改進超聲對測法混凝土內部缺陷檢測試驗研究

石志強

（1.安陽工學院 土木與建筑工程學院，河南 安陽 455000；2.安陽市結構檢測與加固工程技術研究中心，河南 安陽 455000）

0 引言

有效的混凝土內部缺陷檢測方法，是混凝土結構質量控制和缺陷檢測的必要手段。超聲檢測方法引入混凝土結構檢測工程實踐后，廣大學者和工程技術人員對此進行了廣泛研究并取得了有益的研究成果。盧結成等研究了超聲檢測首波、聲時、波幅的測量及分析程序，能夠判斷混凝土內部的缺陷[1]。宋煥生等研究了混凝土結構層析成像檢測系統，可以直觀再現混凝土結構強度分布和內部缺陷，并進行了工程實際應用[2]。韓立等針對典型大橋箱形梁混凝土密實度的檢測進行了研究，認為超聲法檢測混凝土密實度的技術適應范圍更寬、檢測精度更高、可操作性更好[3]。呂曉光等研究了合成孔徑聚焦技術，對檢測聲波信號進行成像處理，在混凝土超聲缺陷檢測中提高了成像質量[4]。陳軍等研究了超聲有限幅度法檢測混凝土缺陷，認為有限幅度法非線性參數能反映出混凝土孔洞缺陷的大小[5]。陳逵等研究了鋼管混凝土中的各類缺陷，得出了各類典型缺陷的聲波圖，認為當鋼管混凝土脫空值超過1.4 mm時超聲法測得數據出現非正常值[6]。范曉鵬等采用超聲檢測儀用單面平測對試塊預制裂縫進行檢測分析，認為通過超聲波檢測儀可以檢測混凝土質量的優劣和密實程度[7]。徐俊濤等研究了合成孔徑聚焦成像技術在混凝土缺陷識別中的應用，可以識別出50 mm深度以下，缺陷橫向直徑為40 mm，縱向厚度為3 mm的空洞缺陷，并能夠準確讀取該缺陷在混凝土試塊中的相對位置信息[8]。許鑫浩研究了混凝土內部缺陷超聲檢測的傳統超聲檢測法與相控陣列超聲檢測法，認為陣列超聲檢測比傳統超聲檢測對混凝土內部空洞檢測精度更高[9]。《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》（CECS21∶2000，以下簡稱《規程》）在總結超聲法檢測混凝土缺陷研究成果的基礎上，提供了對測法檢測混凝土內部缺陷的具體方法和標準[10]。已有的各類研究以檢測技術、分析方法、成像方法創新和常規超聲檢測方法的應用比較多見，針對《規程》中的常規對測法檢測混凝土缺陷技術的改進未見報道?！兑幊獭吠扑]使用對測法檢測混凝土內部缺陷，給出了具體的檢測方法和缺陷數據的判定方法，但沒有給出缺陷的描述和圖示方法，實際檢測時需要根據工程師的經驗來進行判斷和描述。論文通過對預埋缺陷的混凝土試件進行檢測試驗，在《規程》對測法的基礎上，改進了超聲對測法混凝土內部缺陷檢測的結果表達和數據分析方法，使檢測結果在檢測異常值判定的基礎上，實現了混凝土內部缺陷的可視化三維空間分析，更易于工程應用。

1 超聲測缺原理與檢測試驗設計

1.1 超聲測缺基本原理

混凝土結構施工過程中因振搗不夠、漏漿或石子架空等原因，可能造成蜂窩、松散或空洞等內部缺陷。當結構被測部位具有一對或兩對相互平行的表面時，可以采用對測法進行檢測，數據分析采用統計法進行分析。由于混凝土材料本身是非均質材料，超聲檢測數據會受混凝土內部構成影響，會在一定范圍內波動，對混凝土內部缺陷的超聲檢測采用數理統計方法進行研究。一般認為穿過正?；炷恋某暵曀俚葯z測值屬于正態分布，檢測數據在給定的置信區間范圍內服從統計規律，當某些檢測數據超出置信區間，可以判斷它屬于異常值。對測統計法超聲換能器布置如圖1所示，圖中陰影部分代表混凝土內部缺陷，兩對面相同編號點分別布置發射換能器和接收換能器，圖中虛線為穿過被測混凝土的超聲脈沖傳播路徑，當超聲脈沖通過缺陷區域時，檢測參數受缺陷影響形成異常值，通過統計分析異常值進行混凝土內部缺陷檢測。

圖1 對測法換能器布置

由被測混凝土構件各測點的測距及檢測聲時，計算出各測點的聲速值，將各測點聲速值排序，x1≥x2≥…≥xn≥xn+1≥…，通常聲速較小值為可疑數據，將可以數據中的最大值xn連同其前面的數據按式（1）、（2）計算出mx及Sx值，并按式（3）計算異常情況的判斷值X0。

式（1）（2）中，xi—第i點的檢測數據；n—參與統計的測點數。

式（3）中λ1為異常值判定系數，可根據式（4）概率函數，由正態分布函數表查出對應統計個數n的λ1值。

當被檢測混凝土的某些測點超聲聲速為異常值時，再結合波形狀況及異常測點的分布情況判定混凝土內部的缺陷。

1.2 檢測試驗設計

試驗設計了兩個300×300×300 mm混凝土被測試件，分別埋入不同形狀的塑料泡沫形成混凝土內部缺陷，編號為QX-1、QX-2，同時制作材料相同的標準立方體試塊兩組，一組與被測試件同條件養護，用于測定混凝土強度和標準聲速，一組標準養護，用于測定混凝土強度。混凝土被測試件采用同力牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥、邢臺天然河砂、青石破碎石子配置，所用材料的技術指標詳見表1、2、3。混凝土配置強度等級為C30，水泥28d抗壓強度標準值Fce=55.8N/mm2，設計水灰比W/C=0.55，設計混凝土配合比，水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.68∶3.91∶0.55。對標準立方體試塊進行標準養護后，測其抗壓強度為34.2 MPa。

表1 同力牌P.O.42.5水泥技術指標

表2 邢臺砂技術指標

表3 青石破碎石子物理性質及粒徑

將被測試件分成兩組不同的對面，設定為X 對面、Y對面，將兩組對面劃分為50×50 mm寬檢測網格，并對檢測網格進行編號。試驗采用ZBL-U510非金屬超聲檢測儀進行超聲檢測。超聲儀預熱穩定后采用空氣聲速法對超聲檢測儀進行校驗，使用黃油作為換能器耦合劑，測定零聲時后按照《規程》推薦的對測試驗方法對被測試件進行檢測。試件制作及檢測過程見圖2所示。

圖2 超聲檢測試驗過程圖

2 試驗結果分析

《規程》中給定了不密實區和空洞檢測的一般檢測方法，但對缺陷的判定沒有統一有效的方法，只定性提出“當測位中某些測點的聲學參數被判為異常值時，可結合異常測點的分布及波形狀況確定混凝土內部存在不密實區和空洞的位置及范圍”[10]。論文運用投影面聲速等值線圖、缺陷標識圖、缺陷標識三視圖對檢測結果進行深入分析，為進行混凝土內部缺陷檢測的工程運用提供更為有效的方法。

2.1 檢測結果分析

按照《規程》提供的對測法進行超聲檢測，采用統計法對檢測結果進行異常值判別。為了使檢測數據便于工程分析與應用，論文將檢測數據按照兩個檢測對面進行編號，并將判定的異常數據在對應的單元格中進行標識，同時繪制檢測投影面超聲聲速等值線圖，以圖像方式呈現檢測結果。如圖3、圖4所示，通過試件檢測投影面聲速等值線圖，可以清晰地看到投影面上超聲聲速的分布情況，可以在圖上分析被測構件檢測投影面上的內部缺陷及其質量分布情況；在檢測投影面缺陷標識圖中可以清晰地標識出異常聲速所在位置。檢測出的異常值位置與埋入缺陷位置吻合。投影面檢測聲速值代表了該投影面上，超聲脈沖通過整個混凝土被測試件后所承載的混凝土內部質量信息，將一個三維空間狀態投影到一個平面上進行顯示，應用該方法可以分析該檢測部位混凝土的內部缺陷情況，但對于內部缺陷的三維空間位置在單個投影面上無法有效表達。

圖3 QX-1試件X、Y投影面缺陷檢測結果分析圖

圖4 QX-2試件X、Y投影面缺陷檢測結果分析圖

2.2 構建缺陷檢測三視圖

三視圖是工程師常用的三維空間表達方法，工程上一般規定V面投影圖為前視圖，H面投影圖為俯視圖，W面投影圖為左視圖，如圖5所示方式表達。試驗將被測構件兩垂直面上的缺陷標識圖運用三視圖思想構建缺陷檢測三視圖，用以分析混凝土結構內部缺陷的三維空間位置。

圖5 三視圖一般布置方式

X、Y兩個檢測對面為混凝土被測試件相鄰且相互垂直的兩組對面，將每組對面的檢測數據投影到一個面上，并將其作為三視圖中的一個視圖，從而建立缺陷檢測三視圖。令X投影面為前視圖、Y投影面為右視圖，將與X、Y投影面均垂直的被測構件的橫斷面設為Z面，令Z投影面為俯視圖。為形象地表達被測構件各投影面的三維空間關系，以展開圖的方式重新組合三視圖。以Z投影面俯視圖為中心，其下方布置X投影面即前視圖，其左側布置Y投影面即右視圖，形成用于缺陷檢測結果表達的三視圖空間，如圖6所示。將新構建的缺陷檢測三視圖的X、Y面向內折疊90°，即還原形成了檢測構件的空間外形。

圖6 缺陷檢測三視圖布置方式

2.3 檢測成果的三視圖三維分析

將各缺陷試件的X投影面缺陷標識圖繪制到前視圖位置，Y投影面缺陷標識圖繪制到右視圖位置，運用三視圖繪圖原理，在Z投影面上補充繪制俯視圖，得到完整的三視圖，如圖7所示。從圖中可以清晰地看到缺陷標識在構件中的三維空間位置。缺陷標識是以測點網格為單元的，測點網格單元越密，測點越多，對內部缺陷的形狀位置表達越準確。

圖7 各試件缺陷標識三視圖

3 結論

論文通過試驗研究，運用投影面聲速等值線圖、投影面缺陷標識圖、被測試件內部缺陷標識三視圖，改進了《規程》中原有的超聲檢測混凝土內部缺陷結果的分析評價方法，實現了檢測結果的可視化。

①運用投影面聲速等值線圖，可以分析被測構件在檢測區域投影面內超聲脈沖聲速的分布情況。當被測構件檢測區域內存在不密實區或者其他缺陷時，結合檢測異常值判別方法，可以直觀地分析混凝土內部缺陷位置；當被測構件檢測區域內沒有明顯異常值時，可以通過投影面聲速等值線圖分析混凝土構件檢測區域的內部質量分布情況。

②運用投影面缺陷標識圖，可以在投影面上標出檢測異常值所在位置，結合檢測異常值的具體數值，分析投影面存在的內部缺陷。投影面缺陷標識圖以檢測網格單元為單位，檢測點越多、檢測網格單元越小，對投影面存在的缺陷表達越準確。

③借鑒三視圖思想，構建了混凝土被測試件內部缺陷標識三視圖，可以對被測構件內部缺陷進行三維表達。將實測投影面缺陷標識圖作為三視圖的前視圖和右視圖，運用三視圖繪圖原理，補充繪制俯視圖，得到完整的混凝土內部缺陷三視圖，可以清晰地表達混凝土內部缺陷在構件中三維空間位置。