王 康，劉士清，黃鵬飛，龍永雙

(1.湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430071；2.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065)

近十年來(lái)，由于勞動(dòng)力成本不斷上升，人們節(jié)能減排意識(shí)不斷增強(qiáng)，同時(shí)隨著運(yùn)輸能力的提高，裝配式混凝土建筑在國(guó)內(nèi)得到大力發(fā)展。鋼筋漿錨連接是裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)豎向預(yù)制構(gòu)件連接的主要方式之一，且關(guān)鍵受力部位的縱筋采用漿錨搭接時(shí)同層接頭往往處于同一斷面。因此，漿錨灌漿質(zhì)量將直接影響結(jié)構(gòu)的整體剛度、抗震等性能，是裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[1]。

質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)壳笆枪こ藤|(zhì)量的重要保障手段。王中有等[2]用雷達(dá)法檢測(cè)建筑混凝土結(jié)構(gòu)的研究表明，電磁雷達(dá)法受鋼筋影響大，對(duì)于含有鋼筋的漿錨孔腔并不適用，檢測(cè)精度低；王勤等[3]用高頻、小直徑換能器的超聲探頭在灌漿構(gòu)件兩側(cè)進(jìn)行對(duì)測(cè)，研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法在特定的條件下，通過(guò)對(duì)相同測(cè)位檢測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)能發(fā)現(xiàn)脫空部位和密實(shí)部分的區(qū)別，然而該方法需要在每測(cè)點(diǎn)有耦合劑的條件下，在試件兩端對(duì)測(cè)，測(cè)點(diǎn)多，效率低，實(shí)用性不強(qiáng)；射線(xiàn)拍片的方法操作復(fù)雜，且有放射性，不利于環(huán)保，很難在工程上普遍適用；蔣俁等[4]使用沖擊回波等效波速、波頻譜圖、名義厚度等方法檢測(cè)漿錨灌漿缺陷，由于主要憑借主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷測(cè)試結(jié)果，因此該方法在工程實(shí)際中準(zhǔn)確度不高，難以推廣?？梢?jiàn)，裝配式建筑漿錨灌漿質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)方法并不成熟，目前尚無(wú)一種成本低廉且能夠有效便捷檢測(cè)漿錨灌漿質(zhì)量的方法。

相控陣超聲技術(shù)通過(guò)程序設(shè)置陣列式排布探頭(發(fā)射或者接收的陣元)的延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超聲波聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，使陣列的能量疊加、聚集和偏轉(zhuǎn)，從而克服超聲波在混凝土中衰減快的特點(diǎn)，提高超聲波信號(hào)的識(shí)別能力[5-6]。ALDO等[7]將相控陣超聲技術(shù)應(yīng)用到混凝土的結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，研究結(jié)果表明該技術(shù)在干耦合狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，無(wú)需任何耦合劑，具備一定的抗衰減能力，在一定范圍內(nèi)能克服鋼筋的影響，在鋼筋存在的情況下仍具備識(shí)別缺陷的能力；梁蒙蒙[8]研究了相控陣超聲檢測(cè)的成像技術(shù)，認(rèn)為相控陣超聲檢測(cè)可搭載成像技術(shù)，缺陷定位精準(zhǔn)；姚利君等[9]將相控陣超聲技術(shù)應(yīng)用到混凝土疊合板的缺陷檢測(cè)中；張軍等[10]將其應(yīng)用到混凝土裂縫的深度檢測(cè)中，結(jié)果表明，該技術(shù)能夠在單側(cè)連續(xù)掃描，能檢測(cè)混凝土中的缺陷，操作簡(jiǎn)便。由此，相控陣超聲技術(shù)可作為有效的檢測(cè)手段在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢測(cè)中得到應(yīng)用。

文章采用干耦合相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)裝配式建筑漿錨的灌漿質(zhì)量，考慮漿錨連接節(jié)點(diǎn)的施工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了通孔、波紋管、PVC(聚氯乙烯)管、鋼管等4種不同灌漿孔道的剪力墻試件，其中孔道灌漿分別考慮了灌漿密實(shí)、部分漏漿、完全脫空、夾雜泡沫和木塊等缺陷情況，分別使用斷層掃描、連續(xù)掃描二維擬合圖像法和合成孔徑聚焦定量分析法對(duì)不同工況下的漿錨灌漿孔道進(jìn)行檢測(cè)，并與設(shè)置的缺陷狀況進(jìn)行對(duì)比，分析檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4套鋼筋混凝土剪力墻試件，編號(hào)分別為S-W1、S-W2、S-W3和S-W4，每個(gè)試件分成上下兩個(gè)部分，試件上部的外尺寸為1200 mm×210 mm×1 000 mm(長(zhǎng)×寬×高)，試件下部的外尺寸為1 300 mm× 300 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)，試件上部預(yù)留3個(gè)直徑為50 mm左右的灌漿孔道，試件下部預(yù)留公稱(chēng)直徑為20 mm的鋼筋。試件中的水平筋和垂直筋的公稱(chēng)直徑為8 mm，間距為150 mm，拉筋的公稱(chēng)直徑為6 mm，間距為150 mm。漿錨灌漿孔道呈梅花狀布置，漿錨灌漿孔道位置及試件外觀與檢測(cè)操作如圖1所示。為了分析不同成孔方法對(duì)漿錨連接質(zhì)量檢測(cè)的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種不同類(lèi)型的孔道,分別為混凝土中的混凝土通孔(內(nèi)徑為50.0 mm)、金屬波紋管(型號(hào)為JBG-45Z，外徑為49.5 mm)、PVC-U管(外徑為50.0 mm)和鋼管(外徑為48.3 mm)，孔道長(zhǎng)度為400 mm；為了模擬施工過(guò)程中的灌漿不飽滿(mǎn)或者漏漿情況，設(shè)置了孔道中灌漿料不同程度的脫空，同時(shí)設(shè)置了泡沫和木塊夾雜缺陷，具體工況如表1所示(XPS為聚苯乙烯泡沫塑料)。

圖1 漿錨灌漿孔道位置及試件外觀與檢測(cè)操作示意

表1 漿錨灌漿孔道編號(hào)及參數(shù)

試件的上下兩個(gè)部分混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，所用鋼筋牌號(hào)為HRB400，分別預(yù)制28 d以后，試件上下兩個(gè)部分參照工程實(shí)際情況吊裝疊加，用座漿料座漿、封邊，試件下部分預(yù)留的鋼筋插入上部分灌漿孔道，按照設(shè)計(jì)工況灌入設(shè)計(jì)強(qiáng)度為80 MPa的灌漿料，自然養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行灌漿質(zhì)量檢測(cè)。

2 相控陣超聲檢測(cè)方法

采用一種低頻(20 kHz90 kHz)的多功能相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其基于脈沖超聲回波法，回波反射界面的深度可以通過(guò)波的傳播時(shí)間和波速按式(1)來(lái)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)混凝土內(nèi)部指定的深度d處是否存在缺陷。

(1)

式中：cs為剪切波波速；Δt為剪切波的傳播時(shí)間；X為陣元傳感器與測(cè)點(diǎn)的水平距離。

系統(tǒng)天線(xiàn)由12列陣列式排布的48個(gè)陣元傳感器組成。陣元在一激一收的制度下產(chǎn)生并接收短脈沖、高振幅、高電壓、高電流的剪切波，每列傳感器被連續(xù)激活，而非激活的傳感器則接收超聲波信號(hào)，使用合成孔徑聚焦技術(shù)實(shí)時(shí)顯示圖像信號(hào)，其工作原理如圖2所示。陣列式超聲檢測(cè)系統(tǒng)探頭區(qū)長(zhǎng)度為300 mm，寬為100 mm。檢測(cè)系統(tǒng)的陣元傳感器晶片尺寸明顯小于所發(fā)射剪切波的波長(zhǎng)，傳感器與被測(cè)混凝土的接觸方式為點(diǎn)接觸，在干耦合的情況下發(fā)出剪切波傳入混凝土中。

圖2 相控陣超聲傳感器工作原理示意

試件灌漿養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，用相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)以每行傳感器垂直于漿錨連接軸向的方向進(jìn)行檢測(cè)，由灌漿孔道上部開(kāi)始向下檢測(cè)，檢測(cè)在單側(cè)進(jìn)行，步長(zhǎng)為100 mm，重疊區(qū)長(zhǎng)為20 mm，每個(gè)孔道分為5個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)試部位在漿錨連接的遠(yuǎn)端墻面，測(cè)區(qū)布置如圖3所示。

圖3 各孔道測(cè)區(qū)布置示意

系統(tǒng)可對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)生成斷層截面圖，線(xiàn)性連續(xù)檢測(cè)后，斷層截面數(shù)據(jù)的集合可以進(jìn)一步編譯為單個(gè)大型數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)根據(jù)測(cè)線(xiàn)和步長(zhǎng)剔除重疊區(qū)域，擬合得到反映漿錨灌漿質(zhì)量的二維圖，能識(shí)別連續(xù)測(cè)試方向上缺陷的尺寸和部位。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 相控陣超聲斷面掃描結(jié)果與分析

試件S-W1、S-W2、S-W3和S-W4灌漿孔道中全滿(mǎn)和全空的斷面掃描結(jié)果如圖47所示。

從圖4,6,7可以看出，在預(yù)留漿錨灌漿孔道為混凝土通孔、PVC管和鋼管的裝配式混凝土剪力墻試件中，當(dāng)單個(gè)檢測(cè)區(qū)內(nèi)漿錨孔道灌漿為全空或者全滿(mǎn)時(shí)，斷面掃描結(jié)果可以明顯地加以區(qū)分。從圖5可以看出，在預(yù)留漿錨灌漿孔道為金屬波紋管的裝配式混凝土剪力墻試件中，當(dāng)單個(gè)檢測(cè)區(qū)內(nèi)試件漿錨灌漿孔道為全空時(shí)，斷面掃描結(jié)果與實(shí)際工況一致；當(dāng)漿錨孔道為全滿(mǎn)時(shí)，部分測(cè)區(qū)檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤判。

圖4 試件S-W1(混凝土通孔)孔道全滿(mǎn)與全空部位斷層掃描成像結(jié)果

圖5 試件S-W2(金屬波紋管孔道)孔道全滿(mǎn)與全空部位斷層掃描成像結(jié)果

圖6 試件S-W3(PVC孔道)孔道全滿(mǎn)與全空部位斷層掃描成像結(jié)果

圖7 試件S-W4(鋼管孔道)孔道全滿(mǎn)與全空部位斷層掃描成像結(jié)果

3.2 相控陣超聲二維擬合結(jié)果與分析

試件S-W1、S-W2、S-W3和S-W4的完整相控陣超聲二維擬合檢測(cè)結(jié)果如圖811所示。

圖8 試件S-W1(混凝土通孔)相控陣超聲二維擬合檢測(cè)結(jié)果

圖9 試件S-W2(金屬波紋管)相控陣超聲二維擬合檢測(cè)結(jié)果

圖10 試件S-W3(PVC管)相控陣超聲二維擬合檢測(cè)結(jié)果

圖11 試件S-W4(鋼管)相控陣超聲二維擬合檢測(cè)結(jié)果

從圖8和圖10可以看出，對(duì)于預(yù)留無(wú)管壁的混凝土通孔和PVC管孔道的裝配式混凝土剪力墻試件，漿錨灌漿密實(shí)部位反射較弱，未發(fā)生誤判；孔道b上部50%脫空部位通過(guò)強(qiáng)反射可以明顯識(shí)別，識(shí)別尺寸與脫空尺寸吻合；在150 mm和350 mm處設(shè)置的木塊缺陷和XPS泡沫塊缺陷都可以被準(zhǔn)確識(shí)別。

從圖9可以看出，對(duì)于預(yù)留金屬波紋管孔道試件，50%脫空和全部脫空的漿錨灌漿孔道具有明顯的強(qiáng)反射區(qū)，可以被識(shí)別；然而灌漿密實(shí)的漿錨孔道中產(chǎn)生了3處強(qiáng)反射誤判。

從圖11可以看出，對(duì)于預(yù)留鋼管孔道的試件，漿錨灌漿密實(shí)部位反射較弱，未發(fā)生誤判；孔道上部50%脫空部位可通過(guò)強(qiáng)反射區(qū)識(shí)別，識(shí)別尺寸與脫空尺寸吻合；全部脫空也可通過(guò)強(qiáng)反射區(qū)識(shí)別。

將相控陣超聲的檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)的缺陷信息進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。由表2可知，4種管道內(nèi)的全部脫空的工況都能被準(zhǔn)確識(shí)別，除了金屬波紋管外，其他漿錨管道中灌漿全滿(mǎn)時(shí)都能準(zhǔn)確識(shí)別且無(wú)誤判；半滿(mǎn)時(shí)的缺陷尺寸識(shí)別誤差小于15 mm；XPS塊和木塊缺陷識(shí)別的位置誤差小于10 mm；金屬波紋管的脫空位置可以準(zhǔn)確識(shí)別，但在全滿(mǎn)和半滿(mǎn)的密實(shí)部位有3處誤判。

表2 相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)缺陷對(duì)比結(jié)果

3.3 掃描結(jié)果合成孔徑聚焦定量分析

采用延時(shí)疊加進(jìn)行合成孔徑聚焦分析，對(duì)于成像區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)P(xi,yi)，先確定剪切波從其他各陣元傳感器到該點(diǎn)的傳播時(shí)間，該時(shí)間對(duì)應(yīng)的各陣元傳感器對(duì)P點(diǎn)回波孔徑信號(hào)為S(Xn,Δtn)，將各回波信號(hào)進(jìn)行疊加求和，得到P點(diǎn)的重建疊加信號(hào)，從而得到成像區(qū)域中任意一點(diǎn)的聚焦信號(hào)[11]。成像區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)P(xi,yi)的重建信號(hào)可表示為

(2)

式中：S(Xn,Δtn)為來(lái)自第n個(gè)陣元對(duì)P點(diǎn)的回波孔徑信號(hào)；S(xi,yi)為該點(diǎn)的重建疊加信號(hào)。

(3)

式中：Δtn為剪切波從成像點(diǎn)到第n個(gè)陣元的傳播時(shí)間；X為陣元與成像點(diǎn)的水平距離；d為陣元到成像點(diǎn)的垂直距離。

將S-W1～S-W4中所有灌漿孔合成孔道聚焦信號(hào)強(qiáng)度值按照測(cè)量部位的高度位置排列，以每種全滿(mǎn)孔道各點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的上限值來(lái)設(shè)定各孔道出現(xiàn)缺陷的“臨界值”，將同種孔道內(nèi)超過(guò)該孔道“臨界值”5%以上的信號(hào)強(qiáng)度值定義為“可疑值”，并以“可疑值”的位置和區(qū)域尺寸定量分析每種孔道內(nèi)缺陷的位置和尺寸，合成孔徑聚焦定量分析結(jié)果如表3所示，合成孔徑定量分析與二維擬合圖像分析結(jié)果的誤差對(duì)比如圖12所示。

圖12 合成孔徑定量分析與二維擬合圖像分析結(jié)果的誤差對(duì)比

表3 合成孔徑聚焦定量分析結(jié)果 mm

4 結(jié)論

在混凝土通孔、PVC管和鋼管孔道中，合成孔徑聚焦定量分析可以準(zhǔn)確識(shí)別孔道脫空的位置和管道中異物缺陷的位置和大小，偏差在9 mm以?xún)?nèi)，其對(duì)金屬波紋管的全滿(mǎn)灌漿也存在誤判；在對(duì)缺陷位置和尺寸的識(shí)別方面，合成孔徑聚焦定量分析能減小由操作人員對(duì)圖像色階感官差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響，從圖12可以看出，合成孔徑聚焦定量分析對(duì)缺陷位置和尺寸識(shí)別的準(zhǔn)確率更高，識(shí)別偏差比二維擬合圖像法的降低了40%～100%。

(1) 干耦合相控陣超聲檢測(cè)通過(guò)單側(cè)斷層掃描圖像、連續(xù)掃描擬合二維圖像和合成孔徑聚焦定量分析，能準(zhǔn)確識(shí)別混凝土通孔、PVC管和鋼管的裝配式混凝土漿錨灌漿脫空部位，檢測(cè)過(guò)程便捷、高效。

(2) 連續(xù)掃描擬合二維圖像法，對(duì)混凝土通孔、PVC管和鋼管的裝配式混凝土建筑漿錨灌漿孔道的脫空尺寸識(shí)別誤差小于15 mm；異物缺陷長(zhǎng)度方向尺寸為50100 mm時(shí)，其位置和尺寸的識(shí)別偏差小于10 mm。

(3) 合成孔徑聚焦定量分析法在缺陷位置和尺寸的識(shí)別方面，能減小由操作人員對(duì)圖像色階感官差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響，其識(shí)別偏差比二維擬合圖像法的降低了40%～100%，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確率。

(4) 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)通過(guò)斷層掃描和連續(xù)檢測(cè)方式可以對(duì)預(yù)留金屬波紋管漿錨孔道的裝配式混凝土建筑漿錨灌漿的脫空部位進(jìn)行明顯識(shí)別，但對(duì)于密實(shí)部位可能因?yàn)閺?qiáng)反射而造成誤判。