基于沖擊回波法的預(yù)制剪力墻漿錨灌漿密實(shí)度檢測(cè)

劉運(yùn)林，魏廣碩，劉志豪 陳旭東，汪秀娟

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

基于沖擊回波法的預(yù)制剪力墻漿錨灌漿密實(shí)度檢測(cè)

劉運(yùn)林，魏廣碩，劉志豪 陳旭東，汪秀娟

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

預(yù)制剪力墻漿錨灌漿質(zhì)量直接影響其連接處的受力性能以及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。將混凝土無損檢測(cè)中的沖擊回波法運(yùn)用于預(yù)制剪力墻漿錨灌漿密實(shí)度的檢測(cè)，在孔道正上方等距布置一段測(cè)點(diǎn)，采用擊振與受信的方式獲取信號(hào)來檢測(cè)漿錨孔道灌漿密實(shí)度。用泡沫制作灌漿內(nèi)部缺陷，檢測(cè)雙排孔道內(nèi)部灌漿缺陷的有無以及驗(yàn)證該方法對(duì)于漿錨灌漿檢測(cè)的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，使用沖擊回波法可直觀、快速準(zhǔn)確地檢測(cè)孔道灌漿密實(shí)度并且結(jié)果與實(shí)際情況相符。

漿錨灌漿；無損檢測(cè)；灌漿密實(shí)度；沖擊回波法

約束漿錨連接構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能可靠、施工簡(jiǎn)便、成本低廉，有廣闊的發(fā)展前景。漿錨連接構(gòu)件孔道灌漿質(zhì)量直接影響到連接處的受力性能以及整體穩(wěn)定性，如果灌漿不密實(shí)，水和空氣的進(jìn)入會(huì)使得錨固鋼筋發(fā)生腐蝕，造成錨固質(zhì)量降低，從而影響剪力墻的耐久性、安全性。此外，灌漿質(zhì)量缺陷還會(huì)導(dǎo)致混凝土應(yīng)力集中，進(jìn)而改變墻體的設(shè)計(jì)受力狀態(tài)，從而影響預(yù)制剪力墻的承載力和使用壽命[1]。

沖擊回波法(Impact-echo Method，簡(jiǎn)稱IE法)是目前應(yīng)用最為廣泛，并且被認(rèn)為是最有前途的無損檢測(cè)方法。美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)于1983年研發(fā)該方法，并為其提供了理論基礎(chǔ)，證實(shí)了其可用于檢測(cè)板狀結(jié)構(gòu)物的缺陷。美國(guó)康奈爾大學(xué)Nicholas J.Carino 和Mary Sansalone于1992年首次將IE法應(yīng)用于檢測(cè)預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)缺陷的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了應(yīng)用 IE法檢測(cè)孔道內(nèi)缺陷的可行性，并分別研究了普通鋼筋，不同材質(zhì)孔道對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響等問題[1]。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué) Rinker 教授研究指出，IE法是最有能力評(píng)估孔道壁為鐵質(zhì)的孔道內(nèi)壓漿情況的方法[2]。John Parker Burg于1967年提出最大熵分析法(簡(jiǎn)稱MEM)，該方法最早用于地震波的解析，目前在無損檢測(cè)領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也開展了沖擊回波法的應(yīng)用研究，主要集中在預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量缺陷的研究，并取得了一定的研究成果[1]。

沖擊回波法在檢測(cè)過程中不受金屬物的影響，避免了超聲波測(cè)試中遇到的高強(qiáng)信號(hào)衰減和過多雜波干擾問題，檢測(cè)條件相對(duì)寬松[3]。近年來提出的等效波速檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管道灌漿質(zhì)量缺陷的技術(shù)，即根據(jù)沖擊彈性波在缺陷部位發(fā)生繞射，傳播時(shí)間增長(zhǎng)，等效波速顯著降低，以等效波速來檢測(cè)灌漿質(zhì)量情況。該方法彌補(bǔ)了沖擊彈性波在頻域解析結(jié)果中難以確認(rèn)缺陷處反射信號(hào)，從而無法準(zhǔn)確判斷管道灌漿質(zhì)量缺陷的不足，進(jìn)一步提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性和科學(xué)性[4]。下面，筆者通過試驗(yàn)與理論分析來驗(yàn)證沖擊回波法對(duì)于雙排孔漿錨孔道灌漿密實(shí)度的檢測(cè)的可行性。

1 沖擊回波等效波速法

1.1基本原理

圖1 沖擊回波等效波速法基本原理示意圖

圖2 定位測(cè)試示意圖

沖擊回波等效波速法(簡(jiǎn)稱IEEV)基于沖擊回波法的原理，利用擊振產(chǎn)生的彈性波在傳播、反射過程中的繞射現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了對(duì)缺陷的分辨力[1]?；驹砣缦拢焊鶕?jù)管道位置反射信號(hào)的有無以及彈性波在所測(cè)構(gòu)件對(duì)邊(相對(duì)于測(cè)試邊的另一端)的反射時(shí)間的長(zhǎng)短，判定灌漿缺陷的有無，當(dāng)孔道灌漿存在缺陷時(shí)可根據(jù)彈性波的反射特性來判斷缺陷孔道內(nèi)的灌漿質(zhì)量狀況。當(dāng)擊振的彈性波遇到缺陷時(shí)，激振的彈性波從試件對(duì)邊反射回來所用的時(shí)間比灌漿密實(shí)的地方長(zhǎng)，即用墻厚得到的等效波速慢。當(dāng)孔道灌漿密實(shí)時(shí)，彈性波波速與構(gòu)件密實(shí)處波速相近。對(duì)于不同的灌漿情況，彈性波的傳播路徑會(huì)發(fā)生改變[1]?；驹硎疽鈭D如圖1所示。

1.2測(cè)試方法

采用定位測(cè)試的方法進(jìn)行測(cè)試，在漿錨孔道正上方沿孔道方向布置測(cè)線，測(cè)線上孔道部位布置測(cè)點(diǎn)對(duì)孔道灌漿情況進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，定位測(cè)試示意圖如圖2所示。此外，孔道頂部試件密實(shí)區(qū)域也布置測(cè)點(diǎn)用作對(duì)比。當(dāng)測(cè)點(diǎn)處于空孔道或有灌漿缺陷的孔道上方時(shí)彈性波傳播距離增加，時(shí)間延長(zhǎng)。此時(shí)，采用基于相關(guān)分析為基礎(chǔ)的頻譜分析方法可以敏感地反映該時(shí)間的變化。沿著漿錨灌漿管道走向?qū)艿赖膲簼{情況以掃描的形式進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，采取激振和受信方式通過反射信號(hào)的特性測(cè)試管道內(nèi)部灌漿狀況[5]。同時(shí)，根據(jù)測(cè)試情況與預(yù)先做好的缺陷作對(duì)比，以驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果是否準(zhǔn)確。

1.3試件制作與方案設(shè)計(jì)

試件尺寸長(zhǎng)×寬×高為2000mm×200mm×1000mm，各孔洞間距以及截面尺寸如圖3所示。

圖3 試件橫截面示意圖

各孔道依次成對(duì)命名為A～I(xiàn)，單個(gè)孔道長(zhǎng)度630mm，孔道直徑35mm。試驗(yàn)缺陷設(shè)計(jì)分為3個(gè)等級(jí)，分別定義為：1級(jí)，缺陷體積占灌漿體積的10%；2級(jí)，缺陷體積占灌漿體積的20%；3級(jí)，缺陷體積占灌漿體積的30%。計(jì)算出不同級(jí)別缺陷對(duì)應(yīng)的泡沫體積制作缺陷，灌漿前用扎絲綁扎在鋼筋上，如圖4所示。缺陷長(zhǎng)度將近布滿孔道，孔道正上方測(cè)點(diǎn)完全覆蓋缺陷區(qū)域，圖5和圖6分別為待測(cè)試件與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖。

圖4 缺陷制作 圖5 試件實(shí)圖

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

A孔道正、背面均灌漿密實(shí)有鋼筋，B孔道正、背面均灌漿密實(shí)無鋼筋，C孔道正、背面均有鋼筋不灌漿；D、E、F孔道正面加入泡沫缺陷，等級(jí)依次為1、2、3級(jí)，背面密實(shí)灌漿作為對(duì)照；孔道G、H、I兩面均采用同樣大小的泡沫缺陷，等級(jí)依次為1、2、3級(jí)。泡沫缺陷分級(jí)僅對(duì)聲波延遲量做定性分析，分析對(duì)彈性波延遲量的影響。

1.4影響因素

試件表面的清潔度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有不良影響，測(cè)試前將待測(cè)試的剪力墻表面用砂紙打磨，清除構(gòu)件表面的浮漿和灰塵，保證試件表面平整、光滑，確保測(cè)試精度及效率[6]。將構(gòu)件清潔完畢后，為保證激振信號(hào)及響應(yīng)信號(hào)的穩(wěn)定性，用水將測(cè)試面進(jìn)行濕潤(rùn)處理。此外，定位測(cè)試前按試驗(yàn)方案對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位。為保證測(cè)試結(jié)果精確，測(cè)點(diǎn)間距不宜間隔過大，且測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量避開試件邊緣，距邊緣不應(yīng)小于試件邊緣的0.3倍。沖擊點(diǎn)位置與傳感器的間距宜小于所測(cè)構(gòu)件設(shè)計(jì)厚度的0.4倍，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)間距取40mm，孔道上方共15個(gè)測(cè)點(diǎn)，孔道頂部5個(gè)測(cè)點(diǎn)以作對(duì)比。

2 定位檢測(cè)結(jié)果

2.1檢測(cè)波形的頻譜解析方法與原理

試驗(yàn)采用MEM分析法進(jìn)行解析。該方法與FFT(頻譜解析方法)相比具有頻譜分辨力高、適用于短數(shù)列等特點(diǎn)，通過MEM可以相對(duì)精確的確定彈性波的卓越周期，直接得出應(yīng)力波反射一次的傳播時(shí)間，通過應(yīng)力波在試件中傳播時(shí)間的改變來判斷灌漿是否存在缺陷。

查閱相關(guān)規(guī)范資料得出應(yīng)力波在混凝土中的波速，并以此進(jìn)行預(yù)估計(jì)算出頻譜圖中反射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間的大致范圍，運(yùn)用MEM解析得出相應(yīng)的卓越周期。當(dāng)傳感器接收到?jīng)_擊彈性波的反射波時(shí)，由于彈性波在頂面與反射界面間來回反射產(chǎn)生瞬時(shí)共振導(dǎo)致振幅加強(qiáng)，在該時(shí)刻振幅就會(huì)出現(xiàn)最高峰，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的頻率為卓越頻率，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為卓越周期[7]。卓越周期的大小即為應(yīng)力波到達(dá)試件對(duì)邊反射一次傳播的時(shí)間，用Δt表示。Δt與FFT解析出的卓越頻率在數(shù)值上為倒數(shù)關(guān)系，結(jié)果分析時(shí)將一組測(cè)試結(jié)果放在一起用彩色等值線圖進(jìn)行表示。圖7為試件密實(shí)區(qū)域的一組測(cè)試數(shù)據(jù)的2種解析結(jié)果對(duì)比，圖7(a)為FFT解析結(jié)果，圖7(b)為MEM解析結(jié)果。由圖7可知，MEM解析結(jié)果更為清晰直觀，試驗(yàn)所用儀器為四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司研發(fā)的SPC-MATS預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測(cè)儀。

圖7 FFT與MEM解析結(jié)果對(duì)比

2.2檢測(cè)波形的解析結(jié)果

為更直觀的表示解析結(jié)果，將MEM解析的頻譜數(shù)據(jù)使用彩色等值線圖進(jìn)行表示，得到的等值線圖如表1所示，表1中藍(lán)線位置為墻端位置，紅色的能量集中區(qū)域?qū)?yīng)的位置為傳感器接收波的反射時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位置，可以看出不同區(qū)域測(cè)點(diǎn)處的反射時(shí)刻明顯不同。為表示更為直觀一些，橫坐標(biāo)軸采用長(zhǎng)度單位表示。測(cè)試前采用對(duì)端測(cè)試的方法測(cè)試彈性波在墻體密實(shí)部位的傳播波速。其中測(cè)點(diǎn)0～14位于孔道正上方，測(cè)點(diǎn)15～19位于孔道頂部試件密實(shí)部分。由表1可知，對(duì)于試件密實(shí)處與缺陷處測(cè)得結(jié)果差別較大，缺陷延遲效果較為明顯。

2.3結(jié)果分析

解析波速取4.2km/s，該值通過在試件密實(shí)處多次測(cè)試解析取平均值得到，對(duì)于試件密實(shí)以及灌漿密實(shí)的地方，當(dāng)紅色能量集中區(qū)域位于藍(lán)線位置時(shí)，說明擊振的彈性波沒有發(fā)生延遲。延遲表示彈性波傳播路徑發(fā)生變化，理論上孔道灌漿密實(shí)且灌漿料強(qiáng)度足夠，彈性波傳播路徑應(yīng)該是直線，經(jīng)過孔道的彈性波在墻端的反射位置與標(biāo)定的試件混凝土位置的反射位置基本是一致的，出現(xiàn)延遲說明彈性波傳播并沒有走直線，可認(rèn)為是彈性波經(jīng)過缺陷時(shí)或遇到空孔道時(shí)發(fā)生了繞射，相對(duì)于密實(shí)的區(qū)域在時(shí)間上產(chǎn)生了延遲[1]。

為便于表述，將墻體兩側(cè)分別命名為測(cè)試面1與測(cè)試面2。A孔道兩側(cè)均為灌漿密實(shí)無鋼筋，測(cè)試面1中孔道部位測(cè)點(diǎn)6-11出現(xiàn)輕微延遲，應(yīng)為灌漿質(zhì)量較差引起，測(cè)試面2與實(shí)際符合較好。試件灌漿時(shí)，灌漿質(zhì)量要求未嚴(yán)格達(dá)到試驗(yàn)方案要求是出現(xiàn)偏差一個(gè)原因；其次，水泥基材料和混凝土材料之間存在差別也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，總體來看孔道A兩側(cè)與預(yù)期結(jié)果相符。孔道C兩側(cè)均未灌漿，孔道部位的測(cè)點(diǎn)相對(duì)于混凝土部位均出現(xiàn)較大的延遲，這與實(shí)際情況符合?？椎繣兩側(cè)均設(shè)置20%缺陷，缺陷長(zhǎng)度47cm左右，位于測(cè)點(diǎn)2～14之間。通過表1的解析結(jié)果可以得出，設(shè)置泡沫缺陷的地方出現(xiàn)延遲，并且延遲量小于未灌漿的延遲量。對(duì)于無缺陷混凝土區(qū)域的區(qū)域，紅色的能量集中區(qū)域大致成一條線，效果較為顯著。同理，孔道I兩側(cè)均設(shè)置30%缺陷，缺陷位于測(cè)點(diǎn)2～14之間，同樣出現(xiàn)延遲量小于未灌漿孔道延遲量。對(duì)于試件的密實(shí)區(qū)域的檢測(cè)結(jié)果表明檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況符合很好，該方法對(duì)于檢測(cè)灌漿密實(shí)度是可行的，沖擊回波等效波速法對(duì)于漿錨灌漿質(zhì)量的檢測(cè)是與實(shí)際結(jié)果是相符的。

對(duì)于灌漿密實(shí)的孔道A，其結(jié)果與試件密實(shí)處檢測(cè)結(jié)果一致，由此判定孔道A灌漿密實(shí)；對(duì)于未灌漿孔道C，孔道部位的檢測(cè)效果十分顯著，延遲量最大，判定為有缺陷；對(duì)于設(shè)置缺陷的灌漿孔道E與I，缺陷部位延遲量介于以上2種工況之間，這是因?yàn)榭椎乐信菽毕菖c孔道內(nèi)壁之間灌漿料的存在，應(yīng)力波的實(shí)際傳播路徑要小于全空未灌漿的情況，同時(shí)大于密實(shí)區(qū)域的傳播路徑，根據(jù)其解析結(jié)果判定為有缺陷。由表1可知，對(duì)于灌漿密實(shí)、未灌漿、灌漿有缺陷3種工況，解析結(jié)果是有差別的，這與預(yù)期相符合。有缺陷工況延遲量的大小與缺陷大小的關(guān)系可以做進(jìn)一步的定量細(xì)化研究。

3 結(jié)論

1)漿錨灌漿密實(shí)性檢測(cè)是裝配式結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)及難點(diǎn)，筆者針對(duì)預(yù)制剪力墻中預(yù)先設(shè)置的缺陷并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試檢測(cè)出了缺陷的存在，驗(yàn)證了基于沖擊回波法的等效波速法對(duì)于檢測(cè)預(yù)制剪力墻漿錨灌漿質(zhì)量定性分析的可行性。

2)該方法具有較好的辨識(shí)度，能反映孔道內(nèi)部灌漿的情況，結(jié)果較為直觀，容易判斷，便于應(yīng)用在實(shí)際工程中，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)孔道灌漿不密實(shí)處，并且該過程是無損的。但其檢測(cè)精度還需進(jìn)一步分析驗(yàn)證。考慮到實(shí)際施工情況，可從其延遲時(shí)間方向考慮其延遲量來進(jìn)行定量化的研究。

3)該方法用于漿錨構(gòu)件的灌漿密實(shí)度檢測(cè)還存在以下問題有待解決，測(cè)點(diǎn)布置、測(cè)試方法等現(xiàn)場(chǎng)操作流程無現(xiàn)成技術(shù)可參考，影響測(cè)試結(jié)果的因素主要憑借主觀經(jīng)驗(yàn)來避免；采用“等效波速法”測(cè)試，波速的延遲量與灌漿缺陷之間的相關(guān)性試驗(yàn)。

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[編輯] 計(jì)飛翔

TU528.07

A

1673-1409(2017)17-0026-06

2017-06-04

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL45)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A147)；安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助(1501041133)；安徽省教育廳重大項(xiàng)目(KJ2015ZD16)。

劉運(yùn)林(1980-)男，副教授，現(xiàn)主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論及其應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作。

魏廣碩(1991-)男，碩士生，現(xiàn)主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論及其應(yīng)用方面的研究工作，726667150@qq.com。

[引著格式]劉運(yùn)林，魏廣碩，劉志豪，等.基于沖擊回波法的預(yù)制剪力墻漿錨灌漿密實(shí)度檢測(cè)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(17):26～31.