套筒灌漿飽滿性的超聲檢測(cè)

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(cè)中心，昆山215337；2.同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200092；3.中國(guó)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(qiáng)無收縮的灌漿料實(shí)現(xiàn)鋼筋連接。為了確保鋼筋有效錨固長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)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(chǎng)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(huì)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(cè)尤為重要。

目前，現(xiàn)有的套筒灌漿飽滿度的檢測(cè)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(jìn)行定性檢測(cè)，而實(shí)際為飽滿性檢測(cè)，且需要在所有套筒中預(yù)埋傳感器或鋼絲，檢測(cè)時(shí)才能進(jìn)行隨機(jī)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(zhǎng)，檢測(cè)前易受到現(xiàn)場(chǎng)擾動(dòng)或破壞；X射線法和內(nèi)窺鏡法可以進(jìn)行定量檢測(cè)，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(cè)[4]。內(nèi)窺鏡法雖然很直觀，但是也需預(yù)先成孔[5]，對(duì)于未在灌漿施工時(shí)進(jìn)行預(yù)先成孔的構(gòu)件，后期檢測(cè)要采用鉆孔的方式制作內(nèi)窺鏡檢測(cè)孔道[6-7]，還要求孔道直且不宜過長(zhǎng)。

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(dú)采用上述方法對(duì)每個(gè)選定的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定量檢測(cè)，則會(huì)增大工作量，降低檢測(cè)效率。若能將定性檢測(cè)方法與定量檢測(cè)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(duì)篩查出的不飽滿套筒利用定量檢測(cè)方法進(jìn)行飽滿度的準(zhǔn)確測(cè)定，將大大減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)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(cè)缺陷[8]，設(shè)計(jì)了一種使用超聲波在出漿孔道處檢測(cè)套筒灌漿飽滿性的方法，該方法可以作為定量檢測(cè)方法的前置篩選方法[9]。經(jīng)過試驗(yàn)研究與工程驗(yàn)證，該方法具有檢測(cè)速度快、精度高、結(jié)果直觀、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)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(cè)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(cè)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)鞑ィ?dāng)套筒灌漿飽滿時(shí)，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(huì)很快衰減，不會(huì)產(chǎn)生明顯的回波信號(hào)；當(dāng)套筒灌漿不飽滿時(shí)，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(shí)超聲換能器可以接收到反射回波信號(hào)。因此，可根據(jù)出漿孔道對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)是否有明顯反射回波信號(hào)來判斷灌漿是否飽滿。

圖1 出漿孔道超聲檢測(cè)原理示意

1.2 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)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(cè)面和不平行于檢測(cè)面兩類；按PVC(聚氯乙烯)管埋入方向可分為垂直于檢測(cè)面、不垂直于檢測(cè)面兩類。試件制作時(shí)，預(yù)先制作好PVC管，然后埋入混凝土中。試件的詳細(xì)工況如表1所示。

圖2 試件實(shí)物及尺寸示意

表1 試件詳細(xì)工況

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

2 試驗(yàn)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(jìn)行發(fā)射測(cè)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(hào)趨于平緩，沒有明顯的波包。

圖3 超聲換能器空載時(shí)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(duì)超聲波在桿狀灌漿料中的傳播速度進(jìn)行測(cè)定。標(biāo)定過程采用了填滿灌漿料的PVC管，管長(zhǎng)140 mm。

由于導(dǎo)波模態(tài)復(fù)雜，故對(duì)原始信號(hào)進(jìn)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(diǎn)虛線繪制在圖4中，圖中左側(cè)為原始信號(hào)的縱坐標(biāo)軸，右側(cè)為處理后信號(hào)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(diǎn)為起跳點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為反射波的回波到達(dá)時(shí)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(zhǎng)度；t為回波到達(dá)時(shí)間。

則計(jì)算得到聲速v=4.44 km·s-1。

2.3 檢測(cè)結(jié)果

試件不同測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)1-3得到的波形與空載時(shí)類似，待測(cè)區(qū)無明顯的反射回波，趨于平緩，進(jìn)行濾波取包絡(luò)的數(shù)據(jù)中，也看不到明顯的起跳點(diǎn)。且1-3所示的盲區(qū)相比于空載時(shí)的有所減小。另外，如圖5(a)，5(b)所示，測(cè)點(diǎn)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(hào)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(shí)的突變大，可以較為明顯地分辨回波。兩測(cè)點(diǎn)接收到回波對(duì)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(cè)套筒的灌漿飽滿性是可行的。

接下來對(duì)試件2,3進(jìn)行檢測(cè)，來研究出漿孔道的埋入情況、破損面情況是否會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，測(cè)得的結(jié)果如圖5(d)5(h)所示。由檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，飽滿PVC管的2-1測(cè)點(diǎn)沒有明顯的反射回波，而其他測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了反射回波。由此可以證明，無論P(yáng)VC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(duì)比測(cè)點(diǎn)3-1和3-2后發(fā)現(xiàn)，兩者反射回波對(duì)應(yīng)的時(shí)間基本相同，但測(cè)點(diǎn)3-1接收到的反射波幅值要小于測(cè)點(diǎn)3-2接收到的，這表明當(dāng)破損面不平行于檢測(cè)面時(shí)，反射回來的能量會(huì)更小。

圖5 試件不同測(cè)點(diǎn)的原始波形及處理后波形

2.4 小結(jié)

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

由表2可見，試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況十分接近，最大誤差也沒有超過10%。通過對(duì)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(yuǎn)離檢測(cè)面時(shí)，對(duì)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(shí)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(duì)于破損面位置的判斷還有一定的改進(jìn)空間。

表2 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的試件缺陷位置及其與實(shí)際位置的誤差

3 工程驗(yàn)證

選擇現(xiàn)場(chǎng)某裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)的套筒灌漿飽滿性進(jìn)行檢測(cè)，無明顯回波測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)度為23 mm，遠(yuǎn)端套筒的出漿孔道垂直長(zhǎng)度為123 mm，考慮到出漿孔道與墻面非完全垂直，實(shí)際長(zhǎng)度略有增加。灌漿時(shí)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(cè)面，橡膠塞的塞入深度為1012 mm。灌漿料齡期達(dá)到7 d后，隨機(jī)抽取分布于4個(gè)構(gòu)件上的10個(gè)套筒進(jìn)行檢測(cè)，其中遠(yuǎn)端套筒6個(gè)，分別為1,3,4,6,9,10號(hào)測(cè)點(diǎn)，近端套筒4個(gè)，分別為2,5,7,8號(hào)測(cè)點(diǎn)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)套筒無明顯回波測(cè)點(diǎn)的原始波形

1～3號(hào)、5～7號(hào)和10號(hào)測(cè)點(diǎn)均未見明顯回波，以遠(yuǎn)端套筒1號(hào)測(cè)點(diǎn)及近端套筒2號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，檢測(cè)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(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的反射回波，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，其中8號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)為同一構(gòu)件的相鄰測(cè)點(diǎn)，8號(hào)測(cè)點(diǎn)為近端套筒，其反射回波的首波處于探頭盲區(qū)內(nèi)，4號(hào)和9號(hào)測(cè)點(diǎn)為遠(yuǎn)端套筒，可以根據(jù)首波信號(hào)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(yuǎn)端套筒出漿孔道的長(zhǎng)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(chǎng)套筒有明顯回波測(cè)點(diǎn)的原始波形及處理后波形

為了保證檢測(cè)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(duì)1,2,4,8,9號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)，其中1,4號(hào)的內(nèi)部灌漿情況如圖8所示。由圖8可以看出,1號(hào)套筒灌漿飽滿，4號(hào)套筒灌漿不飽滿，與出漿口超聲檢測(cè)得到的結(jié)果一致。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)套筒內(nèi)窺鏡檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

(1) 在套筒灌漿不飽滿時(shí)，沿出漿孔道處嘗試采用超聲波單探頭(自發(fā)自收)進(jìn)行檢測(cè)，因其傳播路徑中的介質(zhì)被精簡(jiǎn)為單一的灌漿料，所以可以根據(jù)回波信號(hào)的強(qiáng)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(chǎng)工程驗(yàn)證，表明其可通過識(shí)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(shí),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)。