裝配式建筑鋼筋套筒灌漿質(zhì)量控制與檢測技術(shù)研究

陶佳能，曹崇彪，董芝穎，唐源野

（1重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072；2重慶建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心有限公司，重慶 401336）

0 引言

隨著我國建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)業(yè)質(zhì)量的發(fā)展，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、機(jī)械智能化以及管理信息化已成為新興的建筑模式，特別是在我國“碳達(dá)峰、碳中和”的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，裝配式建筑以其高效率、低能耗、工業(yè)化和集約化、符合綠色節(jié)能施工理念等優(yōu)勢，在我國得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。裝配式混凝土建筑通過中間連接件將批量預(yù)制的各個受力構(gòu)件連接起來，其中灌漿套筒是最重要的連接方式之一[3]。灌漿套筒連接的實(shí)現(xiàn)方式是受力構(gòu)件的鋼筋插入另一受力構(gòu)件的預(yù)埋套筒內(nèi)，向鋼筋周圍和套筒內(nèi)灌注微膨脹混凝土，待混凝土硬化達(dá)到強(qiáng)度后，與鋼筋、套筒共同受力，達(dá)到“等同現(xiàn)澆”的效果[4]。但是，受到施工環(huán)境、施工人員素質(zhì)、材料品質(zhì)等各方面因素的影響，套筒內(nèi)往往灌漿不飽滿、不密實(shí)，進(jìn)而造成缺陷，使得裝配式建筑整體結(jié)構(gòu)受力不利，甚至影響結(jié)構(gòu)的安全性[5-7]。因此，控制鋼筋套筒灌漿施工質(zhì)量以及采取科學(xué)合理的灌漿缺陷檢測手段，是保障裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)安全的重要措施[8]。

為解決裝配式混凝土建筑預(yù)制構(gòu)件的鋼筋套筒灌漿施工質(zhì)量控制問題以及相應(yīng)的缺陷檢測問題，本文以重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院遷建工程（三期）建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目為例，針對預(yù)制構(gòu)件鋼筋套筒灌漿的施工技術(shù)進(jìn)行分析，并提出采用沖擊回波法檢測灌漿質(zhì)量缺陷。研究成果可為預(yù)制裝配式建筑的施工提供更全面的判斷和決策依據(jù)，也可為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的安裝、缺陷整治提供技術(shù)參考。

1 工程概況

重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院遷建工程（三期）建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實(shí)訓(xùn)基地位于重慶南岸區(qū)梨花大道857號重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院內(nèi)，如圖1所示，總規(guī)劃用地面積8915.83m2，新建建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實(shí)訓(xùn)基地建筑10660.37m2，建筑占地面積3419.03m2，建筑層數(shù)為地上5層，地下2層，地上建筑高度為22.9m，結(jié)構(gòu)形式為裝配整體式框架結(jié)構(gòu)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目為重慶市裝配式建筑綜合示范項(xiàng)目，預(yù)制率為40.2%，裝配率高達(dá)71.32%。

圖1 擬建項(xiàng)目效果圖

2 鋼筋套筒灌漿連接施工技術(shù)

鋼筋套筒灌漿施工材料采用單組分水泥基灌漿料，灌漿料的物理、力學(xué)性能如表1所示。

表1 與灌漿套筒匹配的灌漿料性能要求

具體的鋼筋套筒灌漿施工流程為塞縫（坐漿）→封堵下排灌漿孔→拌制灌漿料→漿料檢測→壓力注漿→封堵上排灌漿孔→補(bǔ)漿→試塊留置。

（1）塞縫（座漿）：預(yù)制構(gòu)件吊裝前，預(yù)制柱外側(cè)及墻寬度范圍屬掩蔽位置，預(yù)制件吊裝后，如該位置無法進(jìn)行后續(xù)封堵，在外側(cè)應(yīng)于吊裝前在相應(yīng)位置粘貼30mm（厚）×30mm（寬）的橡膠條；預(yù)制件吊裝和校正完成后，使用座漿料將預(yù)制柱外露面（非掩蔽可后續(xù)操作面）與樓面間的縫隙填嵌密實(shí)，如圖2所示。

圖2 座漿料封堵

（2）封堵下排灌漿孔：初插灌漿嘴的灌漿孔除外，待其他灌漿孔內(nèi)的灌漿料成柱狀漿體流出時，灌漿孔使用橡皮塞封堵密實(shí)。

（3）拌制灌漿料：灌漿應(yīng)使用灌漿專用設(shè)備，并嚴(yán)格按廠家當(dāng)期提供配比調(diào)配灌漿料，將配比好的鋼筋套筒灌漿料攪拌均勻后倒入灌漿專用設(shè)備中，保證灌漿料的流動度。灌漿料拌合物應(yīng)在制備后0.5h內(nèi)用完。

（4）漿料檢測：使用截錐圓模檢查拌合后的漿液流動度，保證流動度不小于300mm。

（5）壓力注漿：將拌合好的漿液導(dǎo)入注漿泵，啟動灌漿泵，待灌漿泵嘴流出漿液成線狀時，將灌漿嘴插入預(yù)制剪力墻預(yù)留的小孔洞里（下方小孔洞），按中間向兩邊擴(kuò)散的原則開始注漿，根據(jù)圖紙要求，灌漿分區(qū)的長度≤1.5m。灌漿施工時的環(huán)境溫度應(yīng)在5℃以上，必要時應(yīng)對連接處采取保溫加熱措施，保證漿料在48h凝結(jié)硬化過程中連接部位溫度不低于10℃，灌漿后24h內(nèi)不得使構(gòu)件和灌漿層受到震動、碰撞。壓力灌漿過程如圖3所示。

圖3 壓力灌漿過程

（6）封堵上排出漿孔：間隔一段時間后，上排出漿孔會逐個漏出漿液，待漿液成線狀流出時，立即塞入專用膠塞堵住孔口，持壓30s后抽出下方小孔洞里的注漿管，同時快速用專用膠塞堵住下孔。其他預(yù)留空孔洞依次同樣注滿，不得漏注，每個空孔洞必須一次注完，不得進(jìn)行間歇多次注漿；出現(xiàn)個別上排漿孔未出漿時，應(yīng)使用鋼絲通透該出漿孔，直至漿液成線狀流出。若仍無漿液流出則使用該出漿孔對應(yīng)的下排注漿口進(jìn)行注漿，直至該空位漿液流出。

（7）補(bǔ)漿：當(dāng)灌漿施工出現(xiàn)無法出漿的情況時，應(yīng)先行查明漏漿原因，并將漏漿部位進(jìn)行有效封堵。采取的施工措施應(yīng)符合規(guī)定，即對于未密實(shí)飽滿的豎向連接灌漿套筒，在灌漿料加水拌合30min內(nèi)，應(yīng)首選在注漿口補(bǔ)漿；當(dāng)灌漿料拌合物已無法流動時，可從出漿口補(bǔ)灌，并應(yīng)采用手動設(shè)備結(jié)合細(xì)管壓力灌漿；水平鋼筋連接灌漿施工停止后30s，當(dāng)發(fā)現(xiàn)灌漿料漿體液面下降，應(yīng)檢查灌漿套筒的密封或灌漿料拌合物的排氣情況，并及時補(bǔ)灌。

（8）試塊留置：與灌漿套筒匹配的灌漿料依照每個施工段的所取試塊組進(jìn)行抗壓檢測。項(xiàng)目總計(jì)4層灌漿分項(xiàng)，每層定義為一個施工段，每個施工段取樣送檢一次；每個施工段留置4組試塊送檢（三組標(biāo)養(yǎng)、一組同條件養(yǎng)護(hù)），每組三個試塊，試塊規(guī)格為40×40×60mm；在15d內(nèi)生產(chǎn)的同配方、同批號原材料的產(chǎn)品應(yīng)以50t作為一生產(chǎn)批號對灌漿料取樣，不足50t也應(yīng)作為一生產(chǎn)批號。取樣應(yīng)具有代表性，可從多個部位取等量樣品，樣品總量不應(yīng)少于30kg。

3 沖擊回波法灌漿缺陷檢測技術(shù)

3.1 沖擊回波法灌漿缺陷檢測的基本原理

如圖4所示，沖擊回波法檢測灌漿質(zhì)量的基本原理是通過鐵錘對鋼筋傳力棒施加沖擊力（脈沖信號），傳力棒傳遞沖擊力激勵鋼筋套筒振動，振動機(jī)械波從鋼筋套筒向周圍混凝土傳播，當(dāng)遇到不同介質(zhì)界面時（如鋼筋套筒灌漿存在空洞，鋼筋固體介質(zhì)與空氣介質(zhì)存在界面），發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，借助信號放大器和信號采集儀器采集反射波信號，分析反射波的波形、振幅、頻率等波動特征，建立反射波信號的波動特征與灌漿質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而判斷鋼筋套筒灌漿是否飽滿、密實(shí)。

圖4 沖擊回波灌漿缺陷檢測基本原理圖

灌漿質(zhì)量直接影響著鋼筋套筒的水平剛度，兩者之間具有良好的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)鋼筋套筒內(nèi)的灌漿液飽滿且密實(shí)時，漿液凝固達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，可認(rèn)為鋼筋套筒與周圍混凝土達(dá)到了“等同現(xiàn)澆”的效果，鋼筋套筒處于固結(jié)約束狀態(tài)，可認(rèn)為其材質(zhì)均勻、水平剛度為無窮大，當(dāng)采用沖擊回波檢測時，其反射波形表現(xiàn)為振幅小、頻率低且波形迅速衰減。相反，當(dāng)鋼筋套筒周圍無灌漿時，可認(rèn)為鋼筋套筒水平方向無約束，水平剛度為零，當(dāng)采用沖擊回波檢測時，其反射波形表現(xiàn)為振幅大、頻率高且波形反復(fù)震蕩。當(dāng)鋼筋套筒有灌漿但存在灌漿不飽滿、不密實(shí)的情況時，采集的反射波信號特征介于上述兩種情況之間。

3.2 不同灌漿飽滿度的波形特征

為更好地判別鋼筋套筒灌漿的密實(shí)程度，有必要建立反射波形與灌漿不同密實(shí)程度的相關(guān)關(guān)系，識別機(jī)械波遇到不同密實(shí)程度灌漿的響應(yīng)特征。因此，在室內(nèi)建立了不同灌漿飽滿的物理模型，灌漿飽滿度分別設(shè)置為0、1/3、2/3和1，如圖5所示。

圖5 不同灌漿飽滿度的鋼筋套筒模型

圖6為不同灌漿飽滿度情況下的反射波波形特征。從圖中可以看出，隨著灌漿飽滿度的增加，反射波的波形出現(xiàn)明顯的變化，首波的振幅逐漸增大，反射波的頻率逐漸降低，波形衰減速度則逐漸增加。采用首波振幅幅值與首波峰值的一半對應(yīng)的時間寬度之比值RPt作為信號特征指標(biāo)，RPt計(jì)算公式如式（1）所示：

圖6 不同灌漿飽滿度的特征波形

式中：Pmax為反射波波形首波振幅最大值，mV；t0.5為首波峰值的一半對應(yīng)的時間寬度，ms。

從圖中可以看出，隨著灌漿飽滿度的增加，RPt也不斷增加。無灌漿條件下（灌漿飽滿度為0），RPt=22.3 V/s；而在1/3灌漿時，RPt=22.3V/s；在2/3灌漿時，RPt=115V/s；在滿灌漿時，RPt=211V/s。

對波形幅值（電壓值）△U與時間t進(jìn)行擬合，波形振幅在振幅兩個方向上均呈指數(shù)衰減的趨勢，得到正負(fù)兩個方向的擬合曲線如式（2）—式（9）所示：

3.3 沖擊回波法的檢測效果

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后，采用沖擊回波法對灌漿套筒的施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，如圖7所示。對項(xiàng)目設(shè)置套筒灌漿的構(gòu)件31個布置319個測點(diǎn)，獲得灌漿飽滿與不飽滿的特征波形，與3.2小節(jié)中的特征波形對比，判別鋼筋套筒的灌漿飽滿程度。測試結(jié)果表明，測點(diǎn)飽滿數(shù)量304個，飽滿率達(dá)到96%。對存在缺陷的鋼筋套筒進(jìn)行破壞驗(yàn)證，如圖8所示，結(jié)果表明，采用沖擊回波法能夠準(zhǔn)確地判別鋼筋套筒的灌漿質(zhì)量，有利于對裝配式建筑存在的缺陷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整治，保障裝配式建筑的整體安全性能。

圖7 沖擊回波法對灌漿套筒缺陷現(xiàn)場檢測

圖8 存在缺陷套筒的破壞驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文以重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院遷建工程（三期）建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目為例，針對預(yù)制構(gòu)件鋼筋套筒灌漿的施工技術(shù)進(jìn)行分析，提出采用沖擊回波法檢測灌漿質(zhì)量缺陷，得到以下結(jié)論：

（1）在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋套筒灌漿是連接各個預(yù)制受力構(gòu)件的最重要方式之一。在鋼筋套筒灌漿的各個施工環(huán)節(jié)均應(yīng)保持良好的施工質(zhì)量，具體施工控制環(huán)節(jié)包括塞縫（坐漿）、封堵下排灌漿孔、拌制灌漿料、漿料檢測、壓力注漿、封堵上排灌漿孔、補(bǔ)漿以及試塊留置；

（2）為對鋼筋套筒灌漿質(zhì)量進(jìn)行有效檢測，制作不同灌漿飽滿度的室內(nèi)物理模型，采用沖擊回波法對存在缺陷的鋼筋套筒灌漿特征波形進(jìn)行識別，并以RPt值作為信號特征指標(biāo)，結(jié)合波形幅值△U與時間t的擬合曲線，輔助確定了不同灌漿飽滿度的信號響應(yīng)；

（3）按照不同灌漿飽滿度的沖擊波響應(yīng)特征，對項(xiàng)目鋼筋套筒灌漿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果表明，采用沖擊回波法能夠在一定程度上準(zhǔn)確判別鋼筋套筒的灌漿質(zhì)量，有利于裝配式建筑套筒連接缺陷的整治，保障裝配式建筑的整體安全性能。