改进超声对测法混凝土内部缺陷检测试验研究

2022-06-15 04:59石志强
安阳工学院学报 2022年4期
关键词:声速三视图视图

石志强

(1.安阳工学院 土木与建筑工程学院,河南 安阳 455000;2.安阳市结构检测与加固工程技术研究中心,河南 安阳 455000)

0 引言

有效的混凝土内部缺陷检测方法,是混凝土结构质量控制和缺陷检测的必要手段。超声检测方法引入混凝土结构检测工程实践后,广大学者和工程技术人员对此进行了广泛研究并取得了有益的研究成果。卢结成等研究了超声检测首波、声时、波幅的测量及分析程序,能够判断混凝土内部的缺陷[1]。宋焕生等研究了混凝土结构层析成像检测系统,可以直观再现混凝土结构强度分布和内部缺陷,并进行了工程实际应用[2]。韩立等针对典型大桥箱形梁混凝土密实度的检测进行了研究,认为超声法检测混凝土密实度的技术适应范围更宽、检测精度更高、可操作性更好[3]。吕晓光等研究了合成孔径聚焦技术,对检测声波信号进行成像处理,在混凝土超声缺陷检测中提高了成像质量[4]。陈军等研究了超声有限幅度法检测混凝土缺陷,认为有限幅度法非线性参数能反映出混凝土孔洞缺陷的大小[5]。陈逵等研究了钢管混凝土中的各类缺陷,得出了各类典型缺陷的声波图,认为当钢管混凝土脱空值超过1.4 mm时超声法测得数据出现非正常值[6]。范晓鹏等采用超声检测仪用单面平测对试块预制裂缝进行检测分析,认为通过超声波检测仪可以检测混凝土质量的优劣和密实程度[7]。徐俊涛等研究了合成孔径聚焦成像技术在混凝土缺陷识别中的应用,可以识别出50 mm深度以下,缺陷横向直径为40 mm,纵向厚度为3 mm的空洞缺陷,并能够准确读取该缺陷在混凝土试块中的相对位置信息[8]。许鑫浩研究了混凝土内部缺陷超声检测的传统超声检测法与相控阵列超声检测法,认为阵列超声检测比传统超声检测对混凝土内部空洞检测精度更高[9]。《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21∶2000,以下简称《规程》)在总结超声法检测混凝土缺陷研究成果的基础上,提供了对测法检测混凝土内部缺陷的具体方法和标准[10]。已有的各类研究以检测技术、分析方法、成像方法创新和常规超声检测方法的应用比较多见,针对《规程》中的常规对测法检测混凝土缺陷技术的改进未见报道。《规程》推荐使用对测法检测混凝土内部缺陷,给出了具体的检测方法和缺陷数据的判定方法,但没有给出缺陷的描述和图示方法,实际检测时需要根据工程师的经验来进行判断和描述。论文通过对预埋缺陷的混凝土试件进行检测试验,在《规程》对测法的基础上,改进了超声对测法混凝土内部缺陷检测的结果表达和数据分析方法,使检测结果在检测异常值判定的基础上,实现了混凝土内部缺陷的可视化三维空间分析,更易于工程应用。

1 超声测缺原理与检测试验设计

1.1 超声测缺基本原理

混凝土结构施工过程中因振捣不够、漏浆或石子架空等原因,可能造成蜂窝、松散或空洞等内部缺陷。当结构被测部位具有一对或两对相互平行的表面时,可以采用对测法进行检测,数据分析采用统计法进行分析。由于混凝土材料本身是非均质材料,超声检测数据会受混凝土内部构成影响,会在一定范围内波动,对混凝土内部缺陷的超声检测采用数理统计方法进行研究。一般认为穿过正常混凝土的超声声速等检测值属于正态分布,检测数据在给定的置信区间范围内服从统计规律,当某些检测数据超出置信区间,可以判断它属于异常值。对测统计法超声换能器布置如图1所示,图中阴影部分代表混凝土内部缺陷,两对面相同编号点分别布置发射换能器和接收换能器,图中虚线为穿过被测混凝土的超声脉冲传播路径,当超声脉冲通过缺陷区域时,检测参数受缺陷影响形成异常值,通过统计分析异常值进行混凝土内部缺陷检测。

图1 对测法换能器布置

由被测混凝土构件各测点的测距及检测声时,计算出各测点的声速值,将各测点声速值排序,x1≥x2≥…≥xn≥xn+1≥…,通常声速较小值为可疑数据,将可以数据中的最大值xn连同其前面的数据按式(1)、(2)计算出mx及Sx值,并按式(3)计算异常情况的判断值X0。

式(1)(2)中,xi—第i点的检测数据;n—参与统计的测点数。

式(3)中λ1为异常值判定系数,可根据式(4)概率函数,由正态分布函数表查出对应统计个数n的λ1值。

当被检测混凝土的某些测点超声声速为异常值时,再结合波形状况及异常测点的分布情况判定混凝土内部的缺陷。

1.2 检测试验设计

试验设计了两个300×300×300 mm混凝土被测试件,分别埋入不同形状的塑料泡沫形成混凝土内部缺陷,编号为QX-1、QX-2,同时制作材料相同的标准立方体试块两组,一组与被测试件同条件养护,用于测定混凝土强度和标准声速,一组标准养护,用于测定混凝土强度。混凝土被测试件采用同力牌P.O.42.5普通硅酸盐水泥、邢台天然河砂、青石破碎石子配置,所用材料的技术指标详见表1、2、3。混凝土配置强度等级为C30,水泥28d抗压强度标准值Fce=55.8N/mm2,设计水灰比W/C=0.55,设计混凝土配合比,水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.68∶3.91∶0.55。对标准立方体试块进行标准养护后,测其抗压强度为34.2 MPa。

表1 同力牌P.O.42.5水泥技术指标

表2 邢台砂技术指标

表3 青石破碎石子物理性质及粒径

将被测试件分成两组不同的对面,设定为X 对面、Y对面,将两组对面划分为50×50 mm宽检测网格,并对检测网格进行编号。试验采用ZBL-U510非金属超声检测仪进行超声检测。超声仪预热稳定后采用空气声速法对超声检测仪进行校验,使用黄油作为换能器耦合剂,测定零声时后按照《规程》推荐的对测试验方法对被测试件进行检测。试件制作及检测过程见图2所示。

图2 超声检测试验过程图

2 试验结果分析

《规程》中给定了不密实区和空洞检测的一般检测方法,但对缺陷的判定没有统一有效的方法,只定性提出“当测位中某些测点的声学参数被判为异常值时,可结合异常测点的分布及波形状况确定混凝土内部存在不密实区和空洞的位置及范围”[10]。论文运用投影面声速等值线图、缺陷标识图、缺陷标识三视图对检测结果进行深入分析,为进行混凝土内部缺陷检测的工程运用提供更为有效的方法。

2.1 检测结果分析

按照《规程》提供的对测法进行超声检测,采用统计法对检测结果进行异常值判别。为了使检测数据便于工程分析与应用,论文将检测数据按照两个检测对面进行编号,并将判定的异常数据在对应的单元格中进行标识,同时绘制检测投影面超声声速等值线图,以图像方式呈现检测结果。如图3、图4所示,通过试件检测投影面声速等值线图,可以清晰地看到投影面上超声声速的分布情况,可以在图上分析被测构件检测投影面上的内部缺陷及其质量分布情况;在检测投影面缺陷标识图中可以清晰地标识出异常声速所在位置。检测出的异常值位置与埋入缺陷位置吻合。投影面检测声速值代表了该投影面上,超声脉冲通过整个混凝土被测试件后所承载的混凝土内部质量信息,将一个三维空间状态投影到一个平面上进行显示,应用该方法可以分析该检测部位混凝土的内部缺陷情况,但对于内部缺陷的三维空间位置在单个投影面上无法有效表达。

图3 QX-1试件X、Y投影面缺陷检测结果分析图

图4 QX-2试件X、Y投影面缺陷检测结果分析图

2.2 构建缺陷检测三视图

三视图是工程师常用的三维空间表达方法,工程上一般规定V面投影图为前视图,H面投影图为俯视图,W面投影图为左视图,如图5所示方式表达。试验将被测构件两垂直面上的缺陷标识图运用三视图思想构建缺陷检测三视图,用以分析混凝土结构内部缺陷的三维空间位置。

图5 三视图一般布置方式

X、Y两个检测对面为混凝土被测试件相邻且相互垂直的两组对面,将每组对面的检测数据投影到一个面上,并将其作为三视图中的一个视图,从而建立缺陷检测三视图。令X投影面为前视图、Y投影面为右视图,将与X、Y投影面均垂直的被测构件的横断面设为Z面,令Z投影面为俯视图。为形象地表达被测构件各投影面的三维空间关系,以展开图的方式重新组合三视图。以Z投影面俯视图为中心,其下方布置X投影面即前视图,其左侧布置Y投影面即右视图,形成用于缺陷检测结果表达的三视图空间,如图6所示。将新构建的缺陷检测三视图的X、Y面向内折叠90°,即还原形成了检测构件的空间外形。

图6 缺陷检测三视图布置方式

2.3 检测成果的三视图三维分析

将各缺陷试件的X投影面缺陷标识图绘制到前视图位置,Y投影面缺陷标识图绘制到右视图位置,运用三视图绘图原理,在Z投影面上补充绘制俯视图,得到完整的三视图,如图7所示。从图中可以清晰地看到缺陷标识在构件中的三维空间位置。缺陷标识是以测点网格为单元的,测点网格单元越密,测点越多,对内部缺陷的形状位置表达越准确。

图7 各试件缺陷标识三视图

3 结论

论文通过试验研究,运用投影面声速等值线图、投影面缺陷标识图、被测试件内部缺陷标识三视图,改进了《规程》中原有的超声检测混凝土内部缺陷结果的分析评价方法,实现了检测结果的可视化。

①运用投影面声速等值线图,可以分析被测构件在检测区域投影面内超声脉冲声速的分布情况。当被测构件检测区域内存在不密实区或者其他缺陷时,结合检测异常值判别方法,可以直观地分析混凝土内部缺陷位置;当被测构件检测区域内没有明显异常值时,可以通过投影面声速等值线图分析混凝土构件检测区域的内部质量分布情况。

②运用投影面缺陷标识图,可以在投影面上标出检测异常值所在位置,结合检测异常值的具体数值,分析投影面存在的内部缺陷。投影面缺陷标识图以检测网格单元为单位,检测点越多、检测网格单元越小,对投影面存在的缺陷表达越准确。

③借鉴三视图思想,构建了混凝土被测试件内部缺陷标识三视图,可以对被测构件内部缺陷进行三维表达。将实测投影面缺陷标识图作为三视图的前视图和右视图,运用三视图绘图原理,补充绘制俯视图,得到完整的混凝土内部缺陷三视图,可以清晰地表达混凝土内部缺陷在构件中三维空间位置。

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