預制構(gòu)件底部接縫灌漿質(zhì)量高頻小直徑超聲檢測法研究

石平府，顧 盛，張 軍，張 健，潘永東

（1.南京市建筑安裝工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇 南京 210007；2.昆山市建設工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 昆山 215337；3.同濟大學 航空航天與力學學院，上海 200092）

0 引 言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中存在必不可少的節(jié)點及接縫，將預制構(gòu)件連接成整體，達到“等同現(xiàn)澆”的設計要求，因此構(gòu)件連接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的關鍵環(huán)節(jié)［1，2］。其中，底部接縫是上下層預制構(gòu)件現(xiàn)場拼裝時的預留縫，用不流動的、不收縮的封縫座漿料將預留縫四周密封或分隔成多段分別進行密封形成連通腔，再向連通腔內(nèi)灌注水泥基灌漿料從而實現(xiàn)連接。

底部接縫高度較小，一般為 20 mm，寬度等于預制構(gòu)件厚度，用現(xiàn)有超聲法檢測底部接縫灌漿缺陷存在一定困難：①底部接縫缺陷尺寸較小，現(xiàn)有超聲換能器工作頻率較低，一般為 50～100 kHz，超聲波容易繞過缺陷，還會導致靈敏度和分辨力低、能量集中等缺點，對底部接縫中的缺陷識別能力較弱；②現(xiàn)有超聲換能器直徑偏大，目前普遍使用的 50 kHz 換能器直徑為 40 mm，無法適用于底部接縫的高度，檢測結(jié)果可能是底部接縫上部混凝土的缺陷情況；③底部接縫介質(zhì)環(huán)境復雜，檢測時常常受到鋼筋、墊塊、封縫料、PVC 線管等多因素耦合影響［3］。

本文基于 CECS21∶2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》［4］選用了兩種新型的高頻小直徑超聲換能器：一種端頭直徑為 10 mm，工作頻率為 750 kHz；另一種為端頭直徑 17 mm，工作頻率為 500 kHz 的坐地式高頻小直徑超聲換能器，對預制構(gòu)件底部接縫處的缺陷進行了檢測。高頻小直徑換能器能更好地貼合底部接縫，且工作頻率高，提高了檢測的靈敏度和對缺陷的識別能力。

1 實驗室檢測研究

1.1 檢測方法簡介

1.1.1 檢測原理

根據(jù)豎向預制構(gòu)件底部接縫在幾何空間、材料組成等方面的特點，其灌漿質(zhì)量宜采用小直徑高頻超聲傳感器法檢測，所用換能器的直徑不應超過 15 mm，工作頻率不應低于 250 kHz，不宜高于 750 kHz，選用超聲對測法，根據(jù)現(xiàn)行中國工程建設標準協(xié)會標準 CECS 21∶2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》檢測評定。

圖1 為對測法檢測混凝土墻內(nèi)部缺陷的聲傳播路徑示意圖，在傳播過程中遇到孔洞、多孔泡沫、塑料墊塊、PVC 線管等低聲速區(qū)時，聲波便會沿著缺陷繞射，導致聲時、波幅、波形等參數(shù)發(fā)生變化。具體檢測時，測取聲時、波速、波形等參數(shù)，來判斷各點位是否存在缺陷。

圖1 低聲速缺陷超聲檢測的聲傳播路徑示意圖

1.1.2 高頻小直徑超聲換能器

高頻小直徑超聲換能器優(yōu)勢在于：①換能器采用小直徑微型結(jié)構(gòu)，能很好地貼合底部接縫的側(cè)表面進行檢測；②工作頻率高，穿透能力更強，大大提高了超聲檢測的靈敏度和分辨力，對缺陷的識別能力更強；③在金屬外殼位于高頻插座一側(cè)的表面設置有手持部，手持部的直徑小于金屬外殼位于金屬電極片一側(cè)表面的直徑，使得手持部與地面之間具有間隙，便于手持操作以調(diào)整位置，更加方便。換能器構(gòu)造圖如圖2 所示，實物圖如圖3 所示。

圖2 高頻小直徑超聲換能器構(gòu)造圖

圖3 超聲換能器實物圖

小直徑超聲傳感器法主要適用于預制剪力墻底部接縫灌漿質(zhì)量檢測；對于預制柱底部接縫灌漿質(zhì)量檢測，超聲測距不應＞500 mm ，由于提高了換能器的工作頻率，測距＞500 mm 后會導致超聲波衰減明顯，波形平坦無起伏，首波采集困難；對于預制夾心保溫剪力墻底部接縫灌漿質(zhì)量檢測的實用性，還需進一步研究。

1.1.3 試件設計

1）預制剪力墻底部接縫。實驗室成型了1塊預制剪力墻底部接縫構(gòu)件，構(gòu)件內(nèi)預先埋設缺陷，構(gòu)件尺寸為1750mm×200mm×20mm，灌漿齡期到達 7 d 后，沿構(gòu)件長度方向布置測點并編號，測點距離為 50 mm，如圖4 所示。

圖4 剪力墻底部接縫構(gòu)件

2）預制柱底部接縫。實驗室還成型了1塊預制柱底部接縫構(gòu)件，構(gòu)件內(nèi)預先埋設缺陷，構(gòu)件尺寸為 500 mm×500 mm×20 mm，灌漿齡期到達 7 d 后，在構(gòu)件相鄰側(cè)邊分別布置測點并編號，測點間距為50 mm。如圖5 所示。

圖5 預制柱底部接縫構(gòu)件

1.2 檢測結(jié)果分析

1.2.1 預制剪力墻底部接縫

1）使用小直徑超聲傳感器法進行盲測，檢測結(jié)果如表1、圖6 所示。分析數(shù)據(jù)可得：06、12、31 號測點處超聲波聲速明顯降低，波幅值減小，波形前幾周起伏比較小；29、30 號測點處超聲波聲速大幅度降低，波幅值減小，波形幾乎沒有起伏，呈一條水平直線，出現(xiàn)首波丟波的情形。以聲時或波速做為主要判斷依據(jù)，波幅、波形做為輔助判斷，可以判斷出 06、12、29、30、31 可能存在缺陷。圖7 為缺陷實際位置。

2）以可疑點為中心，相鄰正常測點為邊界向兩側(cè)擴散補畫測點進行加密復測，新增測點間距為 2 cm，檢測結(jié)果如表2、圖8 所示，圖9 為缺陷實際位置。分析檢測數(shù)據(jù)可得：05-02、11-02號測點超聲波聲速明顯降低，波幅值正常，波形前幾周起伏較小；28-01、28-02、29-01、29-02、30-01 號測點聲速大幅度降低，波幅大幅度減小，波形幾乎沒有起伏；呈一條水平直線，出現(xiàn)首波丟波的情形；30-02 號測點聲速明顯降低，波幅大幅度減小，波形前幾周起伏較小。結(jié)合上一節(jié)的數(shù)據(jù)可推斷出缺陷位置分布在 05-01 與 06-01 區(qū)間內(nèi)、11-01 與 12-01 區(qū)間內(nèi)、28 與 31-01 區(qū)間內(nèi)。

表1 剪力墻底部接縫構(gòu)件的盲測結(jié)果

圖6 各測點對應的波列圖

圖7 剪力墻底部接縫預制構(gòu)件的缺陷實際位置

表2 可疑點加密復測結(jié)果

圖8 各測點對應的波列圖

圖9 缺陷實際位置

圖10 預制柱底部接縫構(gòu)建的缺陷實際位置

3）對比可得：檢測確定的缺陷位置與缺陷實際位置吻合。

1.2.2 預制柱底部接縫

1）使用小直徑超聲傳感器法對 1-9 號測點進行盲測，檢測結(jié)果如表3、圖11 所示。分析數(shù)據(jù)可得，02、04、05、06 號測點處超聲波聲速明顯降低，為可疑點，可能存在缺陷。圖9 為缺陷實際位置。

表3 預制柱底部接縫構(gòu)件 1-9 號測點盲測結(jié)果

圖11 預制柱底部接縫構(gòu)件 1-9 號測點對應波列圖

2）使用小直徑超聲傳感器法對A-I測點進行盲測，檢測結(jié)果如表4、圖12 所示。分析數(shù)據(jù)可得，D、E、F測點處超聲波聲速降低，為可疑點，可能存在缺陷。

3）對比可得：檢測確定的缺陷位置與缺陷實際位置吻合，02號測點測得缺陷為塑料墊塊，04、05、06、D、E、F測點測得缺陷為構(gòu)件中間的孔洞缺陷。

表4 預制柱底部接縫構(gòu)件 A-I 號測點盲測結(jié)果

圖12 預制柱底部接縫構(gòu)件 A-I 號測點對應波列圖

1.3 檢測能力驗證

設計制作 1 塊采用連通腔灌漿的剪力墻試件，試件底部接縫尺寸為 1 500 mm×200 mm×20 mm，底部接縫中預先埋設缺陷，如圖13 所示。

圖13 剪力墻試件

1）灌漿齡期到達 7 d 后，沿試件長度方向布置測點并編號，測點距離為 100 mm。使用小直徑超聲傳感器法進行盲測，檢測結(jié)果如表5、圖14 所示。分析數(shù)據(jù)可得，05 號測點處超聲波聲速明顯降低，為可疑點，可能存在缺陷。

2）以可疑點為中心，相鄰正常測點為邊界向兩側(cè)擴散補畫測點進行加密復測，新增測點間距為 2 cm，檢測結(jié)果如表6、圖15 所示。分析檢測數(shù)據(jù)可得：04-01、04-02、04-03、04-04、05-01 號測點處聲速明顯降低，可以推斷處缺陷位置分布在 04 與 05-02 區(qū)間內(nèi)，換算成長度為 400 mm～520 mm。

表5 盲測結(jié)果

圖14 各測點對應波列圖

表6 加密復測結(jié)果

圖15 加密復測各測點對應波列圖

4）與缺陷的預設位置進行對比驗證，檢測確定的缺陷位置與缺陷預設位置吻合。

2 工程驗證實例

2.1 概述

常熟市某項目 6# 樓為裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)已施工至地上 18 層。為進一步驗證改進超聲法的可靠性和準確性，研究小組對 6# 樓 18 層剪力墻底部接縫灌漿質(zhì)量進行檢測。

本次驗證試驗檢測對象為 6# 樓 18 層 YJQ-7-04 剪力墻構(gòu)件，如圖16 所示，剪力墻采用 GT16 型半灌漿套筒，套筒呈“梅花樁形”布置，采用連通腔灌漿，底部接縫高度為 20mm。檢測儀器采用海創(chuàng)高科 HC-U81混凝土超聲波檢測儀，探頭使用坐地式高頻小直徑超聲換能器，發(fā)射、接收換能器端頭直徑為 17 mm，發(fā)射、接收換能器工作頻率為 500 kHz。

圖16 工程現(xiàn)場的剪力墻底部接縫

沿剪力墻構(gòu)件長度方向布置測點并編號，各測點位于底部接縫高度中心位置處，相鄰測點間距為 150 mm，共 15 個測點。參照 CECS 21∶2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》，采用對測法進行檢測，將坐地式高頻小直徑換能器涂抹耦合劑后依次置于各測點處，采集各測點處的聲時、聲速、波幅、波形參數(shù)。

2.2 檢測結(jié)果及其分析

各測點的檢測結(jié)果如表7、圖17 所示，分析數(shù)據(jù)可得：05 號測點處超聲波聲速明顯降低，波幅值減小，波形前幾周起伏比較??；06 號測點處超聲波聲速明顯降低，波幅值減小，波形前幾周起伏比較??；07、08 號測點處超聲波聲速大幅度降低，波幅值大幅度減小，波形沒有起伏，呈水平的直線，出現(xiàn)首波丟波的情形。以聲時或波速做為主要判斷依據(jù)，波幅、波形做為輔助判斷，可以判斷 YJQ-8-04 剪力墻底部接縫在 05、06、07、08 號測點有缺陷。

表7 工程現(xiàn)場剪力墻底部接縫超聲對測的檢測結(jié)果

圖17 工程現(xiàn)場的剪力墻底部接縫超聲對測的檢測結(jié)果

如圖18 所示，05、06、07、08 號測點均有 PVC 線管穿過，這些點位的檢測結(jié)果與實際情況相符。

3 結(jié) 論

1）預制構(gòu)件底部接縫寬度一般不大于 20 mm，本文采用了直徑為 10 mm 與 17 mm 的兩種高頻小直徑超聲換能器，可以很好地適應預制構(gòu)件底部接縫的構(gòu)造特點，主要適用于預制剪力墻結(jié)構(gòu)。對于預制柱底部接縫的缺陷檢測，測點間距不能大于 500 mm，否則會出現(xiàn)首波丟波的情形，對檢測造成困難。

圖18 檢測結(jié)果驗證

2）本文采用的高頻小直徑超聲換能器工作頻率范圍為 500～750 kHz，能夠有效識別孔洞缺陷、多孔泡沫、塑料墊塊、PVC 線管等低聲速缺陷，不能識別鋼筋，缺陷的形狀和分布類型并不影響檢測效果。由檢測數(shù)據(jù)推測得到的缺陷位置與預設缺陷位置基本吻合，因此，應用高頻小直徑超聲探頭對測能夠可靠地發(fā)現(xiàn)預制構(gòu)件底部接縫的灌漿缺陷，且檢測精度符合工程要求。

3）高頻小直徑超聲換能器檢測豎向預制構(gòu)件底部接縫缺陷時，測點間距越小，發(fā)現(xiàn)缺陷概率越大。