改進超聲對測法混凝土內(nèi)部缺陷檢測試驗研究

石志強

（1.安陽工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽 455000；2.安陽市結(jié)構(gòu)檢測與加固工程技術(shù)研究中心，河南 安陽 455000）

0 引言

有效的混凝土內(nèi)部缺陷檢測方法，是混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制和缺陷檢測的必要手段。超聲檢測方法引入混凝土結(jié)構(gòu)檢測工程實踐后，廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員對此進行了廣泛研究并取得了有益的研究成果。盧結(jié)成等研究了超聲檢測首波、聲時、波幅的測量及分析程序，能夠判斷混凝土內(nèi)部的缺陷[1]。宋煥生等研究了混凝土結(jié)構(gòu)層析成像檢測系統(tǒng)，可以直觀再現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)強度分布和內(nèi)部缺陷，并進行了工程實際應(yīng)用[2]。韓立等針對典型大橋箱形梁混凝土密實度的檢測進行了研究，認(rèn)為超聲法檢測混凝土密實度的技術(shù)適應(yīng)范圍更寬、檢測精度更高、可操作性更好[3]。呂曉光等研究了合成孔徑聚焦技術(shù)，對檢測聲波信號進行成像處理，在混凝土超聲缺陷檢測中提高了成像質(zhì)量[4]。陳軍等研究了超聲有限幅度法檢測混凝土缺陷，認(rèn)為有限幅度法非線性參數(shù)能反映出混凝土孔洞缺陷的大小[5]。陳逵等研究了鋼管混凝土中的各類缺陷，得出了各類典型缺陷的聲波圖，認(rèn)為當(dāng)鋼管混凝土脫空值超過1.4 mm時超聲法測得數(shù)據(jù)出現(xiàn)非正常值[6]。范曉鵬等采用超聲檢測儀用單面平測對試塊預(yù)制裂縫進行檢測分析，認(rèn)為通過超聲波檢測儀可以檢測混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣和密實程度[7]。徐俊濤等研究了合成孔徑聚焦成像技術(shù)在混凝土缺陷識別中的應(yīng)用，可以識別出50 mm深度以下，缺陷橫向直徑為40 mm，縱向厚度為3 mm的空洞缺陷，并能夠準(zhǔn)確讀取該缺陷在混凝土試塊中的相對位置信息[8]。許鑫浩研究了混凝土內(nèi)部缺陷超聲檢測的傳統(tǒng)超聲檢測法與相控陣列超聲檢測法，認(rèn)為陣列超聲檢測比傳統(tǒng)超聲檢測對混凝土內(nèi)部空洞檢測精度更高[9]?！冻暦z測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21∶2000，以下簡稱《規(guī)程》）在總結(jié)超聲法檢測混凝土缺陷研究成果的基礎(chǔ)上，提供了對測法檢測混凝土內(nèi)部缺陷的具體方法和標(biāo)準(zhǔn)[10]。已有的各類研究以檢測技術(shù)、分析方法、成像方法創(chuàng)新和常規(guī)超聲檢測方法的應(yīng)用比較多見，針對《規(guī)程》中的常規(guī)對測法檢測混凝土缺陷技術(shù)的改進未見報道。《規(guī)程》推薦使用對測法檢測混凝土內(nèi)部缺陷，給出了具體的檢測方法和缺陷數(shù)據(jù)的判定方法，但沒有給出缺陷的描述和圖示方法，實際檢測時需要根據(jù)工程師的經(jīng)驗來進行判斷和描述。論文通過對預(yù)埋缺陷的混凝土試件進行檢測試驗，在《規(guī)程》對測法的基礎(chǔ)上，改進了超聲對測法混凝土內(nèi)部缺陷檢測的結(jié)果表達和數(shù)據(jù)分析方法，使檢測結(jié)果在檢測異常值判定的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了混凝土內(nèi)部缺陷的可視化三維空間分析，更易于工程應(yīng)用。

1 超聲測缺原理與檢測試驗設(shè)計

1.1 超聲測缺基本原理

混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中因振搗不夠、漏漿或石子架空等原因，可能造成蜂窩、松散或空洞等內(nèi)部缺陷。當(dāng)結(jié)構(gòu)被測部位具有一對或兩對相互平行的表面時，可以采用對測法進行檢測，數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計法進行分析。由于混凝土材料本身是非均質(zhì)材料，超聲檢測數(shù)據(jù)會受混凝土內(nèi)部構(gòu)成影響，會在一定范圍內(nèi)波動，對混凝土內(nèi)部缺陷的超聲檢測采用數(shù)理統(tǒng)計方法進行研究。一般認(rèn)為穿過正?；炷恋某暵曀俚葯z測值屬于正態(tài)分布，檢測數(shù)據(jù)在給定的置信區(qū)間范圍內(nèi)服從統(tǒng)計規(guī)律，當(dāng)某些檢測數(shù)據(jù)超出置信區(qū)間，可以判斷它屬于異常值。對測統(tǒng)計法超聲換能器布置如圖1所示，圖中陰影部分代表混凝土內(nèi)部缺陷，兩對面相同編號點分別布置發(fā)射換能器和接收換能器，圖中虛線為穿過被測混凝土的超聲脈沖傳播路徑，當(dāng)超聲脈沖通過缺陷區(qū)域時，檢測參數(shù)受缺陷影響形成異常值，通過統(tǒng)計分析異常值進行混凝土內(nèi)部缺陷檢測。

圖1 對測法換能器布置

由被測混凝土構(gòu)件各測點的測距及檢測聲時，計算出各測點的聲速值，將各測點聲速值排序，x1≥x2≥…≥xn≥xn+1≥…，通常聲速較小值為可疑數(shù)據(jù)，將可以數(shù)據(jù)中的最大值xn連同其前面的數(shù)據(jù)按式（1）、（2）計算出mx及Sx值，并按式（3）計算異常情況的判斷值X0。

式（1）（2）中，xi—第i點的檢測數(shù)據(jù)；n—參與統(tǒng)計的測點數(shù)。

式（3）中λ1為異常值判定系數(shù)，可根據(jù)式（4）概率函數(shù)，由正態(tài)分布函數(shù)表查出對應(yīng)統(tǒng)計個數(shù)n的λ1值。

當(dāng)被檢測混凝土的某些測點超聲聲速為異常值時，再結(jié)合波形狀況及異常測點的分布情況判定混凝土內(nèi)部的缺陷。

1.2 檢測試驗設(shè)計

試驗設(shè)計了兩個300×300×300 mm混凝土被測試件，分別埋入不同形狀的塑料泡沫形成混凝土內(nèi)部缺陷，編號為QX-1、QX-2，同時制作材料相同的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊兩組，一組與被測試件同條件養(yǎng)護，用于測定混凝土強度和標(biāo)準(zhǔn)聲速，一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，用于測定混凝土強度。混凝土被測試件采用同力牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥、邢臺天然河砂、青石破碎石子配置，所用材料的技術(shù)指標(biāo)詳見表1、2、3?；炷僚渲脧姸鹊燃墳镃30，水泥28d抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值Fce=55.8N/mm2，設(shè)計水灰比W/C=0.55，設(shè)計混凝土配合比，水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.68∶3.91∶0.55。對標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后，測其抗壓強度為34.2 MPa。

表1 同力牌P.O.42.5水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 邢臺砂技術(shù)指標(biāo)

表3 青石破碎石子物理性質(zhì)及粒徑

將被測試件分成兩組不同的對面，設(shè)定為X 對面、Y對面，將兩組對面劃分為50×50 mm寬檢測網(wǎng)格，并對檢測網(wǎng)格進行編號。試驗采用ZBL-U510非金屬超聲檢測儀進行超聲檢測。超聲儀預(yù)熱穩(wěn)定后采用空氣聲速法對超聲檢測儀進行校驗，使用黃油作為換能器耦合劑，測定零聲時后按照《規(guī)程》推薦的對測試驗方法對被測試件進行檢測。試件制作及檢測過程見圖2所示。

圖2 超聲檢測試驗過程圖

2 試驗結(jié)果分析

《規(guī)程》中給定了不密實區(qū)和空洞檢測的一般檢測方法，但對缺陷的判定沒有統(tǒng)一有效的方法，只定性提出“當(dāng)測位中某些測點的聲學(xué)參數(shù)被判為異常值時，可結(jié)合異常測點的分布及波形狀況確定混凝土內(nèi)部存在不密實區(qū)和空洞的位置及范圍”[10]。論文運用投影面聲速等值線圖、缺陷標(biāo)識圖、缺陷標(biāo)識三視圖對檢測結(jié)果進行深入分析，為進行混凝土內(nèi)部缺陷檢測的工程運用提供更為有效的方法。

2.1 檢測結(jié)果分析

按照《規(guī)程》提供的對測法進行超聲檢測，采用統(tǒng)計法對檢測結(jié)果進行異常值判別。為了使檢測數(shù)據(jù)便于工程分析與應(yīng)用，論文將檢測數(shù)據(jù)按照兩個檢測對面進行編號，并將判定的異常數(shù)據(jù)在對應(yīng)的單元格中進行標(biāo)識，同時繪制檢測投影面超聲聲速等值線圖，以圖像方式呈現(xiàn)檢測結(jié)果。如圖3、圖4所示，通過試件檢測投影面聲速等值線圖，可以清晰地看到投影面上超聲聲速的分布情況，可以在圖上分析被測構(gòu)件檢測投影面上的內(nèi)部缺陷及其質(zhì)量分布情況；在檢測投影面缺陷標(biāo)識圖中可以清晰地標(biāo)識出異常聲速所在位置。檢測出的異常值位置與埋入缺陷位置吻合。投影面檢測聲速值代表了該投影面上，超聲脈沖通過整個混凝土被測試件后所承載的混凝土內(nèi)部質(zhì)量信息，將一個三維空間狀態(tài)投影到一個平面上進行顯示，應(yīng)用該方法可以分析該檢測部位混凝土的內(nèi)部缺陷情況，但對于內(nèi)部缺陷的三維空間位置在單個投影面上無法有效表達。

圖3 QX-1試件X、Y投影面缺陷檢測結(jié)果分析圖

圖4 QX-2試件X、Y投影面缺陷檢測結(jié)果分析圖

2.2 構(gòu)建缺陷檢測三視圖

三視圖是工程師常用的三維空間表達方法，工程上一般規(guī)定V面投影圖為前視圖，H面投影圖為俯視圖，W面投影圖為左視圖，如圖5所示方式表達。試驗將被測構(gòu)件兩垂直面上的缺陷標(biāo)識圖運用三視圖思想構(gòu)建缺陷檢測三視圖，用以分析混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的三維空間位置。

圖5 三視圖一般布置方式

X、Y兩個檢測對面為混凝土被測試件相鄰且相互垂直的兩組對面，將每組對面的檢測數(shù)據(jù)投影到一個面上，并將其作為三視圖中的一個視圖，從而建立缺陷檢測三視圖。令X投影面為前視圖、Y投影面為右視圖，將與X、Y投影面均垂直的被測構(gòu)件的橫斷面設(shè)為Z面，令Z投影面為俯視圖。為形象地表達被測構(gòu)件各投影面的三維空間關(guān)系，以展開圖的方式重新組合三視圖。以Z投影面俯視圖為中心，其下方布置X投影面即前視圖，其左側(cè)布置Y投影面即右視圖，形成用于缺陷檢測結(jié)果表達的三視圖空間，如圖6所示。將新構(gòu)建的缺陷檢測三視圖的X、Y面向內(nèi)折疊90°，即還原形成了檢測構(gòu)件的空間外形。

圖6 缺陷檢測三視圖布置方式

2.3 檢測成果的三視圖三維分析

將各缺陷試件的X投影面缺陷標(biāo)識圖繪制到前視圖位置，Y投影面缺陷標(biāo)識圖繪制到右視圖位置，運用三視圖繪圖原理，在Z投影面上補充繪制俯視圖，得到完整的三視圖，如圖7所示。從圖中可以清晰地看到缺陷標(biāo)識在構(gòu)件中的三維空間位置。缺陷標(biāo)識是以測點網(wǎng)格為單元的，測點網(wǎng)格單元越密，測點越多，對內(nèi)部缺陷的形狀位置表達越準(zhǔn)確。

圖7 各試件缺陷標(biāo)識三視圖

3 結(jié)論

論文通過試驗研究，運用投影面聲速等值線圖、投影面缺陷標(biāo)識圖、被測試件內(nèi)部缺陷標(biāo)識三視圖，改進了《規(guī)程》中原有的超聲檢測混凝土內(nèi)部缺陷結(jié)果的分析評價方法，實現(xiàn)了檢測結(jié)果的可視化。

①運用投影面聲速等值線圖，可以分析被測構(gòu)件在檢測區(qū)域投影面內(nèi)超聲脈沖聲速的分布情況。當(dāng)被測構(gòu)件檢測區(qū)域內(nèi)存在不密實區(qū)或者其他缺陷時，結(jié)合檢測異常值判別方法，可以直觀地分析混凝土內(nèi)部缺陷位置；當(dāng)被測構(gòu)件檢測區(qū)域內(nèi)沒有明顯異常值時，可以通過投影面聲速等值線圖分析混凝土構(gòu)件檢測區(qū)域的內(nèi)部質(zhì)量分布情況。

②運用投影面缺陷標(biāo)識圖，可以在投影面上標(biāo)出檢測異常值所在位置，結(jié)合檢測異常值的具體數(shù)值，分析投影面存在的內(nèi)部缺陷。投影面缺陷標(biāo)識圖以檢測網(wǎng)格單元為單位，檢測點越多、檢測網(wǎng)格單元越小，對投影面存在的缺陷表達越準(zhǔn)確。

③借鑒三視圖思想，構(gòu)建了混凝土被測試件內(nèi)部缺陷標(biāo)識三視圖，可以對被測構(gòu)件內(nèi)部缺陷進行三維表達。將實測投影面缺陷標(biāo)識圖作為三視圖的前視圖和右視圖，運用三視圖繪圖原理，補充繪制俯視圖，得到完整的混凝土內(nèi)部缺陷三視圖，可以清晰地表達混凝土內(nèi)部缺陷在構(gòu)件中三維空間位置。