超聲相控陣技術(shù)在混凝土構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

甘可

廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心有限公司 廣東 廣州 510000

引言

近幾年，建筑工業(yè)化水平大幅提高，社會(huì)對(duì)住宅的需求量與之俱增，兼具環(huán)保、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)的裝配砼結(jié)構(gòu)得到廣泛運(yùn)用?？紤]到該結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)離析、裂縫等質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致建筑安全性受到影響，如何對(duì)其進(jìn)行快速且準(zhǔn)確地檢測(cè)，便成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在此背景下，超聲相控陣應(yīng)運(yùn)而生，使用該技術(shù)檢測(cè)砼構(gòu)件，可在保證檢測(cè)準(zhǔn)確率的前提下，最大程度提升檢測(cè)速度，圍繞其展開討論自然很有必要。

1 超聲相控陣的檢測(cè)原理

砼構(gòu)件缺陷檢測(cè)強(qiáng)調(diào)利用光學(xué)、聲學(xué)以及輻射等手段，對(duì)構(gòu)件物理量進(jìn)行測(cè)定，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)定所得物理量對(duì)構(gòu)件性能及是否存在缺陷進(jìn)行推定。相關(guān)成像儀的核心元件為超聲探頭晶片，晶片按照一定順序排列，隨著晶片被逐個(gè)激活，成像儀將形成超聲波陣面，工作人員只需調(diào)整聲束方向及形狀，便可以完成偏轉(zhuǎn)、掃描或是聚焦波束的操作[1]。該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一是由多個(gè)形狀不同的多陣元換能器負(fù)責(zé)接收、發(fā)射超聲波數(shù)。二是只需調(diào)整換能器接收、發(fā)射脈沖的時(shí)間，便能夠使聲波相位關(guān)系發(fā)生改變，隨著聲束、焦點(diǎn)方向出現(xiàn)變化，成像儀所能起到的作用也將有所不同。三是通過電子+機(jī)械掃描的方式生成圖像，確保構(gòu)件內(nèi)部缺陷得到完整且直觀的反應(yīng)。四是該技術(shù)不需要使用耦合劑，只需酌情布置測(cè)點(diǎn)便能夠得出相應(yīng)結(jié)論，但檢測(cè)結(jié)果極易被構(gòu)件邊界所影響，有關(guān)人員應(yīng)對(duì)此有所了解。

2 超聲相控陣的影響因素

2.1 橫波檢測(cè)

砼構(gòu)件內(nèi)部的超聲波，通常以縱波、橫波或是瑞利波的形式而存在。不同波對(duì)應(yīng)不同傳播速度，其中，傳播速度最快的是縱波，其次是橫波，最后是瑞利波，橫波約為縱波的60%，瑞利波約為縱波的55%[2]。該技術(shù)所發(fā)射超聲波多為與波前方向相垂直的橫波。橫波滿足以下關(guān)系：

上述公式中，v代表傳播速度，單位是m/s。f代表頻率，單位是Hz。λ代表波長(zhǎng)，單位是m。以往超聲檢測(cè)所使用波多為縱波，本文所討論技術(shù)則創(chuàng)造性地使用了橫波，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：首先是橫波散射明顯弱于縱波，可嚴(yán)格控制檢測(cè)噪聲分貝。其次是識(shí)別能力極為突出。最后是同頻率橫波長(zhǎng)度僅為縱波的60%左右，可使缺陷得到直接反映。

2.2 陣列系統(tǒng)

該系統(tǒng)由控制單元、換能器陣列共同組成，其中，換能器陣列分為八個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊所對(duì)應(yīng)換能器的數(shù)量均為四個(gè)，元件的長(zhǎng)邊中心距是30mm、對(duì)應(yīng)短邊中心距是25mm[3]。由計(jì)算機(jī)選定發(fā)射信號(hào)的換能器，剩余換能器則負(fù)責(zé)接收信號(hào)并反射超聲波，隨后，便可根據(jù)反射超聲波對(duì)界面位置加以確定。

2.3 橫波衰減

進(jìn)入砼構(gòu)件內(nèi)部后，聲波將出現(xiàn)散射和擴(kuò)散等情況，其能量極易被傳播距離所影響，進(jìn)而使檢測(cè)結(jié)果所具有準(zhǔn)確性受到影響。

2.3.1 聲波反射。橫波衰減計(jì)算公式如下：

該公式中，N代表橫波強(qiáng)度。N0代表原始強(qiáng)度。Q代表實(shí)測(cè)衰減系數(shù)。L代表傳播距離，其中，衰減程度與傳播距離的關(guān)系為正相關(guān)。

2.3.2 散射衰減。傳播過程中，超聲橫波會(huì)被顆粒所影響，進(jìn)而出現(xiàn)折射或反射的情況，導(dǎo)致能量衰減。研究表明，能量衰減程度主要取決于波長(zhǎng)及顆粒尺寸。

2.3.3 吸收衰減。砼構(gòu)件材料具有吸收橫波的特點(diǎn)，會(huì)造成能量衰減。構(gòu)件各質(zhì)點(diǎn)通過互相摩擦、碰撞的方式傳遞能量及超聲波，介質(zhì)具有黏滯性并且混凝土存在極強(qiáng)的導(dǎo)熱性，因此，粒子振動(dòng)將加快聲能向熱能轉(zhuǎn)換的速度，并通過熱能傳導(dǎo)的方式影響聲能。相關(guān)公式如下：

上述公式中，Q代表衰減系數(shù)。b代表相關(guān)系數(shù)。f代表頻率。分析該公式可知，砼衰減系數(shù)與橫波頻率的關(guān)系為正相關(guān)，橫波衰減會(huì)隨著頻率的增大而增大，與此同時(shí)，橫波穿透性將受到影響，探測(cè)范圍隨之縮小。正常情況下，應(yīng)將橫波頻率控制在25～50kHz之間，確保檢測(cè)范圍及深度符合預(yù)期。

2.3.4 擴(kuò)散衰減。聲束擴(kuò)散角度相對(duì)固定，進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)部后，其擴(kuò)散角度將隨著距離的延長(zhǎng)而擴(kuò)大，與此同時(shí)，能量所表現(xiàn)出擴(kuò)散能力將有所增強(qiáng)，檢測(cè)能力則會(huì)受到負(fù)面影響。這里要了解一點(diǎn)，即橫波檢測(cè)能力主要取決于檢測(cè)頻率，因此，有關(guān)人員應(yīng)以缺陷規(guī)格、檢測(cè)深度為依據(jù)，對(duì)檢測(cè)頻率進(jìn)行調(diào)整，以此來保證檢測(cè)所得結(jié)果具有實(shí)際意義。相關(guān)計(jì)算公式如下：

該公式中，S代表缺陷規(guī)格。v代表波速。f代表頻率。

3 試驗(yàn)方法以及結(jié)果討論

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 剪力墻漿錨搭接。前期準(zhǔn)備階段，研究人員用金屬材質(zhì)的波紋管制作了相應(yīng)的試件。其中，剪力墻的規(guī)格是1200×800×200mm，搭接剪力墻所使用豎向、水平鋼筋規(guī)格是8@200，采用雙排布置方案[4]。隨后，對(duì)試件進(jìn)行為期28d的養(yǎng)護(hù)，并借助超聲相控陣成像儀檢測(cè)試件缺陷。在本項(xiàng)目中，為保證檢測(cè)結(jié)果具有實(shí)際意義，研究人員分別針對(duì)不同預(yù)埋缺陷坐標(biāo)，對(duì)超聲相控陣的適用范圍、準(zhǔn)確性進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證，并根據(jù)兩種灌漿密實(shí)度設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)。

3.1.2 疊合板。對(duì)疊合板進(jìn)行檢測(cè)前，先要制作試驗(yàn)所需試件，制作方法如下：第一步，使用C40混凝土制作試件。疊合板厚120mm，板面尺寸是1.4×2.8m，其中，試件疊合層的厚度控制在70mm左右，預(yù)制板的厚度以50mm為最佳。第二步，由研究人員在板頂模擬砼構(gòu)件常見內(nèi)部缺陷。在預(yù)制構(gòu)件、后澆砼之間安裝木板、硬紙皮，模擬構(gòu)件膠結(jié)效果不理想；在后澆砼內(nèi)安裝PVC管，模擬內(nèi)部缺陷。第三步，對(duì)試件進(jìn)行為期28d的養(yǎng)護(hù)，隨后，便可以使用成像儀進(jìn)行檢測(cè)。

3.1.3 焊縫?，F(xiàn)階段，超聲相控陣已成為檢測(cè)焊縫缺陷的主要技術(shù)，有關(guān)人員可通過扇形掃描的方式，獲得相應(yīng)的缺陷圖像，隨后，對(duì)檢測(cè)圖像所具有特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，為日后類似工作的開展提供參考[5]。本次檢測(cè)的焊縫為T型角焊縫，存在坡口未熔合、裂紋和未焊透等缺陷。由于缺陷回波要通過二次反射才能最終確定，判別難度相對(duì)較大，研究人員提出先對(duì)探頭進(jìn)行定位，并對(duì)探測(cè)角度加以確定，保證檢測(cè)所獲得圖像、定位清晰且準(zhǔn)確。相關(guān)計(jì)算公式如下：

上述公式中，α代表開始角度。L代表標(biāo)定原點(diǎn)與焊縫邊緣之間的距離。H代表構(gòu)件板厚。β代表結(jié)束角度。L1代表焊縫與腹板的距離或是腹板的實(shí)際厚度，單位是mm。

3.2 結(jié)果討論

3.2.1 剪力墻漿錨搭接?，F(xiàn)將缺陷檢測(cè)結(jié)果匯總?cè)缦拢菏紫龋跈z測(cè)區(qū)不存在波紋管的情況下，200mm處出現(xiàn)了顏色突變信號(hào)，該信號(hào)是試件對(duì)側(cè)表面進(jìn)行反射所形成的信號(hào)，而試件內(nèi)部并未出現(xiàn)反射信號(hào)。其次，檢測(cè)灌漿密實(shí)度為10%的區(qū)域可知，該區(qū)域在200mm深、80mm至120mm深的位置，分別出現(xiàn)了顏色突變信號(hào)，信號(hào)坐標(biāo)符合預(yù)設(shè)坐標(biāo)。最后，檢測(cè)灌漿密度為100%的區(qū)域可知，僅有80mm至120mm深的位置出現(xiàn)了顏色突變信號(hào)，由此可見，反射信號(hào)與灌漿密實(shí)度之間并不存在直接聯(lián)系，無論灌漿密實(shí)度為10%抑或是100%，波紋管附近均會(huì)出現(xiàn)反射信號(hào)，因此，根據(jù)反射信號(hào)判斷波紋管是否存在缺陷，通常難以保證判斷完全正確。

3.2.2 疊合板。考慮到澆筑試件的過程中，有一定概率出現(xiàn)缺陷位置偏移的情況，研究人員決定先對(duì)疑似缺陷進(jìn)行檢測(cè)，再通過鉆芯法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，使用儀器檢測(cè)人為設(shè)置缺陷的準(zhǔn)確率為100%。分析可知，新舊砼在70mm處相交，空氣與疊合板底在120mm處相交，其中，新舊砼相交基準(zhǔn)線周圍出現(xiàn)了顏色突變信號(hào)，這表示基準(zhǔn)線周圍存在質(zhì)量缺陷。隨后，研究人員選擇使用成像儀檢測(cè)不存在缺陷的區(qū)域，分析檢測(cè)所獲得圖像可知，構(gòu)件疊合層整體顏色較為均勻，不存在突變信號(hào)，由此可見，該區(qū)域的質(zhì)量能夠達(dá)到預(yù)期水平。通過檢測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)，疊合層有質(zhì)量缺陷的區(qū)域，其顏色突變程度較為明顯，對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行反射較為劇烈，這表示缺陷嚴(yán)重程度與反射劇烈程度的關(guān)系為正相關(guān)，另外，對(duì)出現(xiàn)顏色突變信號(hào)的部位進(jìn)行驗(yàn)證可知，該區(qū)域芯樣存在明顯的質(zhì)量缺陷。

3.2.3 焊縫。將結(jié)束角度定為70°，沿焊縫邊移動(dòng)探頭，可做到掃描全覆蓋，此時(shí)，探頭發(fā)現(xiàn)焊縫存在回波信號(hào)。在不改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)的情況下，分析檢測(cè)圖可知，裂紋開口未達(dá)到2mm，且25mm圍存在連續(xù)缺陷，符合實(shí)際情況。隨后，對(duì)標(biāo)定原點(diǎn)與缺陷中心的距離進(jìn)行計(jì)算可知，兩點(diǎn)相距46mm左右，對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果可知，計(jì)算結(jié)果較為精確。

另外，該技術(shù)還可以被用來對(duì)以下焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)。一是氣孔。研究人員先結(jié)合模擬檢測(cè)、聲場(chǎng)覆蓋區(qū)域，對(duì)探頭位置加以確定，再通過相控陣對(duì)構(gòu)件進(jìn)行掃描。結(jié)果表明，使用該技術(shù)檢測(cè)氣孔缺陷的準(zhǔn)確率極高，只需觀察檢測(cè)圖像便能夠得出相應(yīng)的結(jié)論，氣孔多呈橢圓形或圓形，具有尺寸小、過渡快和邊界清晰的特點(diǎn)，缺陷中間部位的強(qiáng)度相對(duì)較高，且后端往往接有衍射波，可隨探頭的移動(dòng)而移動(dòng)。二是裂紋。對(duì)裂紋進(jìn)行檢測(cè)所獲得圖像的質(zhì)量，通常取決于裂紋、聲束之間形成的角度，如果取向不科學(xué)，則無法保證聲束將檢測(cè)所發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)及時(shí)反射回來，進(jìn)而出現(xiàn)漏檢的問題。由此可見，在裂紋檢測(cè)過程中，研究人員應(yīng)立足實(shí)際，對(duì)裂紋、探頭角度進(jìn)行調(diào)整，保證檢測(cè)所獲得圖像具有良好的質(zhì)量。將裂紋缺陷、聲束所形成夾角的度數(shù)固定在90°，通?？梢垣@得完整且準(zhǔn)確的圖像。三是夾渣。該缺陷的圖像并不規(guī)則，具有亮度低和邊緣相對(duì)模糊的特點(diǎn)，圖像周圍存在數(shù)個(gè)衍射波。分析檢測(cè)結(jié)果可知，夾渣和裂紋所對(duì)應(yīng)圖像大致相同，但夾渣缺陷周圍衍射波并不規(guī)則。四是未焊透。分析檢測(cè)圖像可知，該缺陷多呈橢圓形，在移動(dòng)探頭的過程中，將有一定概率出現(xiàn)粗線條及衍射波，且衍射波與反射回波之間的重合度極高。五是未熔合。對(duì)該缺陷進(jìn)行檢測(cè)和判定的難度較低，這是因?yàn)槠鋱D像多呈條狀或橢圓狀，具有邊緣不圓滑和中心亮度高等特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文主要討論了使用超聲相控陣檢測(cè)砼構(gòu)件缺陷的方法。現(xiàn)將研究所得出結(jié)論歸納如下：首先，使用該技術(shù)檢測(cè)剪力墻、疊合板及焊縫缺陷的準(zhǔn)確率較高，可快速發(fā)現(xiàn)構(gòu)件所存在的孔洞、膠結(jié)不良等質(zhì)量缺陷。其次，由于金屬材質(zhì)的波紋管具有一定的屏蔽性，因此，使用該技術(shù)檢測(cè)金屬波紋管缺陷的效果并不理想。最后，該技術(shù)可被用來對(duì)構(gòu)件澆筑情況進(jìn)行檢測(cè)，但要注意一點(diǎn)，如果檢測(cè)面是弧面，則有一定概率發(fā)生漏檢的問題，應(yīng)仔細(xì)核實(shí)。