公路工程混凝土构件裂缝的超声波单面平测法探讨

汤飞鹏

（江苏中基工程技术研究有限公司，江苏 南通 226003）

0 引言

混凝土裂缝问题目前广泛存在于很多工程项目中，通常是由于不科学的混凝土原材料配比设计、缺乏有效防护的外力冲击以及难以控制的环境变化等多方面因素所造成的。而采用常规的超声波检测法更侧重于对垂直裂缝的检测，而忽略了实际建设工程中混凝土结构存在的延展性裂缝和倾斜裂缝，因此需要对常规超声单面平测法的部分检测步骤及原理进行改良，以此来获得更加专业化的混凝土构件裂缝检测效果。

1 公路工程混凝土构件裂缝问题的成因分析

想要有效控制混凝土构件内部裂缝的问题，那么首先便需要从了解和掌握造成混凝土构件形成裂缝的主要原因及关键影响因素入手，这样才能依据裂缝成因选择更合适的检测技术。在影响混凝土构件质量及综合性能的多方面因素中，施工质量控制、环境变化影响以及外部冲击等几项内容，对于混凝土构件裂缝的形成具有决定性影响[1]。

1.1 施工质量控制

由于部分施工人员在很多关键环节没有严格按照混凝土施工方案给定的标准进行，这便导致混凝土结构整体质量较差而更容易受诱发因素影响产生裂缝问题。例如，由于拆模时间过早导致混凝土结构终凝时间被极大压缩，这样便会造成混凝土结构弹性模量和抗压强度未达使用标准，因此在承受过大的压应力或拉应力的情况下，便会发生超过极限范围的力学形变而产生板面断裂。除此之外，在部分交叉作业的施工环节中，由于过往施工人员的践踏而造成未完全凝实的混凝土结构开裂的现象也时有发生。

1.2 环境变化影响

较快的温度变化会由于热胀冷缩作用而引发混凝土构件结构变形量增加，这种短时间内的大量形变问题，便会随着积累进一步演变为混凝土构件结构断裂等现象。同时混凝土自身硬化过程中也会伴随着体积收缩现象，在此环节中如果施工人员没有进行及时的浇水养护，混凝土结构便会由于水化热释放热过多而导致结构过度收缩并开裂，通常这种裂缝普遍存在于厚度较薄的衔接部位。

1.3 外部荷载压力过大

混凝土构件在承受过大的外部载荷作用时通常会表现出塑性变形与细微的裂纹，同时受力裂纹会伴随着持续加载量的提高而向四周不断拓展，这会进一步降低混凝土结构的刚度而发生断裂形成裂缝。例如当载重量过大的车辆行驶通过公路时，由于车身重量给予公路路面和路基结构的压力要远远超过其标准承受范围，这就会间接导致承重结构中混凝土构件在强烈的荷载压力下出现结构裂缝[2]。

2 超声波单面平测法检测技术的原理分析

超声波单面平测法技术的核心在于对超声波信号的获取，以及对超声波在介质传递过程中波频、波幅变化规律的分析。因此利用特殊的超声波发射仪器和信号接收设备进行组合，便能够通过发射特定频率波动的超声波信号，使其穿过待测的混凝土构件结构并返回到信号接收器中。这样检测人员便可以依据信号波动变化，来掌握混凝土构件中裂缝存在的方位以及尺寸大小等参数信息。而在实际检测过程中，又可以依据使用条件和检测路径的不同，将超声波单面平测法分为不跨裂缝的声时测线与跨裂缝的声时测线两种类型。

2.1 不跨裂缝的声时测线

超声波在不同介质中的传递速度以及和不同接触面碰撞后所发生的回弹速度均有所不同。因此便可以利用超声波传递过程中产生的声时差，配合安置在待测物体同侧的两个换能器设备，实现对超声波触碰到混凝土结

构和裂缝时，分别产生的两种不同回弹信号进行接收并依据信号传递时差来分析裂缝情况的功能。

2.2 跨裂缝的声时测线

跨裂缝的声时测线通常用于精确检测混凝土构件式中裂缝的深度信息，其基本原理也是以超声波在不同介质中的传播速度和回弹波动信号的差异性原则，通过不断缩小待测物两侧换能器的内距来形成不同的声时信号进而通过对比测算裂缝深度。

3 常规裂缝检测方法分析

3.1 常规检测法技术原理

针对混凝土构件内部裂缝深度和位置信息的检测问题，通常情况下是检测人员采用的主要方法，是通过将不跨裂缝的声时测线与跨裂缝的声时测线检测结果进行对比。依据两种方法下声时值变化对应的超声波在构件内部传播距离的不同，较为准确地测算出垂直方向上混凝土结构裂缝的长度及深度标准值。因此，常规检测法所应用的主要技术原理，便是利用了超声波传递距离与声速之间所具有的线性关系，从而将其定义为测算混凝土结构内裂缝深度的数据参考标准，这样便能够实现距离和时间之间的转化来侧面表征出裂缝深度等待测信息。

3.2 检测步骤及数据处理分析

（1）混凝土波速检测及声速值计算。混凝土波速检测环节采用的主要方法依据的是不跨裂缝的声时测线法原理，即通过两个安装在同侧的换能器对具有一定回弹时间差的声波信号分别进行接收，这也是最能够直观反映出超声波在混凝土构件中实际传播速度的重要方法。将测算得到的声时值和检测前设定好的换能器内距代入到下面线性回归方程中[3]：标准检测时间间隔下超声波在检测物体中的实际传播距离：

上述两公式分别计算的是不跨裂缝的声时测线法中所设置的两个换能器内距，和在特定时间点下经过多次均匀时间间隔检测后，获得的超声波通过检测结构内部过程中实际传播的真实距离。其中α为线性回归直线方程中换能器内距值在直线坐标系下的截距，同时也代表了超声波检测声时距离计算方程中的常数项内容。

将换能器内距和超声波实测距离数值代入到混凝土声速值计算公式中得到：

（2）裂缝深度检测及计算。检测混凝土构件裂缝深度时应采用跨裂缝的声时测线法，结合公式（1）、（2）计算得到的换能器内距值和实测传播距离以及公式（3）、（4）提供的声速值，计算裂缝深度：

4 改良的裂缝检测法分析

4.1 检测原理分析

超声波单面平测法经过改良后，分别设置了裂缝深度检测、延伸方向检测以及测试面角度三个参数标准，通过对上述三个参数的测算能够更加精确的定位和描述混凝土构件内部裂缝的基本情况。在应用改良的超声波单面平测法时要注意，检测前需要假设混凝土构件为材料均匀、没有其他特殊结构组成的理想状态[4]。

4.2 检测步骤及数据计算

首先利用常规检测法的基本流程计算混凝土内部超声波传递的实际波速，如图1所示，将固定在两侧的换能器同时、同距移动，测得的声时值中最小值点即为裂缝末端投影于混凝土结构表面的基准点，并依据投影点位置判断垂直裂缝的类型。

图1 垂直裂缝检测示意

依据示意图中ACD三角形参数计算发射换能器内边距至裂缝终末点AC距离：

计算裂缝末端点至裂缝口间距CD：

当投影点位于裂缝两侧测试面上时如图2所示进行检测分析。

图2 斜裂缝检测示意

根据示意图中ECD三角形参数计算裂缝末端点至裂缝口间距CE：

计算裂缝与测试面夹角∠CED：

通过工程实践可知，上述改良的超声波单面平测法适用于对混凝土构件内部裂缝延展方向、深度及与检测面夹角的检测工作，并且能够获得更为精确的检测结果。

5 结语

综上所述，超声波单面平测法对于检测公路工程混凝土构件内部裂缝能够发挥出良好的应用优势和适用效果。而通过对超声波检测法进行改良后可以获取更为详细和精确的检测数据，因此检测技术人员应尽可能全面掌握改良后的检测方法，并通过在实践工作中的不断探索和研究对其进行完善与加强。