裝配式鋼筋混凝土疊合板構件缺陷檢測方法

汪 陽，孟令凱，呂光大，劉欣陽

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100076）

裝配式混凝土結構具有施工周期短、綠色環保等優勢，被廣泛應用于我國建筑工程施工中。與現澆混凝土構件相比，裝配式疊合板構件現場施工強度更低、模板利用率更高，而疊合板構件的質量是影響裝配式鋼筋混凝土建筑結構整體性能的關鍵。然而在疊合板構件制作過程中，需要在構件中設置照明、消防、給水等系統的預埋件，如果預埋件位置出現偏差或者混凝土振搗不充分等，就會導致疊合板構件在使用過程中發生空洞、脫空等缺陷，嚴重威脅鋼筋混凝土疊合板構件的抗震性能。因此，對疊合板構件缺陷進行檢測，獲取缺陷位置與大小，對保障裝配式鋼筋混凝土建筑的穩定性與安全性至關重要。

1 超聲波技術檢測疊合板構件缺陷

1.1 采集疊合板構件超聲波探測參數

超聲波就是頻率在20kHz 以上的聲波，從力學特性看，裝配式鋼筋混凝土疊合板構件屬于彈-粘-塑性體，當超聲波在內部傳播時，會在疊合板構件內部結構產生一系列聲學現象，從而激發出彈性波，所以根據接收波信號即可掌握疊合板構件內部缺陷分布情況，本文引入超聲波技術設計一種裝配式鋼筋混凝土疊合板構件缺陷無損檢測方法[1]。首先需要搭建一個主動超聲檢測裝置，用于完成超聲波在疊合板構件中的傳輸，其結構如圖1 所示。

圖1 主動超聲波檢測裝置示意圖

本文采用的主動超聲檢測裝置是通過儀器發射出周期性的超聲波，當超聲波經過疊合板構件的傳播后，被接收端所接收，并將接收信號顯示在儀器上，根據接收信號的相對變化即可判斷當下疊合板構件的質量[2]。超聲波探測參數主要包括聲速、頻率以及幅值[3]。

其中聲速的計算公式如下

式中vc——超聲波在疊合板構件中傳播的聲速；

L——超聲波在疊合板構件中傳播的距離；

t——超聲波在疊合板構件中傳播的時間。

當超聲波在疊合板構件中傳播時，受構件介質的影響，超聲波頻率與振幅會發生衰減，所以超聲波在疊合板構件中的衰減情況也可以反映構件的缺陷情況，那么超聲波頻率與振幅的衰減表達式為

式中P——超聲波經過疊合板構件傳播后的頻率；

P0——超聲波的發射頻率；

ε——超聲波的衰減系數；

f——超聲波經過疊合板構件傳播后的振幅；

f0——超聲波的發射振幅。

本文通過主動超聲波檢測裝置采集了一系列裝配式混凝土疊合板構件的超聲波探測參數，根據不同質量疊合板構件的超聲波探測參數即可實現缺陷無損檢測。

1.2 疊合板構件缺陷判定

在利用超聲波技術檢測裝配式鋼筋混凝土疊合板構件缺陷時，合理的判據至關重要，一般來說，文中上述內容采集的疊合板構件超聲波探測參數具有一定的波動性[4]，無法制定一個統一的缺陷判定標準，所以本文多因素判據法（NFP法）進行疊合板構件缺陷的判定。理論上認為，當超聲波經過裝配式鋼筋混凝土疊合板構件傳播后，如果混凝土內部存在缺陷，會造成全部超聲波相關探測參數的改變，但在實際的檢測過程中，聲速、頻率、幅值這幾個參數有可能僅有一到兩個發生變化，所以如果僅采用單一因素進行缺陷判定，有可能會導致檢測結果存在嚴重誤差，本文采用了多因素判據法。首先根據下式求出多超聲波探測參數的綜合判斷值NFP，然后對裝配式鋼筋混凝土疊合板構件缺陷的綜合判據值進行夏里埃分布檢驗，如果式（4)所求NFP（n)在1 以下，且N在100 以下，那么表示當前為不可能發生事件卻發生了，所以檢測點存在缺陷。那么根據多因素判據法對疊合板構件檢測數據進行處理后，可以得到圖2 所示的缺陷示意圖。

圖2 某疊合板構件缺陷示意圖（NFP法）

式中NFP（n)——疊合板構件第n個檢測點的綜合判據值；

N——檢測點總數；

μ——概率保證系數；

δ——超聲波聲速、頻率、幅值的乘積標準差。

如圖所示，采用NFP判據法對疊合板構件的超聲波探測參數進行缺陷判定時，可清晰掌握缺陷的形狀與大小[5]，所以本文設計超聲波技術可以實現裝配式鋼筋混凝土疊合板構件的缺陷檢測。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

為驗證本文設計裝配式鋼筋混凝土疊合板構件缺陷檢測方法的有效性，搭建超聲波檢測平臺，進行實際的鋼筋混凝土疊合板構件檢測實驗，并采用傳統鉆孔檢測法做為實驗對照組，根據實驗結果對本文設計方法的性能做出判定。受篇幅因素等限制，本次實驗不對各個缺陷類型逐個展開實驗研究，僅針對疊合板構件的空洞缺陷進行實驗對比分析。首先，實驗制作了兩個基本一致的鋼筋混凝土疊合板試件，混凝土強度為C35，疊合板試件尺寸為2.1m×1.6m×1.2m，在兩個疊合板試件上分別設置2 個人工長方體的空洞缺陷，缺陷厚度分別為25mm、50mm，如圖3 所示。

圖3 疊合板試件缺陷設置方式

如圖3 所示，這兩個空洞缺陷位置、形狀、大小完全相同的鋼筋混凝土疊合板構件為本次實驗所使用的試件，其中試件1 采用本文設計超聲波檢測方法進行缺陷檢測，試件2 采用鉆孔檢測方法進行缺陷檢測，為保證本次實驗結果的可信性，兩種缺陷檢測方法的測點分布位置也保持一致，如圖4 所示。

圖4 疊合板試件測點布置示意圖

如圖4 所示，本次實驗中每一個疊合板試件均布置了10 個檢測點，理論上C2、C7 測點可檢測到厚度為25mm 的空洞缺陷，C4、C9 測點可檢測到厚度為50mm 的缺陷。然后分別采用實驗組方法與對照組方法對這兩個試件的缺陷進行檢測，并詳細分析檢測結果[6]。

2.2 結果分析

當采用本文設計方法檢測鋼筋混凝土疊合板構件的空洞缺陷時，根據各測點的檢測結果顯示，疊合板構件超聲波的波形有以下兩種，如圖5、圖6 所示，鋼筋混凝土疊合板構件的空洞缺陷區域對超聲波幅值的影響較大，超聲波通過正常區域時與空洞區域時的波形存在顯著差異，所以本文設計方法可以實現裝配式鋼筋混凝土疊合板構件的空洞缺陷檢測[7]。

圖5 超聲波通過正常區域時的波形

圖6 超聲波通過空洞區域時的波形

為進一步驗證該方法的檢測精度，采用下式分別計算出各測點下疊合板構件空洞缺陷厚度的檢測值

式中H——鋼筋混凝土疊合板構件內部空洞的厚度；

t1——超聲波通過存在空洞缺陷疊合板構件的時間；

t2——超聲波通過無缺陷疊合板構件的時間；

v0——超聲波在空氣中的聲速[8]。

求得疊合板構件空洞缺陷厚度的檢測值，同時記錄下鉆孔檢測現場各測點下空度缺陷厚度的檢測值，并與實際數據進行對比，對比結果如圖7 所示。

圖7 不同方法的檢測結果對比

疊合板構件空洞厚度檢測值的最大誤差為2.6mm，發生在測試點C4，在3mm 以內，符合測試要求，而且設計方法的平均絕對誤差為1.88mm，較對照組方法降低了2.21mm，可見設計方法下的疊合板構件空洞厚度檢測值更為精確。與此同時，本文設計方法無需破壞疊合板構件即可完成了缺陷檢測，真正實現了疊合板構件的無損檢測，表明該方法具有一定可行性與可靠性[9]。

3 結語

超聲波檢測法可在裝配式鋼筋混凝土疊合板構件上進行無損檢測，檢測出疊合板構件的內部空洞、脫空等缺陷，且檢測效果良好，在裝配式建筑混凝土構件無損檢測領域有著廣泛的發展前景。對于本文設計的超聲波無損檢測方法而言，疊合板構件的邊界對超聲波信號具有約束，同時超聲波檢測裝置中接收的超聲波信號存在噪聲，均在一定程度上影響疊合板構件缺陷檢測結果的準確性，所以今后將針對如何有效消除邊界約束與噪聲信號進行深入研究，從而提升疊合板構件檢測方法的適用性。