超聲相控陣技術(shù)在混凝土構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測中的應(yīng)用

甘可

廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司 廣東 廣州 510000

引言

近幾年，建筑工業(yè)化水平大幅提高，社會對住宅的需求量與之俱增，兼具環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點的裝配砼結(jié)構(gòu)得到廣泛運用。考慮到該結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)離析、裂縫等質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致建筑安全性受到影響，如何對其進行快速且準確地檢測，便成為人們關(guān)注的焦點。在此背景下，超聲相控陣應(yīng)運而生，使用該技術(shù)檢測砼構(gòu)件，可在保證檢測準確率的前提下，最大程度提升檢測速度，圍繞其展開討論自然很有必要。

1 超聲相控陣的檢測原理

砼構(gòu)件缺陷檢測強調(diào)利用光學(xué)、聲學(xué)以及輻射等手段，對構(gòu)件物理量進行測定，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)測定所得物理量對構(gòu)件性能及是否存在缺陷進行推定。相關(guān)成像儀的核心元件為超聲探頭晶片，晶片按照一定順序排列，隨著晶片被逐個激活，成像儀將形成超聲波陣面，工作人員只需調(diào)整聲束方向及形狀，便可以完成偏轉(zhuǎn)、掃描或是聚焦波束的操作[1]。該技術(shù)具有以下特點：一是由多個形狀不同的多陣元換能器負責(zé)接收、發(fā)射超聲波數(shù)。二是只需調(diào)整換能器接收、發(fā)射脈沖的時間，便能夠使聲波相位關(guān)系發(fā)生改變，隨著聲束、焦點方向出現(xiàn)變化，成像儀所能起到的作用也將有所不同。三是通過電子+機械掃描的方式生成圖像，確保構(gòu)件內(nèi)部缺陷得到完整且直觀的反應(yīng)。四是該技術(shù)不需要使用耦合劑，只需酌情布置測點便能夠得出相應(yīng)結(jié)論，但檢測結(jié)果極易被構(gòu)件邊界所影響，有關(guān)人員應(yīng)對此有所了解。

2 超聲相控陣的影響因素

2.1 橫波檢測

砼構(gòu)件內(nèi)部的超聲波，通常以縱波、橫波或是瑞利波的形式而存在。不同波對應(yīng)不同傳播速度，其中，傳播速度最快的是縱波，其次是橫波，最后是瑞利波，橫波約為縱波的60%，瑞利波約為縱波的55%[2]。該技術(shù)所發(fā)射超聲波多為與波前方向相垂直的橫波。橫波滿足以下關(guān)系：

上述公式中，v代表傳播速度，單位是m/s。f代表頻率，單位是Hz。λ代表波長，單位是m。以往超聲檢測所使用波多為縱波，本文所討論技術(shù)則創(chuàng)造性地使用了橫波，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面：首先是橫波散射明顯弱于縱波，可嚴格控制檢測噪聲分貝。其次是識別能力極為突出。最后是同頻率橫波長度僅為縱波的60%左右，可使缺陷得到直接反映。

2.2 陣列系統(tǒng)

該系統(tǒng)由控制單元、換能器陣列共同組成，其中，換能器陣列分為八個功能模塊，每個模塊所對應(yīng)換能器的數(shù)量均為四個，元件的長邊中心距是30mm、對應(yīng)短邊中心距是25mm[3]。由計算機選定發(fā)射信號的換能器，剩余換能器則負責(zé)接收信號并反射超聲波，隨后，便可根據(jù)反射超聲波對界面位置加以確定。

2.3 橫波衰減

進入砼構(gòu)件內(nèi)部后，聲波將出現(xiàn)散射和擴散等情況，其能量極易被傳播距離所影響，進而使檢測結(jié)果所具有準確性受到影響。

2.3.1 聲波反射。橫波衰減計算公式如下：

該公式中，N代表橫波強度。N0代表原始強度。Q代表實測衰減系數(shù)。L代表傳播距離，其中，衰減程度與傳播距離的關(guān)系為正相關(guān)。

2.3.2 散射衰減。傳播過程中，超聲橫波會被顆粒所影響，進而出現(xiàn)折射或反射的情況，導(dǎo)致能量衰減。研究表明，能量衰減程度主要取決于波長及顆粒尺寸。

2.3.3 吸收衰減。砼構(gòu)件材料具有吸收橫波的特點，會造成能量衰減。構(gòu)件各質(zhì)點通過互相摩擦、碰撞的方式傳遞能量及超聲波，介質(zhì)具有黏滯性并且混凝土存在極強的導(dǎo)熱性，因此，粒子振動將加快聲能向熱能轉(zhuǎn)換的速度，并通過熱能傳導(dǎo)的方式影響聲能。相關(guān)公式如下：

上述公式中，Q代表衰減系數(shù)。b代表相關(guān)系數(shù)。f代表頻率。分析該公式可知，砼衰減系數(shù)與橫波頻率的關(guān)系為正相關(guān)，橫波衰減會隨著頻率的增大而增大，與此同時，橫波穿透性將受到影響，探測范圍隨之縮小。正常情況下，應(yīng)將橫波頻率控制在25～50kHz之間，確保檢測范圍及深度符合預(yù)期。

2.3.4 擴散衰減。聲束擴散角度相對固定，進入構(gòu)件內(nèi)部后，其擴散角度將隨著距離的延長而擴大，與此同時，能量所表現(xiàn)出擴散能力將有所增強，檢測能力則會受到負面影響。這里要了解一點，即橫波檢測能力主要取決于檢測頻率，因此，有關(guān)人員應(yīng)以缺陷規(guī)格、檢測深度為依據(jù)，對檢測頻率進行調(diào)整，以此來保證檢測所得結(jié)果具有實際意義。相關(guān)計算公式如下：

該公式中，S代表缺陷規(guī)格。v代表波速。f代表頻率。

3 試驗方法以及結(jié)果討論

3.1 試驗方法

3.1.1 剪力墻漿錨搭接。前期準備階段，研究人員用金屬材質(zhì)的波紋管制作了相應(yīng)的試件。其中，剪力墻的規(guī)格是1200×800×200mm，搭接剪力墻所使用豎向、水平鋼筋規(guī)格是8@200，采用雙排布置方案[4]。隨后，對試件進行為期28d的養(yǎng)護，并借助超聲相控陣成像儀檢測試件缺陷。在本項目中，為保證檢測結(jié)果具有實際意義，研究人員分別針對不同預(yù)埋缺陷坐標，對超聲相控陣的適用范圍、準確性進行了系統(tǒng)驗證，并根據(jù)兩種灌漿密實度設(shè)計了相應(yīng)的試驗。

3.1.2 疊合板。對疊合板進行檢測前，先要制作試驗所需試件，制作方法如下：第一步，使用C40混凝土制作試件。疊合板厚120mm，板面尺寸是1.4×2.8m，其中，試件疊合層的厚度控制在70mm左右，預(yù)制板的厚度以50mm為最佳。第二步，由研究人員在板頂模擬砼構(gòu)件常見內(nèi)部缺陷。在預(yù)制構(gòu)件、后澆砼之間安裝木板、硬紙皮，模擬構(gòu)件膠結(jié)效果不理想；在后澆砼內(nèi)安裝PVC管，模擬內(nèi)部缺陷。第三步，對試件進行為期28d的養(yǎng)護，隨后，便可以使用成像儀進行檢測。

3.1.3 焊縫。現(xiàn)階段，超聲相控陣已成為檢測焊縫缺陷的主要技術(shù)，有關(guān)人員可通過扇形掃描的方式，獲得相應(yīng)的缺陷圖像，隨后，對檢測圖像所具有特點進行總結(jié)，為日后類似工作的開展提供參考[5]。本次檢測的焊縫為T型角焊縫，存在坡口未熔合、裂紋和未焊透等缺陷。由于缺陷回波要通過二次反射才能最終確定，判別難度相對較大，研究人員提出先對探頭進行定位，并對探測角度加以確定，保證檢測所獲得圖像、定位清晰且準確。相關(guān)計算公式如下：

上述公式中，α代表開始角度。L代表標定原點與焊縫邊緣之間的距離。H代表構(gòu)件板厚。β代表結(jié)束角度。L1代表焊縫與腹板的距離或是腹板的實際厚度，單位是mm。

3.2 結(jié)果討論

3.2.1 剪力墻漿錨搭接。現(xiàn)將缺陷檢測結(jié)果匯總?cè)缦拢菏紫龋跈z測區(qū)不存在波紋管的情況下，200mm處出現(xiàn)了顏色突變信號，該信號是試件對側(cè)表面進行反射所形成的信號，而試件內(nèi)部并未出現(xiàn)反射信號。其次，檢測灌漿密實度為10%的區(qū)域可知，該區(qū)域在200mm深、80mm至120mm深的位置，分別出現(xiàn)了顏色突變信號，信號坐標符合預(yù)設(shè)坐標。最后，檢測灌漿密度為100%的區(qū)域可知，僅有80mm至120mm深的位置出現(xiàn)了顏色突變信號，由此可見，反射信號與灌漿密實度之間并不存在直接聯(lián)系，無論灌漿密實度為10%抑或是100%，波紋管附近均會出現(xiàn)反射信號，因此，根據(jù)反射信號判斷波紋管是否存在缺陷，通常難以保證判斷完全正確。

3.2.2 疊合板。考慮到澆筑試件的過程中，有一定概率出現(xiàn)缺陷位置偏移的情況，研究人員決定先對疑似缺陷進行檢測，再通過鉆芯法進行驗證，結(jié)果表明，使用儀器檢測人為設(shè)置缺陷的準確率為100%。分析可知，新舊砼在70mm處相交，空氣與疊合板底在120mm處相交，其中，新舊砼相交基準線周圍出現(xiàn)了顏色突變信號，這表示基準線周圍存在質(zhì)量缺陷。隨后，研究人員選擇使用成像儀檢測不存在缺陷的區(qū)域，分析檢測所獲得圖像可知，構(gòu)件疊合層整體顏色較為均勻，不存在突變信號，由此可見，該區(qū)域的質(zhì)量能夠達到預(yù)期水平。通過檢測能夠發(fā)現(xiàn)，疊合層有質(zhì)量缺陷的區(qū)域，其顏色突變程度較為明顯，對超聲波信號進行反射較為劇烈，這表示缺陷嚴重程度與反射劇烈程度的關(guān)系為正相關(guān)，另外，對出現(xiàn)顏色突變信號的部位進行驗證可知，該區(qū)域芯樣存在明顯的質(zhì)量缺陷。

3.2.3 焊縫。將結(jié)束角度定為70°，沿焊縫邊移動探頭，可做到掃描全覆蓋，此時，探頭發(fā)現(xiàn)焊縫存在回波信號。在不改變實驗參數(shù)的情況下，分析檢測圖可知，裂紋開口未達到2mm，且25mm圍存在連續(xù)缺陷，符合實際情況。隨后，對標定原點與缺陷中心的距離進行計算可知，兩點相距46mm左右，對比實測結(jié)果可知，計算結(jié)果較為精確。

另外，該技術(shù)還可以被用來對以下焊縫缺陷進行檢測。一是氣孔。研究人員先結(jié)合模擬檢測、聲場覆蓋區(qū)域，對探頭位置加以確定，再通過相控陣對構(gòu)件進行掃描。結(jié)果表明，使用該技術(shù)檢測氣孔缺陷的準確率極高，只需觀察檢測圖像便能夠得出相應(yīng)的結(jié)論，氣孔多呈橢圓形或圓形，具有尺寸小、過渡快和邊界清晰的特點，缺陷中間部位的強度相對較高，且后端往往接有衍射波，可隨探頭的移動而移動。二是裂紋。對裂紋進行檢測所獲得圖像的質(zhì)量，通常取決于裂紋、聲束之間形成的角度，如果取向不科學(xué)，則無法保證聲束將檢測所發(fā)現(xiàn)缺陷信號及時反射回來，進而出現(xiàn)漏檢的問題。由此可見，在裂紋檢測過程中，研究人員應(yīng)立足實際，對裂紋、探頭角度進行調(diào)整，保證檢測所獲得圖像具有良好的質(zhì)量。將裂紋缺陷、聲束所形成夾角的度數(shù)固定在90°，通常可以獲得完整且準確的圖像。三是夾渣。該缺陷的圖像并不規(guī)則，具有亮度低和邊緣相對模糊的特點，圖像周圍存在數(shù)個衍射波。分析檢測結(jié)果可知，夾渣和裂紋所對應(yīng)圖像大致相同，但夾渣缺陷周圍衍射波并不規(guī)則。四是未焊透。分析檢測圖像可知，該缺陷多呈橢圓形，在移動探頭的過程中，將有一定概率出現(xiàn)粗線條及衍射波，且衍射波與反射回波之間的重合度極高。五是未熔合。對該缺陷進行檢測和判定的難度較低，這是因為其圖像多呈條狀或橢圓狀，具有邊緣不圓滑和中心亮度高等特點。

4 結(jié)束語

本文主要討論了使用超聲相控陣檢測砼構(gòu)件缺陷的方法。現(xiàn)將研究所得出結(jié)論歸納如下：首先，使用該技術(shù)檢測剪力墻、疊合板及焊縫缺陷的準確率較高，可快速發(fā)現(xiàn)構(gòu)件所存在的孔洞、膠結(jié)不良等質(zhì)量缺陷。其次，由于金屬材質(zhì)的波紋管具有一定的屏蔽性，因此，使用該技術(shù)檢測金屬波紋管缺陷的效果并不理想。最后，該技術(shù)可被用來對構(gòu)件澆筑情況進行檢測，但要注意一點，如果檢測面是弧面，則有一定概率發(fā)生漏檢的問題，應(yīng)仔細核實。