超聲斜測法檢測預(yù)制雙面疊合剪力墻空腔混凝土密實(shí)度

劉承靈 曹 鋮 王平安 米宗寶 萬黔云

（1.中國建筑第四工程局有限公司，陜西 西安 710000；2.西咸新區(qū)云筑園房地產(chǎn)有限公司，陜西 西安 710000）

三一云城一期項(xiàng)目位于陜西省灃西新城創(chuàng)新港片區(qū)東四路以東、科技北路以南、灃渭大道以西、科技路以北，項(xiàng)目用地面積5.36萬㎡，總建筑面積19.65萬㎡。

項(xiàng)目由11棟高層住宅單體及其他配套用房、地下車庫等組成，所有高層住宅單體均全面應(yīng)用雙面疊合剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑層數(shù)為地下2層、地上17～25層，按照《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51129-2017）評價(jià)得分50%～63%。項(xiàng)目建設(shè)過程如何確保雙面疊合剪力墻空腔混凝土密實(shí)度是最大的重難點(diǎn)，而雙面疊合剪力墻結(jié)構(gòu)追根到底就是采用裝配式技術(shù)施工的剪力墻結(jié)構(gòu)，其剪力墻及邊緣構(gòu)件的混凝土密實(shí)度是保障結(jié)構(gòu)安全的最大因素，筆者前期也做了較多研究，此處不做贅述。本文主要對“如何采用超聲法進(jìn)行雙面疊合剪力墻空腔混凝土密實(shí)度的無損檢測”這一課題進(jìn)行研究討論。

經(jīng)查閱資料以及與多家資深檢測單位、高校專家溝通，超聲波用來鋼結(jié)構(gòu)探傷、樁基探傷、裂縫檢測等技術(shù)較為成熟，但目前超聲波檢測混凝土空腔類缺陷的技術(shù)尚不成熟，標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，未形成統(tǒng)一且認(rèn)可度高的國家標(biāo)準(zhǔn)，但作為雙面疊合剪力墻空腔混凝土密實(shí)度的輔助手段，具有一定的可行性。對質(zhì)量存疑區(qū)域，可采取鉆芯取樣等方式進(jìn)行確認(rèn)復(fù)核。

1 檢測原理

檢測采用超聲脈沖雙面對測。在墻體兩側(cè)的對應(yīng)點(diǎn)位分別將轉(zhuǎn)換能涂抹耦合劑后緊貼墻體，在轉(zhuǎn)換能一端發(fā)射超聲波，轉(zhuǎn)換能另一端接收超聲波，這個過程中所依據(jù)儀器呈現(xiàn)的相關(guān)聲學(xué)參數(shù)的異常來判定空腔混凝土的內(nèi)部缺陷情況。

混凝土內(nèi)部缺陷判定指標(biāo)有：聲速、波幅、主頻等。當(dāng)混凝土的組成成分相同時(shí)，空隙率越小，內(nèi)部越密實(shí)，聲波的波速越快，其強(qiáng)度越高。但是混凝土是一種混合型材料，其強(qiáng)度與聲速之間的關(guān)系并不穩(wěn)定，還與溫度、濕度、齡期以及原料性質(zhì)等多個因素有關(guān)。在缺陷部位所測聲時(shí)偏長，聲速偏小。

當(dāng)超聲波通過含有離析區(qū)、低強(qiáng)區(qū)或者其他缺陷的混凝土?xí)r，由于混凝土對聲波的衰減，接收波的波幅將明顯減小。通常聲波衰減越大，接收波的波幅減小越明顯，所以在實(shí)際檢測時(shí)，波幅的變化也是判斷混凝土缺陷的一項(xiàng)重要依據(jù)。

簡而言之，就是波速越低，代表混凝土強(qiáng)度越低（在混凝土強(qiáng)度一致的情況下，內(nèi)部空腔的可能性就較大）；波幅越小，代表超聲波經(jīng)過離析、低強(qiáng)或其他缺陷區(qū)的可能性越大?；谠撛砜梢詫ΟB合墻內(nèi)部缺陷問題做一個定性的判定。

2 超聲波檢測設(shè)備要求

超聲波檢測設(shè)備主要由超聲波檢測儀主機(jī)、平面換能器、信號電纜等其他輔件組成，還要輔以計(jì)算機(jī)軟件導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 超聲波檢測儀要求

（1）具有波形清晰、顯示穩(wěn)定的示波裝置；

（2）聲時(shí)最小分度為0.1μs；

（3）具有最小分度為1dB的衰減系統(tǒng)；

（4）接收放大器頻響范圍10kHz～500kHz，總增益不小于80dB，接收靈敏度（在信噪比為3∶1時(shí)）不大于50μV；

（5）電源電壓波動范圍在標(biāo)稱值±10%的情況下能正常工作；

（6）連續(xù)正常工作時(shí)間不少于4h。

2.2 換能器的技術(shù)要求

（1）常用換能器具有厚度振動方式和徑向振動方式兩種類型，可根據(jù)不同測試需要選用；

（2）厚度振動式換能器的頻率宜采用20kHz～250kHz，徑向振動式換能器的頻率宜采用20kHz～60kHz，直徑不宜大于32mm。當(dāng)接收信號較弱時(shí)，宜選用帶前置放大器的接收換能器；

（3）換能器的實(shí)測主頻和標(biāo)稱頻率相差不應(yīng)大于±10%。

3 檢測對象及檢測方法

3.1 檢測時(shí)間

當(dāng)混凝土齡期比較短時(shí)，混凝土內(nèi)部水分沒有充分水化，會影響脈沖波在混凝土中的傳播速度，因此要求混凝土齡期不小于7d。

3.2 待檢測構(gòu)件要求

當(dāng)混凝土內(nèi)部鋼筋配置比較密集時(shí)，鋼筋會對脈沖波的傳播造成干擾，從而影響對缺陷的識別。一般情況下，對于素混凝土結(jié)構(gòu)，或者以配置分布筋為主的疊合板、疊合墻結(jié)構(gòu)，相控陣超聲法是比較適用的；但對于鋼筋配置比較密集的梁柱節(jié)點(diǎn)，該方法的適用性就比較差，另外，對于混凝土中有鋼板存在的位置，該方法的適用性也比較差，尚需開展進(jìn)一步的研究。

（1）混凝土齡期不宜小于7d；

（2）混凝土內(nèi)部鋼筋配置不宜過于密集；

（3）測區(qū)表面宜為混凝土原漿面，表面平整度偏差不應(yīng)大于3mm，且不應(yīng)有蜂窩、孔洞等外觀質(zhì)量缺陷，必要時(shí)可用砂輪磨平或用高強(qiáng)度的快凝砂漿抹平；

（4）測區(qū)表面不應(yīng)有積水。

3.3 檢測對象選擇

結(jié)合前文所述要求，本次研究主要選取現(xiàn)場一堵含減重聚苯板的雙面疊合剪力墻作為檢測對象，如圖1所示，并選取一堵普通雙面疊合剪力墻作為參照進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

3.4 檢測樣本數(shù)量

根據(jù)《裝配式住宅建筑檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 485-2019）要求，檢測樣板首層不少于剪力墻構(gòu)件數(shù)量的20%，其他層不少于10%，且不少于1個。

因超聲法檢測雙面疊合剪力墻空腔混凝土密實(shí)度的方法尚不成熟，其檢測結(jié)果很大程度受到人為操作、環(huán)境因素影響，針對項(xiàng)目前三層裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行全覆蓋取樣的方式，對該檢測方法進(jìn)行驗(yàn)證，并對檢測結(jié)果進(jìn)行整理分析，完善檢測方法。

3.5 檢測點(diǎn)位設(shè)置

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆墻柱類似，空腔混凝土澆筑不密實(shí)的情況易發(fā)生在墻根部位置，特采取矩形布點(diǎn)方式，每個檢驗(yàn)對象在墻體A面設(shè)置5行×10列的檢測點(diǎn)位，最底部點(diǎn)位離地面高度為150mm～300mm，墻端部點(diǎn)位距墻邊緣≥200mm，為降低墻身鋼筋對檢測結(jié)果的干擾，背面對應(yīng)位置依次抬高200mm設(shè)置，采取斜測法進(jìn)行檢測，如圖2所示。

先選取該含減重聚苯板的雙面疊合剪力墻進(jìn)行檢測，檢測點(diǎn)分布如圖3所示。

3.6 檢測方法

（1）按照前文所述位置在墻身A面及B面分別采用卷尺及墨斗彈出縱橫向軸網(wǎng)線并進(jìn)行編號，為避免地面高低不平，需通過激光掃平儀確認(rèn)兩面墻參照點(diǎn)地面標(biāo)高，或者通過結(jié)構(gòu)1m線來確認(rèn)標(biāo)高；

（2）軸網(wǎng)交點(diǎn)位置充分涂抹超聲探傷專用耦合劑；

（3）打開儀器，進(jìn)行儀器零聲時(shí)設(shè)置，然后輸入工程概況及檢測數(shù)據(jù)等參數(shù)；

（4）為降低結(jié)構(gòu)鋼筋對檢測結(jié)果造成的影響，采用斜測法（即錯位檢測法）進(jìn)行檢測，自A軸起采用S形路徑，B面接收換能器放置在對應(yīng)位置進(jìn)行檢測，檢測路徑與儀器設(shè)置保持一致；

（5）檢測完成后采用U盤將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)出或上傳至云平臺備用。

4 檢測數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

4.1 自動數(shù)據(jù)測缺分析

部分儀器對應(yīng)軟件平臺具有自動數(shù)據(jù)測缺分析功能，可以將檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入后自動得出檢測結(jié)論，生成檢測結(jié)果報(bào)告，但因超聲測缺技術(shù)受人為因素影響較大，儀器分析得出的結(jié)論與現(xiàn)場實(shí)際情況存在一定差異。

4.2 數(shù)據(jù)處理

結(jié)合《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21-2000）以及《公路工程基樁動測技術(shù)規(guī)程》（JTG/T F81-01-2004），并充分咨詢行業(yè)專家意見，通過現(xiàn)場大量實(shí)踐驗(yàn)證，采用以下數(shù)據(jù)處理方法可以得出有效結(jié)論。該墻體采用超聲法檢測空腔混凝土密實(shí)度輸出數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2.1 處理方法及評判標(biāo)準(zhǔn)

將一測區(qū)各測點(diǎn)的波幅、頻率或由聲時(shí)計(jì)算的聲速值由大至小按順序排列，將排在后面明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑，再將這些可疑數(shù)據(jù)中最大的一個連同其前面的數(shù)據(jù)計(jì)算出平均值mx及標(biāo)準(zhǔn)差sx，并代入下式計(jì)算出異常情況的判斷值：X0=mx-λ1·sx。（本次取樣點(diǎn)數(shù)50個，取λ1=2.05）

將判斷值X0與可疑數(shù)據(jù)的最大值Xn相比較，如Xn小于或等于X0，則Xn及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，并且去掉Xn，在用X1～Xn-1進(jìn)行計(jì)算和判別，直至判不出異常值為止；當(dāng)Xn大于X0，應(yīng)再將Xn+1放進(jìn)去重新進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和判別。

當(dāng)測區(qū)中某些測點(diǎn)的聲速值、波幅值（或頻率值）被判為異常值時(shí)，可結(jié)合異常測點(diǎn)的分布及波形狀況確定混凝土內(nèi)部存在不密實(shí)區(qū)或空洞的范圍。

4.2.2 迭代法數(shù)據(jù)處理

以波幅為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，計(jì)算分析可采用Excel的自動排序功能和AVERAGE（平均值）及STDEVP（標(biāo)準(zhǔn)差）函數(shù)，具體判別過程如下：

第一步：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷波幅不高于88.86dB（D09點(diǎn)位）的為可疑值，將該值設(shè)為Xn。實(shí)際上，Xn需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇，該值的判定只會影響迭代次數(shù)，但不會影響最終判定結(jié)果，可以放心取值。

第二步：將D09點(diǎn)位以及其他波幅大于88.86dB的點(diǎn)位計(jì)算得出平均值mx=120.11，標(biāo)準(zhǔn)差sx=8.80，判斷值X0=102.06，因88.86dB＜102.06dB，進(jìn)入下一步繼續(xù)判別；

第三步：根據(jù)自動排序結(jié)果，將B10點(diǎn)位設(shè)為Xn-1=99.87，計(jì)算得出平均值mx=121.09，標(biāo)準(zhǔn)差sx=6.96，判斷值X0=106.81，因99.87dB＜106.81dB，進(jìn)入下一步繼續(xù)判別；

第四步：根據(jù)自動排序結(jié)果，將B04點(diǎn)位設(shè)為Xn-1=110.21，計(jì)算得出平均值mx=121.77，標(biāo)準(zhǔn)差sx=5.92，判斷值X0=109.64，因110.21dB＞109.64dB，迭代結(jié)束。

4.3 結(jié)論

根據(jù)上述分析判別，確定波幅值＜106.81dB的為異常值，具體點(diǎn)位分部如圖4所示。

通過異常點(diǎn)位分部標(biāo)注可以看出，絕大多數(shù)異常點(diǎn)位均位于雙面疊合剪力墻空腔填充減重?cái)D塑板位置，僅B10點(diǎn)位于減重?cái)D塑板范圍外，通過鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，該部位減重?cái)D塑板因混凝土振搗造成偏位，導(dǎo)致局部空腔混凝土缺陷。

聲速值的偏差也可以反映空腔混凝土密實(shí)度情況，具體分析判別方式與波幅值類似，通過聲速值的迭代判別，結(jié)果與波幅值基本一致，在此不做贅述。

5 結(jié)語

通過對含減重?cái)D塑板的雙面疊合剪力墻及普通疊合剪力墻進(jìn)行超聲法檢測，然后對異常點(diǎn)進(jìn)行鉆芯取樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上述結(jié)論基本可以代表實(shí)際情況，可以作為雙面疊合剪力墻空腔混凝土澆筑密實(shí)度的判別依據(jù)。

實(shí)踐表明，超聲檢測法可用于雙面疊合墻空腔混凝土澆筑密實(shí)度判別，找出構(gòu)件內(nèi)明顯的孔洞缺陷，但其結(jié)果會受到人為操作因素（耦合劑選擇、操作人員熟練度、首波選擇等方面）以及檢測環(huán)境因素（氣溫、混凝土配合比、構(gòu)件內(nèi)鋼筋分布、機(jī)電預(yù)留預(yù)埋等）的影響，有時(shí)也會對新舊混凝土結(jié)合面的局部間隙缺陷出現(xiàn)漏判，還需要通過加強(qiáng)檢測人員操作技能培訓(xùn)等方式提高檢測準(zhǔn)確率，必要時(shí)，對質(zhì)量有懷疑的部位還需要增加少量鉆芯取樣對檢測結(jié)果進(jìn)行佐證。