装配式钢筋混凝土叠合板构件缺陷检测方法

汪 阳，孟令凯，吕光大，刘欣阳

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100076）

装配式混凝土结构具有施工周期短、绿色环保等优势，被广泛应用于我国建筑工程施工中。与现浇混凝土构件相比，装配式叠合板构件现场施工强度更低、模板利用率更高，而叠合板构件的质量是影响装配式钢筋混凝土建筑结构整体性能的关键。然而在叠合板构件制作过程中，需要在构件中设置照明、消防、给水等系统的预埋件，如果预埋件位置出现偏差或者混凝土振捣不充分等，就会导致叠合板构件在使用过程中发生空洞、脱空等缺陷，严重威胁钢筋混凝土叠合板构件的抗震性能。因此，对叠合板构件缺陷进行检测，获取缺陷位置与大小，对保障装配式钢筋混凝土建筑的稳定性与安全性至关重要。

1 超声波技术检测叠合板构件缺陷

1.1 采集叠合板构件超声波探测参数

超声波就是频率在20kHz 以上的声波，从力学特性看，装配式钢筋混凝土叠合板构件属于弹-粘-塑性体，当超声波在内部传播时，会在叠合板构件内部结构产生一系列声学现象，从而激发出弹性波，所以根据接收波信号即可掌握叠合板构件内部缺陷分布情况，本文引入超声波技术设计一种装配式钢筋混凝土叠合板构件缺陷无损检测方法[1]。首先需要搭建一个主动超声检测装置，用于完成超声波在叠合板构件中的传输，其结构如图1 所示。

图1 主动超声波检测装置示意图

本文采用的主动超声检测装置是通过仪器发射出周期性的超声波，当超声波经过叠合板构件的传播后，被接收端所接收，并将接收信号显示在仪器上，根据接收信号的相对变化即可判断当下叠合板构件的质量[2]。超声波探测参数主要包括声速、频率以及幅值[3]。

其中声速的计算公式如下

式中vc——超声波在叠合板构件中传播的声速；

L——超声波在叠合板构件中传播的距离；

t——超声波在叠合板构件中传播的时间。

当超声波在叠合板构件中传播时，受构件介质的影响，超声波频率与振幅会发生衰减，所以超声波在叠合板构件中的衰减情况也可以反映构件的缺陷情况，那么超声波频率与振幅的衰减表达式为

式中P——超声波经过叠合板构件传播后的频率；

P0——超声波的发射频率；

ε——超声波的衰减系数；

f——超声波经过叠合板构件传播后的振幅；

f0——超声波的发射振幅。

本文通过主动超声波检测装置采集了一系列装配式混凝土叠合板构件的超声波探测参数，根据不同质量叠合板构件的超声波探测参数即可实现缺陷无损检测。

1.2 叠合板构件缺陷判定

在利用超声波技术检测装配式钢筋混凝土叠合板构件缺陷时，合理的判据至关重要，一般来说，文中上述内容采集的叠合板构件超声波探测参数具有一定的波动性[4]，无法制定一个统一的缺陷判定标准，所以本文多因素判据法（NFP法）进行叠合板构件缺陷的判定。理论上认为，当超声波经过装配式钢筋混凝土叠合板构件传播后，如果混凝土内部存在缺陷，会造成全部超声波相关探测参数的改变，但在实际的检测过程中，声速、频率、幅值这几个参数有可能仅有一到两个发生变化，所以如果仅采用单一因素进行缺陷判定，有可能会导致检测结果存在严重误差，本文采用了多因素判据法。首先根据下式求出多超声波探测参数的综合判断值NFP，然后对装配式钢筋混凝土叠合板构件缺陷的综合判据值进行夏里埃分布检验，如果式（4)所求NFP（n)在1 以下，且N在100 以下，那么表示当前为不可能发生事件却发生了，所以检测点存在缺陷。那么根据多因素判据法对叠合板构件检测数据进行处理后，可以得到图2 所示的缺陷示意图。

图2 某叠合板构件缺陷示意图（NFP法）

式中NFP（n)——叠合板构件第n个检测点的综合判据值；

N——检测点总数；

μ——概率保证系数；

δ——超声波声速、频率、幅值的乘积标准差。

如图所示，采用NFP判据法对叠合板构件的超声波探测参数进行缺陷判定时，可清晰掌握缺陷的形状与大小[5]，所以本文设计超声波技术可以实现装配式钢筋混凝土叠合板构件的缺陷检测。

2 实验分析

2.1 实验准备

为验证本文设计装配式钢筋混凝土叠合板构件缺陷检测方法的有效性，搭建超声波检测平台，进行实际的钢筋混凝土叠合板构件检测实验，并采用传统钻孔检测法做为实验对照组，根据实验结果对本文设计方法的性能做出判定。受篇幅因素等限制，本次实验不对各个缺陷类型逐个展开实验研究，仅针对叠合板构件的空洞缺陷进行实验对比分析。首先，实验制作了两个基本一致的钢筋混凝土叠合板试件，混凝土强度为C35，叠合板试件尺寸为2.1m×1.6m×1.2m，在两个叠合板试件上分别设置2 个人工长方体的空洞缺陷，缺陷厚度分别为25mm、50mm，如图3 所示。

图3 叠合板试件缺陷设置方式

如图3 所示，这两个空洞缺陷位置、形状、大小完全相同的钢筋混凝土叠合板构件为本次实验所使用的试件，其中试件1 采用本文设计超声波检测方法进行缺陷检测，试件2 采用钻孔检测方法进行缺陷检测，为保证本次实验结果的可信性，两种缺陷检测方法的测点分布位置也保持一致，如图4 所示。

图4 叠合板试件测点布置示意图

如图4 所示，本次实验中每一个叠合板试件均布置了10 个检测点，理论上C2、C7 测点可检测到厚度为25mm 的空洞缺陷，C4、C9 测点可检测到厚度为50mm 的缺陷。然后分别采用实验组方法与对照组方法对这两个试件的缺陷进行检测，并详细分析检测结果[6]。

2.2 结果分析

当采用本文设计方法检测钢筋混凝土叠合板构件的空洞缺陷时，根据各测点的检测结果显示，叠合板构件超声波的波形有以下两种，如图5、图6 所示，钢筋混凝土叠合板构件的空洞缺陷区域对超声波幅值的影响较大，超声波通过正常区域时与空洞区域时的波形存在显著差异，所以本文设计方法可以实现装配式钢筋混凝土叠合板构件的空洞缺陷检测[7]。

图5 超声波通过正常区域时的波形

图6 超声波通过空洞区域时的波形

为进一步验证该方法的检测精度，采用下式分别计算出各测点下叠合板构件空洞缺陷厚度的检测值

式中H——钢筋混凝土叠合板构件内部空洞的厚度；

t1——超声波通过存在空洞缺陷叠合板构件的时间；

t2——超声波通过无缺陷叠合板构件的时间；

v0——超声波在空气中的声速[8]。

求得叠合板构件空洞缺陷厚度的检测值，同时记录下钻孔检测现场各测点下空度缺陷厚度的检测值，并与实际数据进行对比，对比结果如图7 所示。

图7 不同方法的检测结果对比

叠合板构件空洞厚度检测值的最大误差为2.6mm，发生在测试点C4，在3mm 以内，符合测试要求，而且设计方法的平均绝对误差为1.88mm，较对照组方法降低了2.21mm，可见设计方法下的叠合板构件空洞厚度检测值更为精确。与此同时，本文设计方法无需破坏叠合板构件即可完成了缺陷检测，真正实现了叠合板构件的无损检测，表明该方法具有一定可行性与可靠性[9]。

3 结语

超声波检测法可在装配式钢筋混凝土叠合板构件上进行无损检测，检测出叠合板构件的内部空洞、脱空等缺陷，且检测效果良好，在装配式建筑混凝土构件无损检测领域有着广泛的发展前景。对于本文设计的超声波无损检测方法而言，叠合板构件的边界对超声波信号具有约束，同时超声波检测装置中接收的超声波信号存在噪声，均在一定程度上影响叠合板构件缺陷检测结果的准确性，所以今后将针对如何有效消除边界约束与噪声信号进行深入研究，从而提升叠合板构件检测方法的适用性。