裂缝深度检测意义与特点

裂缝深度检测的意义与特点（宁波升拓检测技术有限公司浙江宁波 NCIT）

对应的仪器：上图：混凝土多功能检测仪（SCE-MATS）

下图：混凝土超声波检测仪（SCU-PWT）

概述：

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。然而在使用过程中，不可避免地出现各种老化、劣化现象（如裂缝、混凝土强度降低等）。同时，如果施工质量得不到很好的保证，会加速结构的劣化，从而造成社会经济的损失。为此，升拓检测历时10余年，与国内外相关机构合作开发了一整套针对混凝土的浇筑质量、结构的缺陷的综合解决方案和技术体系。该方案基于无损检测技术，具有测试效率高、可靠性好、对结构无损伤等特点，可以大大地提高混凝土材料及结构的质量。该技术体系的检测内容主要包括：

1) 裂缝深度；

2) 混凝土构件质量（强度及刚度）；

3) 结构尺寸

4) 表面剥离、脱空及内部缺陷；

5) 岩体力学特性及分级测试

测试意义：

整个技术体系采用冲击弹性波作为测试媒介，并集成到测试设备中（混凝土多功能检测仪，SCE-MATS）。其测试精度和效率达到工程要求，已在国内外数百个各类工程中得到了实际应用。我们具有相关技术的全部知识产权，并申请和获得了多项国家发明专利，产品出口到日本等海外。

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。

裂缝种类允许最大宽度（mm）深度要求

例如，在《公路桥

梁养护技术规范》

（2004）中，对裂

缝深度做了如下规

定：表1-1-1 裂缝

深度容许值结构

类型

钢筋混凝土梁组合梁结合面0.50 不允许贯通结合面

预应力混凝土梁梁体竖向裂缝不允许

梁体纵向裂缝0.20

砖石、混凝土拱拱圈横向0.30 深度低于拱圈高度

一半

墩台各类0.20～0.40 不允许贯通墩身截

面一半

2.2 测试方法和原理

裂缝深度的无损检测方法有多种。根据测试面的条件，可以分为单面平测法、双面斜测法和钻孔对测法。其中，单面平测法适用面最广。混凝土材料及结构综合检测技术体系 3

表2-2-1 裂缝深度测试方

法一览表方法

测试原理概要备注

无损方法平测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，不适合深裂缝

传播时间差法根据激发信号的传播时间

面波法根据激发信号的衰减特性采用接收与激发面波信号

的能量特性

斜测法传播时间差法根据激发信号的传

播时间需要具备两个平行的测试面

钻孔方法直接确认法在裂缝上钻孔确认

其深度最为直观，但不适合深裂缝

对测法在裂缝两侧钻孔，采用声波

透射的方法

适用范围最广

在本节中，主要针对无损方法进行探讨，有关钻孔的方法在2.6中加以描述。

2.2.1 平测法（基于首波特征）

基于首波特征的平测法包括相位反转法和传播时间差法。

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。相位反转法正是基于该原理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。

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。

传播时间差法又可以分为Delta法、BS（British Standard）法等子方法。其中，BS法无需测试波速, 在狭小场所也可适用。我们在BS法的基础上提出的修正BS法。采用3点回归，还能够推测裂缝的延伸方向。

3) 此类检测方法的局限

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。

(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。

(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。

2.2.2 平测法（面波法）

针对现有平测技术的不足，我们开发了一种新的裂缝深度探测技术（简称“波法”）。该方法采用瑞利波（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) 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。根据我们的试验资料和理论分析结果，有：其中，、和分别为裂缝深度、表面