鋼筋套筒灌漿缺陷的超聲檢測綜合分析

趙 杰，雅 菁，尚靜媛，文 超，陳 倩，劉曉錚，王曉航

（1.天津城建大學，天津300384；2.天津津貝爾建筑工程試驗檢測技術(shù)有限公司，天津300171）

裝配式建筑是目前建筑領(lǐng)域的新方向，其中豎向節(jié)點的可靠連接是保證結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1].灌漿套筒連接屬于隱蔽工程，與現(xiàn)澆混凝土剪力墻產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷相比，由于受鋼筋套筒直徑的限制，其在灌漿過程中形成的脫空、空洞缺陷尺寸較小，一般不超過50 mm.目前，常用于混凝土缺陷無損檢測的方法有超聲法、沖擊回波法、預設傳感器法、紅外成像法等，超聲法由于其原理較為簡單、儀器操作簡便等優(yōu)點被廣泛使用.但通常CECS21：2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[2]（以下簡稱《規(guī)程》）中的換能器規(guī)格及檢測方法只適用于混凝土中大于100 mm缺陷的檢測[3-5].在新頒布的JGJT 485—2019《裝配式住宅建筑檢測技術(shù)標準》中，也沒有提出使用超聲法檢測灌漿套筒中的缺陷.超聲法之所以難以適用于檢測鋼筋套筒灌漿飽滿度，主要原因在于超聲法檢測的最小缺陷尺寸與超聲頻率呈反比，且超聲波在經(jīng)過多個不同介質(zhì)界面?zhèn)鞑r的復雜性.聶東來[6]、姜紹飛[7]、Qingbang H[8]等在以超聲波聲速作為檢測指標時，檢測出了無混凝土包裹下灌漿套筒中的全脫空缺陷，即能檢測出40～45 mm以上尺寸的空洞缺陷，但對其內(nèi)部存在的較小尺寸缺陷不能檢測出來；童壽興[9]、高潤東[10]、石平府等[11]采用高頻、小直徑換能器檢測出有混凝土包裹下水平接縫中存在的缺陷，即能檢測出60～100 mm以內(nèi)尺寸的空洞缺陷.本研究為提高超聲法對混凝土、灌漿料等多界面中小尺寸缺陷的檢出率，擬在提高超聲換能器的頻率的基礎(chǔ)上，對有混凝土包裹的灌漿套筒內(nèi)缺陷進行超聲檢測，測定超聲波經(jīng)過多個不同介質(zhì)界面?zhèn)鞑ズ蟮穆晠⒘?，除了采用聲速分析，再增加波形分析對灌漿套筒內(nèi)空洞缺陷位置進行綜合分析判斷.

1 試驗過程

1.1 灌漿套筒缺陷模型設計與制備

依據(jù)JG/T 398《鋼筋連接用灌漿套筒》技術(shù)規(guī)程，制備有混凝土包裹的套筒內(nèi)存在空洞缺陷的豎向灌漿套筒.鋼筋套筒長150 mm，外徑50 mm，壁厚5 mm.在套筒內(nèi)設置三種高度的空洞缺陷，其位置豎向看分為上部、中部、下部；橫向看分為一側(cè)、中間、兩側(cè)、隨機，位置示意如圖1所示.缺陷尺寸為5 mm×5 mm×20 mm；15 mm×15 mm×20 mm.用擠塑板模擬空洞缺陷并固定，灌漿后澆注混凝土，自然狀態(tài)下養(yǎng)護至指定齡期，進行超聲檢測.

1.2 超聲檢測及數(shù)據(jù)采集

采用NM-4A非金屬超聲波檢測儀，依據(jù)《規(guī)程》選用頻率250 kHz、端面直徑10 mm的換能器對灌漿套筒進行超聲檢測.選用超聲對測法，設置采樣周期0.2μs，測距150 mm，兩個測點間距25 mm.空洞缺陷（hole）表示為H，5 mm×5 mm×20 mm、15 mm×15 mm×20 mm缺陷表示為05、15，缺陷位置在一側(cè)（one side）、中間（middle）、兩側(cè)（two side）、隨機（random）分別表示為-o、-m、-t、-r，不同測點位置如圖2所示.每個套筒內(nèi)空洞缺陷測點編號為c1、c3、c5，即有3個缺陷，故每種尺寸的4個試件空洞缺陷共有12處.

1.3 超聲檢測數(shù)據(jù)分析軟件及綜合分析流程

采用與NM-4A非金屬超聲波檢測儀配套的分析軟件V1.2，先依據(jù)《規(guī)程》中概率法分析，統(tǒng)計聲速平均值、標準差、離差系數(shù)，計算異常判斷值，流程如圖3所示.再把漏判的缺陷位置通過波形分析進行補充判斷，對其進行第一、第二周期及后續(xù)波特征分析，并與密實處對比.

圖3 概率法分析流程

2 結(jié)果與討論

2.1 空洞缺陷位置與聲速的關(guān)系

超聲檢測灌漿套筒不同尺寸空洞缺陷在不同位置的聲速變化如表1所示.

在表1中，5 mm×5 mm×20 mm、15 mm×15 mm×20 mm空洞缺陷不同位置的聲速變異系數(shù)都很小，趨近于0.由于聲速變異系數(shù)越小，表明測點處的離散程度越小，因此可認為這時空洞缺陷無論其處于套筒的兩側(cè)、一側(cè)或中間的位置，都不會影響超聲波檢測的聲參量，其聲參量與缺陷本身的位置無關(guān).

表1 灌漿套筒不同尺寸空洞缺陷在不同位置的聲速變化

2.2 空洞缺陷測點的概率法分析判斷

超聲檢測套筒內(nèi)部密實區(qū)與不同缺陷處的聲時、波幅及聲速如表2所示.

表2 超聲檢測套筒空洞缺陷聲學參量

續(xù)表

按照圖3進行概率法分析判斷，120個測點的聲速平均值為4.461 km/s，聲速標準差為0.115 km/s，離散系數(shù)為0.026.可疑數(shù)據(jù)中最大聲速為4.237 km/s，聲速平均值為4.475 km/s，聲速標準差為0.098 km/s，計算得聲速異常判斷值（X0）為4.243 km/s.當聲速異常判斷值大于可疑值時，排序在可疑值后的測點為缺陷點，因此可以判斷出試件H15-o的c3、c5測點，H15-m的c3、c5測點，H15-t的c1、c5測點及H15-r的c1測點存在缺陷.而試件H05-o、H05-m、H05-t、H05-r的c1、c3、c5測點，H15-o、H15-m的c1測點，H15-t的c3測點及H15-r的c3、c5測點被漏判.上述分析表明按概率法分析能對灌漿套筒中的12個15 mm×15 mm×20 mm空洞缺陷測點有效判斷出7個，漏判5個；而對12個5 mm×5 mm×20 mm空洞缺陷測點全部漏判.

2.3 空洞缺陷漏判測點的波形分析

將2.2節(jié)漏判的5個15 mm×15 mm×20 mm空洞缺陷測點與密實處測點波形進行對比，結(jié)果如圖4-5所示.

圖4 灌漿套筒H05-o的a3測點密實處波形

在作波形分析時，分別觀察第一、第二周期及后續(xù)波的首波、振幅強弱、畸變程度、回波高度、回波時間等波形特征，進行比較判斷.在圖4中，灌漿套筒密實處的第一周期內(nèi)首波清晰陡峭，振幅后半周達到最大值，各周期波形無畸變（其余密實處測點的波形均與之類似，不再展示）.將圖5a至5d與圖4對比，可發(fā)現(xiàn)圖5a、5b中缺陷H15-o、H15-m的c1測點第一周期與密實處波形相似，第二周期、后續(xù)波與密實處相比差別不大，由此未能判斷出當缺陷處于一側(cè)和中間位置時c1測點處存在缺陷.在圖5c中，缺陷H15-t的c3測點第一周期、第二周期與密實處波形相似，后續(xù)波與密實處相比差別較大，由此可判斷出當缺陷處于兩側(cè)位置時的c3測點不密實.在圖5d、5e中，缺陷H15-r的c3、c5測點第一周期與密實處波形相似，第二周期、后續(xù)波波形畸變嚴重，與密實處相比差別很大，由此可判斷當缺陷處于隨機位置時的c3、c5測點不密實.故綜上所述，表明增加波形分析能對概率法分析漏判的5個15 mm×15 mm×20 mm空洞缺陷測點再補充判斷出3個，仍漏判2個.

圖5 15 mm×15 mm×20 mm灌漿套筒空洞缺陷漏判處波形

將2.2節(jié)漏判的12個5 mm×5 mm×20 mm空洞缺陷測點與密實處波形進行對比，結(jié)果如圖4、圖6所示.因為在2.1小節(jié)已研究表明套筒內(nèi)空洞缺陷的聲參量與位置無關(guān)，因此可分別從4個試件中的空洞缺陷測點位置（上部、中部、下部）任意選擇一處（此時選擇了中部位置）波形圖進行分析.

將圖6與圖4進行對比，可發(fā)現(xiàn)圖6a中缺陷H05-o的c3測點波形與密實處基本相同，圖6b至6d中缺陷H05-m、H05-t、H05-r的c3測點第一周期與密實處波形相似，第二周期、后續(xù)波與密實處相比差別不大.由此不能判斷出當缺陷處于一側(cè)、中間、兩側(cè)、隨機位置時c3測點處存在缺陷，表明增加波形分析不能對概率法分析漏判的12個5 mm×5 mm×20 mm空洞缺陷測點補充判斷.

圖6 5 mm×5 mm×20 mm灌漿套筒空洞缺陷漏判處波形

超聲波波長的計算公式及實際缺陷尺寸的判斷公式如下，即

式中：λ為超聲波波長；c為超聲波波速；f為換能器頻率；d為實際缺陷尺寸.

依據(jù)超聲波測缺原理[12]，能判斷出的最小缺陷尺寸與超聲波傳播過程中的波長存在相關(guān)性.即能測出的缺陷極限尺寸與超聲波頻率有關(guān)，增大超聲換能器的頻率可提高檢測的準確度.當采用250 kHz高頻換能器，將2.2節(jié)中超聲波的聲速平均值4.461 km/s代入式1，可求得此時超聲波在灌漿料中的波長為18 mm，根據(jù)式2可推測能檢測出的缺陷極限尺寸約9 mm.本試驗的結(jié)果再一次證實了該理論的正確性.

3 結(jié)論

本研究選用250 kHz高頻A10 mm換能器對灌漿套筒進行超聲檢測，運用聲速和波形對灌漿套筒內(nèi)2種尺寸的空洞缺陷位置進行綜合分析判斷，獲得了以下結(jié)論.

（1）相比于50 kHz常規(guī)A40 mm超聲換能器，采用250 kHz高頻A10 mm換能器能夠提高有混凝土包裹灌漿套筒內(nèi)空洞缺陷檢測的精度，即能檢測出更小的缺陷.

（2）對灌漿套筒中的12個15 mm×15 mm×20 mm空洞缺陷測點，當采用概率法分析時能有效判斷出7個，再增加波形分析，可再補充判斷出3個，即12個15 mm×15 mm×20 mm空洞缺陷總共能判斷出10個.

（3）概率法分析和波形分析均不能判斷出5 mm×5 mm×20 mm空洞缺陷測點位置，即12個5 mm×5 mm×20 mm空洞缺陷都不能判斷.