童壽興,伍根伙

(同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室,上海 200092)

對石材質(zhì)量進(jìn)行研究的起因來源于上海博物館的一個委托檢測項目。為了對文物采取保護(hù)措施,要求對某明代墓前的一塊記事石碑的石材內(nèi)部質(zhì)量以及表面裂縫的深度進(jìn)行無損檢測和鑒定。超聲波檢測混凝土缺陷的技術(shù)已日臻完善,目前國內(nèi)對混凝土缺陷的檢測都采用標(biāo)準(zhǔn)CECS 21：2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[1]。在石材上進(jìn)行超聲波無損檢測的工作國內(nèi)開展較少,筆者依據(jù)參考文獻(xiàn)[1],運用超聲波檢測缺陷的聲速異常值判據(jù)以及裂縫深度的計算公式對該石碑進(jìn)行了無損檢測。

1 檢測對象

被檢石碑長、寬各約105 cm,高約200 cm,石碑的四面均刻有長篇碑文,系400多年前的歷史文物。該石碑當(dāng)年曾置于亭內(nèi),文革時遭破壞被推棄于河邊,現(xiàn)經(jīng)吊裝、搬運重置于某檔案館內(nèi)保存。因受自然風(fēng)化和人為破壞的影響,現(xiàn)石碑四周的棱邊存在不同程度的勒損和崩裂。石碑四周立面均有大小不等的表觀裂紋,其中有兩條較大且具有典型性：南立面中下半部有一條較長的西高東低裂縫(以下簡稱1號斜裂縫);西立面的中部有一條水平裂縫(以下簡稱2號水平裂縫)。

2 超聲法檢測石材缺陷基本原理

超聲脈沖波在檢測石材內(nèi)部的缺陷界面產(chǎn)生散射和反射,使到達(dá)接收換能器的聲波能量(波幅)顯著降低,可根據(jù)波幅變化的程度判斷缺陷。

超聲脈沖波通過缺陷時,部分聲波會產(chǎn)生路徑和相位變化,不同路徑或不同相位的聲波疊加后,造成接收信號波形畸變,可參考畸變波形分析判斷缺陷的性質(zhì)。

超聲脈沖波在檢測石材中遇到缺陷時產(chǎn)生繞射,可根據(jù)聲時及聲程的變化,判別和計算缺陷的范圍。

當(dāng)檢測石材的組成、內(nèi)部質(zhì)量及測試距離一定時,各測點超聲傳播速度、首波幅度等聲學(xué)參數(shù)一般無明顯差異。如果某部分檢測石材中存在裂紋或損傷等缺陷,破壞了石材的整體性,通過該處的超聲波與無缺陷處相比較,聲時明顯偏長,波幅和頻率明顯降低。根據(jù)這一基本原理,對相同條件下的檢測石材進(jìn)行聲速、波幅測量值的相對比較,從而可判斷其缺陷情況。

3 現(xiàn)場檢測

3.1 檢測設(shè)備

檢測設(shè)備采用ZBL-U510非金屬超聲檢測儀。

3.2 檢測方案

3.2.1 石碑青石材內(nèi)部質(zhì)量的檢測

在石碑的南、北對稱兩側(cè)立面,水平及垂直方向各間隔15 cm(水平布線11條,垂直布線7條)呈網(wǎng)格狀組成檢測區(qū)域及測點,采用水平對測法逐點進(jìn)行超聲波檢測。異常數(shù)據(jù)判斷值X0的計算公式為：

3.2.2 石碑表觀裂縫深度的檢測

對南立面中下半部的1號斜裂縫以及西立面中部的2號水平裂縫,參照CECS 21：2000標(biāo)準(zhǔn),單面平測法檢測裂縫深度的計算公式為：

4 檢測數(shù)據(jù)的處理

4.1 石碑青石材內(nèi)部質(zhì)量的檢測

在南、北對稱相對兩個側(cè)面以15 cm見方網(wǎng)格普測,共布置超聲測點77對。檢測得到77對聲測點的λ1=2.225,平均聲速mv=6.098 km/s、聲速標(biāo)準(zhǔn)差Sv=0.157 8 km/s、異常數(shù)據(jù)判斷值X0=5.75 km/s,最小聲速vmin=5.770 km/s,小于X0聲速值的測點數(shù)為0。

測點中沒有聲速數(shù)據(jù)小于異常數(shù)據(jù)判斷值X0的測點,參照CECS 21：2000規(guī)程,可判定石碑檢測部位的青石材內(nèi)部質(zhì)量正常,無結(jié)構(gòu)破壞性缺陷。

在超聲法檢測混凝土內(nèi)部缺陷的歷史研究過程中,曾經(jīng)采用2倍或 3倍標(biāo)準(zhǔn)差的指標(biāo)評判其質(zhì)量[2]。一般而言,mv-2Sv的小概率為2.27%,mv-3Sv的小概率為0.13%。如采用mv-3Sv的小概率判斷混凝土內(nèi)部是否有缺陷,判準(zhǔn)率比mv-2Sv高,即不會錯判,但有可能承擔(dān)缺陷被漏判的風(fēng)險。被檢石碑曾遭自然風(fēng)化和搬運等人為破壞的影響,四周的棱邊存在不同程度的勒損和崩裂,表觀裂紋明顯可見,但參照CECS 21：2000規(guī)程,采用異常數(shù)據(jù)判斷值X0=mv-λ1×Sv計算公式來評判卻未能發(fā)現(xiàn)缺陷。

在材料存在缺陷的場合,其聲速波動的離散性隨缺陷的嚴(yán)重程度而變大,即標(biāo)準(zhǔn)差偏大,用3倍或由測點數(shù)對應(yīng)的λ1倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為判據(jù)的X0值較小,亦有可能存在缺陷被漏判的風(fēng)險。對于檢測要求高的如勻質(zhì)石材質(zhì)量的超聲波檢測,可用聲速平均值減1倍標(biāo)準(zhǔn)差mv-Sv的值X01作為判據(jù)。由檢測數(shù)據(jù)計算得X01=mv-Sv=5.94 km/s,考查77對超聲測點中,有12對數(shù)值小于X01。即有12對異常數(shù)值的可疑缺陷測點,這些測點主要分布于石碑南立面的東側(cè)以及1號斜裂縫的附近,這和石碑的外觀表層勒損等情況相符。如采用1倍標(biāo)準(zhǔn)差作為判據(jù),即缺陷不會漏判,但存有被錯判的可能,結(jié)合檢測部位的77對測點超聲波波形正常、無嚴(yán)重畸變,首波幅度較高,最終綜合判定12對低數(shù)值測點部位屬表層缺損,石碑青石材的內(nèi)部質(zhì)量為正常。

4.2 石碑表觀裂縫深度的檢測

4.2.1 單面平測法檢測

參照CECS 21：2000規(guī)程,布置跨縫、不跨縫超聲測點,代入hci的公式計算裂縫深度,得兩條較大且具有典型性的表觀裂縫為：南立面下半部1號斜裂縫的深度為69 mm,西立面中部2號水平裂裂紋的深度為40 mm。

4.2.2 首波相位的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

在檢測混凝土裂縫深度時,常有當(dāng)兩換能器的跨縫間距大于2倍裂縫深度時,超聲接收波的首波為向下的負(fù)波,此時換能器相近移動,改變兩換能器的跨縫間距至不足2倍裂縫深度時,首波反轉(zhuǎn)向上為正波[3]。該規(guī)律在石碑上同樣呈現(xiàn),而且在勻質(zhì)石材上的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象比在混凝土中更明確。這對佐證以公式計算得到的裂縫深度有良好的輔助作用,而且在實際工程檢測時,對裂縫深度的信息來源比裂縫深度計算公式得到的結(jié)果更早更直觀,有利于在工程檢測中及時調(diào)整換能器的布置位置。

4.3 對測聲速與平測聲速的相關(guān)關(guān)系

檢測裂縫深度時,參照CECS 21：2000規(guī)程,需以平測法檢測不跨縫的聲速。石碑超聲平測的聲程-聲時回歸聲速v平測=5.870 km/s,77對超聲對測平均聲速v對測 =6.098 km/s,則v對測與v平測的比值為1.04,這與在混凝土中的檢測結(jié)果相當(dāng)[4]。

5 結(jié)論

(1)針對混凝土非均質(zhì)材料的超聲檢測技術(shù)完全適用于在石材上的無損試驗。

(2)對于檢測要求高的如均質(zhì)石材內(nèi)部質(zhì)量的判據(jù),采用統(tǒng)計方法檢測石碑的均勻性,判斷石碑的缺陷,應(yīng)比混凝土更嚴(yán)格些。為避免缺陷可能被漏判,建議異常值的判據(jù)可提高至用聲速平均值減一倍標(biāo)準(zhǔn)差X01=mv-Sv的臨界值來評判。

(3)當(dāng)兩換能器的跨縫間距在2倍裂縫深度左右時,首波相位會發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象：大于2倍裂縫深度時首波向下為負(fù)波;2倍裂縫深度以內(nèi)時反轉(zhuǎn)向上為正波。勻質(zhì)石材上的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象比混凝土更明顯。

(4)勻質(zhì)石材上的對測聲速比平測聲速高,其比值約為1.04,與混凝土的檢測結(jié)果相當(dāng)。

[1]CECS 21—2000 超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程[S].

[2]李為杜.混凝土無損檢測技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1989：62-63.

[3]林維正.土木工程質(zhì)量無損檢測技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2008：142-144.

[4]童壽興,王征,商濤平.混凝土強(qiáng)度超聲波平測法檢測技術(shù)[J].無損檢測,2004,26(1)：24-27.