預制剪力墻套筒灌漿飽滿度X 射線檢測試驗與應用

梁建光，吳建良，宋 琢

（1.廣州市城市建設事務中心，廣東廣州 510010；2.廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東廣州 510520；3.廣州市一建建設集團有限公司，廣東廣州 510060）

引言

裝配式建筑是我國推廣建筑工業化的新型建筑型式，裝配式剪力墻是一種常見裝配式構件。裝配式剪力墻通常采用灌漿套筒連接。X 射線作為套筒灌漿飽滿度檢測中的直觀方法近年來因其成像清晰、識別率高而引發眾多研究人員的興趣。

白浩波[1]研究了軟X 射線顯微鏡和熒光顯微鏡的聯合成像技術，開發了顯微圖像的匹配方法。許國棟[2]等通過室內試驗證明了X 射線技術可更好地控制裝配式混凝土結構施工質量。孫正華等[3]詳細闡述了便攜式X 射線技術檢測設有大、小直徑波紋管的多種工況混凝土試件的測試結果。高梓賢等[4]介紹了X 射線法在鋼筋套筒灌漿飽滿度檢測中的應用現狀。張富文等[5]采用便攜式X 射線技術對各試件的灌漿密實度進行了檢測, 并在試驗基礎上開展了工程現場的預制剪力墻套筒密實度測試。

分析X 射線的檢測原理，對X 射線檢測剪力墻中套筒的適應性進行研究，提出套筒灌漿飽滿度的檢測方法，通過現場實測異形剪力墻驗證方法的可靠性。

1 檢測原理

X 射線原理與方法：

輻射強度與儀器的管電壓、電流、靶物質原子序數相關，見式（1）。

式中：i 為管電流；Z 為靶物質原子序數；α 為系數；V為管電壓。

當X 射線透過物體時，會發生反射、吸收以及透射現象，X 射線的輻射強度隨穿透物體厚度的增加呈現指數方式降低，見式（2）。

式中，I 為穿過材料后的強度；x 為吸收材料的厚度；μ為線性吸收（衰減）系數，單位barns。

表1 和表2 分別為鋼筋混凝土組成元素和材料的X 射線吸收系數。從表1 和表2 可以看出，單個輻射光子的能量越大材料對輻射的吸收越弱，元素質量衰減系數與元素的種類相差不大。因鋼材與混凝土的密度差異較大，鋼筋的X 射線線衰減系數為石灰巖或二氧化硅的3～4 倍，小范圍內空氣對射線輻射的吸收可以忽略不計。因此，在鋼筋混凝土結構內，鋼筋、空洞對X 射線的輻射吸收與混凝土基質材料的差異明顯，這些材料能夠從輻射成像直接判斷出。更改部分參數設置能夠實現不同的成像效果。

表1 鋼筋混凝土組成元素的X 射線吸收系數

表2 鋼筋混凝土組成材料的X 射線吸收系數

對于帶套筒的混凝土剪力墻，已知墻壁厚度、套筒壁厚、鋼筋直徑，在固定射線源與墻壁間距情況下，可以通過式（3）估算出X 射線穿透各個部位（混凝土、鋼筋、套筒）的強度差異，最后算出結構在設備輻射能量下的相對強度大小，就可以建立套筒灌漿飽滿度的識別的判別標準。

式中：xi為各材料的投影厚度；μi為線性吸收（衰減）系數。

2 室內檢測試驗

2.1 剪力墻模型制作

在室內澆筑兩種形式剪力墻，分別為W1 墻，其厚度為200 mm，W2 墻，厚度為300 mm，兩種類型剪力墻各布置10 個套筒。套筒布置及編號見圖1，每個剪力墻按圖4 位置布置10 個套筒，約定有灌漿孔側為剪力墻正面。

圖1 剪力墻X 射線檢測布置圖

為檢驗X 射線成像識別套筒灌漿飽滿度的效果對不同套筒依據距離表面的距離設置為不同的灌漿狀態。套筒狀態分為3 種：灌漿飽滿、灌漿欠飽滿、未灌漿。為實現灌漿未飽滿，首先通過計算與試驗確定灌滿套筒需要的漿液量，在灌漿時灌入飽滿所需灌漿量的50%，灌漿后通過內窺鏡檢驗灌漿的飽滿程度。

表3 套筒注漿情況

2.2 剪力墻模型X 射線檢測

X 射線檢測時射線源位于剪力墻正面，接收端位于剪力墻背面。成像照片見圖2。

圖2 X 射線成像

可以看出，X 射線成像能夠從肉眼識別出鋼筋、套筒、混凝土、注漿預留孔。套筒的內肋也在X 射線成像圖中出現。在半灌滿套筒處X 射線成像的差異較為明顯。套筒灌漿飽滿情況能夠大致判斷，但經驗性較強。

3 X 射線檢測識別套筒飽滿度

套筒X 射線圖像處理基本流程如下：

（1） 圖像處理，包括對比度增強、套筒區域增強。

（2） 圖像中套筒區域截取，避開有橫向鋼筋的區域。

（3） 沿著套筒方向做灰度值平均。

（4） 繪制垂直于套筒方向的灰度曲線圖，必要時做灰度校正。

（5） 判斷套筒灌漿情況，套筒內灰度值大于套筒外混凝土區域灰度值為空，否則為滿。

對套筒X 成像上的截面做亮度分布曲線，分布典型結果見圖3。

圖3 套筒截面的X 射線強度分布

依據材料對X 射線的吸收特性，鋼材吸收強、混凝土吸收弱，空氣吸收基本可以忽略。上圖的X 射線強度分布，套筒壁外的混凝土處輻射能量較高，在套筒壁處強度急劇的減小，在套筒內部輻射強度略低于外側的混凝土區域。套筒壁處，環形的套筒壁的投影厚度遠大于2 倍套筒壁厚，導致套筒壁處的輻射強度明顯下降。

研究推薦灌漿區相對灰度值0.88～0.91 認定為灌漿飽滿，相對灰度值0.56～0.58 評定為套筒空洞。對于不同的套筒型號、混凝土厚度，上述的評價標準難以適應。

空套筒下套筒內部輻射強度與混凝土處輻射強度的差異計算如下。表4 顯示了不同輻射能條件下，完整混凝土、灌漿套筒飽滿、套筒未灌漿情況下，X 射線穿過厚度200 mm 剪力墻后的輻射強度差異，其中剪力墻設置單層套筒，完整混凝土剪力墻不設置套筒，套筒內徑為4.6 cm，壁厚0.6 cm。

表4 X 射線穿過不同條件剪力墻的輻射強度差異

因混凝土內部材料不均勻，為避免骨料隨機分布造成的亮度不均勻，采用區域平均的方法可以提高判別的準確性。

圖4 中右側方框內區域所有水平線就行平均，合成單一的水平亮度值，亮度曲線較為光滑，提高了識別的可靠性。

圖4 區域平均的X 射線成像判別

4 裝配式建筑異形剪力墻現場檢測

某住宅小區為裝配式建筑，現場試驗測試了該裝配式建筑兩道剪力墻，剪力墻編號分別為NQ23-2、NQ23-3，剪力墻基本情況見表5。剪力墻套筒布置見圖5。

表5 剪力墻基本信息

圖5 住宅剪力墻的套筒布置

測試前依據圖紙在墻面上劃線，標注出套筒位置，套筒與墻面距離。每道墻均進行X 射線檢測。

經檢測，NQ23-2、NQ23-3 套筒內區域平均亮度值均小于附近混凝土區域平均亮度值的80%（2MeV 輻射能量），套筒灌漿飽滿。

圖6 現場8、9 號套筒X 射線成像

5 結論

X 射線檢測灌漿套筒飽滿度較多的以經驗判斷為主，對套筒斷面圖形做定性的判斷。基于X 射線輻射材料吸收特性，提出了精細化的灌漿套筒飽滿度識別方法。通過室內試驗、現場驗證，得出了如下結論：

（1） X 射線穿透能力強，能夠穿透200 mm 的剪力墻，300 mm 剪力墻在安全條件下難以穿透。

（2） 材料原子對X 射線具有不同的吸收特性，通過吸收差異能夠實現X 射線成像。通過射線計算建立了套筒脫空的判斷方法。

（3） 異形剪力墻在現場情況下，X 射線成像時存在曝光度不同，輻射能量差異大的現象，通過區域平均能夠提高識別的可靠性。