混凝土结构裂缝深度测试仪（SCE-TCD）技术资料

SCIT-1-TPR-裂缝-技术资料-2009-C 混凝土结构裂缝深度测试仪 （SCE-TCD）技术资料 2009-09-05 初版修订 四川升拓检测技术有限责任公司 Sichuan Central Inspection Technology Co., Ltd. 目录 第1章 概述 第2章 测试基本原理及系统构成 第3章 验证资料 第4章 工程案例 第5章 解决方案 第6章 适用条件及测试范围 第7章 知识产权与主要参考文献 混凝土结构裂缝深度测试仪 （SCE-TCD）技术资料 第1章 概述 该设备主要用于室内和现场测试混凝土的裂缝深度。主要应用于公路、铁道、桥梁、隧道、水利、港口、市政等大型工程项目的混凝土构件中裂缝深度的检测，测试深度可达 2 米以上，测试精度高；操作简便灵活，无需钻孔；抗干扰能力强，不受裂缝中水、钢筋、杂质等的影响。也适用于岩体当中裂缝深度的检测。 第2章 测试基本原理及系统构成 裂缝是混凝土工程中最常见的一种缺陷，裂缝的存在会影响结构的抗渗性能，导致水分及有害物质渗入，诱发钢筋锈蚀或加速混凝土的自然老化，从而损害工程结构的承载能力， 对安全性产生影响。即使尚未直接影响到使用安全，也会影响适用性和耐久性。 本测试项目利用激励产生的弹性波的传播特性（传播时间差、相位及能量衰减特性）来测试混凝土裂缝深度的。 本项目包括相位反转法、传播时间差法、表面波法。 a) 相位反转法（弹性波在裂缝顶端衍射，初始相位反转的方法） b) 传播时间差法（弹性波在裂缝顶端衍射，利用传播时间延迟） c) 表面波法（表面波经裂缝传播衰减的方法） 2.1 相位反转法 当声波在混凝土内传播，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。 图 2-1 混凝土裂缝深度测试（相位反转法） 2.2 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。本技术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 混凝土裂缝深度测试（传播时间差法） 具体包括以下计算方法： 1） L-L 法 已知健 全部位波速 V （或通过测试） 在裂缝处 测试波传播时间 CT 2) - 法 CT0T 健全的表面 2L 的地方发振/受信的场合，测试传播时间为 0T 在裂缝处测试波传播时间 CT 3)BS 法 在裂缝处测试波传播时间健 1CT 在裂缝处测试波传播时间 2CT 2.3 表面 波法（利用弹性波的能量衰减） 在结构物表面，用打击锤激励产生弹性波，其中瑞利波能量强、占比重大。当传播的表面波 （瑞利波为主）遇到混凝土结构物中的裂缝时，会被阻断，而衍射通过的波发生衰减且能量减少。本方式就是根据能量减少多少等，来推定裂缝的深度的。 以下是表面波法（遇到混凝土裂缝）能量衰减的概念： 1）利 用“双方向发振技术”来消除误差，提高测试精度（专利技术） 深裂缝，衰减比较大 混凝土里面有裂缝，衰减也比较大 通过健全部，几乎不衰减 浅裂缝，衰减比较小 双方向发振”技术的基本概念如下图所示，先在一方发振 受信后，传 感器的固定状况不变，在另一方进行同样的发振 受信。在通过软件算法处理以及双曲回归法，可大大提高测定衰减和裂缝深度的精度。 左激励 右受信 右激励 左受信 图 2-3 混凝土裂缝深度测试（表面波法） 2.4 系统构成 该系统是由激振子系统、采集子系统、数据分析子系统等构成。 2.5 仪器介绍 图 2-4 落球系统构成概要 图 2-5 裂缝深度测试仪 图 2-6 典型的测试波形示例波形 图 2-7 典型的波形解析的结果 2.6 测试裂缝深度的特点 混凝土裂缝深度检测技术的特点如下： （1） 测 试精度高，测试深度可达 2 米以上 （2） 施 工简便高效、灵活机动，与传统检测方法相比，无需钻孔，测试深的裂缝，可节省大量工时与成本； （3） 抗 干扰能力强，基本不受裂缝中水、钢筋、杂质等的影响； （4） 主 要元器件均由日美等国家进口，可靠性高，耐久性强； （5） 兼 容超声波检测方法； （6） 一 键自动生成报告书。 2.7 测试裂缝深度流程 几何衰减修正算法 材料衰减修正算法 壁厚修正算法 其他（压力）修正算法 钢筋修正算法 测试加速度信号转换为速度信号 积分处理 内置提高精度修正算法 双方向软件处理算法 计算裂缝深度 2.8 消除其他误差的对策 误差的种类 随机误差 固有误差 误差特征 不规则、随机的误差 规则误差，影响较大 产生误差主 要原因 a) 环境噪声 b) 电气噪声 a) 系统的固有误差 b) 传感器粘贴的误差 对策 a) 多次测试 b) 多次激励 a) 对测试系统进行校正 b) 采用“双方向发振”的方法，降低固有误差，提高测试精度 2.9 各方面的比较 下表为 3 种方法的比较，可以适当的灵活应用，测试最佳结果。 方法 传播时间差法 相位反转法 表面波法 弹性波种类 P 波/SH 波 P 波 R（瑞利波）波 重视（关注）波的成分 初始成分 初始成分 卓越成分 基本原理 传播时间的延迟 初始相位的反转 R 波的衰减 理论严密性 严密 比较严密 半理论半经验 是否需要测试波速 一般必需 （改良 BS 法不需）不需 希望 水分粉尘等填充物的影响 有 基本上没有 钢筋的影响 大 很小（可修正） 裂缝面的接触影响 大 有 壁厚等尺寸的影响 几乎没有 有 结构物背面状况的影响 几乎没有 有 适用范围 浅的 开口裂缝（一般在 40cm 下） 深的裂缝（可达 2米以上） 裂缝深度测试方法的选择： NO YES 传播时间法和表面波法并列采用 裂缝深度在 5cm 以下的情况，可用相位反转法 以表面波为中心，传播时间法補助 裂缝深度0.15m 图 1-4 测试方法的选择 第3章 验证资料 1) 室内混凝土试件试验 00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6实际深度(m)测试深度(m)纵 波 传 播 时间法横波 传 播 时间法表面波法 图 3-1 混凝土试件裂缝测试与实际裂缝深度的关系 2) 现场精度验证试验 现场裂缝深度精度的验证，主要通过“钻芯法”进行验证。 利用表面波法测试的裂缝深度并通过现场取芯样（37 个）比较，图 2-6。说明了较深裂缝测试精度比较高，比较浅的裂缝深度测试精度降低。裂缝面有压力的情况，测试的裂缝深度偏浅。 而传播时间差法测试的裂缝深度与实际结果相比偏浅，特别是深裂缝，测试的精度差。初始信号的识别，依赖检测人员的判断。且不能测试裂缝面有压力的情况。 02040608010002040608010钻芯实测值（cm）测定值（cm）表面波法传 播 时间法 图 3-2-a 表面波法测试结果的验证（无筋混凝土） 0204060801001200 20 40 60 80 100 120钻 芯 实测值（cm）测试值（cm）表面波法传 播 时间 差法图 3-2-b 表面波法测试结果的验证（钢筋混凝土） 第4章 工程案例 4.1 主要应用实绩一览表 典型应用实绩一览表（日本） 序号 实施时期 对象物地点 委托方 对象物种类特征 内 容 备注 1 1999.1 栗山発電所 東京電力株式会社 隧道 裂缝 2 1999.4 岩室発電所 東京電力株式会社 隧道 裂缝 3 1999.4 丸沼 東京電力株式会社 混凝土坝 裂缝 4 1999.6 釧路空港 飞机场的跑道 裂缝 5 1999.11 落合発電所 東京電力株式会社 隧道 裂缝 6 1999.11 小蛇尾川発電所 東京電力株式会社 隧道 裂缝 7 1999.11 早川第一発電所 東京電力株式会社 隧道 裂缝 8 2000.10 河内変電所 公路局 改良地基 验证试验 9 2001.1 佐久発電所 鹿島建設株式会社 改良地基 验证试验 10 2001.2 佐久発電所 公路局 道路填土 验证试验 11 2001.3 佐久発電所 東京電力株式会社 隧道 裂缝 强度 12 2001.6 川 俣 東京電力株式会社 地下发电所 混凝土检测全部 13 2001.6 鬼怒川 東京電力株式会社 地下发电所 混凝土检测全部 14 2001.6 今 市 東京電力株式会社 地下发电所 混凝土检测全部 15 2001.11 西窪導水路 東京電力株式会社 隧道 混凝土检测全部 16 2001.12 葛野川発電所 東京電力株式会社 隧道 混凝土检测全部 17 2002.1 松谷 JR交差 東京電力株式会社 隧道 混凝土检测全部 18 2002.2 岩室発電所 東京電力株式会社 隧道 混凝土检测全部 19 2001.3 鎌倉市 国際航業株式会社 坡面 剥离检测 20 2002.6 瀬田市 挡土墙 强度检测 21 2002.10 朝霞浄水場 构造物全部 混凝土检测全部 22 2002.11 東関東自動車道 波多野調査設計 高架桥 表层刚性 23 2003.2 今市発電所 東設土木 隧道 裂缝 24 2003.9 2 鉄塔基礎 東設土木 基础形状和灌浆充填 混凝土检测全部 25 2003.11 港 区 C&R 麻布挡土墙 壁厚 26 2004.2 都内地中線 東京電設 隧道 混凝土检测全部 27 2004.5 水戸市 C&R 隧道 裂缝、充填度 28 2004.6 浜松市 C&R 高架桥 裂缝、板厚 29 2004.7 草加市 C&R 水门的基础部 裂缝 30 2004.9 佐賀県唐津市 航測 巨岩 裂缝 31 2005.3 大田区 C&R 住宅 裂缝 32 2005.5 鹿 沼 C&R 大型贮水槽 裂缝 33 2005.5 6 神戸市 C&R 新交通系统 剥离、材质 34 2005.7 武蔵野市 C&R 住宅基础 裂缝 35 2005.5 鹿 沼 東電設計株式会社 隧道 弹性波雷达 36 2005.8 三郷市 東設土木 发电所 裂缝 37 2005.8 川茂発電所 国際航業株式会社 机场跑道 剥离 38 2005.10 那覇空港 国際航業株式会社 模拟机场跑道 剥离 39 2006.4 高瀬川第1 東設土木 材质，裂缝 40 2006.5， 7 小山 協会 岩盤補修充填効果確認 裂缝 41 2006.6 千葉県 東京電力株式会社 大型铁塔基础 材质 裂缝 42 2006.10 東電設計株式会社 水路隧道 43 2007.1 長野県 東電設計株式会社 道路隧道 钢筋混凝土裂缝 44 2006.11 長野県水殿 東京電力株式会社 大型试件, 材龄 32 年 材质 45 2007.1 東京都 C&R 挡土墙 壁厚 46 2007.2 千葉県 東京電力株式会社 大型铁塔基础 材质 水平裂缝 47 2007.2 千葉県 東電設計株式会社 大型铁塔基础 纵裂缝 48 1999.11現在 新高瀬川 東京電力株式会社 地下发电所 裂缝深度 49 2000.3現在 奈川渡 東京電力株式会社 填坝 裂缝深度 50 2000.3現在 水殿 東京電力株式会社 填坝 裂缝深度 51 2000.3現在 稲核 東京電力株式会社 填坝 裂缝深度 52 2000.3現在 稲核 東京電力株式会社 填坝 裂缝深度 现场应用典型照片一览表（日本） 1) 高速高架桥（混凝土） 2) 桥墩施工 品质检测 3) 地板施工品质测试 4) 地中隧道劣化测试 5) 水路隧道劣化测试 6） 高速公路隧道 （瓷砖剥离、粘着强度） 7) 新交通系 统施工品质检测 8) 档土墙（壁厚检测） 9) 壁的表层弹性模量、中性化检测 10) 地板的劣化检测 11) 铁塔基础全部检测 典型应用实绩一览表（中国） 序号 实施时期 对象物地点 委托方 对象物种类特征 内 容 备注 1 2008.01 到现在 青海李家峡 黄河水电公司李家峡发电分公司三圆心双曲拱坝 裂缝 （强度） 分春、冬 2季连续测试 2 2008.05 四川都江堰 都江堰管理局 电站厂房 裂缝、强度 剥离等缺陷损失 3 2008.06 云南云荞水库 云荞水库管理处 面板堆石坝坝面 裂缝 脱空 4 2008.06 四川瓦屋山 四川瓦屋山水电站 隧洞 裂缝深度/宽度、衬砌厚度、强度 5 2008.07 四川自贡 双溪水可管理处 土石坝 裂缝 侵润区 现场应用典型照片一览表（中国） 1）李家峡裂缝深度检测 2）都江堰裂缝深度、震后损伤检测 3）混凝土面板健全 性检测 4）引水隧洞衬砌混凝土质量和裂缝检测 5）双溪水库大坝防渗体裂缝和坝后浸润区检测 第5章 解决方案 1 技术背景 值得一提的是，本技术源于日本，自 1995 年，本司的核心团队就致力于为建筑界、工 业界提供一流的无损检测设备和检测评价技术服务。这些检测设备都是新的无损检测技术， 至10多年， 几十万次实地试验，广泛的实际工程检测应用后才投放仪器市场。 因此，本公司仪器具有经过实践检验，更贴近工程运用，并有技术先进、检测结果可靠等优点。 其中针对当前常规的混凝土结构测试项目，本司在此基础上做了很多性能与算法改良 ，并添设了多项测试项目，来诊断混凝土结构物。 2 混凝土结构物的测试 常规的混凝土结构的测试项目方法如下： 标 准强度；强度（回弹法、超声-回弹综合法、钻芯法） ；混凝土碳化深度 裂缝测试（深度、宽度等） 表观及内部缺陷（剥离，空洞等） 钢筋位置及保护层厚度 混凝土结构 钢筋锈蚀状况（钢筋锈蚀电位或极化电流、氯离子含量、混凝土电阻率） 为此，本司研发的在工程上有广泛应用的设备的测试功能介绍如下： 测试项目 测试方法 表面波法 传播时间差法 裂缝深度 相位反转法 透过法 瑞利波法 内部强度 重复反射法 层析扫描（CT ）法 内部缺陷 弹性波雷达法 振动法 基础打声法 剥离 增强打声法 表层刚性 打球法 混凝土结构 结构厚度 回波重复反射法 3 裂缝测试 3.1 裂缝的特点 在混凝土结构物中，裂缝具有以下特点： （1） 裂缝的产生具有一定的普遍性 由于种种原因（物理，化学以及力学），在混凝土结构物中裂缝的产生是很普遍的。 （2） 在特定的条件下，裂缝的产生有利于调节应力平衡 在特定的条件下，裂缝的产生有利于调节应力平衡，比如在拱坝结构物中，由于它是超静定结构，其应力分布受温度，支撑（坝肩及坝基）的变形影响很大。因此，裂缝在一定程度上可以重新调整应力分布。此外，裂缝的发展状况也可以间接地反映外界条件的变化。 （3） 裂缝的修补工作不仅比较困难，而且往往难以取得预期的效果。 目前，裂缝的处理，方式很多。但实质上对裂缝的修补仅在内部钢筋的防锈方面有积极的意义，而对于刚性/强度的恢复则大多无实质上的意义。 因此，明确裂缝的成因，把握其是否发展，对于结构物的安全评价方面有着非常重要的意义。 3.2 裂缝的测试 裂缝的测试包括对裂缝分布、走向、长度、宽度、深度等的检查和测量，在检测裂缝的分布、走向时，应侧重于分析裂缝的性质和成因；检测裂缝长度、宽度、深度时，则侧重于判定构件开裂的程度以及裂缝对构件性能的影响。 （1） 裂缝的长度测试 裂缝长度测试可用钢尺测量，宽度宜用刻度放大镜、测宽仪、塞尺等测量 （2） 裂缝的深度测试 z 浅深度裂缝 裂缝的浅深度（一般不超过 50 公分）可用超声脉冲波测量； z 深深度裂缝 深深度的裂缝（测试的深度可达 2 米以上）的测试，往往需要钻孔单孔或跨孔测试（这种方法为有损的，且若钻孔的话，还不如直接钻取芯样量测），本设备就是解决该课题研发的，即弹性波表面波法测量，同时该设备也可采用传播时间差法和相位反转法来测试浅裂缝。 附：李家峡水电站大坝坝后坝面混凝土裂缝深度检测方案 检测项目 主要仪器 厂家 裂缝深度 混凝土综合测试系统（SCE-MATS） SCIT 裂缝宽度 裂缝测宽仪（CS-58699） 測 定株式会社 二、具体实施方案 一、检测项目基本方法 1、采用设备 检测仪器设备采用四川升拓检测技术有限公司（SCIT）生产的 S 型混凝土综合测试系统（SCE-MATS）和 測 定株式会社（Shinwa Rules Co.,Ltd）生产的裂缝测宽仪（CS-58699）。 本次对李家峡水电站大坝坝后坝面混凝土裂缝深度检测采用以下 2 种测试方法： 初始相位反转法 表面波法 李家峡水电站大坝坝后坝面混凝土 SCE-MATS CS-58699 裂缝深度检测方案 2、现场检测 通过现场勘查，初定对大坝坝后坝面混凝土裂缝深度检测采用如下测试方案： 测试位置 裂缝条数 采用方法 测线条数 厚度 m 需要配合 检测日期安排 坝顶 坝段： 标高： 表面波法和 相位反转法 每条裂缝布置两条测线 右岸 表面波法 步两条测线 坝肩 左岸三角体 表面波法 步两条测线 表面波法和 相位反转法 每条裂缝布置两条测线 坝体 坝段： 标高： 表面波法 步两条测线 背管 第 1 号 表面波法 步两条测线 需要梯子、安全带、安全绳等 注 1:采用表面波法测试裂缝深度布置的每一测线利用 4 种变频双方向激振技术。 注 2:若用表面波法测试的裂缝深度是贯穿的,就不采用相位反转法。 注 3:在对坝体、背管实施现场测试时,需要黄河水电公司李家峡发电分公司提供安全设施配合,保证施工安全。 3、现场实施 3.1 裂缝描述 对裂缝编号，用粉笔记号等表示。 记录裂缝所处部位（用坝段、标高表示），描述裂缝形式（纵向、横向、倾斜） 、分布（检测中应绘制裂缝分布图，最好业主提供，需要标注裂缝的长度、宽度等。） 、走向（用数码相机获得）、宽度和长度。 裂缝编号 形式 发生部位 走 向 宽度 mm 长度 m 检测日期CBD01# 参考照片 CBD01 3.2 硬件安装 连接仪器各部分、确定频道的对应关系，调节仪器使其工作正常；确定测线，标出激励源（左、右两个点） 、安装传感器的位置等。 3.3 开始试验 利用表面波法，测试裂缝全体深度 利用不同规格(4