CN104089951A - 一种裂缝特征的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝特征的检测装置，包括密封检测腔，具有与测试物贴靠配合的测试开口；供气装置，与密封检测腔连接以向密封检测腔内充入测试气体；检测试纸，可与测试气体具有显色反应的试纸。本发明还公开了一种裂缝特征的检测方法。本发明的装置和方法可以检测出裂缝的分布情况和表面形态，以及非贯通裂缝的深度；测量范围大，既可应用于现场又可应用于试验室裂缝的检测；可用来测试混凝土等非金属材料与结构的裂缝，也适用于钢筋混凝土结构、钢结构；而且测量快捷、操作简单，对结构和材料本身不造成损伤。

Description

一种裂缝特征的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及建筑物检测领域，特别涉及一种裂缝特征的检测装置和检测方法。

背景技术

在我们的生活中，随时随处可见钢筋混凝土建筑结构，混凝土结构也是最重要的土木、建筑结构，其牢固性和负载能力在社会基础设施中占据举足轻重的地位。但是，由于材料自身特性及外部环境各种作用的影响，混凝土在浇筑、养护及使用过程中，不可避免的会出现各种裂缝。

其中，裂缝是否贯通以及裂缝深度等特征是测定混凝土结构耐久性和安全性的重要指标。较常见的方法是采用钻孔取样的方法加以直接测试，但是钻孔取样的方法不仅费时费力，对建筑结构本体会有较大的损害，并且对较深的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。

为此，业界提出了多种无损检测方法以解决上述问题，其中超声波无损检测方法具有操作简便，对墙体损害小的优点。

例如公告号为CN 101071124 B的专利文献公开了一种用超声波检测混凝土结构斜裂缝的方法，首先利用超声波检测仪对混凝土结构的完好区域进行不跨缝的声时测量，并计算出超声波的声速值v、发射探头和接收探头内边缘间距与超声波实际传播距离之间的差值a；再跨缝测量。通过逐步移动接收探头的方式确定最小声时值t，并记录下此时发射探头与接收探头的内边缘间距l，根据公式l′＝l+∣a∣计算出此时的超声波的实际传播距离l′；利用公式算出裂缝的深度h_c＝v²t²－l′²/2vt。

超声波检测可检测出混凝土内部裂缝的位置、种类、扩展情况、密集程度等情况，是一种相对较好的裂缝检测和分析方法。现有的非金属超声波检测仪器虽然能在一定程度上反映混凝土内部裂缝的发展情况，但是对于内部含有钢筋的混凝土结构和其他金属结构，由于钢筋或钢材的存在及其与裂缝的相对位置的不同，会影响声波的正常传播，给超声波检测的测量结果带来很大的不确定性，影响裂缝特征的准确评判。

发明内容

本发明提供了一种裂缝特征的检测装置和检测方法，操作简便，适用范围广，干扰小，检测结果准确且不会对工程结构造成二次损伤。

一种裂缝特征的检测装置，包括

密封检测腔，具有与测试物贴靠配合的测试开口；

供气装置，与密封检测腔连接以向密封检测腔内充入测试气体；

检测试纸，可与测试气体具有显色反应的试纸。

所述测试物，可以是任意的土木、建筑结构，其在厚度方向上具有两个相对的面，例如房屋墙体，桥身等。

上述装置使用时，将密封检测腔的测试开口贴靠在测试物带有裂缝的测试面上；在测试物的另一侧表面与测试开口相对的位置覆盖粘贴检测试纸；然后通过供气装置向密封检测腔充入测试气体，并使密封检测腔内的气体具有扩散到裂缝中的压强；此时，如果裂缝是贯通的，则测试气体通过贯通的裂缝与检测试纸发生显色反应，并且在检测试纸上可以清楚、真实地呈现出两个检测面之间贯通裂缝的分布情况和贯通裂缝的表面形态，便于进一步的数据处理和分析；但是如果裂缝没有贯通，则测试气体不会很快通过裂缝扩散到测试物的另一侧，检测试纸不发生显色反应；为了不引起结构二次损伤，优选控制气体压强在20kpa～50kpa，可以根据所选用压强的大小将监测时间定在1～5分钟。

为了方便调节密封检测腔内充入的检测气体的浓度和压强，优选的，所述供气装置包括装有测试气体的气瓶以及连接在气瓶和密封检测腔之间的气体增压机构；所述密封检测腔上安装有排气阀和检测测试气体参数的仪表；所述仪表包括气体浓度检测仪，压强检测仪。

在充气前，先打开排气阀，充入测试气体过程中，排出原有空气，提高密封检测腔内测试气体的体积浓度，并通过仪表测试该浓度，待浓度达到要求关闭排气阀；气体增压机构继续泵入测试气体，使密封检测腔内气压增大，仪表测试气压大小，从而气体气压在要求的范围。上述设置提高了密封检测腔内测试气体的浓度和压强，气压增大，可以提高测试气体扩散速度，而提高测试气体的浓度可以使检测试纸显色更清晰，有利于裂缝形状，宽度的检测。

为了方便安装密封检测腔，同时提高测试开口处的密封性，优选的，在测试开口的边沿上垫有弹性密封环；弹性密封环外周设有至少两个与测试物固定连接的真空吸盘。

通过真空吸盘将密封检测腔与测试物固定，弹性密封环被压缩，从而可以有效减少气体从测试开口处泄漏，提高密封性。

为了方便使用，防止检测试纸失效，优选的，所述检测试纸的一面覆盖有粘胶层，另一面覆盖有保护膜层。

所述粘胶层用于将检测试纸贴装到测试物上，使检测试纸与测试物无缝贴合，提高裂缝的宽度和长度的检测效果，为了使检测气体顺利通过粘胶层，粘胶层应选用具有良好的透气性的材料，如德国Jowat生产的Jowatherm Reaktant637.00或者全新配方的聚氨酯热熔胶产品。检测试纸起到测试气体是否穿透或者渗透，应尽量薄一些，厚度控制在0.02mm～1mm。

为了防止测试气体在通过检测试纸后回流造成检测误差，优选的，所述保护膜层采用单向透气膜，沿检测试纸到保护膜层的方向透气。使测试气体通过保护层后不会回流至检测试纸，减小检测误差。

测试气体与对应的检测试纸可选择多种方案，包括：1、氨气与湿润的红色石蕊检测试纸或酚酞检测试纸；2、氯气与碘化钾淀粉检测试纸；3、氯化氢与湿润的蓝色石蕊检测试纸；4、二氧化碳与紫色石蕊检测试纸；5、二氧化氮与紫色石蕊检测试纸或淀粉碘化钾检测试纸等。

根据所检测的结构的类型可选择不同的方案进行，对于混凝土材料来说，优选的，所述测试气体为氨气，所述检测试纸选用石蕊检测试纸或酚酞检测试纸。使用时，将石蕊检测试纸或酚酞检测试纸加水湿润。其他方案中的测试气体均为酸性气体，而混凝土是碱性的，会与酸性气体发生反应而破坏混凝土材料的墙体，且二氧化碳还会使混凝土发生碳化作用，而氨气为碱性气体，不会有上述问题。

本发明还提供了一种裂缝特征的检测方法，包括以下步骤：

(1)在测试物的裂纹表面上规划出检测表面；

(2)在检测表面施加压强小于50kpa的测试气体；

(3)在测试物的另一侧设置与测试气体发生显色反应的检测试纸；

(4)在选定的时间段内通过检测试纸的显色情况监测测试气体是否穿透测试物；

(5)通过监测测试气体是否穿透测试物来确定裂缝是否贯通。

由于气体在空气中传播速度较快，因此，只要测试气体的具有一定大小的压强，理论上就能够扩散到测试物的另一侧，测试气体压强小于50kpa时，测试气体对裂缝的二次损伤很小，几乎可以忽略不计。同时，为了控制扩散速度，优选控制在20kpa～50kpa，可以根据所选用压强的大小将监测时间定在1～5分钟。

使用检测试纸来监测测试气体是否通过裂缝，可以清楚、真实地呈现出两个检测面之间贯通裂缝的分布情况和贯通裂缝的表面形态；可用来测试混凝土等非金属材料与结构的裂缝，又可以用来测量钢筋混凝土结构、钢结构中的贯通性裂缝，使用范围广；而且测量快捷、操作简单，对测试物的结构和材料本身不造成损伤。

如果裂缝不贯通，还可以进行裂缝深度的检测，优选的，

所述的步骤(5)确定裂缝不贯通时，增加测试气体的压强到选定的值；

通过检测试纸的显色情况监测测试气体渗透过测试物各部位的时间；根据渗透时间计算出各部位的厚度；

根据厚度差确定裂缝的深度。

本发明中，根据渗透时间计算测试物厚度公式如下：

$x_c=\sqrt{\frac{2D\×(P+P_{\mathrm{atm}})}{M_0\mathrm{RT}}t}$

上式中，

x_c：测试物厚度，单位为m；

t：渗透时间，单位为s。

P：测试气体渗透的压强，为相对压强，单位为atm或kPa；

P_atm：代表大气压强，单位为atm或kPa；

M₀：单位体积测试物吸收的测试气体的量，单位为mol/m³；

D：测试气体在测试物空隙中的有效扩散系数，单位为m²/s；

T：表示理想气体的热力学温度，通常选取标准状态293.15K(20℃)；

R：为理想气体常数，为8.314；

根据测试气体和测试物材质的不同，通过实验或者计算得到M₀和D。

上述公式推导如下：

测试气体渗透遵守Fick第一扩散定律，

$V_{\mathrm{gas}}=D\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{gas}}}{\mathrm{dx}}---\left(1\right)$

式中V_gas：测试气体的扩散速度，单位为mol/(m²s)；

D：测试气体在测试物空隙中的有效扩散系数，单位为m²/s；

C_gas：测试气体的浓度，单位为mol/m³；

x：渗透进测试物深度，单位为m；

测试气体从测试物表面向测试物内渗透，其浓度随着深度呈线性降低，假定存在一个气体扩散分界面，界面两侧的物质浓度为常数；

另外，在dt时间内扩散进入测试物内部的测试气体会被dx长度范围内测试物中的可吸收物所吸收，因此

m₀dx＝N_gasdt   (2)

经过推导得到，测试气体的渗透深度的理论公式为

$x_c=\sqrt{\frac{{2\mathrm{DC}}_{\mathrm{gas}}}{M_0}t}---\left(3\right)$

式中x_c：测试气体完全渗透的深度，即测试物的厚度，单位为m；

t：完全渗透的时间，单位为s。

M₀：单位体积测试物吸收的测试气体的量，单位为mol/m³；

C_gas:测试气体的浓度；

根据测试气体和测试物材质的不同，通过实验或者计算得到M₀和D；

测试气体渗透的压强为P，根据理想气体状态方程PV＝nRT，把气体的压强换算成浓度，经过计算得到，

$C_{\mathrm{gas}}=\frac{(P+P_{\mathrm{atm}})V}{\mathrm{RT}}\×\frac{1}{V}=\frac{(P+P_{\mathrm{atm}})}{\mathrm{RT}}---\left(4\right)$

将式(4)、(5)和D代入式(3)，得

$x_c=\sqrt{\frac{{2\mathrm{DC}}_{\mathrm{gas}}}{M_0}t}=\sqrt{\frac{2D\×(P+P_{\mathrm{atm}})}{M_0\mathrm{RT}}t}---\left(5\right)$

式中P：测试气体渗透的压强，为相对压强，单位为atm或kPa；

P_atm：代表大气压强，单位为atm或kPa；

n：表示测试气体物质的量，单位为mol；

T：表示理想气体的热力学温度，通常选取标准状态293.15K(20℃)；

R：为理想气体常数，为8.314。

提高测试气体的浓度可以使检测试纸显色更清晰，有利于裂缝形状，宽度的检测，优选的，所述检测表面施加的测试气体体积浓度保持在90％以上。

为了检测更准确，本发明中测试气体的压强均为相对压强，即实际压强减去大气压强的数值。

本发明的有益效果：

本发明的裂缝特征的检测装置和测试方法，可以检测出裂缝的分布情况和表面形态，以及非贯通裂缝的深度；测量范围大，既可应用于现场又可应用于试验室裂缝的检测；可用来测试混凝土等非金属材料与结构的裂缝，也适用于钢筋混凝土结构、钢结构；而且测量快捷、操作简单，对结构和材料本身不造成损伤。

附图说明

图1为本发明实施例在使用状态下的结构示意图。

图2为本发明实施例的密封检测腔的结构示意图。

图3为本发明实施例的检测试纸的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例的裂缝特征的检测装置包括通过输气管依次连接的气瓶1，气体增压机构2和检测箱3，以及检测试纸4，气瓶1内装有氨气(NH₃)。

检测箱3的一侧设有检测开口31，检测开口31的边沿上垫有弹性密封环32，检测箱3上设有安装盘33，安装盘33上通过固定有多个真空吸盘34，真空吸盘34均匀环绕在弹性密封环32外周；检测箱3上安装有排气阀9，检测箱3内安装有气体压强传感器5，气体浓度检测器6和显示气压和/或气体浓度的数显仪表7，气体浓度检测仪6靠近检测开口31。

气体增压机构2可以选用市场上现有的气体增压泵，本发明中压强需求较低，建议使用微型增压泵，本实施例中，采用Welkin M系列气驱液体增压泵，可以手动操作，使用方便。

如图3所示，检测试纸4选用湿润的红色石蕊检测试纸，一面覆盖有粘胶层41，另一面覆盖有保护膜层42，保护膜层42采用单向透气膜，沿检测试纸41到保护膜层42的方向透气。

本实施例使用方法如下：

在安装检测箱3前，应保证测试物8的接触面干燥平整，试验情况下，还应尽可能的保证整个测试物8处于低含水率，从而避免裂缝内部被水分阻塞，影响检测结果和操作时间；

通过真空吸盘34将检测箱3吸附到测试物8上形成密封检测腔35，检测开口31与检测面相对，弹性密封环32压缩增加密封性；

打开排气阀9，打开气瓶1向检测箱3的密封检测腔35内输送氨气，此时气体增压机构2不工作加压，随着密封检测腔35氨气的增加，空气通过排气阀9排出，氨气浓度上升，通过气体浓度检测器6测定氨气浓度，待气体浓度保持稳定后，关闭排气阀9，此时氨气浓度达到90％以上；

通过气体增压机构2增加密封检测腔35内的压强，氨气继续缓慢注入，使密封检测腔35内的气体压强达到预定气压；

如果测试物8的裂缝贯通，气体在空气中的扩散速度和压强以及距离有关，当测试物厚度不大于1m的情况下，如果裂缝贯通，测试气体的相对压强为50kpa时，在1分钟时间内，测试气体便可以从检测开口31通过裂缝与检测试纸反应显色；如果检测试纸在1分钟内不发生显色反应，则表示该裂缝不贯通。

如果裂缝不贯通，还可以进行裂缝深度的检测，通过增加气体增压机构2继续增加密封检测腔35内的压强到200kpa～300kpa；并通过检测试纸监测测试气体渗透过测试物各部位的时间，再根据时间计算出测试物各部位的厚度，最后根据厚度差确定裂缝的深度。

本实施例中，采用下述公式根据渗透时间计算测试物厚度：

$x_c=\sqrt{\frac{2D\×(P+P_{\mathrm{atm}})}{M_0\mathrm{RT}}t}---\left(1\right)$

上式中，

x_c：测试物厚度，单位为m；

t：渗透时间，单位为s。

P：测试气体渗透的压强，为相对压强，单位为atm或kpa；

P_atm：代表大气压强，单位为atm或kpa；

M₀：单位体积测试物吸收的测试气体的量，单位为mol/m³；

D：测试气体在测试物空隙中的有效扩散系数，单位为m²/s；

T：表示理想气体的热力学温度，通常选取标准状态293.15K(20℃)；

R：为理想气体常数，为8.314；

其中，t，P，P_atm都可以直接测得。

本实施例中，检测气体采用氨气，测试物为混凝土墙体：

单位体积混凝土吸收的测试气体的量M₀通过计算得到，计算方法如下：

已知NH₃的溶解度为1:700，选取混凝土的密度为2430kg/m³，设混凝土的自由水含水率为ρ。则单位体积的混凝土含自由水水量为2430ρ，自由水体积为2430ρ×10^-3(m³)＝2430ρ(L)，

$M_0=\frac{2430\mathrm{\ρ}\×700}{22.4}=7.59\×{10}^4\mathrm{\ρ}(\mathrm{mol}/m^3)---\left(2\right)$

有效扩散系数D可由实际测量得到，也可以通过计算得到，计算方法如下：

NH₃在混凝土中的有效扩散系数的大小与混凝土的孔隙率ε_p、孔隙饱和度及单位面积的气态孔隙截面积大小均有关，其中饱和度主要受到相对湿度RH的影响。气体的在混凝土中的扩散原理相同，本文采用CO₂在混凝土中有效扩散系数作为NH₃在混凝土中的有效扩散系数，其形式如下

D＝aε_p ^α(1-RH)^β

希腊学者Papadakis通过实验确定了其中的系数a、α和β，文献【张誉，蒋利学.基于碳化机理的混凝土碳化深度实用数学模型.工业建筑.1998(88.1):16～19】中使用这些系数后，通过选取混凝土含量参数及选取RH＝70％，得到结果显示出D与(W/C-0.34)成正比，最终得到

D＝8×10^-7(W/C-0.34)(1-RH)^2.2(m²/s)   (3)

将公式(2)和(3)带入公式(1)，得到氨气渗透进混凝土内，深度与时间的关系式：

$x_c=4.6\×{10}^{-6}{(1-\mathrm{RH})}^{1.1}\sqrt{\frac{(W/C-0.34)\×(P+P_{\mathrm{atm}})V}{\mathrm{\ρRT}}}\sqrt{t}$

上式中，

W/C混凝土材料的水灰比；

RH为所测混凝土的相对湿度；

ρ为混凝土的自由水含水率。

综上所述，本实施例的裂缝特征的检测装置和测试方法，可以检测出裂缝的分布情况和表面形态，以及非贯通裂缝的深度；选用氨气来检测混凝土材料相比其他测试气体，对混凝土材料损害最小；测量快捷、操作简单，对混凝土结构和材料本身基本不造成损伤。

Claims (10)

1.一种裂缝特征的检测装置，其特征在于，包括

密封检测腔，具有与测试物贴靠配合的测试开口；

供气装置，与密封检测腔连接以向密封检测腔内充入测试气体；

检测试纸，可与测试气体具有显色反应的试纸。

2.如权利要求1所述的裂缝特征的检测装置，其特征在于，所述供气装置包括装有测试气体的气瓶以及连接在气瓶和密封检测腔之间的气体增压机构；所述密封检测腔上安装有排气阀和检测测试气体参数的仪表。

3.如权利要求1所述的裂缝特征的检测装置，其特征在于，在测试开口的边沿上垫有弹性密封环；弹性密封环外周设有至少两个与测试物固定连接的真空吸盘。

4.如权利要求1所述的裂缝特征的检测装置，其特征在于，所述检测试纸的一面覆盖有粘胶层，另一面覆盖有保护膜层。

5.如权利要求4所述的裂缝特征的检测装置，其特征在于，所述保护膜层采用单向透气膜，沿检测试纸到保护膜层的方向透气。

6.如权利要求4所述的裂缝特征的检测装置，其特征在于，所述测试气体为氨气，所述检测试纸选用石蕊检测试纸或酚酞检测试纸。

7.一种裂缝特征的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在测试物的裂纹表面上规划出检测表面；

(2)在检测表面施加压强小于50kpa的测试气体；

(3)在测试物的另一侧设置与测试气体发生显色反应的检测试纸；

(4)在选定的时间段内通过检测试纸的显色情况监测测试气体是否穿透测试物；

(5)通过监测测试气体是否穿透测试物来确定裂缝是否贯通。

8.如权利要求7所述的裂缝特征的检测方法，其特征在于，

所述的步骤(5)确定裂缝不贯通时，增加测试气体的压强到选定的值；通过检测试纸的显色情况监测测试气体渗透过测试物各部位的时间；根据渗透时间计算出各部位的厚度；根据厚度差确定裂缝的深度。

9.如权利要求8所述的裂缝特征的检测方法，其特征在于，根据渗透时间计算测试物厚度公式如下：

$x_c=\sqrt{\frac{2D\×(P+P_{\mathrm{atm}})}{M_0\mathrm{RT}}t}$

上式中，

x_c：测试物厚度，单位为m；

t：渗透时间，单位为s。

P：测试气体渗透的压强，为相对压强，单位为atm或kpa；

P_atm：代表大气压强，单位为atm或kpa；

M₀：单位体积测试物吸收的测试气体的量，单位为mol/m³；

D：测试气体在测试物空隙中的有效扩散系数，单位为m²/s；

T：表示理想气体的热力学温度，通常选取标准状态293.15K；

R：为理想气体常数，为8.314；

根据测试气体和测试物材质的不同，通过实验或者计算得到M₀和D。

10.如权利要求7所述的裂缝特征的检测方法，其特征在于，将所述检测表面施加的测试气体体积浓度保持在90％以上。