裝配式建筑漿錨灌漿質量的相控陣超聲檢測

王 康，劉士清，黃鵬飛，龍永雙

(1.湖北省建筑科學研究設計院股份有限公司，武漢 430071；2.武漢科技大學 城市建設學院，武漢 430065)

近十年來，由于勞動力成本不斷上升，人們節能減排意識不斷增強，同時隨著運輸能力的提高，裝配式混凝土建筑在國內得到大力發展。鋼筋漿錨連接是裝配整體式混凝土結構豎向預制構件連接的主要方式之一，且關鍵受力部位的縱筋采用漿錨搭接時同層接頭往往處于同一斷面。因此，漿錨灌漿質量將直接影響結構的整體剛度、抗震等性能，是裝配整體式混凝土結構的關鍵[1]。

質量檢驗目前是工程質量的重要保障手段。王中有等[2]用雷達法檢測建筑混凝土結構的研究表明，電磁雷達法受鋼筋影響大，對于含有鋼筋的漿錨孔腔并不適用，檢測精度低；王勤等[3]用高頻、小直徑換能器的超聲探頭在灌漿構件兩側進行對測，研究結果表明，傳統超聲檢測方法在特定的條件下，通過對相同測位檢測數據的比對能發現脫空部位和密實部分的區別，然而該方法需要在每測點有耦合劑的條件下，在試件兩端對測，測點多，效率低，實用性不強；射線拍片的方法操作復雜，且有放射性，不利于環保，很難在工程上普遍適用；蔣俁等[4]使用沖擊回波等效波速、波頻譜圖、名義厚度等方法檢測漿錨灌漿缺陷，由于主要憑借主觀經驗來判斷測試結果，因此該方法在工程實際中準確度不高，難以推廣。可見，裝配式建筑漿錨灌漿質量的無損檢測方法并不成熟，目前尚無一種成本低廉且能夠有效便捷檢測漿錨灌漿質量的方法。

相控陣超聲技術通過程序設置陣列式排布探頭(發射或者接收的陣元)的延遲時間，實現超聲波聚焦點和聲束方位的變化，使陣列的能量疊加、聚集和偏轉，從而克服超聲波在混凝土中衰減快的特點，提高超聲波信號的識別能力[5-6]。ALDO等[7]將相控陣超聲技術應用到混凝土的結構檢測中，研究結果表明該技術在干耦合狀態下可實現檢測，無需任何耦合劑，具備一定的抗衰減能力，在一定范圍內能克服鋼筋的影響，在鋼筋存在的情況下仍具備識別缺陷的能力；梁蒙蒙[8]研究了相控陣超聲檢測的成像技術，認為相控陣超聲檢測可搭載成像技術，缺陷定位精準；姚利君等[9]將相控陣超聲技術應用到混凝土疊合板的缺陷檢測中；張軍等[10]將其應用到混凝土裂縫的深度檢測中，結果表明，該技術能夠在單側連續掃描，能檢測混凝土中的缺陷，操作簡便。由此，相控陣超聲技術可作為有效的檢測手段在鋼筋混凝土結構的檢測中得到應用。

文章采用干耦合相控陣超聲技術檢測裝配式建筑漿錨的灌漿質量，考慮漿錨連接節點的施工特點，設計了通孔、波紋管、PVC(聚氯乙烯)管、鋼管等4種不同灌漿孔道的剪力墻試件，其中孔道灌漿分別考慮了灌漿密實、部分漏漿、完全脫空、夾雜泡沫和木塊等缺陷情況，分別使用斷層掃描、連續掃描二維擬合圖像法和合成孔徑聚焦定量分析法對不同工況下的漿錨灌漿孔道進行檢測，并與設置的缺陷狀況進行對比，分析檢測方法的準確性和可靠性。

1 試件設計

試驗設計了4套鋼筋混凝土剪力墻試件，編號分別為S-W1、S-W2、S-W3和S-W4，每個試件分成上下兩個部分，試件上部的外尺寸為1200 mm×210 mm×1 000 mm(長×寬×高)，試件下部的外尺寸為1 300 mm× 300 mm×200 mm(長×寬×高)，試件上部預留3個直徑為50 mm左右的灌漿孔道，試件下部預留公稱直徑為20 mm的鋼筋。試件中的水平筋和垂直筋的公稱直徑為8 mm，間距為150 mm，拉筋的公稱直徑為6 mm，間距為150 mm。漿錨灌漿孔道呈梅花狀布置，漿錨灌漿孔道位置及試件外觀與檢測操作如圖1所示。為了分析不同成孔方法對漿錨連接質量檢測的影響，試驗設計了4種不同類型的孔道,分別為混凝土中的混凝土通孔(內徑為50.0 mm)、金屬波紋管(型號為JBG-45Z，外徑為49.5 mm)、PVC-U管(外徑為50.0 mm)和鋼管(外徑為48.3 mm)，孔道長度為400 mm；為了模擬施工過程中的灌漿不飽滿或者漏漿情況，設置了孔道中灌漿料不同程度的脫空，同時設置了泡沫和木塊夾雜缺陷，具體工況如表1所示(XPS為聚苯乙烯泡沫塑料)。

圖1 漿錨灌漿孔道位置及試件外觀與檢測操作示意

表1 漿錨灌漿孔道編號及參數

試件的上下兩個部分混凝土強度等級為C35，所用鋼筋牌號為HRB400，分別預制28 d以后，試件上下兩個部分參照工程實際情況吊裝疊加，用座漿料座漿、封邊，試件下部分預留的鋼筋插入上部分灌漿孔道，按照設計工況灌入設計強度為80 MPa的灌漿料，自然養護28 d后進行灌漿質量檢測。

2 相控陣超聲檢測方法

采用一種低頻(20 kHz90 kHz)的多功能相控陣超聲檢測系統，其基于脈沖超聲回波法，回波反射界面的深度可以通過波的傳播時間和波速按式(1)來計算，從而實現檢測混凝土內部指定的深度d處是否存在缺陷。

(1)

式中：cs為剪切波波速；Δt為剪切波的傳播時間；X為陣元傳感器與測點的水平距離。

系統天線由12列陣列式排布的48個陣元傳感器組成。陣元在一激一收的制度下產生并接收短脈沖、高振幅、高電壓、高電流的剪切波，每列傳感器被連續激活，而非激活的傳感器則接收超聲波信號，使用合成孔徑聚焦技術實時顯示圖像信號，其工作原理如圖2所示。陣列式超聲檢測系統探頭區長度為300 mm，寬為100 mm。檢測系統的陣元傳感器晶片尺寸明顯小于所發射剪切波的波長，傳感器與被測混凝土的接觸方式為點接觸，在干耦合的情況下發出剪切波傳入混凝土中。

圖2 相控陣超聲傳感器工作原理示意

試件灌漿養護至規定齡期后，用相控陣超聲檢測系統以每行傳感器垂直于漿錨連接軸向的方向進行檢測，由灌漿孔道上部開始向下檢測，檢測在單側進行，步長為100 mm，重疊區長為20 mm，每個孔道分為5個測區，測試部位在漿錨連接的遠端墻面，測區布置如圖3所示。

圖3 各孔道測區布置示意

系統可對每個測點生成斷層截面圖，線性連續檢測后，斷層截面數據的集合可以進一步編譯為單個大型數據集，系統根據測線和步長剔除重疊區域，擬合得到反映漿錨灌漿質量的二維圖，能識別連續測試方向上缺陷的尺寸和部位。

3 試驗結果與分析

3.1 相控陣超聲斷面掃描結果與分析

試件S-W1、S-W2、S-W3和S-W4灌漿孔道中全滿和全空的斷面掃描結果如圖47所示。

從圖4,6,7可以看出，在預留漿錨灌漿孔道為混凝土通孔、PVC管和鋼管的裝配式混凝土剪力墻試件中，當單個檢測區內漿錨孔道灌漿為全空或者全滿時，斷面掃描結果可以明顯地加以區分。從圖5可以看出，在預留漿錨灌漿孔道為金屬波紋管的裝配式混凝土剪力墻試件中，當單個檢測區內試件漿錨灌漿孔道為全空時，斷面掃描結果與實際工況一致；當漿錨孔道為全滿時，部分測區檢測結果會產生誤判。

圖4 試件S-W1(混凝土通孔)孔道全滿與全空部位斷層掃描成像結果

圖5 試件S-W2(金屬波紋管孔道)孔道全滿與全空部位斷層掃描成像結果

圖6 試件S-W3(PVC孔道)孔道全滿與全空部位斷層掃描成像結果

圖7 試件S-W4(鋼管孔道)孔道全滿與全空部位斷層掃描成像結果

3.2 相控陣超聲二維擬合結果與分析

試件S-W1、S-W2、S-W3和S-W4的完整相控陣超聲二維擬合檢測結果如圖811所示。

圖8 試件S-W1(混凝土通孔)相控陣超聲二維擬合檢測結果

圖9 試件S-W2(金屬波紋管)相控陣超聲二維擬合檢測結果

圖10 試件S-W3(PVC管)相控陣超聲二維擬合檢測結果

圖11 試件S-W4(鋼管)相控陣超聲二維擬合檢測結果

從圖8和圖10可以看出，對于預留無管壁的混凝土通孔和PVC管孔道的裝配式混凝土剪力墻試件，漿錨灌漿密實部位反射較弱，未發生誤判；孔道b上部50%脫空部位通過強反射可以明顯識別，識別尺寸與脫空尺寸吻合；在150 mm和350 mm處設置的木塊缺陷和XPS泡沫塊缺陷都可以被準確識別。

從圖9可以看出，對于預留金屬波紋管孔道試件，50%脫空和全部脫空的漿錨灌漿孔道具有明顯的強反射區，可以被識別；然而灌漿密實的漿錨孔道中產生了3處強反射誤判。

從圖11可以看出，對于預留鋼管孔道的試件，漿錨灌漿密實部位反射較弱，未發生誤判；孔道上部50%脫空部位可通過強反射區識別，識別尺寸與脫空尺寸吻合；全部脫空也可通過強反射區識別。

將相控陣超聲的檢測結果與設計的缺陷信息進行對比，結果如表2所示。由表2可知，4種管道內的全部脫空的工況都能被準確識別，除了金屬波紋管外，其他漿錨管道中灌漿全滿時都能準確識別且無誤判；半滿時的缺陷尺寸識別誤差小于15 mm；XPS塊和木塊缺陷識別的位置誤差小于10 mm；金屬波紋管的脫空位置可以準確識別，但在全滿和半滿的密實部位有3處誤判。

表2 相控陣超聲檢測結果與設計缺陷對比結果

3.3 掃描結果合成孔徑聚焦定量分析

采用延時疊加進行合成孔徑聚焦分析，對于成像區域內某點P(xi,yi)，先確定剪切波從其他各陣元傳感器到該點的傳播時間，該時間對應的各陣元傳感器對P點回波孔徑信號為S(Xn,Δtn)，將各回波信號進行疊加求和，得到P點的重建疊加信號，從而得到成像區域中任意一點的聚焦信號[11]。成像區域內某點P(xi,yi)的重建信號可表示為

(2)

式中：S(Xn,Δtn)為來自第n個陣元對P點的回波孔徑信號；S(xi,yi)為該點的重建疊加信號。

(3)

式中：Δtn為剪切波從成像點到第n個陣元的傳播時間；X為陣元與成像點的水平距離；d為陣元到成像點的垂直距離。

將S-W1～S-W4中所有灌漿孔合成孔道聚焦信號強度值按照測量部位的高度位置排列，以每種全滿孔道各點信號強度的上限值來設定各孔道出現缺陷的“臨界值”，將同種孔道內超過該孔道“臨界值”5%以上的信號強度值定義為“可疑值”，并以“可疑值”的位置和區域尺寸定量分析每種孔道內缺陷的位置和尺寸，合成孔徑聚焦定量分析結果如表3所示，合成孔徑定量分析與二維擬合圖像分析結果的誤差對比如圖12所示。

圖12 合成孔徑定量分析與二維擬合圖像分析結果的誤差對比

表3 合成孔徑聚焦定量分析結果 mm

4 結論

在混凝土通孔、PVC管和鋼管孔道中，合成孔徑聚焦定量分析可以準確識別孔道脫空的位置和管道中異物缺陷的位置和大小，偏差在9 mm以內，其對金屬波紋管的全滿灌漿也存在誤判；在對缺陷位置和尺寸的識別方面，合成孔徑聚焦定量分析能減小由操作人員對圖像色階感官差異對試驗結果帶來的影響，從圖12可以看出，合成孔徑聚焦定量分析對缺陷位置和尺寸識別的準確率更高，識別偏差比二維擬合圖像法的降低了40%～100%。

(1) 干耦合相控陣超聲檢測通過單側斷層掃描圖像、連續掃描擬合二維圖像和合成孔徑聚焦定量分析，能準確識別混凝土通孔、PVC管和鋼管的裝配式混凝土漿錨灌漿脫空部位，檢測過程便捷、高效。

(2) 連續掃描擬合二維圖像法，對混凝土通孔、PVC管和鋼管的裝配式混凝土建筑漿錨灌漿孔道的脫空尺寸識別誤差小于15 mm；異物缺陷長度方向尺寸為50100 mm時，其位置和尺寸的識別偏差小于10 mm。

(3) 合成孔徑聚焦定量分析法在缺陷位置和尺寸的識別方面，能減小由操作人員對圖像色階感官差異對試驗結果帶來的影響，其識別偏差比二維擬合圖像法的降低了40%～100%，提高了檢測準確率。

(4) 相控陣超聲檢測技術通過斷層掃描和連續檢測方式可以對預留金屬波紋管漿錨孔道的裝配式混凝土建筑漿錨灌漿的脫空部位進行明顯識別，但對于密實部位可能因為強反射而造成誤判。