预制构件底部接缝灌浆质量高频小直径超声检测法研究

石平府，顾 盛，张 军，张 健，潘永东

（1.南京市建筑安装工程质量监督站，江苏 南京 210007；2.昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215337；3.同济大学 航空航天与力学学院，上海 200092）

0 引 言

装配式混凝土结构中存在必不可少的节点及接缝，将预制构件连接成整体，达到“等同现浇”的设计要求，因此构件连接是装配式混凝土结构的关键环节［1，2］。其中，底部接缝是上下层预制构件现场拼装时的预留缝，用不流动的、不收缩的封缝座浆料将预留缝四周密封或分隔成多段分别进行密封形成连通腔，再向连通腔内灌注水泥基灌浆料从而实现连接。

底部接缝高度较小，一般为 20 mm，宽度等于预制构件厚度，用现有超声法检测底部接缝灌浆缺陷存在一定困难：①底部接缝缺陷尺寸较小，现有超声换能器工作频率较低，一般为 50～100 kHz，超声波容易绕过缺陷，还会导致灵敏度和分辨力低、能量集中等缺点，对底部接缝中的缺陷识别能力较弱；②现有超声换能器直径偏大，目前普遍使用的 50 kHz 换能器直径为 40 mm，无法适用于底部接缝的高度，检测结果可能是底部接缝上部混凝土的缺陷情况；③底部接缝介质环境复杂，检测时常常受到钢筋、垫块、封缝料、PVC 线管等多因素耦合影响［3］。

本文基于 CECS21∶2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》［4］选用了两种新型的高频小直径超声换能器：一种端头直径为 10 mm，工作频率为 750 kHz；另一种为端头直径 17 mm，工作频率为 500 kHz 的坐地式高频小直径超声换能器，对预制构件底部接缝处的缺陷进行了检测。高频小直径换能器能更好地贴合底部接缝，且工作频率高，提高了检测的灵敏度和对缺陷的识别能力。

1 实验室检测研究

1.1 检测方法简介

1.1.1 检测原理

根据竖向预制构件底部接缝在几何空间、材料组成等方面的特点，其灌浆质量宜采用小直径高频超声传感器法检测，所用换能器的直径不应超过 15 mm，工作频率不应低于 250 kHz，不宜高于 750 kHz，选用超声对测法，根据现行中国工程建设标准协会标准 CECS 21∶2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》检测评定。

图1 为对测法检测混凝土墙内部缺陷的声传播路径示意图，在传播过程中遇到孔洞、多孔泡沫、塑料垫块、PVC 线管等低声速区时，声波便会沿着缺陷绕射，导致声时、波幅、波形等参数发生变化。具体检测时，测取声时、波速、波形等参数，来判断各点位是否存在缺陷。

图1 低声速缺陷超声检测的声传播路径示意图

1.1.2 高频小直径超声换能器

高频小直径超声换能器优势在于：①换能器采用小直径微型结构，能很好地贴合底部接缝的侧表面进行检测；②工作频率高，穿透能力更强，大大提高了超声检测的灵敏度和分辨力，对缺陷的识别能力更强；③在金属外壳位于高频插座一侧的表面设置有手持部，手持部的直径小于金属外壳位于金属电极片一侧表面的直径，使得手持部与地面之间具有间隙，便于手持操作以调整位置，更加方便。换能器构造图如图2 所示，实物图如图3 所示。

图2 高频小直径超声换能器构造图

图3 超声换能器实物图

小直径超声传感器法主要适用于预制剪力墙底部接缝灌浆质量检测；对于预制柱底部接缝灌浆质量检测，超声测距不应＞500 mm ，由于提高了换能器的工作频率，测距＞500 mm 后会导致超声波衰减明显，波形平坦无起伏，首波采集困难；对于预制夹心保温剪力墙底部接缝灌浆质量检测的实用性，还需进一步研究。

1.1.3 试件设计

1）预制剪力墙底部接缝。实验室成型了1块预制剪力墙底部接缝构件，构件内预先埋设缺陷，构件尺寸为1750mm×200mm×20mm，灌浆龄期到达 7 d 后，沿构件长度方向布置测点并编号，测点距离为 50 mm，如图4 所示。

图4 剪力墙底部接缝构件

2）预制柱底部接缝。实验室还成型了1块预制柱底部接缝构件，构件内预先埋设缺陷，构件尺寸为 500 mm×500 mm×20 mm，灌浆龄期到达 7 d 后，在构件相邻侧边分别布置测点并编号，测点间距为50 mm。如图5 所示。

图5 预制柱底部接缝构件

1.2 检测结果分析

1.2.1 预制剪力墙底部接缝

1）使用小直径超声传感器法进行盲测，检测结果如表1、图6 所示。分析数据可得：06、12、31 号测点处超声波声速明显降低，波幅值减小，波形前几周起伏比较小；29、30 号测点处超声波声速大幅度降低，波幅值减小，波形几乎没有起伏，呈一条水平直线，出现首波丢波的情形。以声时或波速做为主要判断依据，波幅、波形做为辅助判断，可以判断出 06、12、29、30、31 可能存在缺陷。图7 为缺陷实际位置。

2）以可疑点为中心，相邻正常测点为边界向两侧扩散补画测点进行加密复测，新增测点间距为 2 cm，检测结果如表2、图8 所示，图9 为缺陷实际位置。分析检测数据可得：05-02、11-02号测点超声波声速明显降低，波幅值正常，波形前几周起伏较小；28-01、28-02、29-01、29-02、30-01 号测点声速大幅度降低，波幅大幅度减小，波形几乎没有起伏；呈一条水平直线，出现首波丢波的情形；30-02 号测点声速明显降低，波幅大幅度减小，波形前几周起伏较小。结合上一节的数据可推断出缺陷位置分布在 05-01 与 06-01 区间内、11-01 与 12-01 区间内、28 与 31-01 区间内。

表1 剪力墙底部接缝构件的盲测结果

图6 各测点对应的波列图

图7 剪力墙底部接缝预制构件的缺陷实际位置

表2 可疑点加密复测结果

图8 各测点对应的波列图

图9 缺陷实际位置

图10 预制柱底部接缝构建的缺陷实际位置

3）对比可得：检测确定的缺陷位置与缺陷实际位置吻合。

1.2.2 预制柱底部接缝

1）使用小直径超声传感器法对 1-9 号测点进行盲测，检测结果如表3、图11 所示。分析数据可得，02、04、05、06 号测点处超声波声速明显降低，为可疑点，可能存在缺陷。图9 为缺陷实际位置。

表3 预制柱底部接缝构件 1-9 号测点盲测结果

图11 预制柱底部接缝构件 1-9 号测点对应波列图

2）使用小直径超声传感器法对A-I测点进行盲测，检测结果如表4、图12 所示。分析数据可得，D、E、F测点处超声波声速降低，为可疑点，可能存在缺陷。

3）对比可得：检测确定的缺陷位置与缺陷实际位置吻合，02号测点测得缺陷为塑料垫块，04、05、06、D、E、F测点测得缺陷为构件中间的孔洞缺陷。

表4 预制柱底部接缝构件 A-I 号测点盲测结果

图12 预制柱底部接缝构件 A-I 号测点对应波列图

1.3 检测能力验证

设计制作 1 块采用连通腔灌浆的剪力墙试件，试件底部接缝尺寸为 1 500 mm×200 mm×20 mm，底部接缝中预先埋设缺陷，如图13 所示。

图13 剪力墙试件

1）灌浆龄期到达 7 d 后，沿试件长度方向布置测点并编号，测点距离为 100 mm。使用小直径超声传感器法进行盲测，检测结果如表5、图14 所示。分析数据可得，05 号测点处超声波声速明显降低，为可疑点，可能存在缺陷。

2）以可疑点为中心，相邻正常测点为边界向两侧扩散补画测点进行加密复测，新增测点间距为 2 cm，检测结果如表6、图15 所示。分析检测数据可得：04-01、04-02、04-03、04-04、05-01 号测点处声速明显降低，可以推断处缺陷位置分布在 04 与 05-02 区间内，换算成长度为 400 mm～520 mm。

表5 盲测结果

图14 各测点对应波列图

表6 加密复测结果

图15 加密复测各测点对应波列图

4）与缺陷的预设位置进行对比验证，检测确定的缺陷位置与缺陷预设位置吻合。

2 工程验证实例

2.1 概述

常熟市某项目 6# 楼为装配式剪力墙结构，现主体结构已施工至地上 18 层。为进一步验证改进超声法的可靠性和准确性，研究小组对 6# 楼 18 层剪力墙底部接缝灌浆质量进行检测。

本次验证试验检测对象为 6# 楼 18 层 YJQ-7-04 剪力墙构件，如图16 所示，剪力墙采用 GT16 型半灌浆套筒，套筒呈“梅花桩形”布置，采用连通腔灌浆，底部接缝高度为 20mm。检测仪器采用海创高科 HC-U81混凝土超声波检测仪，探头使用坐地式高频小直径超声换能器，发射、接收换能器端头直径为 17 mm，发射、接收换能器工作频率为 500 kHz。

图16 工程现场的剪力墙底部接缝

沿剪力墙构件长度方向布置测点并编号，各测点位于底部接缝高度中心位置处，相邻测点间距为 150 mm，共 15 个测点。参照 CECS 21∶2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，采用对测法进行检测，将坐地式高频小直径换能器涂抹耦合剂后依次置于各测点处，采集各测点处的声时、声速、波幅、波形参数。

2.2 检测结果及其分析

各测点的检测结果如表7、图17 所示，分析数据可得：05 号测点处超声波声速明显降低，波幅值减小，波形前几周起伏比较小；06 号测点处超声波声速明显降低，波幅值减小，波形前几周起伏比较小；07、08 号测点处超声波声速大幅度降低，波幅值大幅度减小，波形没有起伏，呈水平的直线，出现首波丢波的情形。以声时或波速做为主要判断依据，波幅、波形做为辅助判断，可以判断 YJQ-8-04 剪力墙底部接缝在 05、06、07、08 号测点有缺陷。

表7 工程现场剪力墙底部接缝超声对测的检测结果

图17 工程现场的剪力墙底部接缝超声对测的检测结果

如图18 所示，05、06、07、08 号测点均有 PVC 线管穿过，这些点位的检测结果与实际情况相符。

3 结 论

1）预制构件底部接缝宽度一般不大于 20 mm，本文采用了直径为 10 mm 与 17 mm 的两种高频小直径超声换能器，可以很好地适应预制构件底部接缝的构造特点，主要适用于预制剪力墙结构。对于预制柱底部接缝的缺陷检测，测点间距不能大于 500 mm，否则会出现首波丢波的情形，对检测造成困难。

图18 检测结果验证

2）本文采用的高频小直径超声换能器工作频率范围为 500～750 kHz，能够有效识别孔洞缺陷、多孔泡沫、塑料垫块、PVC 线管等低声速缺陷，不能识别钢筋，缺陷的形状和分布类型并不影响检测效果。由检测数据推测得到的缺陷位置与预设缺陷位置基本吻合，因此，应用高频小直径超声探头对测能够可靠地发现预制构件底部接缝的灌浆缺陷，且检测精度符合工程要求。

3）高频小直径超声换能器检测竖向预制构件底部接缝缺陷时，测点间距越小，发现缺陷概率越大。