无损检测砌块砌筑砂浆饱满性方法

顾伟勇/上海诚恒建设工程质量检测有限公司

0 引言

根据GB 50203-2011《砌体结构工程施工质量验收规范》的主控项目规定[1]，砖墙水平灰缝的砂浆饱满度不得低于80%；砌体水平灰缝和竖向灰缝的砂浆饱满度，按净面积计算不得低于90%。目前检验方法：用百格网检查砖或小砌块底面与砂浆的粘结痕迹面积。抽检数量：每检验批抽查不应少于5处。每处检测3块砖或小砌块，取其平均值。百格网就是按照一块标准砖的尺寸为外边尺寸，在该矩形内均分为100分格，专用检测砌体的灰浆饱满度。百格网的制作材料有金属或塑料，缺点是容易变形或损坏。通常在检查时，拆下墙中的砖或砌块，底面朝上，放上百格网，数出砖或砌块上粘有砂浆的格子数，取三块砖的平均值，80%或90%以上为合格。实际检查过程中发现有几个问题不易解决：

1）在数格子时往往凭检查人员的个人感觉和经验，检查结果因人而异；

2）不满格情况没有统一规定如何判定，工作量大且误差比较大；

3）该方法仅适用于施工过程中的检查，不能应用于完工后的主体工程验收。

此外，目前砌体工程验收采用冲击锤破损钻孔检测饱满度，该方法仅可证明是否存在假缝、瞎缝等情况，并不是严格意义上的饱满度结果，且随意性大，撰写的检测报告几乎没有测试数据的支撑。

1 超声法检测技术

1.1 超声法检测材料缺陷的原理

1）超声波在试体中传播遇到缺陷时产生绕射，可根据声速的变化，判别和计算缺陷的大小；

2）超声波在缺陷界面产生散射和反射，到达接收换能器的声波能量（波幅）显著减小，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小；

3）超声波通过缺陷时，部分声波会产生路径和相位变化，不同路径或不同相位的声波叠加后，造成接收信号波形畸变，可参考畸变波形分析判断缺陷。

4）当砌筑砂浆的组成材料、制浆工艺、内部质量及测试距离一定时，各测点超声传播速度、首波幅度等声学参数一般无明显差异。如果某部分砂浆存在空洞、不密实等缺陷，破坏了砂浆的整体性，通过该处的超声波与无缺陷砂浆相比较，声时明显偏长，波幅和频率明显降低。

超声法检测砂浆饱满性，正是根据这一基本原理[2-3]，对同条件下的砂浆进行声速、波幅测量值的相对比较，从而判断砌筑砂浆的饱满性。

1.2 砌筑砂浆饱满性检测超声换能器的配置问题

目前，工程检测常用换能器的频率为50 kHz或者100 kHz，超声波的波速v是频率f与波长λ的乘积。设砂浆的声速为2.40 km/s时，如果采用50 kHz的换能器，其波长λ为60 mm。因为波长长，超声波容易绕过缺陷，所以选择换能器的频率必须考虑需要探检的缺陷尺寸，通常设定超声波探伤能测到的最小缺陷近似于波长。50 kHz换能器检测缺陷的灵敏度很低。如果采用500 kHz的换能器，其波长λ仅为6 mm。采用高频换能器能极大提高检测缺陷的灵敏度。此外，目前国内超声仪出厂普遍配置50 kHz换能器的直径大约40 mm，小于换能器直径的缺陷超声检测较难发现；且砌体水平灰缝的厚度通常不大于10 mm，由此，试验选用了500 kHz频率、7 mm直径的较高频率小直径换能器。

1.3 超声检测采样参数

超声检测采样参数见表1。

表1 超声检测采样参数

2 试验设计

分别取3块同厂家、同规格、同批次的混凝土蒸压加气砌块，砌块大面尺寸为600 mm×240 mm，试验设计在每块大面上铺设一层约15 mm厚M15砌筑砂浆。试件中设计缺陷：在砌块（a）的纵向中心线处设置 10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm、40 mm×40 mm 四个缺陷；在砌块（b）的纵向中心线处设置 50 mm×50 mm、60 mm×60 mm、70 mm×70 mm三个缺陷；在砌块（c）的纵向中心线处设置 80 mm×80 mm、90 mm×90 mm 两个缺陷。

3 超声检测试验

首先在试件上划线，布置超声测点，超声测点编号见图1。设计的9种尺寸的缺陷从10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm见方。在砌块的9个缺陷处各布置一对测点。此外，根据布置超声波检测缺陷测点，没有缺陷的测点数量要多于缺陷测点的数量的经验和原则，又布置了17对没有缺陷部位的测点，总计超声测点26对。26对测点分为A、B两组，顺序分别为 A1～A13、B1～B13。

图1 设计的缺陷及超声测点编号

3.1 超声检测试验数据

试验采用智博联科技股份有限公司ZBL-U510超声检测仪，超声测点用黄油作为耦合剂。超声仪测点序号001、002分别对应砌块上的编号A、B两组。各测点超声检测试验数据见表2。

表2 各测点超声检测试验数据

3.2 超声检测结果

本文采用了高频、小直径辐射端面的换能器，并且把混凝土超声检测技术嫁接到砌筑砂浆层质量的检测中，对砌筑砂浆饱满性检测采用超声波检测方法具有无损检测的技术特点。智博联科技股份有限公司ZBL-U510超声检测仪自带数据采集、波形回放、缺陷判别等分析功能，依据超声检测得到的“声速、波幅、波形”等声学参量作为砂浆层缺陷的判别原则[4]。从表2可以得出：对应6处有缺陷的6对超声测点的声速值、波幅值等声学参数明显偏小。没有缺陷的超声测点编号A7的比对波形见图3，设计有缺陷的测点编号A1、A3、A6、A9、A13、B3、B6、B9、B12的波形见图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12。

图3 没有缺陷的超声测点比对波形

图4 设计10 mm缺陷测点编号001-01的波形

图5 设计20 mm缺陷测点编号001-03的波形

图6 设计30 mm缺陷测点编号001-06的波形

图7 设计40 mm缺陷测点编号001-09的波形

图8 设计50 mm缺陷测点编号001-13的波形

图9 设计60 mm缺陷测点编号002-03的波形

图10 设计70 mm缺陷测点编号002-06的波形

图11 设计80 mm缺陷测点编号002-09的波形

图12 设计90 mm缺陷测点编号002-012的波形

采用高频小直径换能器检测26个超声测点的波列视图，见图13所示。

图13 26个超声测点的波列视图

4 试验结果分析

把17个无缺陷的测点的声速取平均值，计算得v=2.382 km/s，把9个缺陷的声速除以平均声速，得到以下结果，缺陷测点与无缺陷测点的声速比值见表3。

试验结果分析：

1）因为工程中砌块灰缝的高度值小，与试验中使用的超声换能器的直径相差无几，试验前，对砌块进行了声速的测量。砌块的对测声速值在1.85 ～1.90 km/s之间，远小于砂浆层内的声速，即超声波在砂浆中传播不受砌块的干扰。

2）表2中有6个测点的数据明显偏小，智博联ZBL-U510超声检测仪按照CECS 21:2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[5]编制的缺陷判别分析程序，应判定这些测点为缺陷，同时对应图13的波列视图，这6处声速、波幅数据明显偏小的测点中，波形前几周波几乎没有起伏、呈水平的直线。依据“声速、波幅、波形”等声学参量作为砂浆缺陷的判别原则，按照CECS 21:2000判定的结果与实际情况相符，即可以明确判断这6处有缺陷。

3）试验设计中的3个较小缺陷（10 mm的001-01、20 mm 的 001-03 和 30 mm 的 001-06） 没有测出，本文采用500 kHz频率的换能器，前述理论计算波长λ仅为6 mm的超声波检测不出30 mm以下的孔洞缺陷。

图14为前述举例没有缺陷的001-07测点，首波起始时间 99.4 μs、结尾时间 115.2 μs，周波T为15.8 μs，计算其第1周的接收波频率：

图14 001-07测点的第1周接收波频率计算示意图

由于砌块砌筑砂浆不像混凝土那样密实，混凝土的声速随其强度的不同，相应的声速在4 000 ～5 000 m/s 的范围，本文砌筑砂浆的声速仅 2 400 m/s，其密度与混凝土相差甚远。当超声仪发射500 kHz频率的超声波通过密度很低的砌筑砂浆时，超声能量严重衰减，其接收频率约为63 kHz。63 kHz的波长在本文检测砌块砌筑砂浆时的波长约为38 mm。故得到了小于30 mm的空洞缺陷难以分辨的结果。根据表3，测点声速小于平均声速98%，即可判断为缺陷。但试验设计缺陷为10 mm的001-01、20 mm的001-03和30 mm的001-06三个缺陷的百分比大于平均声速98%，即目前此方法能检到30 mm以上的缺陷。

5 结语

1）本研究涉及建筑砂浆饱满度检测技术领域，具有无损检测的技术特点，尝试采用简单实用、操作方便的超声波检测技术，为砌体结构验收、对砂浆砌筑质量的评判提供有效的检测方法。

2）按照CECS 21:2000，依据“声速、波幅、波形”检测砌筑砂浆饱满度质量的判别原则，通过检测数据的比对，能有效判断砌筑砂浆层缺陷的存在和位置，声速值小于平均声速98%的超声测点可以判定为较大缺陷。

3）进一步开展对超声换能器频率选择的科研，目前已有相关方面的研究[6]，期望能超声探测到更小的缺陷。