無損檢測砌塊砌筑砂漿飽滿性方法

顧偉勇/上海誠恒建設工程質量檢測有限公司

0 引言

根據GB 50203-2011《砌體結構工程施工質量驗收規范》的主控項目規定[1]，磚墻水平灰縫的砂漿飽滿度不得低于80%；砌體水平灰縫和豎向灰縫的砂漿飽滿度，按凈面積計算不得低于90%。目前檢驗方法：用百格網檢查磚或小砌塊底面與砂漿的粘結痕跡面積。抽檢數量：每檢驗批抽查不應少于5處。每處檢測3塊磚或小砌塊，取其平均值。百格網就是按照一塊標準磚的尺寸為外邊尺寸，在該矩形內均分為100分格，專用檢測砌體的灰漿飽滿度。百格網的制作材料有金屬或塑料，缺點是容易變形或損壞。通常在檢查時，拆下墻中的磚或砌塊，底面朝上，放上百格網，數出磚或砌塊上粘有砂漿的格子數，取三塊磚的平均值，80%或90%以上為合格。實際檢查過程中發現有幾個問題不易解決：

1）在數格子時往往憑檢查人員的個人感覺和經驗，檢查結果因人而異；

2）不滿格情況沒有統一規定如何判定，工作量大且誤差比較大；

3）該方法僅適用于施工過程中的檢查，不能應用于完工后的主體工程驗收。

此外，目前砌體工程驗收采用沖擊錘破損鉆孔檢測飽滿度，該方法僅可證明是否存在假縫、瞎縫等情況，并不是嚴格意義上的飽滿度結果，且隨意性大，撰寫的檢測報告幾乎沒有測試數據的支撐。

1 超聲法檢測技術

1.1 超聲法檢測材料缺陷的原理

1）超聲波在試體中傳播遇到缺陷時產生繞射，可根據聲速的變化，判別和計算缺陷的大小；

2）超聲波在缺陷界面產生散射和反射，到達接收換能器的聲波能量（波幅）顯著減小，可根據波幅變化的程度判斷缺陷的性質和大小；

3）超聲波通過缺陷時，部分聲波會產生路徑和相位變化，不同路徑或不同相位的聲波疊加后，造成接收信號波形畸變，可參考畸變波形分析判斷缺陷。

4）當砌筑砂漿的組成材料、制漿工藝、內部質量及測試距離一定時，各測點超聲傳播速度、首波幅度等聲學參數一般無明顯差異。如果某部分砂漿存在空洞、不密實等缺陷，破壞了砂漿的整體性，通過該處的超聲波與無缺陷砂漿相比較，聲時明顯偏長，波幅和頻率明顯降低。

超聲法檢測砂漿飽滿性，正是根據這一基本原理[2-3]，對同條件下的砂漿進行聲速、波幅測量值的相對比較，從而判斷砌筑砂漿的飽滿性。

1.2 砌筑砂漿飽滿性檢測超聲換能器的配置問題

目前，工程檢測常用換能器的頻率為50 kHz或者100 kHz，超聲波的波速v是頻率f與波長λ的乘積。設砂漿的聲速為2.40 km/s時，如果采用50 kHz的換能器，其波長λ為60 mm。因為波長長，超聲波容易繞過缺陷，所以選擇換能器的頻率必須考慮需要探檢的缺陷尺寸，通常設定超聲波探傷能測到的最小缺陷近似于波長。50 kHz換能器檢測缺陷的靈敏度很低。如果采用500 kHz的換能器，其波長λ僅為6 mm。采用高頻換能器能極大提高檢測缺陷的靈敏度。此外，目前國內超聲儀出廠普遍配置50 kHz換能器的直徑大約40 mm，小于換能器直徑的缺陷超聲檢測較難發現；且砌體水平灰縫的厚度通常不大于10 mm，由此，試驗選用了500 kHz頻率、7 mm直徑的較高頻率小直徑換能器。

1.3 超聲檢測采樣參數

超聲檢測采樣參數見表1。

表1 超聲檢測采樣參數

2 試驗設計

分別取3塊同廠家、同規格、同批次的混凝土蒸壓加氣砌塊，砌塊大面尺寸為600 mm×240 mm，試驗設計在每塊大面上鋪設一層約15 mm厚M15砌筑砂漿。試件中設計缺陷：在砌塊（a）的縱向中心線處設置 10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm 四個缺陷；在砌塊（b）的縱向中心線處設置 50 mm×50 mm、60 mm×60 mm、70 mm×70 mm三個缺陷；在砌塊（c）的縱向中心線處設置 80 mm×80 mm、90 mm×90 mm 兩個缺陷。

3 超聲檢測試驗

首先在試件上劃線，布置超聲測點，超聲測點編號見圖1。設計的9種尺寸的缺陷從10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm見方。在砌塊的9個缺陷處各布置一對測點。此外，根據布置超聲波檢測缺陷測點，沒有缺陷的測點數量要多于缺陷測點的數量的經驗和原則，又布置了17對沒有缺陷部位的測點，總計超聲測點26對。26對測點分為A、B兩組，順序分別為 A1～A13、B1～B13。

圖1 設計的缺陷及超聲測點編號

3.1 超聲檢測試驗數據

試驗采用智博聯科技股份有限公司ZBL-U510超聲檢測儀，超聲測點用黃油作為耦合劑。超聲儀測點序號001、002分別對應砌塊上的編號A、B兩組。各測點超聲檢測試驗數據見表2。

表2 各測點超聲檢測試驗數據

3.2 超聲檢測結果

本文采用了高頻、小直徑輻射端面的換能器，并且把混凝土超聲檢測技術嫁接到砌筑砂漿層質量的檢測中，對砌筑砂漿飽滿性檢測采用超聲波檢測方法具有無損檢測的技術特點。智博聯科技股份有限公司ZBL-U510超聲檢測儀自帶數據采集、波形回放、缺陷判別等分析功能，依據超聲檢測得到的“聲速、波幅、波形”等聲學參量作為砂漿層缺陷的判別原則[4]。從表2可以得出：對應6處有缺陷的6對超聲測點的聲速值、波幅值等聲學參數明顯偏小。沒有缺陷的超聲測點編號A7的比對波形見圖3，設計有缺陷的測點編號A1、A3、A6、A9、A13、B3、B6、B9、B12的波形見圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12。

圖3 沒有缺陷的超聲測點比對波形

圖4 設計10 mm缺陷測點編號001-01的波形

圖5 設計20 mm缺陷測點編號001-03的波形

圖6 設計30 mm缺陷測點編號001-06的波形

圖7 設計40 mm缺陷測點編號001-09的波形

圖8 設計50 mm缺陷測點編號001-13的波形

圖9 設計60 mm缺陷測點編號002-03的波形

圖10 設計70 mm缺陷測點編號002-06的波形

圖11 設計80 mm缺陷測點編號002-09的波形

圖12 設計90 mm缺陷測點編號002-012的波形

采用高頻小直徑換能器檢測26個超聲測點的波列視圖，見圖13所示。

圖13 26個超聲測點的波列視圖

4 試驗結果分析

把17個無缺陷的測點的聲速取平均值，計算得v=2.382 km/s，把9個缺陷的聲速除以平均聲速，得到以下結果，缺陷測點與無缺陷測點的聲速比值見表3。

試驗結果分析：

1）因為工程中砌塊灰縫的高度值小，與試驗中使用的超聲換能器的直徑相差無幾，試驗前，對砌塊進行了聲速的測量。砌塊的對測聲速值在1.85 ～1.90 km/s之間，遠小于砂漿層內的聲速，即超聲波在砂漿中傳播不受砌塊的干擾。

2）表2中有6個測點的數據明顯偏小，智博聯ZBL-U510超聲檢測儀按照CECS 21:2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》[5]編制的缺陷判別分析程序，應判定這些測點為缺陷，同時對應圖13的波列視圖，這6處聲速、波幅數據明顯偏小的測點中，波形前幾周波幾乎沒有起伏、呈水平的直線。依據“聲速、波幅、波形”等聲學參量作為砂漿缺陷的判別原則，按照CECS 21:2000判定的結果與實際情況相符，即可以明確判斷這6處有缺陷。

3）試驗設計中的3個較小缺陷（10 mm的001-01、20 mm 的 001-03 和 30 mm 的 001-06） 沒有測出，本文采用500 kHz頻率的換能器，前述理論計算波長λ僅為6 mm的超聲波檢測不出30 mm以下的孔洞缺陷。

圖14為前述舉例沒有缺陷的001-07測點，首波起始時間 99.4 μs、結尾時間 115.2 μs，周波T為15.8 μs，計算其第1周的接收波頻率：

圖14 001-07測點的第1周接收波頻率計算示意圖

由于砌塊砌筑砂漿不像混凝土那樣密實，混凝土的聲速隨其強度的不同，相應的聲速在4 000 ～5 000 m/s 的范圍，本文砌筑砂漿的聲速僅 2 400 m/s，其密度與混凝土相差甚遠。當超聲儀發射500 kHz頻率的超聲波通過密度很低的砌筑砂漿時，超聲能量嚴重衰減，其接收頻率約為63 kHz。63 kHz的波長在本文檢測砌塊砌筑砂漿時的波長約為38 mm。故得到了小于30 mm的空洞缺陷難以分辨的結果。根據表3，測點聲速小于平均聲速98%，即可判斷為缺陷。但試驗設計缺陷為10 mm的001-01、20 mm的001-03和30 mm的001-06三個缺陷的百分比大于平均聲速98%，即目前此方法能檢到30 mm以上的缺陷。

5 結語

1）本研究涉及建筑砂漿飽滿度檢測技術領域，具有無損檢測的技術特點，嘗試采用簡單實用、操作方便的超聲波檢測技術，為砌體結構驗收、對砂漿砌筑質量的評判提供有效的檢測方法。

2）按照CECS 21:2000，依據“聲速、波幅、波形”檢測砌筑砂漿飽滿度質量的判別原則，通過檢測數據的比對，能有效判斷砌筑砂漿層缺陷的存在和位置，聲速值小于平均聲速98%的超聲測點可以判定為較大缺陷。

3）進一步開展對超聲換能器頻率選擇的科研，目前已有相關方面的研究[6]，期望能超聲探測到更小的缺陷。