阵列式超声波成像仪的应用-装配式建筑浆锚灌浆质量检测

      装配式建筑套筒灌浆质量检测采用阵列式超声波成像仪方法（也称超声波断层成像仪）检测，应用装配整体式混凝土结构质量检验目前是工程质量的重要保障手段，用雷达法检测建筑混凝土结构的研究表明，电磁雷达法受钢筋影响大，对于含有钢筋的浆锚孔腔并不适用，检测精度低；用高频、小直径换能器的超声探头在灌浆构件两侧进行对测，研究结果表明，传统超声检测方法在特定的条件下，通过对相同测位检测数据的比对能发现脱空部位和密实部分的区别，然而该方法需要在每测点有耦合剂的条件下，在试件两端对测，测点多，效率低，实用性不强；射线拍片的方法操作复杂，且有放射性，不利于环保，很难在工程上普遍适用；蒋俣等［４］使用冲击回波等效波速、波频谱图、名义厚度等方法检测浆锚灌浆缺陷，由于主要凭借主观经验来判断测试结果，因此该方法在工程实际中准确度不高，难以推广。可见，装配式建筑浆锚灌浆质量的无损检测方法并不成熟，目前尚无一种成本低廉且能够有效便捷检测浆锚灌浆质量的方法。
      将混凝土超声波断层扫描技术应用到混凝土的结构检测中，研究结果表明该技术在干耦合状态下可实现检测，无需任何耦合剂，具备一定的抗衰减能力，在一定范围内能克服钢筋的影响，在钢筋存在的情况下仍具备识别缺陷的能力；本文采用干耦合混凝土超声波断层扫描技术检测装配式建筑浆锚的灌浆质量，考虑浆锚连接节点的施工特点设计了四种不同灌浆孔道的剪力墙试件，其中孔道灌浆分别考虑了灌浆密实、部分漏浆、完全脱空、夹杂泡沫和木块等缺陷情况，分别使用断层扫描、连续扫描二维拟合图像法和合成孔径聚焦定量分析法对不同工况下的浆锚灌浆孔道进行检测，并与设置的缺陷状况进行对比，分析检测方法的准确性和可靠性。
1. 试件设计
试验设计了４套钢筋混凝土剪力墙试件，编号分别为S-W1、S-W2、S－Ｗ3、Ｓ－Ｗ4，每个试件分成上下两个部分，试件上部的外尺寸为1200ｍｍ×210mm×1000mm（长×宽×高），试件下部的外尺寸为1300ｍｍ×300ｍｍ×200ｍｍ（长×宽×高），试件上部预留３个直径为50ｍｍ左右的灌浆孔道，试件下部预留公称直径为20ｍｍ的钢筋。试件中的水平筋和垂直筋的公称直径为８ｍｍ，间距为150ｍｍ，拉筋的公称直径为６ｍｍ，间距为150ｍｍ。浆锚灌浆孔道呈梅花状布置，浆锚灌浆孔道位置及试件外观与检测操作如图１所示。为了分析不同成
孔方法对浆锚连接质量检测的影响，试验设计了４种不同类型的孔道，分别为混凝土中的混凝土通孔（内径为50０ｍｍ）、金属波纹管（外径为49.5ｍｍ）、PVC-U 管（外径为50ｍｍ）和钢管（外径为48.3ｍｍ），孔道长度为400ｍｍ；为了模拟施工过程中的灌浆不饱满或者漏浆情况，设置了孔道中灌浆料不同程度的脱空，同时设置了泡沫和木块夹杂缺陷，具体工况如表１所示（ＸＰＳ为聚苯乙烯泡沫塑料）。试件的上下两个部分混凝土强度等级为Ｃ35，分别预制28ｄ以后，试件上下两个部分参照工程实际情况吊装叠加，用座浆料座浆、封边，试件下部分预留的钢筋插入上部分灌浆孔道，按照设计工况灌入设计强度为８０ＭＰａ的灌浆料，自然养护28ｄ后进行灌浆质量检测。

3. 试验结果与分析
3.1 混凝土超声断面扫描结果与分析
试件S-W1、S-W2、S－Ｗ3、Ｓ－Ｗ4灌浆孔道中全满和全空的断面扫描结果如图4-7所示。

图 4 　试件S-W1（混凝土通孔）孔道全满与全空部位断层扫描成像结果

图5　试件S-W2（金属波纹管孔道）孔道全满与全空部位断层扫描成像结果

图6  试件S-W3（PVC孔道）孔道全满与全空部位断层扫描成像结果

图7　试件S-W4（钢管孔道）孔道全满与全空部位断层扫描成像结果

从图4、6、6可以看出，在预留浆锚灌浆孔道为混凝土通孔、PVC管和钢管的装配式混凝土剪力墙试件中，当单个检测区内浆锚孔道灌浆为全空或者全满时，断面扫描结果可以明显地加以区分。从图5可以看出，在预留浆锚灌浆孔道为金属波纹管的装配式混凝土剪力墙试件中，当单个检测区内试件浆锚灌浆孔道为全空时，断面扫描结果与实际工况一致；当浆锚孔道为全满时，部分测区检测结果会产生误判。
3.2 超声波断层成像仪二维拟合结果与分析
试件S-W1、S-W2、S－Ｗ3、Ｓ－Ｗ4的完整超声波断层成像二维拟合检测结果如图8-11所示。

图8 试件S-W1（混凝土通孔）相控阵超声二维拟合检测结果

图9  试件S-W2（金属波纹管）相控阵超声二维拟合检测结果

图10  试件S-W3（PVC管）相控阵超声二维拟合检测结果

图11　试件S-W4（钢管）相控阵超声二维拟合检测结果

从图8和图10可以看出，对于预留无管壁的混凝土通孔和PVC管孔道的装配式混凝土剪力墙试件，浆锚灌浆密实部位反射较弱，未发生误判；孔道b上部50％脱空部位通过强反射可以明显识别，识别尺寸与脱空尺寸吻合；在150mm和350mm处设置的木块缺陷和XPS泡沫块缺陷都可以被准确识别。从图9可以看出，对于预留金属波纹管孔道试件，50％脱空和全部脱空的浆锚灌浆孔道具有明显的强反射区，可以被识别；然而灌浆密实的浆锚孔道中产生了3处强反射误判。从图11可以看出，对于预留钢管孔道的试件，浆锚灌浆密实部位反射较弱，未发生误判；孔道上部50％脱空部位可通过强反射区识别，识别尺寸与脱空尺寸吻合；全部脱空也可通过强反射区识别。将相控阵超声的检测结果与设计的缺陷信息进行对比，结果如表2所示。由表2可知，4种管道内的全部脱空的工况都能被准确识别，除了金属波纹管外，其他浆锚管道中灌浆全满时都能准确识别且无误判；半满时的缺陷尺寸识别误差小于15mm；XPS块和木块缺陷识别的位置误差小于10mm；金属波纹管的脱空位置可以准确识别，但在全满和半满的密实部位有3处误判。
3.3 扫描结果合成孔径聚焦定量分析
将S-W1～S-W4中所有灌浆孔合成孔道聚焦信号强度值按照测量部位的高度位置排列，以每种全满孔道各点信号强度的上限值来设定各孔道出现缺陷的“临界值”，将同种孔道内超过该孔道“临界值”５％以上的信号强度值定义为“可疑值”，并以“可疑值”的位置和区域尺寸定量分析每种孔道内缺陷的位置和尺寸，合成孔径聚焦定量分析结果如表3所示，合成孔径定量分析与二维拟合图像分析结果的误差对比如图12所示。在混凝土通孔、PVC管和钢管孔道中，合成孔径聚焦定量分析可以准确识别孔道脱空的位置和管道中异物缺陷的位置和大小，偏差在9mm以内，其对金属波纹管的全满灌浆也存在误判；在对缺陷位置和尺寸的识别方面，合成孔径聚焦定量分析能减小由操作人员对图像色阶感官差异对试验结果带来的影响，从图12可以看出，合成孔径聚焦定量分析对缺陷位置和尺寸识别的准确率更高，识别偏差比二维拟合图像法的降低了40％～100％。


4. 结论
(1) 干耦合混凝土超声断层扫描检测通过单侧断层扫描图像、连续扫描拟合二维图像和合成孔径聚焦定量分析，能准确识别混凝土通孔、PVC管和钢管的装配式混凝土浆锚灌浆脱空部位，检测过程便捷、高效。
(2) 连续扫描拟合二维图像法，对混凝土通孔、PVC管和钢管的装配式混凝土建筑浆锚灌浆孔道的脱空尺寸识别误差小于15mm；异物缺陷长度方向尺寸为50×100mm时，其位置和尺寸的识别偏差小于10mm。
(3) 合成孔径聚焦定量分析法在缺陷位置和尺寸的识别方面，能减小由操作人员对图像色阶感官差异对试验结果带来的影响，其识别偏差比二维拟合图像法的降低了40％～100％，提高了检测准确率。

(4) 混凝土超声断层扫描技术通过断层扫描和连续检测方式可以对预留金属波纹管浆锚孔道的装配式混凝土建筑浆锚灌浆的脱空部位进行明显识别，但对于密实部位可能因为强反射而造成误判。

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产品链接：A1040 MIRA 混凝土超声断层扫描扫描仪