超声波透射法检测装配式结构缺陷的试验研究

郑茗旺 项驰轩 王奎华，* 杨学林 余亚超 王亚辉

（1.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，杭州 310058；2.浙江省建筑设计研究院，杭州 310006；3.浙江宝业现代建筑工业化制造有限公司，绍兴 312030）

0 引 言

装配式建筑作为一种新兴的节能型建筑方式，优点众多，得到了国内外的广泛关注，代表了建筑业技术进步的方向。为了保证装配式建筑安全正常使用，预制构件现场连接的质量控制至关重要。

预制构件常采用工厂预制好的构件，然后使用绑扎钢筋及浇筑混凝土的方式进行现场拼接。拼接过程中由于人工失误如浇筑的混凝土振捣不密实，常导致浇筑混凝土的部分呈现蜂窝状从而影响到结构的连接强度。如果不能找出问题所在，很容易出现安全事故。

预制构件连接质量的好坏取决于浇筑是否密实，因此，需要一种合理可靠的预制构件定量的检测方法，对装配式建筑关键预制构件节点进行连接质量检测，从而避免安全事故的发生。

目前的建筑行业里，常使用超声波进行质量检测。工程中，超声波仪器多使用发射器（Transmitter，T）与接收器（Receiver，R）组合的换能器进行测试，原因在于价格便宜、结构简单及容易保养。超声波仪器中，基于发射器-接收器（TR）换能器装置分离测试的方法，可分为透射法（Transmission Method）及脉冲回波法（Pulse Echo Method），通过实测声波在混凝土介质中传播的波速、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，对结构完整性进行检测［1-3］。透射法是把发射器和接收器各别安放在构件两侧自由端的操作面上（具体参见图1），而脉冲回波法是把发射器和接收器分别安放在构件同一自由端的操作面上（具体参见图2）。

图1 超声波透射法的概念图Fig.1 Concept drawn of the transmission method

图2 超声波脉冲回波法的概念图Fig.2 Concept drawn of the pulse echo method

使用T-R换能器装置分离的超声波仪器进行脉冲回波法试验，由于换能器在同个操作面上，发射脉冲信号的同时，将会产生面波（Surface Wave）［4］，面波脉冲将覆盖回波，这时候根本分不清缺陷位置和回波。R所接收到的时域信号极有可能是叠加的状态，除了无法辨别波速之外，即使把时域信号进行小波变换（Wavelet Transform）［5］得出时间与频率及波幅的关系，也难以用这些参数的相对变化作为定量的标准。

1 超声波透射法

1.1 超声波透射法与冲回波法比较

超声波透射法（图1）与脉冲回波法（图2）的不同之处在于超声波透射法能有效地避开面波叠加的影响。可以对R所接收到的时域信号进行波速、频率和波幅衰减等声学参数的定性和定量分析。

1.2 室内原型试验模型的制作

在模型试验中使用的超声波仪器，为武汉岩海超声波仪器，其参数设置见表1，如图3所示，本文通过装配式结构中常用到的叠合墙，其厚度为203 mm。在叠合墙中，通过预埋塑料泡沫以模拟空隙缺陷，左列及右列分别对应了两行含格构筋及两行无格构筋的缺陷区域。

图3 叠合墙示意图Fig.3 Schematic diagram of sandwich panel

表1 超声波仪器的参数设置Table 1 Parameter of ultrasonic device

使用超声波仪器进行透射法检测，对叠合墙无缺陷及4个缺陷区域进行试验。仪器所得到的模拟信号通过模拟滤波器后经过模数转换器采样，转化为数字信号并存储于数据采集系统中得出相应的时域图（具体参见图5）。

为了探究不同的浇筑混凝土是否会影响透射法试验所得出的结果，就需要对浇筑后不同时间点的混凝土强度进行详细记录。本文一共使用10组试模，制作出30个100 mm×100 mm×100 mm的方形试块。每一组抗压强度都以3个矩形试块的平均值为准。然后，将9组试块试模进行同条件养护，剩下1组进行蒸汽养护。最后，对所有的试块进行破坏性试验，得出不同时刻下，灌浆体的轴压强度，如图4所示。其中，蒸汽养护28 d后的强度为52.4 MPa，其他时间下的强度可通过拟合线代入天数t得知。

图4 不同时刻下，浇筑混凝土的轴压强度与时间的关系Fig.4 The relationship between axial compression strength of pouring concrete and time

1.3 数据采集

本文分别对浇筑后第1至7天以及第29天的时间段进行透射法试验。其原因在于，工程上砼的养护周期为28 d，这期间混凝土强度的变化明显。对此时间段内的混凝土进行透射法试验，以研究出不同强度的混凝土与透射法检测波速之间的关系。

在超声波透射法中，T-R换能器距离L为203 mm。如图5（a）—（c）及图6（a）—（c）所示，分别为无缺陷、10 mm缺陷厚度、20 mm缺陷厚度的时域及频域图典型代表。设置这三种不同缺陷是为了找出透射法检测出的波速与缺陷空隙厚度的关系，并以此关系作为定量分析的标准。

图5 透射法得出的时域图Fig.5 The time domain from transmission method

图6 透射法得出的时频图Fig.6 The time-frequency domain from transmission method

图5中的Δt为脉冲波从T到R换能器所需使用的时间，其计算方式为

从图6中可以发现，混凝土的峰频率在37.3 kHz左右，随着缺陷厚度的增加，其峰频率的幅值降低。

1.4 数据分析

混凝土的峰频率可作为定性分析使用，但对于定量而言不可行，其原因在于不同仪器的T-R换能器所发射和接收的幅值都不相同，仪器供给T的电压幅值不同，R所接收到的电压幅值也大不相同。

在超声波仪器的模拟滤波器设置相同滤波参数的情况下，使用波速进行定量分析能较好地应用于不同的超声波仪器。如图8所示，对第1至7天以及第29天不同预埋条件下（格构筋的有无、浇筑混凝土的不同强度、内含钢筋与否）的混凝土进行超声波投射法检测，最终归纳为三种不同缺陷厚度下的波速统计图。

图8所显示的箱形图，其符号含义如图7所示，而图8中的N则表示样本采集数。其中，对于上界和下界的定值：

图7 箱形图说明Fig.7 Explain of boxplot

其中，w为边界长度，在本文中，w=1.5。

图8所使用的箱形图，是通过MATLAB的boxplot函数［6］求得。而式（3）和式（4）是MATLAB的上下界定值，w=1.5为MATLAB的默认值。数据的统计只是一种手段，可以使用其他的方法，例如高斯正态分布图或规范［2］所建议的方法进行数据的统计。

图8 缺陷厚度与波速关系的统计结果Fig.8 Statical result for the relation between flaw thinckness and wave velocity

如图8所示，通过统计出的叠合墙的正态分布图，可以进一步得到缺陷厚度Tflaw与使用超声波透射法检测叠合墙所得出的波速vwave的关系。通过统计出的中间值，作出vwave衰减拟合值：

从式（5）及图8可知，拟合出来的系数ζ=3 634。当ζ=3 634，Tflaw=0 mm时，vwave=3 974 ms-1；当ζ=3 634，Tflaw趋向于无限大时，vwave=340 ms-1，接近于声波在空气中传播的速度。

2 结 论

通过超声波透射法进行试验所得出的统计结果，可以得出以下结论：

（1）波速与混凝土强度呈现弱相关性。

（2）波速与缺陷空隙厚度呈强相关性，其关系可以进行定量分析。缺陷空隙厚度越大，波速越小，反之亦然。

（3）缺陷厚度与峰频率呈强相关性，但其关系只能作为一种定性分析。缺陷厚度越大，混凝土的峰频率幅值衰减得越大，反之亦然。