例为建筑工程养护部门对裂缝修补程度的评估提供了一个高效、准确且行之有效的方法。

[0109]特别的，本方法根据波的衍射，确定出波在混凝土内部裂缝传播会出现分别为厚度频率f、裂缝顶端频率f1和裂缝尾端频率f2三个高幅值频率，通过f1可计算出修补前裂缝深度，f1和f2可判断出混凝土内部未修补完全的裂缝深度，利用修补前后裂缝深度可评估出裂缝修补程度。

[0110]综上所述，本发明提供的混凝土裂缝修补质量检测方法中，根据波的反射和衍射方法，提出一种高效、精确地裂缝修补程度评估方法。

该方法通过测试应力波在混凝土内部的传播信号，根据波的衍射，确定出波在混凝土内部裂缝传播会出现分别为厚度频率f、裂缝顶端频率f1和裂缝尾端频率f2三个高幅值频率，通过f1可计算出修补前裂缝深度，f1和f2可判断出混凝土内部未修补完全的裂缝深度，利用修补前后裂缝深度可评估出裂缝修补程度；本发明能有效地对修补完全的裂缝进行判断，对未修补完全裂缝的修补程度进行计算，准确的判断裂缝内部修补状况。

减少裂缝检测工作人员后期工作量，为建筑工程养护部门对裂缝修补判断提供可靠的数据支持。

[0111]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

图1
图2
图3
图4
图5。