基于X射線工業(yè)CT技術的套筒灌漿密實度檢測試驗

高潤東,李向民,張富文,許清風,王卓琳,劉 輝

(上海市建筑科學研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032)

基于X射線工業(yè)CT技術的套筒灌漿密實度檢測試驗

高潤東,李向民,張富文,許清風,王卓琳,劉 輝

(上海市建筑科學研究院 上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032)

設計了兩種套筒布置形式，一種為套筒外澆素混凝土、另一種為套筒外澆混凝土并在混凝土中布置鋼筋，通過X射線工業(yè)CT對其套筒灌漿密實度進行了檢測試驗。試驗結(jié)果表明：采用X射線工業(yè)CT技術檢測套筒灌漿的密實情況是可行的，可清晰區(qū)分灌漿與未灌漿區(qū)域；X射線工業(yè)CT技術能夠克服鋼筋、混凝土和套筒外壁的影響，對存在縱筋和箍筋遮擋、套筒布置位置變化、雙排套筒布置等復雜情形，均能有效顯示套筒內(nèi)部灌漿密實情況，并能清晰顯示套筒外混凝土和套筒內(nèi)漿體中存在的孔洞，具備強大的無損檢測能力。實現(xiàn)了套筒灌漿密實度的實驗室快速檢測，也為研發(fā)現(xiàn)場適用檢測技術提供了依據(jù)。

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)；灌漿套筒；灌漿密實度；X射線工業(yè)CT

近年來，我國正以前所未有的力度推廣工業(yè)化建筑，其中裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)是推廣的主要結(jié)構(gòu)型式，而該結(jié)構(gòu)型式的核心即是受力鋼筋的連接。目前，我國裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)中受力鋼筋的豎向連接大部分采用套筒灌漿連接。由于鋼筋套筒灌漿連接構(gòu)造復雜，又屬隱蔽工程，套筒內(nèi)部灌漿密實度的檢測技術一直沒有取得突破，成為國內(nèi)外公認的難點。套筒內(nèi)灌漿如不密實將直接導致受力鋼筋無法有效連接，從而使結(jié)構(gòu)整體難以達到等同現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)性能，存在安全隱患。當前，由于缺少可靠的檢測方法，從國家到地方涉及到裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)驗收的技術標準中均沒有套筒灌漿密實度檢測的相關條文[1-3]。隨著裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的不斷推廣應用，破解這一難題已顯得尤為急迫。

經(jīng)過反復調(diào)研比選，認為通過X射線工業(yè)CT檢測鋼筋套筒灌漿連接的內(nèi)部缺陷是一種可行的方法。該方法具有以下優(yōu)點：① 在無損狀態(tài)下得到被測斷層的二維和三維灰度圖像，受被測對象的材料種類、外形、表面狀況的限制小；② 檢測結(jié)果是反映某斷面密度變化的截面圖，可直觀得到目標細節(jié)的空間位置、形狀、大小，易于識別和理解；③ 以圖像的灰度來分辨被測斷面內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成、有無缺陷、缺陷的性質(zhì)和大小等，而且只需沿掃描軸線掃描得到足夠多的斷層二維圖像，就可以得到被測對象的三維圖像；④ 圖像清晰，圖像對比靈敏度高[4-7]。

基于此，筆者率先在實驗室內(nèi)通過X射線工業(yè)CT對套筒灌漿密實度進行檢測研究，提出了X射線工業(yè)CT無損檢測套筒灌漿密實度的方法，為進一步研發(fā)現(xiàn)場適用檢測技術提供依據(jù)。

1 試件設計

試驗共設計了兩類試件：Ⅰ類為套筒+外澆素混凝土；Ⅱ類為套筒+外澆混凝土且混凝土中配置鋼筋。第Ⅰ類試件主要考察混凝土、套筒外壁對X射線工業(yè)CT檢測結(jié)果的影響；第Ⅱ類試件按工程實際設計，進一步考慮套筒外配筋的影響。各類試件的結(jié)構(gòu)信息如表1所示，其中，套筒基本性能滿足JG/T 398-2012《鋼筋連接用灌漿套筒》要求，灌漿料基本性能滿足JG/T 408-2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》要求，混凝土強度等級為C30，鋼筋強度等級為HRB400。GSR12為水平灌漿，其余均為豎向灌漿。第Ⅱ類試件設計如圖1所示,試件的設計參考了行業(yè)標準JGJ1-2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》、國家標準圖集15G365-1《預制混凝土剪力墻外墻板》、15G365-2《預制混凝土剪力墻內(nèi)墻板》等。其中GSR10和GSR12設計構(gòu)造相同，但前者為豎向灌漿、后者為水平灌漿。

表1 試件的結(jié)構(gòu)信息

2 檢測方法

2.1 檢測儀器 檢測儀器采用6MeV加速器工業(yè)CT，其實物如圖2所示，該儀器屬高能X射線工業(yè)CT，有效掃描口徑為1 000 mm，有效掃描高度為2 000 mm，樣品最大允許重量為2 000 kg，射線穿透最大厚度為250 mm(被檢件材料為Fe時)，空間分辨率為1 Lp·mm-1，密度分辨率為0.2%，夾雜物檢測能力為φ0.5 mm，氣孔檢測能力為φ1 mm，裂紋檢測能力為0.05 mm×11 mm(寬度X長度)。該儀器具有高集成度、高效率和高一致性、高穩(wěn)定性和高均勻性、低噪聲、抗干擾性強等技術優(yōu)點，采用線陣探測器和精確的后準直系統(tǒng)，大大降低了散射誤差，重建出的CT圖像清晰。鋼筋套筒灌漿密實度檢測時，檢測參數(shù)設定如表2所示。

表2 檢測參數(shù)設定

圖1 第Ⅱ類試件設計圖

圖2 6MeV加速器工業(yè)CT實物圖

表2中所列檢測參數(shù)，能量、加速器觸發(fā)頻率、積分時間、重建算法、采集投影數(shù)(360°)等參數(shù)的取值為常規(guī)固定值，濾波參數(shù)(截止頻率)、重建大小、像素合并個數(shù)等參數(shù)的取值系經(jīng)過反復調(diào)試后適應鋼筋套筒灌漿連接試件測量需求的取值。

2.2 檢測內(nèi)容

第Ⅰ類試件主要進行豎向和橫向斷層掃描，以及DR透視。

第Ⅱ類試件在混凝土中配置了鋼筋，且套筒布置有變化，需對試件各個方向進行檢測，如圖3所示。為提高檢測效率，每次同時對兩個試件進行檢測。

圖3 第Ⅱ類試件的檢測示意

3 檢測結(jié)果與分析

第Ⅰ類試件的檢測結(jié)果如圖4，5所示，其中各試件豎向斷層掃描圖中實線位置與圖4(b),5(b)橫向斷層掃描圖對應、虛線位置與圖4(c)，5(c)橫向斷層掃描圖對應。圖中套筒內(nèi)灰色空間代表灌漿處、黑色空間代表未灌漿處，套筒外的灰色背景代表混凝土。整體上看，X射線工業(yè)CT對各試件灌漿密實情況的檢測結(jié)果與設計一致，灌漿與未灌漿界面清晰可辨，套筒外混凝土骨料及骨料間漿體也顯示清楚。SC2試件豎向斷層掃描與DR透視結(jié)果一致，圖4(b)所示為下段鋼筋的上端部的檢測結(jié)果，可見其存在漿體且鋼筋出現(xiàn)偏置；圖4(c)所示為上段鋼筋的未灌漿處的結(jié)果，其與豎向斷層掃描結(jié)果吻合。SC3試件豎向斷層掃描與DR透視結(jié)果一致，圖5(b)所示為套筒中間橫肋處的檢測結(jié)果，可見套筒橫肋、鋼筋、漿體顯示清晰；圖5(c)所示為上段鋼筋的灌漿處的檢測結(jié)果，與豎向斷層掃描結(jié)果一致。通過對第Ⅰ類試件的檢測，證明X射線工業(yè)CT能夠克服混凝土、套筒外壁的影響。

圖4 第Ⅰ類試件SC2(密實度60%)的檢測結(jié)果

圖5 第Ⅰ類試件SC3(密實度100%)的檢測結(jié)果

第Ⅱ類試件的檢測結(jié)果如圖6～10所示，圖中各試件豎向斷層掃描中實線位置與橫向斷層掃描下圖對應、虛線位置與橫向斷層掃描上圖對應。同樣，套筒內(nèi)灰色空間代表灌漿處、黑色空間代表未灌漿處，套筒外的灰色背景代表混凝土。

垂直截面短邊(150 mm)方向豎向斷層掃描主要在截面短邊(150 mm)中間位置豎向剖切套筒和套筒兩側(cè)縱筋，箍筋則顯示橫截面。結(jié)合圖1，9,10,GSR10、GSR12試樣設計時沒有配置縱筋，只顯示套筒(雙套筒)和箍筋的橫截面。

圖6 第Ⅱ類試件GSR1(密實度100%)的檢測結(jié)果

圖7 第Ⅱ類試件GSR5(密實度60%)的檢測結(jié)果

圖8 第Ⅱ類試件GSR7(密實度60%)的檢測結(jié)果

圖10 第Ⅱ類試件GSR12(密實度60%)的檢測結(jié)果

平行截面短邊(150 mm)方向豎向斷層掃描時，GSR1、GSR5、GSR7試件直接平行截面短邊(150 mm)方向豎向剖切套筒，GSR10、GSR12直接平行截面短邊(150 mm)方向豎向剖切圖1相應試件的1-1剖面圖中靠上側(cè)的套筒。

平行截面短邊(150 mm)方向橫向斷層掃描時，各試件選擇在下半段和上半段各掃描1次，具體位置如圖610的分圖(a)中橫線所示，可見，所有試件橫向斷層掃描與豎向斷層掃描相應位置的狀態(tài)是吻合的。GSR12由于是水平灌漿且灌漿密實度為60%，漿體在套筒內(nèi)分布不均勻，灌漿和未灌漿界面呈斜面分布。

平行截面短邊(150 mm)方向DR透視時，結(jié)合圖1與圖610，這種觀測方法能夠顯示試件內(nèi)所有元素，包括混凝土、縱筋、箍筋、套筒、灌漿料、套筒內(nèi)鋼筋等，這些元素間會存在不同程度的重疊現(xiàn)象，但對GSR1、GSR5、GSR7試件單套筒情況，這些重疊未對套筒內(nèi)灌漿密實情況形成無法辨識的不利遮擋；對GSR10、GSR12試件雙套筒情況，雖然套筒間的重疊對套筒內(nèi)灌漿密實度顯示有一定干擾，但結(jié)合斷層掃描和其他方向透視，則仍可明確判斷套筒內(nèi)灌漿密實情況。

垂直截面短邊(150 mm)方向DR透視時，結(jié)合圖1與圖610，這種觀測方法也能夠顯示試件內(nèi)所有元素，但這些元素間不存在重疊現(xiàn)象，箍筋是以橫截面的方式顯示的。

對比表1、圖1和圖610，整體上看，X射線工業(yè)CT對各試件灌漿密實情況的檢測結(jié)果與設計一致，且各個方向的豎向斷層掃描、橫向斷層掃描和DR透視可相互印證，能較充分地顯示各種情況下套筒內(nèi)灌漿密實情況。通過檢測，證明了X射線工業(yè)CT能夠克服鋼筋、混凝土、套筒外壁的影響，無論鋼筋是否對套筒有遮擋，還是套筒數(shù)量不同、布置方式變化，均能有效檢測套筒內(nèi)部灌漿密實情況，顯示了強大的無損檢測能力。

另外，從各試件的X射線工業(yè)CT檢測結(jié)果，還可看出：

(1) 各試件中套筒外澆混凝土，混凝土中配置了縱筋和箍筋，其豎向斷層掃描、橫向斷層掃描和DR透視結(jié)果顯示部分縱筋和箍筋出現(xiàn)明顯傾斜或偏置現(xiàn)象，且存在箍筋置于縱筋內(nèi)側(cè)的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象表明鋼筋配置未完全按照設計圖紙施工，鋼筋綁扎也不夠牢固，混凝土澆注振搗時致使鋼筋發(fā)生移位?？梢姡F(xiàn)場施工操作誤差可通過X射線工業(yè)CT檢測發(fā)現(xiàn)。

(2) 豎向斷層掃描結(jié)果表明，GSR1、GSR5、GSR7、GSR10試件中套筒內(nèi)上下段鋼筋的交界處不同程度地存在黑色空間，表明此部位存在灌漿不密實現(xiàn)象，需通過改進灌漿料配方和灌漿工藝來解決此問題。

(3) 除了對套筒內(nèi)部灌漿密實情況有較清晰的觀測外，圖610中各試件的豎向斷層掃描、橫向斷層掃描和DR透視結(jié)果均表明X射線工業(yè)CT對套筒外混凝土和套筒內(nèi)漿體中存在的微小孔洞也能清晰顯示出來，表明X射線工業(yè)CT可準確檢測混凝土內(nèi)部的缺陷。

4 結(jié)論

(1) 對裝配式混凝土建筑中廣泛使用的鋼筋套筒的灌漿密實度的檢測，采用X射線工業(yè)CT檢測方法是可行的，該方法可清晰區(qū)分灌漿與未灌漿區(qū)域，且不同方向的掃描圖像可相互印證。

(2) X射線工業(yè)CT具備強大的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測能力。其能夠克服鋼筋、混凝土、套筒外壁的影響，對存在縱筋和箍筋遮擋、套筒布置位置變化、雙排套筒布置等復雜情形的試件，均能有效顯示套筒內(nèi)部灌漿密實情況，對套筒外混凝土和套筒內(nèi)漿體中存在的孔洞也能清晰顯示。

(3) 由于X射線工業(yè)CT儀器的特殊要求，目前還僅限于在實驗室內(nèi)對灌漿套筒試件進行檢測。建議研發(fā)適用于工程現(xiàn)場的X射線工業(yè)CT檢測儀器，實現(xiàn)施工現(xiàn)場套筒灌漿密實度的有效檢驗。

[1] GB 50204-2015 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[2] DB11/T 1030-2013 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)程[S].

[3] DGJ 08-2117-2012 裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)施工及質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[4] 倪培君, 李旭東, 張維國, 等. 工業(yè)X射線CT的應用[J]. CT理論與應用研究, 1997, 6(3): 36-42.

[5] 王召巴, 金永. 高能X射線工業(yè)CT技術的研究進展[J]. 測試技術學報, 2002, 16(2): 36-42.

[6] 周密. 工業(yè)X-CT用新型X射線探測器性能的模擬研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2004:1-6.

[7] 盧彥斌. X射線CT成像技術與多模態(tài)層析成像技術研究[D]. 北京: 北京大學, 2012:1-7.

Experiment on Detection of Coupler Grouting Compactness Based on Industrial X-CT

GAO Run-dong, LI Xiang-min, ZHANG Fu-wen, XU Qing-feng, WANG Zhuo-lin, LIU Hui

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China)

Two kinds of specimens are designed: coupler with plain concrete and coupler with steel reinforced concrete. Then experimental research on detection of coupler grouting compactness was conducted by industrial X-CT. The results indicated that it was feasible to use industrial X-CT to detect coupler grouting compactness, and both the grouting area and the non-grouting area could be distinguished clearly; industrial X-CT can overcome the influence of concrete, steel bar and the outer wall of coupler, under complex cases such as longitudinal reinforcement and stirrup block, coupler location change, double coupler layout, the internal grouting state of all couplers can be displayed effectively, and further more the tiny pores within both concrete outside coupler and paste inside coupler can also be shown clearly, which indicated that industrial X-CT had the strong ability for nondestructive testing. This study makes rapid detection of coupler grouting compactness in lab become true, and also provides basis for the development of adaptive field testing method..

Monolithic precast concrete structure; Grouting coupler; Grouting compactness; Industrial X-CT

2016-09-20

上海市科委資助項目(15DZ1203506)；上海市住建委資助項目(建管2016-001-001)

高潤東(1979-)，男，博士，高級工程師，主要從事建筑工業(yè)化和耐久性等領域的研究。

李向民，E-mail：13601902634@163.com。

10.11973/wsjc201704002

TG115.28;TU758.14

A

1000-6656(2017)04-0006-06