裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)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(jié)構(gòu)具有施工周期短、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于我國建筑工程施工中。與現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件相比，裝配式疊合板構(gòu)件現(xiàn)場施工強度更低、模板利用率更高，而疊合板構(gòu)件的質(zhì)量是影響裝配式鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵。然而在疊合板構(gòu)件制作過程中，需要在構(gòu)件中設(shè)置照明、消防、給水等系統(tǒng)的預埋件，如果預埋件位置出現(xiàn)偏差或者混凝土振搗不充分等，就會導致疊合板構(gòu)件在使用過程中發(fā)生空洞、脫空等缺陷，嚴重威脅鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的抗震性能。因此，對疊合板構(gòu)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(wěn)定性與安全性至關(guān)重要。

1 超聲波技術(shù)檢測疊合板構(gòu)件缺陷

1.1 采集疊合板構(gòu)件超聲波探測參數(shù)

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(gòu)件屬于彈-粘-塑性體，當超聲波在內(nèi)部傳播時，會在疊合板構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列聲學現(xiàn)象，從而激發(fā)出彈性波，所以根據(jù)接收波信號即可掌握疊合板構(gòu)件內(nèi)部缺陷分布情況，本文引入超聲波技術(shù)設(shè)計一種裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)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(gòu)件中的傳輸，其結(jié)構(gòu)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(fā)射出周期性的超聲波，當超聲波經(jīng)過疊合板構(gòu)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(jù)接收信號的相對變化即可判斷當下疊合板構(gòu)件的質(zhì)量[2]。超聲波探測參數(shù)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(gòu)件中傳播的聲速；

L——超聲波在疊合板構(gòu)件中傳播的距離；

t——超聲波在疊合板構(gòu)件中傳播的時間。

當超聲波在疊合板構(gòu)件中傳播時，受構(gòu)件介質(zhì)的影響，超聲波頻率與振幅會發(fā)生衰減，所以超聲波在疊合板構(gòu)件中的衰減情況也可以反映構(gòu)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(jīng)過疊合板構(gòu)件傳播后的頻率；

P0——超聲波的發(fā)射頻率；

ε——超聲波的衰減系數(shù)；

f——超聲波經(jīng)過疊合板構(gòu)件傳播后的振幅；

f0——超聲波的發(fā)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(gòu)件的超聲波探測參數(shù)，根據(jù)不同質(zhì)量疊合板構(gòu)件的超聲波探測參數(shù)即可實現(xiàn)缺陷無損檢測。

1.2 疊合板構(gòu)件缺陷判定

在利用超聲波技術(shù)檢測裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件缺陷時，合理的判據(jù)至關(guān)重要，一般來說，文中上述內(nèi)容采集的疊合板構(gòu)件超聲波探測參數(shù)具有一定的波動性[4]，無法制定一個統(tǒng)一的缺陷判定標準，所以本文多因素判據(jù)法（NFP法）進行疊合板構(gòu)件缺陷的判定。理論上認為，當超聲波經(jīng)過裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件傳播后，如果混凝土內(nèi)部存在缺陷，會造成全部超聲波相關(guān)探測參數(shù)的改變，但在實際的檢測過程中，聲速、頻率、幅值這幾個參數(shù)有可能僅有一到兩個發(fā)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(jié)果存在嚴重誤差，本文采用了多因素判據(jù)法。首先根據(jù)下式求出多超聲波探測參數(shù)的綜合判斷值NFP，然后對裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件缺陷的綜合判據(jù)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(fā)生事件卻發(fā)生了，所以檢測點存在缺陷。那么根據(jù)多因素判據(jù)法對疊合板構(gòu)件檢測數(shù)據(jù)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(gòu)件缺陷示意圖（NFP法）

式中NFP（n)——疊合板構(gòu)件第n個檢測點的綜合判據(jù)值；

N——檢測點總數(shù)；

μ——概率保證系數(shù)；

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(jù)法對疊合板構(gòu)件的超聲波探測參數(shù)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(shè)計超聲波技術(shù)可以實現(xiàn)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的缺陷檢測。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

為驗證本文設(shè)計裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)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(gòu)件檢測實驗，并采用傳統(tǒng)鉆孔檢測法做為實驗對照組，根據(jù)實驗結(jié)果對本文設(shè)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(gòu)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(shè)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(shè)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(gòu)件為本次實驗所使用的試件，其中試件1 采用本文設(shè)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(jié)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(jié)果[6]。

2.2 結(jié)果分析

當采用本文設(shè)計方法檢測鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的空洞缺陷時，根據(jù)各測點的檢測結(jié)果顯示，疊合板構(gòu)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(gòu)件的空洞缺陷區(qū)域?qū)Τ暡ǚ档挠绊戄^大，超聲波通過正常區(qū)域時與空洞區(qū)域時的波形存在顯著差異，所以本文設(shè)計方法可以實現(xiàn)裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件的空洞缺陷檢測[7]。

圖5 超聲波通過正常區(qū)域時的波形

圖6 超聲波通過空洞區(qū)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(gòu)件空洞缺陷厚度的檢測值

式中H——鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件內(nèi)部空洞的厚度；

t1——超聲波通過存在空洞缺陷疊合板構(gòu)件的時間；

t2——超聲波通過無缺陷疊合板構(gòu)件的時間；

v0——超聲波在空氣中的聲速[8]。

求得疊合板構(gòu)件空洞缺陷厚度的檢測值，同時記錄下鉆孔檢測現(xiàn)場各測點下空度缺陷厚度的檢測值，并與實際數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同方法的檢測結(jié)果對比

疊合板構(gòu)件空洞厚度檢測值的最大誤差為2.6mm，發(fā)生在測試點C4，在3mm 以內(nèi)，符合測試要求，而且設(shè)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(shè)計方法下的疊合板構(gòu)件空洞厚度檢測值更為精確。與此同時，本文設(shè)計方法無需破壞疊合板構(gòu)件即可完成了缺陷檢測，真正實現(xiàn)了疊合板構(gòu)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(jié)語

超聲波檢測法可在裝配式鋼筋混凝土疊合板構(gòu)件上進行無損檢測，檢測出疊合板構(gòu)件的內(nèi)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(gòu)件無損檢測領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景。對于本文設(shè)計的超聲波無損檢測方法而言，疊合板構(gòu)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(gòu)件缺陷檢測結(jié)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(gòu)件檢測方法的適用性。