石志強(qiáng)

（1.安陽(yáng)工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.安陽(yáng)市結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固工程技術(shù)研究中心，河南 安陽(yáng) 455000）

0 引言

有效的混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法，是混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制和缺陷檢測(cè)的必要手段。超聲檢測(cè)方法引入混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)工程實(shí)踐后，廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究并取得了有益的研究成果。盧結(jié)成等研究了超聲檢測(cè)首波、聲時(shí)、波幅的測(cè)量及分析程序，能夠判斷混凝土內(nèi)部的缺陷[1]。宋煥生等研究了混凝土結(jié)構(gòu)層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，可以直觀再現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分布和內(nèi)部缺陷，并進(jìn)行了工程實(shí)際應(yīng)用[2]。韓立等針對(duì)典型大橋箱形梁混凝土密實(shí)度的檢測(cè)進(jìn)行了研究，認(rèn)為超聲法檢測(cè)混凝土密實(shí)度的技術(shù)適應(yīng)范圍更寬、檢測(cè)精度更高、可操作性更好[3]。呂曉光等研究了合成孔徑聚焦技術(shù)，對(duì)檢測(cè)聲波信號(hào)進(jìn)行成像處理，在混凝土超聲缺陷檢測(cè)中提高了成像質(zhì)量[4]。陳軍等研究了超聲有限幅度法檢測(cè)混凝土缺陷，認(rèn)為有限幅度法非線性參數(shù)能反映出混凝土孔洞缺陷的大小[5]。陳逵等研究了鋼管混凝土中的各類缺陷，得出了各類典型缺陷的聲波圖，認(rèn)為當(dāng)鋼管混凝土脫空值超過1.4 mm時(shí)超聲法測(cè)得數(shù)據(jù)出現(xiàn)非正常值[6]。范曉鵬等采用超聲檢測(cè)儀用單面平測(cè)對(duì)試塊預(yù)制裂縫進(jìn)行檢測(cè)分析，認(rèn)為通過超聲波檢測(cè)儀可以檢測(cè)混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣和密實(shí)程度[7]。徐俊濤等研究了合成孔徑聚焦成像技術(shù)在混凝土缺陷識(shí)別中的應(yīng)用，可以識(shí)別出50 mm深度以下，缺陷橫向直徑為40 mm，縱向厚度為3 mm的空洞缺陷，并能夠準(zhǔn)確讀取該缺陷在混凝土試塊中的相對(duì)位置信息[8]。許鑫浩研究了混凝土內(nèi)部缺陷超聲檢測(cè)的傳統(tǒng)超聲檢測(cè)法與相控陣列超聲檢測(cè)法，認(rèn)為陣列超聲檢測(cè)比傳統(tǒng)超聲檢測(cè)對(duì)混凝土內(nèi)部空洞檢測(cè)精度更高[9]。《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21∶2000，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）在總結(jié)超聲法檢測(cè)混凝土缺陷研究成果的基礎(chǔ)上，提供了對(duì)測(cè)法檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的具體方法和標(biāo)準(zhǔn)[10]。已有的各類研究以檢測(cè)技術(shù)、分析方法、成像方法創(chuàng)新和常規(guī)超聲檢測(cè)方法的應(yīng)用比較多見，針對(duì)《規(guī)程》中的常規(guī)對(duì)測(cè)法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)的改進(jìn)未見報(bào)道?！兑?guī)程》推薦使用對(duì)測(cè)法檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷，給出了具體的檢測(cè)方法和缺陷數(shù)據(jù)的判定方法，但沒有給出缺陷的描述和圖示方法，實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷和描述。論文通過對(duì)預(yù)埋缺陷的混凝土試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，在《規(guī)程》對(duì)測(cè)法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了超聲對(duì)測(cè)法混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)的結(jié)果表達(dá)和數(shù)據(jù)分析方法，使檢測(cè)結(jié)果在檢測(cè)異常值判定的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了混凝土內(nèi)部缺陷的可視化三維空間分析，更易于工程應(yīng)用。

1 超聲測(cè)缺原理與檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 超聲測(cè)缺基本原理

混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中因振搗不夠、漏漿或石子架空等原因，可能造成蜂窩、松散或空洞等內(nèi)部缺陷。當(dāng)結(jié)構(gòu)被測(cè)部位具有一對(duì)或兩對(duì)相互平行的表面時(shí)，可以采用對(duì)測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)分析采用統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行分析。由于混凝土材料本身是非均質(zhì)材料，超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)受混凝土內(nèi)部構(gòu)成影響，會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的超聲檢測(cè)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究。一般認(rèn)為穿過正常混凝土的超聲聲速等檢測(cè)值屬于正態(tài)分布，檢測(cè)數(shù)據(jù)在給定的置信區(qū)間范圍內(nèi)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，當(dāng)某些檢測(cè)數(shù)據(jù)超出置信區(qū)間，可以判斷它屬于異常值。對(duì)測(cè)統(tǒng)計(jì)法超聲換能器布置如圖1所示，圖中陰影部分代表混凝土內(nèi)部缺陷，兩對(duì)面相同編號(hào)點(diǎn)分別布置發(fā)射換能器和接收換能器，圖中虛線為穿過被測(cè)混凝土的超聲脈沖傳播路徑，當(dāng)超聲脈沖通過缺陷區(qū)域時(shí)，檢測(cè)參數(shù)受缺陷影響形成異常值，通過統(tǒng)計(jì)分析異常值進(jìn)行混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)。

圖1 對(duì)測(cè)法換能器布置

由被測(cè)混凝土構(gòu)件各測(cè)點(diǎn)的測(cè)距及檢測(cè)聲時(shí)，計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的聲速值，將各測(cè)點(diǎn)聲速值排序，x1≥x2≥…≥xn≥xn+1≥…，通常聲速較小值為可疑數(shù)據(jù)，將可以數(shù)據(jù)中的最大值xn連同其前面的數(shù)據(jù)按式（1）、（2）計(jì)算出mx及Sx值，并按式（3）計(jì)算異常情況的判斷值X0。

式（1）（2）中，xi—第i點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)；n—參與統(tǒng)計(jì)的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

式（3）中λ1為異常值判定系數(shù)，可根據(jù)式（4）概率函數(shù)，由正態(tài)分布函數(shù)表查出對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)n的λ1值。

當(dāng)被檢測(cè)混凝土的某些測(cè)點(diǎn)超聲聲速為異常值時(shí)，再結(jié)合波形狀況及異常測(cè)點(diǎn)的分布情況判定混凝土內(nèi)部的缺陷。

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)300×300×300 mm混凝土被測(cè)試件，分別埋入不同形狀的塑料泡沫形成混凝土內(nèi)部缺陷，編號(hào)為QX-1、QX-2，同時(shí)制作材料相同的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊兩組，一組與被測(cè)試件同條件養(yǎng)護(hù)，用于測(cè)定混凝土強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)聲速，一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，用于測(cè)定混凝土強(qiáng)度?；炷帘粶y(cè)試件采用同力牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥、邢臺(tái)天然河砂、青石破碎石子配置，所用材料的技術(shù)指標(biāo)詳見表1、2、3?；炷僚渲脧?qiáng)度等級(jí)為C30，水泥28d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Fce=55.8N/mm2，設(shè)計(jì)水灰比W/C=0.55，設(shè)計(jì)混凝土配合比，水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.68∶3.91∶0.55。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，測(cè)其抗壓強(qiáng)度為34.2 MPa。

表1 同力牌P.O.42.5水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 邢臺(tái)砂技術(shù)指標(biāo)

表3 青石破碎石子物理性質(zhì)及粒徑

將被測(cè)試件分成兩組不同的對(duì)面，設(shè)定為X 對(duì)面、Y對(duì)面，將兩組對(duì)面劃分為50×50 mm寬檢測(cè)網(wǎng)格，并對(duì)檢測(cè)網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)。試驗(yàn)采用ZBL-U510非金屬超聲檢測(cè)儀進(jìn)行超聲檢測(cè)。超聲儀預(yù)熱穩(wěn)定后采用空氣聲速法對(duì)超聲檢測(cè)儀進(jìn)行校驗(yàn)，使用黃油作為換能器耦合劑，測(cè)定零聲時(shí)后按照《規(guī)程》推薦的對(duì)測(cè)試驗(yàn)方法對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行檢測(cè)。試件制作及檢測(cè)過程見圖2所示。

圖2 超聲檢測(cè)試驗(yàn)過程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

《規(guī)程》中給定了不密實(shí)區(qū)和空洞檢測(cè)的一般檢測(cè)方法，但對(duì)缺陷的判定沒有統(tǒng)一有效的方法，只定性提出“當(dāng)測(cè)位中某些測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)被判為異常值時(shí)，可結(jié)合異常測(cè)點(diǎn)的分布及波形狀況確定混凝土內(nèi)部存在不密實(shí)區(qū)和空洞的位置及范圍”[10]。論文運(yùn)用投影面聲速等值線圖、缺陷標(biāo)識(shí)圖、缺陷標(biāo)識(shí)三視圖對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行深入分析，為進(jìn)行混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)的工程運(yùn)用提供更為有效的方法。

2.1 檢測(cè)結(jié)果分析

按照《規(guī)程》提供的對(duì)測(cè)法進(jìn)行超聲檢測(cè)，采用統(tǒng)計(jì)法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行異常值判別。為了使檢測(cè)數(shù)據(jù)便于工程分析與應(yīng)用，論文將檢測(cè)數(shù)據(jù)按照兩個(gè)檢測(cè)對(duì)面進(jìn)行編號(hào)，并將判定的異常數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)的單元格中進(jìn)行標(biāo)識(shí)，同時(shí)繪制檢測(cè)投影面超聲聲速等值線圖，以圖像方式呈現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果。如圖3、圖4所示，通過試件檢測(cè)投影面聲速等值線圖，可以清晰地看到投影面上超聲聲速的分布情況，可以在圖上分析被測(cè)構(gòu)件檢測(cè)投影面上的內(nèi)部缺陷及其質(zhì)量分布情況；在檢測(cè)投影面缺陷標(biāo)識(shí)圖中可以清晰地標(biāo)識(shí)出異常聲速所在位置。檢測(cè)出的異常值位置與埋入缺陷位置吻合。投影面檢測(cè)聲速值代表了該投影面上，超聲脈沖通過整個(gè)混凝土被測(cè)試件后所承載的混凝土內(nèi)部質(zhì)量信息，將一個(gè)三維空間狀態(tài)投影到一個(gè)平面上進(jìn)行顯示，應(yīng)用該方法可以分析該檢測(cè)部位混凝土的內(nèi)部缺陷情況，但對(duì)于內(nèi)部缺陷的三維空間位置在單個(gè)投影面上無(wú)法有效表達(dá)。

圖3 QX-1試件X、Y投影面缺陷檢測(cè)結(jié)果分析圖

圖4 QX-2試件X、Y投影面缺陷檢測(cè)結(jié)果分析圖

2.2 構(gòu)建缺陷檢測(cè)三視圖

三視圖是工程師常用的三維空間表達(dá)方法，工程上一般規(guī)定V面投影圖為前視圖，H面投影圖為俯視圖，W面投影圖為左視圖，如圖5所示方式表達(dá)。試驗(yàn)將被測(cè)構(gòu)件兩垂直面上的缺陷標(biāo)識(shí)圖運(yùn)用三視圖思想構(gòu)建缺陷檢測(cè)三視圖，用以分析混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的三維空間位置。

圖5 三視圖一般布置方式

X、Y兩個(gè)檢測(cè)對(duì)面為混凝土被測(cè)試件相鄰且相互垂直的兩組對(duì)面，將每組對(duì)面的檢測(cè)數(shù)據(jù)投影到一個(gè)面上，并將其作為三視圖中的一個(gè)視圖，從而建立缺陷檢測(cè)三視圖。令X投影面為前視圖、Y投影面為右視圖，將與X、Y投影面均垂直的被測(cè)構(gòu)件的橫斷面設(shè)為Z面，令Z投影面為俯視圖。為形象地表達(dá)被測(cè)構(gòu)件各投影面的三維空間關(guān)系，以展開圖的方式重新組合三視圖。以Z投影面俯視圖為中心，其下方布置X投影面即前視圖，其左側(cè)布置Y投影面即右視圖，形成用于缺陷檢測(cè)結(jié)果表達(dá)的三視圖空間，如圖6所示。將新構(gòu)建的缺陷檢測(cè)三視圖的X、Y面向內(nèi)折疊90°，即還原形成了檢測(cè)構(gòu)件的空間外形。

圖6 缺陷檢測(cè)三視圖布置方式

2.3 檢測(cè)成果的三視圖三維分析

將各缺陷試件的X投影面缺陷標(biāo)識(shí)圖繪制到前視圖位置，Y投影面缺陷標(biāo)識(shí)圖繪制到右視圖位置，運(yùn)用三視圖繪圖原理，在Z投影面上補(bǔ)充繪制俯視圖，得到完整的三視圖，如圖7所示。從圖中可以清晰地看到缺陷標(biāo)識(shí)在構(gòu)件中的三維空間位置。缺陷標(biāo)識(shí)是以測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格為單元的，測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格單元越密，測(cè)點(diǎn)越多，對(duì)內(nèi)部缺陷的形狀位置表達(dá)越準(zhǔn)確。

圖7 各試件缺陷標(biāo)識(shí)三視圖

3 結(jié)論

論文通過試驗(yàn)研究，運(yùn)用投影面聲速等值線圖、投影面缺陷標(biāo)識(shí)圖、被測(cè)試件內(nèi)部缺陷標(biāo)識(shí)三視圖，改進(jìn)了《規(guī)程》中原有的超聲檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷結(jié)果的分析評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)結(jié)果的可視化。

①運(yùn)用投影面聲速等值線圖，可以分析被測(cè)構(gòu)件在檢測(cè)區(qū)域投影面內(nèi)超聲脈沖聲速的分布情況。當(dāng)被測(cè)構(gòu)件檢測(cè)區(qū)域內(nèi)存在不密實(shí)區(qū)或者其他缺陷時(shí)，結(jié)合檢測(cè)異常值判別方法，可以直觀地分析混凝土內(nèi)部缺陷位置；當(dāng)被測(cè)構(gòu)件檢測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有明顯異常值時(shí)，可以通過投影面聲速等值線圖分析混凝土構(gòu)件檢測(cè)區(qū)域的內(nèi)部質(zhì)量分布情況。

②運(yùn)用投影面缺陷標(biāo)識(shí)圖，可以在投影面上標(biāo)出檢測(cè)異常值所在位置，結(jié)合檢測(cè)異常值的具體數(shù)值，分析投影面存在的內(nèi)部缺陷。投影面缺陷標(biāo)識(shí)圖以檢測(cè)網(wǎng)格單元為單位，檢測(cè)點(diǎn)越多、檢測(cè)網(wǎng)格單元越小，對(duì)投影面存在的缺陷表達(dá)越準(zhǔn)確。

③借鑒三視圖思想，構(gòu)建了混凝土被測(cè)試件內(nèi)部缺陷標(biāo)識(shí)三視圖，可以對(duì)被測(cè)構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行三維表達(dá)。將實(shí)測(cè)投影面缺陷標(biāo)識(shí)圖作為三視圖的前視圖和右視圖，運(yùn)用三視圖繪圖原理，補(bǔ)充繪制俯視圖，得到完整的混凝土內(nèi)部缺陷三視圖，可以清晰地表達(dá)混凝土內(nèi)部缺陷在構(gòu)件中三維空間位置。