劉亞輝，王 立，李海波，吳鵬程

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

隨著我國裝配式建筑的高速發(fā)展，預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)業(yè)迅速崛起。當(dāng)預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在重大缺陷時，其將影響裝配式建筑的結(jié)構(gòu)整體安全性。因此，有必要開展適宜的預(yù)制構(gòu)件缺陷檢測技術(shù)研究，對重要的或具有重大安全隱患的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行檢測，以防發(fā)生安全事故。目前，我國預(yù)制構(gòu)件大部分為混凝土預(yù)制構(gòu)件?；炷令A(yù)制構(gòu)件缺陷分為外觀質(zhì)量缺陷和內(nèi)部缺陷。外觀質(zhì)量缺陷主要包括露筋、蜂窩、孔洞、夾渣、疏松、裂縫、缺棱掉角、棱角不直、翹曲不平等外形缺陷和表面麻面、掉皮、起砂等外表缺陷。內(nèi)部缺陷主要包括部品部件內(nèi)部的孔洞、疏松、不良結(jié)合面及裂縫等。其中外觀質(zhì)量缺陷很容易被人們發(fā)現(xiàn)并及時修復(fù)和維修。內(nèi)部缺陷常常更具危險性，但卻無法通過肉眼直接觀察到。由于混凝土預(yù)制構(gòu)件形式多樣，構(gòu)造也相對復(fù)雜，這對混凝土缺陷檢測提出了新的要求，因此尋找適宜混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部缺陷的檢測方法具有現(xiàn)實意義。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

混凝土內(nèi)部缺陷的無損檢測是利用聲學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和輻射線等物理手段，直接在混凝土構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)上測定混凝土內(nèi)部所需要的物理量，并通過所獲得的物理量進(jìn)行推定分析混凝土強度、連續(xù)性、均勻性、耐久性和內(nèi)部存在的缺陷等的檢測方法［1］。

20世紀(jì)30年代，相關(guān)科研人員就對混凝土無損檢測開始了初步的研究。1930年首次研究出表面壓痕法，1948年E.Schmid研制出世界上第一臺回彈儀，1949年英國的R.Jones、加拿大的C.Heesman和Leslie等人采用超聲脈沖法成功對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，之后的R.Jones用放射性同位素對混凝土密實度和強度進(jìn)行檢測［2］。這些無損檢測研究為之后的無損檢測奠定了堅實的基礎(chǔ)。我國自20世紀(jì)50年代開始對于無損檢測進(jìn)行研究，和其他國家相比起步較晚，但國內(nèi)的高校以及科研機構(gòu)相繼引進(jìn)和借鑒瑞士、英國、波蘭等國的先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合實際工程研究，使得在無損檢測領(lǐng)域內(nèi)得以迅速發(fā)展。

2 無損檢測方法及其適應(yīng)性分析

目前基于混凝土內(nèi)部缺陷的無損檢測方法由于檢測原理各異，其技術(shù)特點和適應(yīng)性也各異，具體如下：

2.1 超聲檢測法

超聲檢測法用來檢測混凝土內(nèi)部缺陷時，主要是根據(jù)超聲波在混凝土內(nèi)的傳播時間、接收波的頻率等參數(shù)的變化，來判斷混凝土內(nèi)部缺陷情況。如檢測混凝土是否密實，可以通過超聲的傳播速度變化進(jìn)行判斷，傳播速度大，一般說明混凝土密實度好；反之亦然。當(dāng)混凝土內(nèi)部存在空鼓或者裂縫時，接收到的聲時偏大或聲速偏低，從而判斷缺陷的位置。

影響超聲法無損檢測方法的因素主要有以下幾方面：1）傳感器與混凝土之間的耦合不良有可能對混凝土缺陷檢測產(chǎn)生錯誤結(jié)果；2）混凝土的含水率和內(nèi)部缺陷的位置也會影響檢測的準(zhǔn)確性；3）對于只露出單面混凝土的構(gòu)件，無法達(dá)到檢測要求。

2.2 相控陣列超聲檢測法

相控陣列超聲檢測技術(shù)基本原理是利用指定順序排列的線陣列或面陣列的陣元按照一定時序來激發(fā)超聲脈沖信號，使超聲波陣面在聲場中某一點形成聚焦，增強對聲場中微小缺陷檢測的靈敏度。同時，利用對陣列的不同激勵時序，在聲場中形成不同空間位置的聚焦而實現(xiàn)較大范圍的聲束掃查。

影響相控陣超聲法檢測的主要因素是檢測構(gòu)件的混凝土表面平整度。因此，在進(jìn)行檢測之前，普通施工工藝的混凝土構(gòu)件一般需要對側(cè)面進(jìn)行平整處理。

2.3 探地雷達(dá)檢測法

探地雷達(dá)檢測法主要通過在待測構(gòu)件內(nèi)發(fā)射寬頻窄脈沖電磁波，當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部無缺陷時，電磁波沿構(gòu)件內(nèi)部正常傳播；當(dāng)遇到相應(yīng)缺陷時，電磁波產(chǎn)生反射并被探地雷達(dá)接收，通過對反射電磁波的特性進(jìn)行分析從而確定缺陷的類型和對應(yīng)的位置。

影響探地雷達(dá)檢測法的主要因素在于，當(dāng)待測構(gòu)件含有較密集鋼筋時會對電磁波進(jìn)行阻擋、反射，不能通過［3］。同時，混凝土內(nèi)部含水量過大也會對檢測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

2.4 沖擊回波檢測法

沖擊回波法通過敲擊待測構(gòu)件表面產(chǎn)生應(yīng)力脈沖波，構(gòu)件內(nèi)部無缺陷時，應(yīng)力波正常傳播，并在構(gòu)件邊界反射。而當(dāng)在傳播過程中遇到缺陷時，應(yīng)力波將在缺陷處產(chǎn)生反射，反射波被接收探頭接收，并將接收反射波進(jìn)行頻譜分析，獲得混凝土構(gòu)件內(nèi)部情況。

沖擊回波法用于混凝土預(yù)制構(gòu)件缺陷檢測的缺點在于檢測的速度相較于其他檢測方法慢，一般只適用于小區(qū)域以及關(guān)鍵部位測試。同時，由于其為單點檢測，測試結(jié)果不能全面反映混凝土構(gòu)件的缺陷［4］。

2.5 紅外熱成像檢測法

紅外熱成像檢測法主要通過紅外熱成像儀掃描并接收待測構(gòu)件表面輻射的紅外信號，將接收到的紅外信號轉(zhuǎn)換成熱量譜圖像進(jìn)行顯示。由于存在缺陷位置的紅外熱輻射信號與無缺陷位置的信號存在明顯差別，從而通過熱量譜圖像中的熱量分布能快速分析出缺陷的位置。

紅外熱成像檢測法主要存在的問題為，由于采用人工激勵方式，不能完全解決激勵的不均勻問題，給檢測結(jié)果帶來一定影響。同時，該檢測方法相對其他檢測方法，經(jīng)濟(jì)性也較差。

2.6 適應(yīng)性分析

綜上所述，幾乎每一種無損檢測方法都有其優(yōu)越性和局限性。但總體而言，相控陣列超聲檢測法限制條件相對較少，適用范圍相對較廣，且就裝配式建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測而言，由于預(yù)制構(gòu)件表面一般平整度較好，相控陣列超聲檢測法具有先天的適應(yīng)性。近年來，通過技術(shù)改良后形成的相控陣超聲成像法在信息收集階段采用多通道超聲多脈沖回波，具有準(zhǔn)確、高效、靈活快速等特點，可廣泛應(yīng)用于混凝土的內(nèi)部孔洞、損傷層厚度、裂縫深度的檢測。

3 基于相控陣超聲成像法的混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測試驗

3.1 方案設(shè)計

為了驗證相控陣超聲成像法對鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部混凝土缺陷檢測的準(zhǔn)確性及可靠性，筆者設(shè)計并制作了2個疊合板試件（疊合板A預(yù)制厚度為50 mm，后澆層厚度為60mm，總厚度為110 mm；疊合板B預(yù)制厚度為70 mm，后澆層厚度為70 mm，總厚度為150 mm），采用瑞士PROCEQ公司生產(chǎn)的相控陣超聲成像儀對預(yù)埋缺陷的裝配式疊合板構(gòu)件進(jìn)行檢測，并將檢測成像結(jié)果與實際預(yù)埋缺陷位置進(jìn)行對比。

本次試驗通過在疊合層施工前，在疊合面設(shè)置木板、紙塊、橡膠片、玻璃板、塑料膜等以模擬膠結(jié)不良的缺陷，在后澆混凝土中設(shè)置乒乓球、PVC管及橡膠片等模擬混凝土內(nèi)部缺陷。構(gòu)件缺陷布置見表1及圖1。

表1 缺陷布置方式

圖1 疊合板缺陷布置

3.2 試驗結(jié)果與分析

在疊合板后澆混凝土自然養(yǎng)護(hù)28 d后，采用相控陣超聲成像儀對疊合板進(jìn)行缺陷檢測，考慮到試件澆筑過程缺陷位置可能存在偏位，對檢測疑似缺陷位置均進(jìn)行鉆芯驗證。

試件A的陣列超聲成像結(jié)果見圖2和圖3，由圖2b）及圖3b）可知，在距離表面110 mm處，有明顯的反射信號，這表明疊合板低于空氣交界面位于110 mm處。

由圖2b）可知，在測試面3及測試面5中出現(xiàn)了大面積的異常反射信號，表明這兩處存在較大的缺陷；測試面9中出現(xiàn)了小面積的異常反射信號，表明該處存在較小的缺陷；比對圖2a）可知，缺陷位置和大小與超聲成像的結(jié)果基本一致。

由圖3b）可知，在測試面3、5、7中均出現(xiàn)了異常反射信號，表明此處有缺陷，比對圖3a），缺陷的位置和大小與超聲成像的結(jié)果基本一致。

另外，由圖2b）和圖3b）可知，所有異常反射信號的位置均在距表面約60 mm處，而后澆混凝土的厚度即為60 mm，這表明陣列超聲成像能夠較為準(zhǔn)確地測出缺陷所在的位置。

圖2 試件A掃描區(qū)域1及陣列超聲成像

圖3 試件A掃描區(qū)域2及陣列超聲成像

圖3 再生混凝土水滲透系數(shù)隨骨料替代率的變化

試件B的陣列超聲成像結(jié)果見圖4，由圖4可知，在距離表面150 mm處，有明顯的反射信號，這表明疊合板低于空氣交界面位于150 mm處。

圖4 試件B的陣列超聲成像

在圖4a）中的測試面2、測試面4以及圖4b）中的測試面3中出現(xiàn)了異常反射信號，表明這些區(qū)域存在缺陷；比對圖1b）和圖1c）可知，缺陷位置和大小與超聲成像的結(jié)果基本一致。

通過對分析出來的缺陷位置進(jìn)行取芯，發(fā)現(xiàn)所取芯樣中均含有試驗前預(yù)設(shè)的缺陷物體，見圖5。

圖5 芯樣內(nèi)含預(yù)埋缺陷

4 結(jié)語

本文主要通過對常用的幾種無損缺陷檢測方法的特點和適應(yīng)性進(jìn)行了比較和分析，認(rèn)為相控陣超聲成像法對混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測具有較好的適應(yīng)性，并通過相應(yīng)缺陷檢測試驗驗證了其可靠性。