顧偉勇/上海誠(chéng)恒建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司

0 引言

根據(jù)GB 50203-2011《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的主控項(xiàng)目規(guī)定[1]，磚墻水平灰縫的砂漿飽滿度不得低于80%；砌體水平灰縫和豎向灰縫的砂漿飽滿度，按凈面積計(jì)算不得低于90%。目前檢驗(yàn)方法：用百格網(wǎng)檢查磚或小砌塊底面與砂漿的粘結(jié)痕跡面積。抽檢數(shù)量：每檢驗(yàn)批抽查不應(yīng)少于5處。每處檢測(cè)3塊磚或小砌塊，取其平均值。百格網(wǎng)就是按照一塊標(biāo)準(zhǔn)磚的尺寸為外邊尺寸，在該矩形內(nèi)均分為100分格，專用檢測(cè)砌體的灰漿飽滿度。百格網(wǎng)的制作材料有金屬或塑料，缺點(diǎn)是容易變形或損壞。通常在檢查時(shí)，拆下墻中的磚或砌塊，底面朝上，放上百格網(wǎng)，數(shù)出磚或砌塊上粘有砂漿的格子數(shù)，取三塊磚的平均值，80%或90%以上為合格。實(shí)際檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)問(wèn)題不易解決：

1）在數(shù)格子時(shí)往往憑檢查人員的個(gè)人感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，檢查結(jié)果因人而異；

2）不滿格情況沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定如何判定，工作量大且誤差比較大；

3）該方法僅適用于施工過(guò)程中的檢查，不能應(yīng)用于完工后的主體工程驗(yàn)收。

此外，目前砌體工程驗(yàn)收采用沖擊錘破損鉆孔檢測(cè)飽滿度，該方法僅可證明是否存在假縫、瞎縫等情況，并不是嚴(yán)格意義上的飽滿度結(jié)果，且隨意性大，撰寫的檢測(cè)報(bào)告幾乎沒(méi)有測(cè)試數(shù)據(jù)的支撐。

1 超聲法檢測(cè)技術(shù)

1.1 超聲法檢測(cè)材料缺陷的原理

1）超聲波在試體中傳播遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生繞射，可根據(jù)聲速的變化，判別和計(jì)算缺陷的大??；

2）超聲波在缺陷界面產(chǎn)生散射和反射，到達(dá)接收換能器的聲波能量（波幅）顯著減小，可根據(jù)波幅變化的程度判斷缺陷的性質(zhì)和大小；

3）超聲波通過(guò)缺陷時(shí)，部分聲波會(huì)產(chǎn)生路徑和相位變化，不同路徑或不同相位的聲波疊加后，造成接收信號(hào)波形畸變，可參考畸變波形分析判斷缺陷。

4）當(dāng)砌筑砂漿的組成材料、制漿工藝、內(nèi)部質(zhì)量及測(cè)試距離一定時(shí)，各測(cè)點(diǎn)超聲傳播速度、首波幅度等聲學(xué)參數(shù)一般無(wú)明顯差異。如果某部分砂漿存在空洞、不密實(shí)等缺陷，破壞了砂漿的整體性，通過(guò)該處的超聲波與無(wú)缺陷砂漿相比較，聲時(shí)明顯偏長(zhǎng)，波幅和頻率明顯降低。

超聲法檢測(cè)砂漿飽滿性，正是根據(jù)這一基本原理[2-3]，對(duì)同條件下的砂漿進(jìn)行聲速、波幅測(cè)量值的相對(duì)比較，從而判斷砌筑砂漿的飽滿性。

1.2 砌筑砂漿飽滿性檢測(cè)超聲換能器的配置問(wèn)題

目前，工程檢測(cè)常用換能器的頻率為50 kHz或者100 kHz，超聲波的波速v是頻率f與波長(zhǎng)λ的乘積。設(shè)砂漿的聲速為2.40 km/s時(shí)，如果采用50 kHz的換能器，其波長(zhǎng)λ為60 mm。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)長(zhǎng)，超聲波容易繞過(guò)缺陷，所以選擇換能器的頻率必須考慮需要探檢的缺陷尺寸，通常設(shè)定超聲波探傷能測(cè)到的最小缺陷近似于波長(zhǎng)。50 kHz換能器檢測(cè)缺陷的靈敏度很低。如果采用500 kHz的換能器，其波長(zhǎng)λ僅為6 mm。采用高頻換能器能極大提高檢測(cè)缺陷的靈敏度。此外，目前國(guó)內(nèi)超聲儀出廠普遍配置50 kHz換能器的直徑大約40 mm，小于換能器直徑的缺陷超聲檢測(cè)較難發(fā)現(xiàn)；且砌體水平灰縫的厚度通常不大于10 mm，由此，試驗(yàn)選用了500 kHz頻率、7 mm直徑的較高頻率小直徑換能器。

1.3 超聲檢測(cè)采樣參數(shù)

超聲檢測(cè)采樣參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 超聲檢測(cè)采樣參數(shù)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別取3塊同廠家、同規(guī)格、同批次的混凝土蒸壓加氣砌塊，砌塊大面尺寸為600 mm×240 mm，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在每塊大面上鋪設(shè)一層約15 mm厚M15砌筑砂漿。試件中設(shè)計(jì)缺陷：在砌塊（a）的縱向中心線處設(shè)置 10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm 四個(gè)缺陷；在砌塊（b）的縱向中心線處設(shè)置 50 mm×50 mm、60 mm×60 mm、70 mm×70 mm三個(gè)缺陷；在砌塊（c）的縱向中心線處設(shè)置 80 mm×80 mm、90 mm×90 mm 兩個(gè)缺陷。

3 超聲檢測(cè)試驗(yàn)

首先在試件上劃線，布置超聲測(cè)點(diǎn)，超聲測(cè)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)的9種尺寸的缺陷從10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm見(jiàn)方。在砌塊的9個(gè)缺陷處各布置一對(duì)測(cè)點(diǎn)。此外，根據(jù)布置超聲波檢測(cè)缺陷測(cè)點(diǎn)，沒(méi)有缺陷的測(cè)點(diǎn)數(shù)量要多于缺陷測(cè)點(diǎn)的數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)和原則，又布置了17對(duì)沒(méi)有缺陷部位的測(cè)點(diǎn)，總計(jì)超聲測(cè)點(diǎn)26對(duì)。26對(duì)測(cè)點(diǎn)分為A、B兩組，順序分別為 A1～A13、B1～B13。

圖1 設(shè)計(jì)的缺陷及超聲測(cè)點(diǎn)編號(hào)

3.1 超聲檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)采用智博聯(lián)科技股份有限公司ZBL-U510超聲檢測(cè)儀，超聲測(cè)點(diǎn)用黃油作為耦合劑。超聲儀測(cè)點(diǎn)序號(hào)001、002分別對(duì)應(yīng)砌塊上的編號(hào)A、B兩組。各測(cè)點(diǎn)超聲檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 各測(cè)點(diǎn)超聲檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 超聲檢測(cè)結(jié)果

本文采用了高頻、小直徑輻射端面的換能器，并且把混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)嫁接到砌筑砂漿層質(zhì)量的檢測(cè)中，對(duì)砌筑砂漿飽滿性檢測(cè)采用超聲波檢測(cè)方法具有無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)。智博聯(lián)科技股份有限公司ZBL-U510超聲檢測(cè)儀自帶數(shù)據(jù)采集、波形回放、缺陷判別等分析功能，依據(jù)超聲檢測(cè)得到的“聲速、波幅、波形”等聲學(xué)參量作為砂漿層缺陷的判別原則[4]。從表2可以得出：對(duì)應(yīng)6處有缺陷的6對(duì)超聲測(cè)點(diǎn)的聲速值、波幅值等聲學(xué)參數(shù)明顯偏小。沒(méi)有缺陷的超聲測(cè)點(diǎn)編號(hào)A7的比對(duì)波形見(jiàn)圖3，設(shè)計(jì)有缺陷的測(cè)點(diǎn)編號(hào)A1、A3、A6、A9、A13、B3、B6、B9、B12的波形見(jiàn)圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12。

圖3 沒(méi)有缺陷的超聲測(cè)點(diǎn)比對(duì)波形

圖4 設(shè)計(jì)10 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)001-01的波形

圖5 設(shè)計(jì)20 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)001-03的波形

圖6 設(shè)計(jì)30 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)001-06的波形

圖7 設(shè)計(jì)40 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)001-09的波形

圖8 設(shè)計(jì)50 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)001-13的波形

圖9 設(shè)計(jì)60 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)002-03的波形

圖10 設(shè)計(jì)70 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)002-06的波形

圖11 設(shè)計(jì)80 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)002-09的波形

圖12 設(shè)計(jì)90 mm缺陷測(cè)點(diǎn)編號(hào)002-012的波形

采用高頻小直徑換能器檢測(cè)26個(gè)超聲測(cè)點(diǎn)的波列視圖，見(jiàn)圖13所示。

圖13 26個(gè)超聲測(cè)點(diǎn)的波列視圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

把17個(gè)無(wú)缺陷的測(cè)點(diǎn)的聲速取平均值，計(jì)算得v=2.382 km/s，把9個(gè)缺陷的聲速除以平均聲速，得到以下結(jié)果，缺陷測(cè)點(diǎn)與無(wú)缺陷測(cè)點(diǎn)的聲速比值見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果分析：

1）因?yàn)楣こ讨衅鰤K灰縫的高度值小，與試驗(yàn)中使用的超聲換能器的直徑相差無(wú)幾，試驗(yàn)前，對(duì)砌塊進(jìn)行了聲速的測(cè)量。砌塊的對(duì)測(cè)聲速值在1.85 ～1.90 km/s之間，遠(yuǎn)小于砂漿層內(nèi)的聲速，即超聲波在砂漿中傳播不受砌塊的干擾。

2）表2中有6個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)明顯偏小，智博聯(lián)ZBL-U510超聲檢測(cè)儀按照CECS 21:2000《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[5]編制的缺陷判別分析程序，應(yīng)判定這些測(cè)點(diǎn)為缺陷，同時(shí)對(duì)應(yīng)圖13的波列視圖，這6處聲速、波幅數(shù)據(jù)明顯偏小的測(cè)點(diǎn)中，波形前幾周波幾乎沒(méi)有起伏、呈水平的直線。依據(jù)“聲速、波幅、波形”等聲學(xué)參量作為砂漿缺陷的判別原則，按照CECS 21:2000判定的結(jié)果與實(shí)際情況相符，即可以明確判斷這6處有缺陷。

3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的3個(gè)較小缺陷（10 mm的001-01、20 mm 的 001-03 和 30 mm 的 001-06） 沒(méi)有測(cè)出，本文采用500 kHz頻率的換能器，前述理論計(jì)算波長(zhǎng)λ僅為6 mm的超聲波檢測(cè)不出30 mm以下的孔洞缺陷。

圖14為前述舉例沒(méi)有缺陷的001-07測(cè)點(diǎn)，首波起始時(shí)間 99.4 μs、結(jié)尾時(shí)間 115.2 μs，周波T為15.8 μs，計(jì)算其第1周的接收波頻率：

圖14 001-07測(cè)點(diǎn)的第1周接收波頻率計(jì)算示意圖

由于砌塊砌筑砂漿不像混凝土那樣密實(shí)，混凝土的聲速隨其強(qiáng)度的不同，相應(yīng)的聲速在4 000 ～5 000 m/s 的范圍，本文砌筑砂漿的聲速僅 2 400 m/s，其密度與混凝土相差甚遠(yuǎn)。當(dāng)超聲儀發(fā)射500 kHz頻率的超聲波通過(guò)密度很低的砌筑砂漿時(shí)，超聲能量嚴(yán)重衰減，其接收頻率約為63 kHz。63 kHz的波長(zhǎng)在本文檢測(cè)砌塊砌筑砂漿時(shí)的波長(zhǎng)約為38 mm。故得到了小于30 mm的空洞缺陷難以分辨的結(jié)果。根據(jù)表3，測(cè)點(diǎn)聲速小于平均聲速98%，即可判斷為缺陷。但試驗(yàn)設(shè)計(jì)缺陷為10 mm的001-01、20 mm的001-03和30 mm的001-06三個(gè)缺陷的百分比大于平均聲速98%，即目前此方法能檢到30 mm以上的缺陷。

5 結(jié)語(yǔ)

1）本研究涉及建筑砂漿飽滿度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具有無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，嘗試采用簡(jiǎn)單實(shí)用、操作方便的超聲波檢測(cè)技術(shù)，為砌體結(jié)構(gòu)驗(yàn)收、對(duì)砂漿砌筑質(zhì)量的評(píng)判提供有效的檢測(cè)方法。

2）按照CECS 21:2000，依據(jù)“聲速、波幅、波形”檢測(cè)砌筑砂漿飽滿度質(zhì)量的判別原則，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，能有效判斷砌筑砂漿層缺陷的存在和位置，聲速值小于平均聲速98%的超聲測(cè)點(diǎn)可以判定為較大缺陷。

3）進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)超聲換能器頻率選擇的科研，目前已有相關(guān)方面的研究[6]，期望能超聲探測(cè)到更小的缺陷。