超聲法檢測預(yù)制構(gòu)件混凝土內(nèi)部缺陷的試驗(yàn)研究*

許鑫浩，徐福泉，劉英利，代偉明，毛詩洋

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 2.建研科技股份有限公司，北京 100013； 3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

預(yù)制混凝土構(gòu)件如果制作時(shí)清理不徹底，澆筑混凝土?xí)r振搗不充分，易在混凝土內(nèi)部形成各類缺陷，從而難以保障受力性能。因此，需對預(yù)制混凝土構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測。目前混凝土內(nèi)部缺陷檢測法主要有超聲波法、電磁波法、雷達(dá)法、沖擊回波法等。考慮預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部空洞缺陷尺寸、鋼筋間距等參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了2組含有缺陷的預(yù)制混凝土構(gòu)件，并分別采用傳統(tǒng)超聲、相控陣列超聲進(jìn)行檢測，以研究檢測方法精度及適用情況。

1 超聲檢測機(jī)理

1.1 傳統(tǒng)超聲檢測法

傳統(tǒng)超聲檢測法利用超聲脈沖波在同一待測構(gòu)件內(nèi)的傳播時(shí)間(或聲速)及接收到波的頻率和振幅等參數(shù)變化，判斷混凝土內(nèi)部缺陷情況。當(dāng)混凝土內(nèi)部含有空鼓或裂縫時(shí)，整體性受到破壞，超聲脈沖波繞開或穿越空鼓及裂縫傳播到接收換能器，隨著傳播路徑的增大或穿越缺陷，獲得的聲時(shí)偏大或聲幅偏低，從而可判斷缺陷位置[1-3]。

1.2 相控陣列超聲檢測法

相控陣列超聲檢測法設(shè)計(jì)理論基于惠更斯原理，通過控制相控陣探頭相互獨(dú)立的壓電晶片進(jìn)行檢測。對于每個(gè)晶片發(fā)射及接收設(shè)置特定時(shí)序，每個(gè)單元在不同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行發(fā)射及接收，由于各晶片單位發(fā)射波有先后順序，波彼此重疊形成新的波形面，因此可有效控制晶片，使產(chǎn)生的新波面聚焦在特定方向。同樣，晶片接收反射波時(shí)會(huì)按照設(shè)定的時(shí)序進(jìn)行接收并合成信號，最后將接收到的信號以需要的形式表現(xiàn)[4-7]。

2 試件設(shè)計(jì)與檢測儀器

考慮不同缺陷尺寸及鋼筋間距，設(shè)計(jì)2組試件。試件1-1長1 100mm，高1 000mm，厚200mm。設(shè)置φ8@200豎向分布筋，φ8@150水平分布筋。設(shè)置空心管材與聚苯板模擬缺陷材料，上部缺陷尺寸自左往右分別為φ100圓柱空心管材、φ60圓柱空心管材、40mm×100mm矩形空心管材、折角145°長約70mm的空心管材、折角90°長約60mm的空心管材，下部放置尺寸為100，80，50，40，30mm的立方體聚苯板，如圖1所示。上部用于驗(yàn)證不同形狀大小缺陷能否很有效檢測；下部用于驗(yàn)證相同形狀、不同大小缺陷能否被有效檢測。

試件2-1長1 100mm，高1 000mm，厚200mm，分為A～D組區(qū)域，分別設(shè)置不同鋼筋間距，A，D組鋼筋間距為150mm×100mm，B，C組鋼筋間距為75mm×70mm，放置100mm×100mm聚苯板模擬缺陷，如圖2所示。此構(gòu)件主要用以檢驗(yàn)陣列超聲檢測儀在鋼筋加密時(shí)對檢測結(jié)果的影響。

圖2 試件2-1內(nèi)部布置

試驗(yàn)采用同批次C40混凝土，鋼筋均為HRB400級螺紋鋼，公稱直徑分別為8，12mm。試驗(yàn)中傳統(tǒng)超聲設(shè)備為C62非金屬超聲檢測儀，采用頻率20～250kHz的聲波換能器，接收放大器頻率范圍10～500kHz，聲時(shí)最小分度為0.1μs。相控陣列超聲采用A1040MIRA型波低頻斷層掃描儀，工作頻率50kHz，測量范圍50～2 500mm， 采用1個(gè)矩陣天線陣列，自帶48個(gè)(12組，每組包含4個(gè)元件)低頻寬帶換能器，工作面長300mm、寬100mm，矩陣中各換能器間距均為25mm。

3 試驗(yàn)研究

3.1 相控陣列超聲測距試驗(yàn)研究

相控陣列超聲檢測法無相關(guān)規(guī)范，理想測距無具體規(guī)定，因此，對試件2-1進(jìn)行檢測間距試驗(yàn)，以確定最佳間距。相控陣列超聲以4組不同間距進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：①50mm×50mm組圖像最清晰，且各缺陷位置、形狀更準(zhǔn)確；②100mm×100mm組圖像精確度低于50mm×50mm組，但高于另兩組，測點(diǎn)數(shù)為50mm×50mm組的4/9；③100mm×150mm組能較清晰地反映內(nèi)部缺陷，但檢測精度較差；④100mm×300mm組圖像未能完整構(gòu)建，無法整體表述。兼顧精度與效率，100mm×100mm間距為最佳方案。

圖3 不同間距檢測結(jié)果

3.2 試件1-1缺陷檢測試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1傳統(tǒng)超聲檢測試驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)超聲檢測試驗(yàn)布點(diǎn)及操作方式參考CECS 21∶2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[8]。由于缺陷位置及深度為人為設(shè)置，所以在檢測時(shí)針對性地自左至右劃分1～5組缺陷區(qū)，對每個(gè)缺陷區(qū)以50mm間距進(jìn)行布點(diǎn)，分別采集25個(gè)超聲數(shù)據(jù)。為更直觀觀察、分辨缺陷位置，將采集到的超聲數(shù)據(jù)按規(guī)范要求處理并繪制缺陷分布圖，如圖4所示。由檢測結(jié)果可知：①傳統(tǒng)超聲可有效檢測空鼓缺陷，但不能準(zhǔn)確判斷缺陷具體尺寸形狀；②無法對尺寸<50mm的內(nèi)部缺陷進(jìn)行有效檢測；③缺陷尺寸相較材料種類對檢測結(jié)果的影響更明顯；④缺陷區(qū)超聲數(shù)據(jù)與正常區(qū)超聲數(shù)據(jù)相差不大，若不按規(guī)范處理無法明確判斷缺陷位置。

圖4 試件1-1缺陷分布

3.2.2相控陣列超聲檢測試驗(yàn)結(jié)果

相控陣列超聲檢測結(jié)果如圖5所示，可將各缺陷在整體構(gòu)件平面位置反映出，且由于采集數(shù)據(jù)可生成3D立體圖像，因此可檢測出缺陷深度及尺寸，但不能清晰顯示具體形狀。除最小30mm的缺陷未被檢測出外，其他缺陷均能被有效檢測出。分析不同材質(zhì)、尺寸缺陷數(shù)據(jù)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，缺陷尺寸相較材料種類對檢測結(jié)果的影響更明顯。缺陷尺寸越大，檢測圖像中異常顯示越明顯，且空洞區(qū)顯示更清晰。相控陣列超聲可明顯檢測出縱向鋼筋位置。

圖5 試件1-1陣列超聲檢測結(jié)果

3.3 試件2-1缺陷檢測試驗(yàn)結(jié)果

混凝土構(gòu)件中通常含有各種鋼筋，對檢測結(jié)果準(zhǔn)確度造成較大影響。因此，需對不同鋼筋間距、直徑下的缺陷進(jìn)行檢測，用以對比不同檢測方法檢測精度。為使傳統(tǒng)超聲檢測結(jié)果更清晰、直觀分辨缺陷所在位置，將采集到的超聲數(shù)據(jù)按規(guī)范要求處理并繪制缺陷分布圖，如圖6所示。由檢測結(jié)果可知：①鋼筋直徑為12mm時(shí)，不同鋼筋間距下的相同缺陷，鋼筋加密區(qū)域比非加密區(qū)檢測結(jié)果范圍更大；②鋼筋直徑為8mm時(shí)，鋼筋很密情況下，較難判斷缺陷。

圖6 試件2-1缺陷分布

相控陣列超聲檢測以測距100mm×100mm檢測得到的結(jié)果如圖7所示，控陣列超聲可清晰明顯地檢測出內(nèi)部缺陷。相同鋼筋直徑情況下，鋼筋加密區(qū)比稀疏區(qū)對缺陷檢測結(jié)果的影響更明顯。相同鋼筋間距情況下，鋼筋直徑較大區(qū)域檢測到的缺陷結(jié)果更清晰。由于鋼筋對超聲波的影響，鋼筋加密區(qū)在檢測中也會(huì)對檢測結(jié)果產(chǎn)生一定影響，使采集到的缺陷尺寸與實(shí)際情況不完全相符。鋼筋直徑較小時(shí)，鋼筋較密，無法區(qū)分鋼筋分布；鋼筋直徑較大，即使鋼筋很密，也可有效測試鋼筋分布。

圖7 試件2-1陣列超聲檢測結(jié)果

4 結(jié)語

1)運(yùn)用超聲檢測可檢測出混凝土內(nèi)部缺陷的存在，相控陣列超聲檢測混凝土內(nèi)部缺陷的精度更高，當(dāng)混凝土內(nèi)部缺陷尺寸≥30mm時(shí)，相控陣列超聲檢測設(shè)備可對混凝土內(nèi)部空洞進(jìn)行有效檢測。

2)相控陣列超聲可成像，可直接在圖像中清晰準(zhǔn)確顯示出缺陷的具體位置，傳統(tǒng)超聲檢測到的缺陷僅能反映出平面位置，且誤差較大。

3)對于鋼筋加密區(qū)內(nèi)部缺陷，傳統(tǒng)超聲、陣列超聲檢測結(jié)果均發(fā)現(xiàn)加密區(qū)對檢測結(jié)果干擾影響具有加強(qiáng)效果。由于鋼筋的干擾無法將缺陷的準(zhǔn)確物理信息傳遞并采集，使采集到的缺陷尺寸與實(shí)際內(nèi)部情況不完全相符。