超聲波透射法檢測(cè)裝配式結(jié)構(gòu)缺陷的試驗(yàn)研究

鄭茗旺 項(xiàng)馳軒 王奎華，* 楊學(xué)林 余亞超 王亞輝

（1.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058；2.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006；3.浙江寶業(yè)現(xiàn)代建筑工業(yè)化制造有限公司，紹興 312030）

0 引 言

裝配式建筑作為一種新興的節(jié)能型建筑方式，優(yōu)點(diǎn)眾多，得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，代表了建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步的方向。為了保證裝配式建筑安全正常使用，預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)連接的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

預(yù)制構(gòu)件常采用工廠預(yù)制好的構(gòu)件，然后使用綁扎鋼筋及澆筑混凝土的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接。拼接過(guò)程中由于人工失誤如澆筑的混凝土振搗不密實(shí)，常導(dǎo)致澆筑混凝土的部分呈現(xiàn)蜂窩狀從而影響到結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。如果不能找出問(wèn)題所在，很容易出現(xiàn)安全事故。

預(yù)制構(gòu)件連接質(zhì)量的好壞取決于澆筑是否密實(shí)，因此，需要一種合理可靠的預(yù)制構(gòu)件定量的檢測(cè)方法，對(duì)裝配式建筑關(guān)鍵預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接質(zhì)量檢測(cè)，從而避免安全事故的發(fā)生。

目前的建筑行業(yè)里，常使用超聲波進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。工程中，超聲波儀器多使用發(fā)射器（Transmitter，T）與接收器（Receiver，R）組合的換能器進(jìn)行測(cè)試，原因在于價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及容易保養(yǎng)。超聲波儀器中，基于發(fā)射器-接收器（TR）換能器裝置分離測(cè)試的方法，可分為透射法（Transmission Method）及脈沖回波法（Pulse Echo Method），通過(guò)實(shí)測(cè)聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的波速、頻率和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的相對(duì)變化，對(duì)結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行檢測(cè)［1-3］。透射法是把發(fā)射器和接收器各別安放在構(gòu)件兩側(cè)自由端的操作面上（具體參見(jiàn)圖1），而脈沖回波法是把發(fā)射器和接收器分別安放在構(gòu)件同一自由端的操作面上（具體參見(jiàn)圖2）。

圖1 超聲波透射法的概念圖Fig.1 Concept drawn of the transmission method

圖2 超聲波脈沖回波法的概念圖Fig.2 Concept drawn of the pulse echo method

使用T-R換能器裝置分離的超聲波儀器進(jìn)行脈沖回波法試驗(yàn)，由于換能器在同個(gè)操作面上，發(fā)射脈沖信號(hào)的同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生面波（Surface Wave）［4］，面波脈沖將覆蓋回波，這時(shí)候根本分不清缺陷位置和回波。R所接收到的時(shí)域信號(hào)極有可能是疊加的狀態(tài)，除了無(wú)法辨別波速之外，即使把時(shí)域信號(hào)進(jìn)行小波變換（Wavelet Transform）［5］得出時(shí)間與頻率及波幅的關(guān)系，也難以用這些參數(shù)的相對(duì)變化作為定量的標(biāo)準(zhǔn)。

1 超聲波透射法

1.1 超聲波透射法與沖回波法比較

超聲波透射法（圖1）與脈沖回波法（圖2）的不同之處在于超聲波透射法能有效地避開(kāi)面波疊加的影響?？梢詫?duì)R所接收到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行波速、頻率和波幅衰減等聲學(xué)參數(shù)的定性和定量分析。

1.2 室內(nèi)原型試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?/h3>

在模型試驗(yàn)中使用的超聲波儀器，為武漢巖海超聲波儀器，其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，如圖3所示，本文通過(guò)裝配式結(jié)構(gòu)中常用到的疊合墻，其厚度為203 mm。在疊合墻中，通過(guò)預(yù)埋塑料泡沫以模擬空隙缺陷，左列及右列分別對(duì)應(yīng)了兩行含格構(gòu)筋及兩行無(wú)格構(gòu)筋的缺陷區(qū)域。

圖3 疊合墻示意圖Fig.3 Schematic diagram of sandwich panel

表1 超聲波儀器的參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter of ultrasonic device

使用超聲波儀器進(jìn)行透射法檢測(cè)，對(duì)疊合墻無(wú)缺陷及4個(gè)缺陷區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)。儀器所得到的模擬信號(hào)通過(guò)模擬濾波器后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得出相應(yīng)的時(shí)域圖（具體參見(jiàn)圖5）。

為了探究不同的澆筑混凝土是否會(huì)影響透射法試驗(yàn)所得出的結(jié)果，就需要對(duì)澆筑后不同時(shí)間點(diǎn)的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)記錄。本文一共使用10組試模，制作出30個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的方形試塊。每一組抗壓強(qiáng)度都以3個(gè)矩形試塊的平均值為準(zhǔn)。然后，將9組試塊試模進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，剩下1組進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。最后，對(duì)所有的試塊進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，得出不同時(shí)刻下，灌漿體的軸壓強(qiáng)度，如圖4所示。其中，蒸汽養(yǎng)護(hù)28 d后的強(qiáng)度為52.4 MPa，其他時(shí)間下的強(qiáng)度可通過(guò)擬合線代入天數(shù)t得知。

圖4 不同時(shí)刻下，澆筑混凝土的軸壓強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 The relationship between axial compression strength of pouring concrete and time

1.3 數(shù)據(jù)采集

本文分別對(duì)澆筑后第1至7天以及第29天的時(shí)間段進(jìn)行透射法試驗(yàn)。其原因在于，工程上砼的養(yǎng)護(hù)周期為28 d，這期間混凝土強(qiáng)度的變化明顯。對(duì)此時(shí)間段內(nèi)的混凝土進(jìn)行透射法試驗(yàn)，以研究出不同強(qiáng)度的混凝土與透射法檢測(cè)波速之間的關(guān)系。

在超聲波透射法中，T-R換能器距離L為203 mm。如圖5（a）—（c）及圖6（a）—（c）所示，分別為無(wú)缺陷、10 mm缺陷厚度、20 mm缺陷厚度的時(shí)域及頻域圖典型代表。設(shè)置這三種不同缺陷是為了找出透射法檢測(cè)出的波速與缺陷空隙厚度的關(guān)系，并以此關(guān)系作為定量分析的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 透射法得出的時(shí)域圖Fig.5 The time domain from transmission method

圖6 透射法得出的時(shí)頻圖Fig.6 The time-frequency domain from transmission method

圖5中的Δt為脈沖波從T到R換能器所需使用的時(shí)間，其計(jì)算方式為

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的峰頻率在37.3 kHz左右，隨著缺陷厚度的增加，其峰頻率的幅值降低。

1.4 數(shù)據(jù)分析

混凝土的峰頻率可作為定性分析使用，但對(duì)于定量而言不可行，其原因在于不同儀器的T-R換能器所發(fā)射和接收的幅值都不相同，儀器供給T的電壓幅值不同，R所接收到的電壓幅值也大不相同。

在超聲波儀器的模擬濾波器設(shè)置相同濾波參數(shù)的情況下，使用波速進(jìn)行定量分析能較好地應(yīng)用于不同的超聲波儀器。如圖8所示，對(duì)第1至7天以及第29天不同預(yù)埋條件下（格構(gòu)筋的有無(wú)、澆筑混凝土的不同強(qiáng)度、內(nèi)含鋼筋與否）的混凝土進(jìn)行超聲波投射法檢測(cè)，最終歸納為三種不同缺陷厚度下的波速統(tǒng)計(jì)圖。

圖8所顯示的箱形圖，其符號(hào)含義如圖7所示，而圖8中的N則表示樣本采集數(shù)。其中，對(duì)于上界和下界的定值：

圖7 箱形圖說(shuō)明Fig.7 Explain of boxplot

其中，w為邊界長(zhǎng)度，在本文中，w=1.5。

圖8所使用的箱形圖，是通過(guò)MATLAB的boxplot函數(shù)［6］求得。而式（3）和式（4）是MATLAB的上下界定值，w=1.5為MATLAB的默認(rèn)值。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)只是一種手段，可以使用其他的方法，例如高斯正態(tài)分布圖或規(guī)范［2］所建議的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

圖8 缺陷厚度與波速關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.8 Statical result for the relation between flaw thinckness and wave velocity

如圖8所示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)出的疊合墻的正態(tài)分布圖，可以進(jìn)一步得到缺陷厚度Tflaw與使用超聲波透射法檢測(cè)疊合墻所得出的波速vwave的關(guān)系。通過(guò)統(tǒng)計(jì)出的中間值，作出vwave衰減擬合值：

從式（5）及圖8可知，擬合出來(lái)的系數(shù)ζ=3 634。當(dāng)ζ=3 634，Tflaw=0 mm時(shí)，vwave=3 974 ms-1；當(dāng)ζ=3 634，Tflaw趨向于無(wú)限大時(shí)，vwave=340 ms-1，接近于聲波在空氣中傳播的速度。

2 結(jié) 論

通過(guò)超聲波透射法進(jìn)行試驗(yàn)所得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）波速與混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)弱相關(guān)性。

（2）波速與缺陷空隙厚度呈強(qiáng)相關(guān)性，其關(guān)系可以進(jìn)行定量分析。缺陷空隙厚度越大，波速越小，反之亦然。

（3）缺陷厚度與峰頻率呈強(qiáng)相關(guān)性，但其關(guān)系只能作為一種定性分析。缺陷厚度越大，混凝土的峰頻率幅值衰減得越大，反之亦然。