鄭茗旺 項馳軒 王奎華，* 楊學林 余亞超 王亞輝

（1.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058；2.浙江省建筑設計研究院，杭州 310006；3.浙江寶業(yè)現(xiàn)代建筑工業(yè)化制造有限公司，紹興 312030）

0 引 言

裝配式建筑作為一種新興的節(jié)能型建筑方式，優(yōu)點眾多，得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，代表了建筑業(yè)技術(shù)進步的方向。為了保證裝配式建筑安全正常使用，預制構(gòu)件現(xiàn)場連接的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

預制構(gòu)件常采用工廠預制好的構(gòu)件，然后使用綁扎鋼筋及澆筑混凝土的方式進行現(xiàn)場拼接。拼接過程中由于人工失誤如澆筑的混凝土振搗不密實，常導致澆筑混凝土的部分呈現(xiàn)蜂窩狀從而影響到結(jié)構(gòu)的連接強度。如果不能找出問題所在，很容易出現(xiàn)安全事故。

預制構(gòu)件連接質(zhì)量的好壞取決于澆筑是否密實，因此，需要一種合理可靠的預制構(gòu)件定量的檢測方法，對裝配式建筑關(guān)鍵預制構(gòu)件節(jié)點進行連接質(zhì)量檢測，從而避免安全事故的發(fā)生。

目前的建筑行業(yè)里，常使用超聲波進行質(zhì)量檢測。工程中，超聲波儀器多使用發(fā)射器（Transmitter，T）與接收器（Receiver，R）組合的換能器進行測試，原因在于價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單及容易保養(yǎng)。超聲波儀器中，基于發(fā)射器-接收器（TR）換能器裝置分離測試的方法，可分為透射法（Transmission Method）及脈沖回波法（Pulse Echo Method），通過實測聲波在混凝土介質(zhì)中傳播的波速、頻率和波幅衰減等聲學參數(shù)的相對變化，對結(jié)構(gòu)完整性進行檢測［1-3］。透射法是把發(fā)射器和接收器各別安放在構(gòu)件兩側(cè)自由端的操作面上（具體參見圖1），而脈沖回波法是把發(fā)射器和接收器分別安放在構(gòu)件同一自由端的操作面上（具體參見圖2）。

圖1 超聲波透射法的概念圖Fig.1 Concept drawn of the transmission method

圖2 超聲波脈沖回波法的概念圖Fig.2 Concept drawn of the pulse echo method

使用T-R換能器裝置分離的超聲波儀器進行脈沖回波法試驗，由于換能器在同個操作面上，發(fā)射脈沖信號的同時，將會產(chǎn)生面波（Surface Wave）［4］，面波脈沖將覆蓋回波，這時候根本分不清缺陷位置和回波。R所接收到的時域信號極有可能是疊加的狀態(tài)，除了無法辨別波速之外，即使把時域信號進行小波變換（Wavelet Transform）［5］得出時間與頻率及波幅的關(guān)系，也難以用這些參數(shù)的相對變化作為定量的標準。

1 超聲波透射法

1.1 超聲波透射法與沖回波法比較

超聲波透射法（圖1）與脈沖回波法（圖2）的不同之處在于超聲波透射法能有效地避開面波疊加的影響?？梢詫所接收到的時域信號進行波速、頻率和波幅衰減等聲學參數(shù)的定性和定量分析。

1.2 室內(nèi)原型試驗模型的制作

在模型試驗中使用的超聲波儀器，為武漢巖海超聲波儀器，其參數(shù)設置見表1，如圖3所示，本文通過裝配式結(jié)構(gòu)中常用到的疊合墻，其厚度為203 mm。在疊合墻中，通過預埋塑料泡沫以模擬空隙缺陷，左列及右列分別對應了兩行含格構(gòu)筋及兩行無格構(gòu)筋的缺陷區(qū)域。

圖3 疊合墻示意圖Fig.3 Schematic diagram of sandwich panel

表1 超聲波儀器的參數(shù)設置Table 1 Parameter of ultrasonic device

使用超聲波儀器進行透射法檢測，對疊合墻無缺陷及4個缺陷區(qū)域進行試驗。儀器所得到的模擬信號通過模擬濾波器后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并存儲于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得出相應的時域圖（具體參見圖5）。

為了探究不同的澆筑混凝土是否會影響透射法試驗所得出的結(jié)果，就需要對澆筑后不同時間點的混凝土強度進行詳細記錄。本文一共使用10組試模，制作出30個100 mm×100 mm×100 mm的方形試塊。每一組抗壓強度都以3個矩形試塊的平均值為準。然后，將9組試塊試模進行同條件養(yǎng)護，剩下1組進行蒸汽養(yǎng)護。最后，對所有的試塊進行破壞性試驗，得出不同時刻下，灌漿體的軸壓強度，如圖4所示。其中，蒸汽養(yǎng)護28 d后的強度為52.4 MPa，其他時間下的強度可通過擬合線代入天數(shù)t得知。

圖4 不同時刻下，澆筑混凝土的軸壓強度與時間的關(guān)系Fig.4 The relationship between axial compression strength of pouring concrete and time

1.3 數(shù)據(jù)采集

本文分別對澆筑后第1至7天以及第29天的時間段進行透射法試驗。其原因在于，工程上砼的養(yǎng)護周期為28 d，這期間混凝土強度的變化明顯。對此時間段內(nèi)的混凝土進行透射法試驗，以研究出不同強度的混凝土與透射法檢測波速之間的關(guān)系。

在超聲波透射法中，T-R換能器距離L為203 mm。如圖5（a）—（c）及圖6（a）—（c）所示，分別為無缺陷、10 mm缺陷厚度、20 mm缺陷厚度的時域及頻域圖典型代表。設置這三種不同缺陷是為了找出透射法檢測出的波速與缺陷空隙厚度的關(guān)系，并以此關(guān)系作為定量分析的標準。

圖5 透射法得出的時域圖Fig.5 The time domain from transmission method

圖6 透射法得出的時頻圖Fig.6 The time-frequency domain from transmission method

圖5中的Δt為脈沖波從T到R換能器所需使用的時間，其計算方式為

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的峰頻率在37.3 kHz左右，隨著缺陷厚度的增加，其峰頻率的幅值降低。

1.4 數(shù)據(jù)分析

混凝土的峰頻率可作為定性分析使用，但對于定量而言不可行，其原因在于不同儀器的T-R換能器所發(fā)射和接收的幅值都不相同，儀器供給T的電壓幅值不同，R所接收到的電壓幅值也大不相同。

在超聲波儀器的模擬濾波器設置相同濾波參數(shù)的情況下，使用波速進行定量分析能較好地應用于不同的超聲波儀器。如圖8所示，對第1至7天以及第29天不同預埋條件下（格構(gòu)筋的有無、澆筑混凝土的不同強度、內(nèi)含鋼筋與否）的混凝土進行超聲波投射法檢測，最終歸納為三種不同缺陷厚度下的波速統(tǒng)計圖。

圖8所顯示的箱形圖，其符號含義如圖7所示，而圖8中的N則表示樣本采集數(shù)。其中，對于上界和下界的定值：

圖7 箱形圖說明Fig.7 Explain of boxplot

其中，w為邊界長度，在本文中，w=1.5。

圖8所使用的箱形圖，是通過MATLAB的boxplot函數(shù)［6］求得。而式（3）和式（4）是MATLAB的上下界定值，w=1.5為MATLAB的默認值。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計只是一種手段，可以使用其他的方法，例如高斯正態(tài)分布圖或規(guī)范［2］所建議的方法進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

圖8 缺陷厚度與波速關(guān)系的統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Statical result for the relation between flaw thinckness and wave velocity

如圖8所示，通過統(tǒng)計出的疊合墻的正態(tài)分布圖，可以進一步得到缺陷厚度Tflaw與使用超聲波透射法檢測疊合墻所得出的波速vwave的關(guān)系。通過統(tǒng)計出的中間值，作出vwave衰減擬合值：

從式（5）及圖8可知，擬合出來的系數(shù)ζ=3 634。當ζ=3 634，Tflaw=0 mm時，vwave=3 974 ms-1；當ζ=3 634，Tflaw趨向于無限大時，vwave=340 ms-1，接近于聲波在空氣中傳播的速度。

2 結(jié) 論

通過超聲波透射法進行試驗所得出的統(tǒng)計結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）波速與混凝土強度呈現(xiàn)弱相關(guān)性。

（2）波速與缺陷空隙厚度呈強相關(guān)性，其關(guān)系可以進行定量分析。缺陷空隙厚度越大，波速越小，反之亦然。

（3）缺陷厚度與峰頻率呈強相關(guān)性，但其關(guān)系只能作為一種定性分析。缺陷厚度越大，混凝土的峰頻率幅值衰減得越大，反之亦然。