顧 盛，李 峰，趙仲杰，孫 彬，潘永東

(1.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，昆山215337；2.同濟大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092；3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013；4.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京211189)

套筒灌漿連接是目前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)采用的主要連接方式之一，其通過內(nèi)部有剪力槽的鋼質(zhì)套筒和灌入高強無收縮的灌漿料實現(xiàn)鋼筋連接。為了確保鋼筋有效錨固長度滿足設(shè)計要求，套筒內(nèi)部灌漿料要填充飽滿。受構(gòu)件加工精度、現(xiàn)場施工水平等因素的影響，套筒內(nèi)部可能出現(xiàn)漏漿、少灌的情況[1]。若套筒內(nèi)部灌漿不飽滿，則會帶來結(jié)構(gòu)安全隱患，因此鋼筋套筒內(nèi)部灌漿飽滿度的檢測尤為重要。

目前，現(xiàn)有的套筒灌漿飽滿度的檢測方法有預(yù)埋法、X射線法和內(nèi)窺鏡法。預(yù)埋法包括預(yù)埋傳感器法[2]和預(yù)埋鋼絲拉拔法[3]，這兩種方法都只能進行定性檢測，而實際為飽滿性檢測，且需要在所有套筒中預(yù)埋傳感器或鋼絲，檢測時才能進行隨機抽樣。傳感器為一次性消耗品，無法回收，且成本較高，而預(yù)埋鋼絲拉拔法則因鋼絲拉拔段在預(yù)制構(gòu)件表面之外留置過長，檢測前易受到現(xiàn)場擾動或破壞；X射線法和內(nèi)窺鏡法可以進行定量檢測，但是X射線有輻射，且一般只適用于截面厚度小于250 mm的混凝土構(gòu)件的檢測[4]。內(nèi)窺鏡法雖然很直觀，但是也需預(yù)先成孔[5]，對于未在灌漿施工時進行預(yù)先成孔的構(gòu)件，后期檢測要采用鉆孔的方式制作內(nèi)窺鏡檢測孔道[6-7]，還要求孔道直且不宜過長。

綜上，X射線法和內(nèi)窺鏡法在便捷性、適用條件上均存在各自的局限性，若單獨采用上述方法對每個選定的測點進行定量檢測，則會增大工作量，降低檢測效率。若能將定性檢測方法與定量檢測方法配合使用，先快速、準(zhǔn)確地判斷套筒灌漿是否飽滿，再對篩查出的不飽滿套筒利用定量檢測方法進行飽滿度的準(zhǔn)確測定，將大大減少勞動強度，提高檢測效率。

基于超聲波的傳播原理和反射特性，結(jié)合灌漿不飽滿的出漿口特征，筆者利用超聲波在不飽滿套筒出漿口處的異常反射回波來檢測缺陷[8]，設(shè)計了一種使用超聲波在出漿孔道處檢測套筒灌漿飽滿性的方法，該方法可以作為定量檢測方法的前置篩選方法[9]。經(jīng)過試驗研究與工程驗證，該方法具有檢測速度快、精度高、結(jié)果直觀、成本低等優(yōu)點。

1 試驗原理及試驗方案

1.1 試驗原理

試驗過程中使用的儀器為課題組開發(fā)的NTC-R9型套筒出漿口超聲檢測儀。該儀器兼具發(fā)射和接收超聲波、數(shù)據(jù)上傳的功能，配備了激發(fā)主頻不小于500 kHz，直徑不大于12 mm的寬帶高頻小直徑換能器，且換能器的3 dB帶寬不宜小于100 kHz[10]。

出漿孔道超聲檢測原理如圖1所示。超聲波激發(fā)后，沿著直管型出漿孔道向預(yù)制構(gòu)件背面?zhèn)鞑?，?dāng)套筒灌漿飽滿時，超聲波在預(yù)制構(gòu)件背面發(fā)生反射，超聲波在套筒背面的體狀混凝土內(nèi)會很快衰減，不會產(chǎn)生明顯的回波信號；當(dāng)套筒灌漿不飽滿時，超聲波將在出漿孔道內(nèi)靠近套筒一側(cè)的灌漿料缺損端部發(fā)生反射，超聲波是以導(dǎo)波的形式在出漿道孔內(nèi)的桿狀灌漿料中傳播的，衰減不多，此時超聲換能器可以接收到反射回波信號。因此，可根據(jù)出漿孔道對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)是否有明顯反射回波信號來判斷灌漿是否飽滿。

圖1 出漿孔道超聲檢測原理示意

1.2 試驗方案

設(shè)計制作了如圖2所示的3組試件，模擬了各種可能出現(xiàn)的工況。按灌漿孔道飽滿情況可分為飽滿和不飽滿兩類；按破損面情況可分為平行于檢測面和不平行于檢測面兩類；按PVC(聚氯乙烯)管埋入方向可分為垂直于檢測面、不垂直于檢測面兩類。試件制作時，預(yù)先制作好PVC管，然后埋入混凝土中。試件的詳細工況如表1所示。

圖2 試件實物及尺寸示意

表1 試件詳細工況

在試件的制作過程中，應(yīng)保持檢測面的平滑，以求與超聲換能器更好地耦合，若檢測面不夠平滑，需用帶磨頭的手電鉆進行打磨。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 換能器空載波形分析

首先讓探頭空載以進行發(fā)射測試，截取波形，得到的結(jié)果如圖3所示。圖3中黑色虛線框內(nèi)的部分為自發(fā)自收換能器的盲區(qū)，與探頭的特性有關(guān)。盲區(qū)外，探頭接收到的信號趨于平緩，沒有明顯的波包。

圖3 超聲換能器空載時得到的波形

2.2 聲速標(biāo)定

為了準(zhǔn)確判斷破損面的位置，需要對超聲波在桿狀灌漿料中的傳播速度進行測定。標(biāo)定過程采用了填滿灌漿料的PVC管，管長140 mm。

由于導(dǎo)波模態(tài)復(fù)雜，故對原始信號進行帶通濾波并取包絡(luò)，得到變換后的數(shù)據(jù)。處理后的數(shù)據(jù)以點虛線繪制在圖4中，圖中左側(cè)為原始信號的縱坐標(biāo)軸，右側(cè)為處理后信號的縱坐標(biāo)軸。

圖4 聲速標(biāo)定原始波形及處理后波形

在變換后的包絡(luò)曲線中，取幅值最大的反射回波幅值的15%水平線為首波起跳判別線，繪制在圖4中，并以判別線與包絡(luò)曲線的交點為起跳點，該點對應(yīng)的時間即為反射波的回波到達時間，按照此方法得t=0.063 ms，則聲速v為

v=2L/t

(1)

式中：L為PVC管的長度；t為回波到達時間。

則計算得到聲速v=4.44 km·s-1。

2.3 檢測結(jié)果

試件不同測點的原始波形及處理后波形如圖5所示，其中，首波起跳判別線由黑色橫虛線標(biāo)出，反射回波位置由黑色豎線標(biāo)出。

由圖5(c)可以看出，內(nèi)部飽滿的測點1-3得到的波形與空載時類似，待測區(qū)無明顯的反射回波，趨于平緩，進行濾波取包絡(luò)的數(shù)據(jù)中，也看不到明顯的起跳點。且1-3所示的盲區(qū)相比于空載時的有所減小。另外，如圖5(a)，5(b)所示，測點1-1以及1-2都接收到了明顯的回波，其中，1-2接收到的首波信號的起始部分位于探頭盲區(qū)與非盲區(qū)的交界處，但是由于波形較空載時的突變大，可以較為明顯地分辨回波。兩測點接收到回波對應(yīng)的破損面位置分別在10.3 cm和5.1 cm附近，符合試件制作的情況。由此可見，使用超聲波檢測套筒的灌漿飽滿性是可行的。

接下來對試件2,3進行檢測，來研究出漿孔道的埋入情況、破損面情況是否會影響檢測結(jié)果，測得的結(jié)果如圖5(d)5(h)所示。由檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，飽滿PVC管的2-1測點沒有明顯的反射回波，而其他測點均出現(xiàn)了反射回波。由此可以證明，無論PVC管埋入情況如何，都可以通過是否發(fā)現(xiàn)反射回波來分辨套筒灌漿是否飽滿。其中對比測點3-1和3-2后發(fā)現(xiàn)，兩者反射回波對應(yīng)的時間基本相同，但測點3-1接收到的反射波幅值要小于測點3-2接收到的，這表明當(dāng)破損面不平行于檢測面時，反射回來的能量會更小。

圖5 試件不同測點的原始波形及處理后波形

2.4 小結(jié)

整理所有在試驗中判斷為不飽滿的測點數(shù)據(jù)，以聲速4.44 km·s-1為標(biāo)準(zhǔn)計算破損面的位置，計算檢測發(fā)現(xiàn)的試件缺陷的位置及其與實際缺陷位置的誤差(見表2)。

由表2可見，試驗結(jié)果和實際情況十分接近，最大誤差也沒有超過10%。通過對誤差的分析可以確定，當(dāng)破損面平整,回波位于盲區(qū)外,又不過于遠離檢測面時，對破損面位置的判斷較為精確，反之則誤差越大。不過，由于導(dǎo)波的模態(tài)過于復(fù)雜，現(xiàn)在判斷反射回波位置時采用的是濾波后，通過輔助線來判斷起跳位置的方法，因此該方法對于破損面位置的判斷還有一定的改進空間。

表2 檢測發(fā)現(xiàn)的試件缺陷位置及其與實際位置的誤差

3 工程驗證

選擇現(xiàn)場某裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)的套筒灌漿飽滿性進行檢測，無明顯回波測點的原始波形如圖6所示。所選樓層的剪力墻厚度為200 mm，剪力墻內(nèi)采用某品牌GTZQ4 18型全灌漿套筒，套筒呈梅花形布置，出漿孔道為直管，近端套筒的出漿孔道垂直長度為23 mm，遠端套筒的出漿孔道垂直長度為123 mm，考慮到出漿孔道與墻面非完全垂直，實際長度略有增加。灌漿時采用帶平整內(nèi)端面的橡膠塞封堵，以在出漿口形成平整的灌漿料檢測面，橡膠塞的塞入深度為1012 mm。灌漿料齡期達到7 d后，隨機抽取分布于4個構(gòu)件上的10個套筒進行檢測，其中遠端套筒6個，分別為1,3,4,6,9,10號測點，近端套筒4個，分別為2,5,7,8號測點。

圖6 現(xiàn)場套筒無明顯回波測點的原始波形

1～3號、5～7號和10號測點均未見明顯回波，以遠端套筒1號測點及近端套筒2號測點為例，檢測結(jié)果如圖6所示，可以判斷出套筒內(nèi)灌漿是飽滿的。

4,8,9號測點出現(xiàn)了明顯的反射回波，檢測結(jié)果如圖7所示，其中8號和9號測點為同一構(gòu)件的相鄰測點，8號測點為近端套筒，其反射回波的首波處于探頭盲區(qū)內(nèi)，4號和9號測點為遠端套筒，可以根據(jù)首波信號確定不飽滿處灌漿料破損面的位置。灌漿料破損面的位置與遠端套筒出漿孔道的長度、橡膠塞的塞入深度及漿體部分回流的特征相吻合。

圖7 現(xiàn)場套筒有明顯回波測點的原始波形及處理后波形

為了保證檢測結(jié)果的可靠性，采用了鉆孔結(jié)合內(nèi)窺鏡的方法[6-7]對1,2,4,8,9號進行了檢測，其中1,4號的內(nèi)部灌漿情況如圖8所示。由圖8可以看出,1號套筒灌漿飽滿，4號套筒灌漿不飽滿，與出漿口超聲檢測得到的結(jié)果一致。

圖8 現(xiàn)場套筒內(nèi)窺鏡檢測結(jié)果

4 結(jié)語

(1) 在套筒灌漿不飽滿時，沿出漿孔道處嘗試采用超聲波單探頭(自發(fā)自收)進行檢測，因其傳播路徑中的介質(zhì)被精簡為單一的灌漿料，所以可以根據(jù)回波信號的強弱及出現(xiàn)位置來判斷灌漿飽滿性，而不受預(yù)制構(gòu)件內(nèi)其他介質(zhì)的干擾。

(2) 提出的出漿口超聲法經(jīng)過了現(xiàn)場工程驗證，表明其可通過識別是否有反射回波判斷套筒灌漿是否飽滿，當(dāng)反射回波的首波處于盲區(qū)外時,還能確定出漿孔道內(nèi)灌漿料破損面的位置，位置誤差在工程允許范圍內(nèi)。