劉亞輝，王 立，李海波，吳鵬程

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

隨著我國(guó)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(shí)，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(cè)技術(shù)研究，對(duì)重要的或具有重大安全隱患的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，以防發(fā)生安全事故。目前，我國(guó)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(shí)修復(fù)和維修。內(nèi)部缺陷常常更具危險(xiǎn)性，但卻無(wú)法通過(guò)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(duì)復(fù)雜，這對(duì)混凝土缺陷檢測(cè)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(cè)方法具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

混凝土內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)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(cè)定混凝土內(nèi)部所需要的物理量，并通過(guò)所獲得的物理量進(jìn)行推定分析混凝土強(qiáng)度、連續(xù)性、均勻性、耐久性和內(nèi)部存在的缺陷等的檢測(cè)方法［1］。

20世紀(jì)30年代，相關(guān)科研人員就對(duì)混凝土無(wú)損檢測(cè)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(tái)回彈儀，1949年英國(guó)的R.Jones、加拿大的C.Heesman和Leslie等人采用超聲脈沖法成功對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，之后的R.Jones用放射性同位素對(duì)混凝土密實(shí)度和強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)［2］。這些無(wú)損檢測(cè)研究為之后的無(wú)損檢測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國(guó)自20世紀(jì)50年代開始對(duì)于無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行研究，和其他國(guó)家相比起步較晚，但國(guó)內(nèi)的高校以及科研機(jī)構(gòu)相繼引進(jìn)和借鑒瑞士、英國(guó)、波蘭等國(guó)的先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際工程研究，使得在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)得以迅速發(fā)展。

2 無(wú)損檢測(cè)方法及其適應(yīng)性分析

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

2.1 超聲檢測(cè)法

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

影響超聲法無(wú)損檢測(cè)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(duì)混凝土缺陷檢測(cè)產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果；2）混凝土的含水率和內(nèi)部缺陷的位置也會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性；3）對(duì)于只露出單面混凝土的構(gòu)件，無(wú)法達(dá)到檢測(cè)要求。

2.2 相控陣列超聲檢測(cè)法

相控陣列超聲檢測(cè)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(shí)序來(lái)激發(fā)超聲脈沖信號(hào)，使超聲波陣面在聲場(chǎng)中某一點(diǎn)形成聚焦，增強(qiáng)對(duì)聲場(chǎng)中微小缺陷檢測(cè)的靈敏度。同時(shí)，利用對(duì)陣列的不同激勵(lì)時(shí)序，在聲場(chǎng)中形成不同空間位置的聚焦而實(shí)現(xiàn)較大范圍的聲束掃查。

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

2.3 探地雷達(dá)檢測(cè)法

探地雷達(dá)檢測(cè)法主要通過(guò)在待測(cè)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(wú)缺陷時(shí)，電磁波沿構(gòu)件內(nèi)部正常傳播；當(dāng)遇到相應(yīng)缺陷時(shí)，電磁波產(chǎn)生反射并被探地雷達(dá)接收，通過(guò)對(duì)反射電磁波的特性進(jìn)行分析從而確定缺陷的類型和對(duì)應(yīng)的位置。

影響探地雷達(dá)檢測(cè)法的主要因素在于，當(dāng)待測(cè)構(gòu)件含有較密集鋼筋時(shí)會(huì)對(duì)電磁波進(jìn)行阻擋、反射，不能通過(guò)［3］。同時(shí)，混凝土內(nèi)部含水量過(guò)大也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

2.4 沖擊回波檢測(cè)法

沖擊回波法通過(guò)敲擊待測(cè)構(gòu)件表面產(chǎn)生應(yīng)力脈沖波，構(gòu)件內(nèi)部無(wú)缺陷時(shí)，應(yīng)力波正常傳播，并在構(gòu)件邊界反射。而當(dāng)在傳播過(guò)程中遇到缺陷時(shí)，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(cè)的缺點(diǎn)在于檢測(cè)的速度相較于其他檢測(cè)方法慢，一般只適用于小區(qū)域以及關(guān)鍵部位測(cè)試。同時(shí)，由于其為單點(diǎn)檢測(cè)，測(cè)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(cè)法

紅外熱成像檢測(cè)法主要通過(guò)紅外熱成像儀掃描并接收待測(cè)構(gòu)件表面輻射的紅外信號(hào)，將接收到的紅外信號(hào)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(hào)與無(wú)缺陷位置的信號(hào)存在明顯差別，從而通過(guò)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(cè)法主要存在的問(wèn)題為，由于采用人工激勵(lì)方式，不能完全解決激勵(lì)的不均勻問(wèn)題，給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)一定影響。同時(shí)，該檢測(cè)方法相對(duì)其他檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)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(cè)法限制條件相對(duì)較少，適用范圍相對(duì)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(cè)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(cè)法具有先天的適應(yīng)性。近年來(lái)，通過(guò)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(diǎn)，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(cè)。

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(cè)試驗(yàn)

3.1 方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證相控陣超聲成像法對(duì)鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部混凝土缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性及可靠性，筆者設(shè)計(jì)并制作了2個(gè)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(duì)預(yù)埋缺陷的裝配式疊合板構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)成像結(jié)果與實(shí)際預(yù)埋缺陷位置進(jìn)行對(duì)比。

本次試驗(yàn)通過(guò)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(yàn)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(duì)疊合板進(jìn)行缺陷檢測(cè)，考慮到試件澆筑過(guò)程缺陷位置可能存在偏位，對(duì)檢測(cè)疑似缺陷位置均進(jìn)行鉆芯驗(yàn)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(hào)，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(cè)試面3及測(cè)試面5中出現(xiàn)了大面積的異常反射信號(hào)，表明這兩處存在較大的缺陷；測(cè)試面9中出現(xiàn)了小面積的異常反射信號(hào)，表明該處存在較小的缺陷；比對(duì)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(cè)試面3、5、7中均出現(xiàn)了異常反射信號(hào)，表明此處有缺陷，比對(duì)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(hào)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(cè)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(hào)，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(cè)試面2、測(cè)試面4以及圖4b）中的測(cè)試面3中出現(xiàn)了異常反射信號(hào)，表明這些區(qū)域存在缺陷；比對(duì)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(guò)對(duì)分析出來(lái)的缺陷位置進(jìn)行取芯，發(fā)現(xiàn)所取芯樣中均含有試驗(yàn)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(yǔ)

本文主要通過(guò)對(duì)常用的幾種無(wú)損缺陷檢測(cè)方法的特點(diǎn)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(duì)混凝土預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測(cè)具有較好的適應(yīng)性，并通過(guò)相應(yīng)缺陷檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。