超聲法檢測預制構件混凝土內部缺陷的試驗研究*

許鑫浩，徐福泉，劉英利，代偉明，毛詩洋

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

0 引言

預制混凝土構件如果制作時清理不徹底，澆筑混凝土時振搗不充分，易在混凝土內部形成各類缺陷，從而難以保障受力性能。因此，需對預制混凝土構件內部缺陷進行檢測。目前混凝土內部缺陷檢測法主要有超聲波法、電磁波法、雷達法、沖擊回波法等。考慮預制構件內部空洞缺陷尺寸、鋼筋間距等參數，設計制作了2組含有缺陷的預制混凝土構件，并分別采用傳統超聲、相控陣列超聲進行檢測，以研究檢測方法精度及適用情況。

1 超聲檢測機理

1.1 傳統超聲檢測法

傳統超聲檢測法利用超聲脈沖波在同一待測構件內的傳播時間(或聲速)及接收到波的頻率和振幅等參數變化，判斷混凝土內部缺陷情況。當混凝土內部含有空鼓或裂縫時，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計理論基于惠更斯原理，通過控制相控陣探頭相互獨立的壓電晶片進行檢測。對于每個晶片發射及接收設置特定時序，每個單元在不同時間內進行發射及接收，由于各晶片單位發射波有先后順序，波彼此重疊形成新的波形面，因此可有效控制晶片，使產生的新波面聚焦在特定方向。同樣，晶片接收反射波時會按照設定的時序進行接收并合成信號，最后將接收到的信號以需要的形式表現[4-7]。

2 試件設計與檢測儀器

考慮不同缺陷尺寸及鋼筋間距，設計2組試件。試件1-1長1 100mm，高1 000mm，厚200mm。設置φ8@200豎向分布筋，φ8@150水平分布筋。設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。上部用于驗證不同形狀大小缺陷能否很有效檢測；下部用于驗證相同形狀、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組區域，分別設置不同鋼筋間距，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。此構件主要用以檢驗陣列超聲檢測儀在鋼筋加密時對檢測結果的影響。

圖2 試件2-1內部布置

試驗采用同批次C40混凝土，鋼筋均為HRB400級螺紋鋼，公稱直徑分別為8，12mm。試驗中傳統超聲設備為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個矩陣天線陣列，自帶48個(12組，每組包含4個元件)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 試驗研究

3.1 相控陣列超聲測距試驗研究

相控陣列超聲檢測法無相關規范，理想測距無具體規定，因此，對試件2-1進行檢測間距試驗，以確定最佳間距。相控陣列超聲以4組不同間距進行檢測，結果如圖3所示。由圖3可知：①50mm×50mm組圖像最清晰，且各缺陷位置、形狀更準確；②100mm×100mm組圖像精確度低于50mm×50mm組，但高于另兩組，測點數為50mm×50mm組的4/9；③100mm×150mm組能較清晰地反映內部缺陷，但檢測精度較差；④100mm×300mm組圖像未能完整構建，無法整體表述。兼顧精度與效率，100mm×100mm間距為最佳方案。

圖3 不同間距檢測結果

3.2 試件1-1缺陷檢測試驗結果

3.2.1傳統超聲檢測試驗結果

傳統超聲檢測試驗布點及操作方式參考CECS 21∶2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》[8]。由于缺陷位置及深度為人為設置，所以在檢測時針對性地自左至右劃分1～5組缺陷區，對每個缺陷區以50mm間距進行布點，分別采集25個超聲數據。為更直觀觀察、分辨缺陷位置，將采集到的超聲數據按規范要求處理并繪制缺陷分布圖，如圖4所示。由檢測結果可知：①傳統超聲可有效檢測空鼓缺陷，但不能準確判斷缺陷具體尺寸形狀；②無法對尺寸<50mm的內部缺陷進行有效檢測；③缺陷尺寸相較材料種類對檢測結果的影響更明顯；④缺陷區超聲數據與正常區超聲數據相差不大，若不按規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結果

相控陣列超聲檢測結果如圖5所示，可將各缺陷在整體構件平面位置反映出，且由于采集數據可生成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、尺寸缺陷數據結果后發現，缺陷尺寸相較材料種類對檢測結果的影響更明顯。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陣列超聲檢測結果

3.3 試件2-1缺陷檢測試驗結果

混凝土構件中通常含有各種鋼筋，對檢測結果準確度造成較大影響。因此，需對不同鋼筋間距、直徑下的缺陷進行檢測，用以對比不同檢測方法檢測精度。為使傳統超聲檢測結果更清晰、直觀分辨缺陷所在位置，將采集到的超聲數據按規范要求處理并繪制缺陷分布圖，如圖6所示。由檢測結果可知：①鋼筋直徑為12mm時，不同鋼筋間距下的相同缺陷，鋼筋加密區域比非加密區檢測結果范圍更大；②鋼筋直徑為8mm時，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檢測得到的結果如圖7所示，控陣列超聲可清晰明顯地檢測出內部缺陷。相同鋼筋直徑情況下，鋼筋加密區比稀疏區對缺陷檢測結果的影響更明顯。相同鋼筋間距情況下，鋼筋直徑較大區域檢測到的缺陷結果更清晰。由于鋼筋對超聲波的影響，鋼筋加密區在檢測中也會對檢測結果產生一定影響，使采集到的缺陷尺寸與實際情況不完全相符。鋼筋直徑較小時，鋼筋較密，無法區分鋼筋分布；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陣列超聲檢測結果

4 結語

1)運用超聲檢測可檢測出混凝土內部缺陷的存在，相控陣列超聲檢測混凝土內部缺陷的精度更高，當混凝土內部缺陷尺寸≥30mm時，相控陣列超聲檢測設備可對混凝土內部空洞進行有效檢測。

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

3)對于鋼筋加密區內部缺陷，傳統超聲、陣列超聲檢測結果均發現加密區對檢測結果干擾影響具有加強效果。由于鋼筋的干擾無法將缺陷的準確物理信息傳遞并采集，使采集到的缺陷尺寸與實際內部情況不完全相符。