基于沖擊回波等效波速法檢測套筒灌漿缺陷的技術研究

趙量，吳志新，孟威，魏廣碩

（安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

關鍵字：灌漿套筒；無損檢測；灌漿缺陷；沖擊回波法

1 引言

近年來，裝配式混凝土結構發(fā)展迅速，但是也存在很多制約其發(fā)展的因素，其中裝配式構件之間的接連便是關鍵因素之一。鋼筋套筒灌漿連接是在裝配式混凝土結構常用的鋼筋連接方式，套筒灌漿連接為隱蔽工程。鋼筋套筒灌漿連接結構為多層金屬和非金屬介質(zhì)交替：套筒外部為混凝土，內(nèi)部為連接鋼筋，套筒和鋼筋之間的空腔灌注高強無收縮灌漿料完成上下兩個構件的連接。灌漿質(zhì)量直接影響其連接處的受力性能以及結構的整體穩(wěn)定性[1]。因此，需要一種行之有效的方法在不破壞原有結構的前提下來對套筒內(nèi)部的灌漿質(zhì)量進行鑒定。

沖擊回波法（Impact-echo Method，簡稱IE法）是目前應用較為廣泛，沖擊回波法曾被加拿大學者馬爾霍察列為最有前途的現(xiàn)場檢測方法之一。在20世紀80年代，美國康奈爾大學（Cornell University）和美國國家標準技術研究院（The National Institute of Standards and Technology，NIST）率先提出運用沖擊回波法（Impact-Echo，IE）對混凝土和砌體結構進行無損檢測評估。美國的Sansalone和Carino在上世紀80年代末，將沖擊回波法由波形判斷測試缺陷轉(zhuǎn)換到解析波形的頻率來判斷是否存在缺陷，使得沖擊回波法取得了突破性的進展，使得該方法開始應用在現(xiàn)場測試階段。20世紀 90年代，Cario教授和 Marry Sansalone教授相繼發(fā)現(xiàn)沖擊回波法由于其良好的穿透性，在用于檢測灌漿管道內(nèi)部灌漿缺陷時具有一定的可行性，利用不同介質(zhì)波阻抗不同所以在不同介質(zhì)交界面應力波會發(fā)生相位的改變的，得到的頻率不同的性質(zhì)，并通過大量試驗總結出了波速和板厚的標準，并成功地運用于工程實踐中[2]。美國佛羅里達大學Rinker教授等研究指出，IE法是最有能力評估孔道壁為鐵質(zhì)的孔道內(nèi)壓漿情況的方法[3]。

2 沖擊回波等效波速法

2.1 基本原理

沖擊回波法在檢測過程中不受金屬物的影響，避免了超聲波測試中遇到的高強信號衰減和過多雜波干擾問題，檢測條件相對寬松。隨著沖擊回波法的進一步發(fā)展，沖擊回波等效波速法的概念被提出，該方法基本原理為：根據(jù)沖擊彈性波在缺陷部位發(fā)生繞射，傳播時間增長，相應的等效波速降低，以等效波速變化來判斷灌漿質(zhì)量情況。該方法可以更為直觀的對套筒內(nèi)部的灌漿質(zhì)量進行判斷，便于在實際工程應用中推廣[2]。

其判斷依據(jù)為：根據(jù)管道位置反射信號的有無以及彈性波在所測構件對邊（相對于測試邊的另一端）的反射時間的長短便可以判定灌漿缺陷的有無。當孔道灌漿存在缺陷時，可根據(jù)彈性波的反射特性來判斷缺孔道內(nèi)的灌漿質(zhì)量狀況。當擊振的彈性波遇到試件內(nèi)部缺陷時，激振的彈性波就會繞過缺陷到達測試面另一端，再經(jīng)由另一端反射回來，同樣需要繞過缺陷區(qū)域，這就造成彈性波的傳播路徑延長，由傳感器接收到的彈性波時間也會變長，這便意味著彈性波在墻板傳播過程中的等效波速降低。當孔道灌漿密實時，彈性波波速與構件密實處波速相近[4]。原理示意圖如圖1所示。本文主要研究沖擊回波法應用于套筒灌漿缺陷檢測在實際工程中的應用及其可行性分析。

2.2 測試儀器與方法

現(xiàn)場測試采用定位測試的方法進行，在灌漿套筒正上方沿套筒方向布置測線，并在測線區(qū)域套筒以外的墻板板中位置布置測點用作對比，定位測試示意圖如圖2所示。沿著套筒測線走向?qū)μ淄矁?nèi)部的壓漿情況以掃描的形式進行連續(xù)測試，采取激振和受信方式通過反射信號的特性測試管道內(nèi)部灌漿狀況。當測點處于空孔道或有灌漿缺陷的孔道上方時，彈性波傳播距離增加，時間延長。若套筒內(nèi)部灌漿密實，相應的時間相對于墻板中心位置沒有變化。通過相應的頻譜解析方法對測試信號進行解析，可以敏感地反映該時間的變化。同時，根據(jù)測試情況與預先做好的缺陷作對比，以驗證檢測結果是否準確。

圖1 沖擊回波等效波速法原理示意圖

圖2 測點布置

2.3 頻譜解析與結果判定

伴隨著測試方法的改進與更新，檢測波形的頻譜解析方法同樣取得了長足的進展。John Parker Burg于1967年提出MEM（最大熵）分析法，該方法最早用于地震波的解析，目前在無損檢測領域有著較為廣泛的應用。其原理為：彈性波在墻板兩測試面往返傳播，激發(fā)出墻板的瞬態(tài)振動響應產(chǎn)生共振，該振動的振幅（能量）最大，在頻譜解析會出現(xiàn)與板厚相應的卓越頻率或卓越周期，解析得出的卓越周期就是彈性波往返傳播一次的時間[2][5]。如圖3所示，其中圖3（a）為檢測波形圖，圖3（b）為MEM頻譜解析結果。相應的卓越頻率為0.105ms，彈性波波速經(jīng)由現(xiàn)場實測確定，取墻板中心區(qū)域多次敲擊結果解析得出的均值為彈性波在墻板中的傳播波速，大小為3.9km/s，經(jīng)計算可知板厚為205mm，實際墻板厚度為200mm，可以看出測試結果與實際結果符合較好。

3 工程應用

3.1 檢測結果說明

圖3 檢測波形及解析

檢測對象為某工程預制裝配式住宅小區(qū)項目，上下層預制剪力墻之間采用灌漿套筒進行連接，墻板厚度為200mm。實際測試開始之前，對墻板中心區(qū)域進行檢測并將結果作為判斷灌漿是否存在缺陷的參照，為方便不同測點結果進行對比，測試結果采用彩色等值線圖進行更為直觀的表示，結果解析如圖4所示。紅色區(qū)域為能量最大區(qū)域，對應的時間為MEM頻譜解析得出的卓越周期，為了更為直觀的說明，將橫坐標軸用厚度來表示。可以看出測試結果很穩(wěn)定，彈性波反射時間對應的位置集中在板厚位置，該解析結果與實際工況符合很好。

圖4 墻板中心區(qū)域檢測結果

3.2 不同檢測工況的檢測

本次測試針對4種不同工況的套筒布置與灌漿情況進行了對比分析，在實際工程中套筒的位置不是固定不變的，根據(jù)預制構件的受力情況不同，套筒的位置布置也不相同。本次現(xiàn)場測試主要對套筒位于墻板不同位置時的瞬態(tài)響應來說明該方法用于實際工程檢測中的可行性。圖5為現(xiàn)場測線的布置與檢測，不同工況檢測結果解析見表1。

3.3 結果分析

圖5 工程現(xiàn)場實測

不同工況檢測結果解析 表1

從檢測波形的解析結果來看，就單排套筒而言，若套筒內(nèi)部灌漿密實無缺陷，經(jīng)由頻譜解析得出的結果與墻板中心區(qū)域結果一致，說明彈性波在經(jīng)過套筒過程中傳播路徑?jīng)]發(fā)生什么變化。對于雙排套筒而言，套筒灌漿密實時，檢測結果與墻板中心區(qū)域結果一致，同樣具有良好的檢測效果。以上現(xiàn)象說明沖擊產(chǎn)生的彈性波對于外壁為金屬的套筒壁具有很好的穿透性能，檢測結果不受套筒壁的影響，檢測效果理想，整體檢測效果與實際相符。就這點而言，沖擊回波等效波速法是優(yōu)于另一種無損檢測方法探地雷達法的，彌補了探地雷達法檢測過程中無法排除金屬材質(zhì)干擾的缺點[6]。

此外，檢測過程中當沖擊點與接收點位于套筒遠端和近端時，對檢測結果的準確性沒有影響。對于套筒未灌漿的工況，由于套筒內(nèi)部沒有灌漿，墻板根部與下層墻板質(zhì)量是脫空的，測點位于脫空區(qū)域附近時，邊界條件對測試結果產(chǎn)生干擾。測試得出的結果相對于實際情況出現(xiàn)延遲。為進一步分析該現(xiàn)象原因，對其他未灌漿的套筒進行了重復性測試。結果表明，當敲擊點與接收點靠近脫空區(qū)域時，就會得出被邊界干擾的測試結果。因此，在實際測試過程中可以由此判斷墻體座漿部位是否存在脫空。另外，為保證檢測結果的準確性，測試區(qū)域應距離試件邊緣一定的距離。

3.4 影響因素

測試過程中需要考慮外部條件對于測試結果的影響。傳感器需要在試件表面接收信號，所以試件表面的質(zhì)量情況也對檢測的數(shù)據(jù)和結果有一定的影響，混凝土表面應干燥、清潔、平整，不應有蜂窩、孔洞等外觀質(zhì)量缺陷。為了盡可能消除此類不利影響，測試前宜用砂輪磨平或者用高強度快凝砂漿抹平，采用砂輪磨平后應清除殘留的粉末或碎屑。必要時可采用耦合劑粘結來保證傳感器與混凝土測點表面緊貼。

此外，傳感器接收到的波形信號是彈性波在墻板前后界面往復反射激發(fā)起的瞬態(tài)振動響應，但該振動具有一定的影響范圍，當沖擊點與傳感器距離較遠時，傳感器接收到的信號強度較弱，且振動波形與沖擊點附近可能會有偏差。因此，傳感器與沖擊點距離應處于一定范圍內(nèi)。沖擊點位置與傳感器的間距宜小于所測構件設計厚度的0.4倍，鑒于此次測試套筒尺寸較小，測試過程中測點布置較為密集，所以選取沖擊點位置距傳感器距離為1cm。

4 結論

①套筒灌漿連接是一種重要的預制裝配式建筑構件連接形式，其灌漿質(zhì)量狀況是施工質(zhì)量控制的重點。此次工程現(xiàn)場測試結果表明沖擊回波等效波速法對于灌漿套筒的灌漿缺陷檢測是可行的，并且準確性較高。沖擊產(chǎn)生的彈性波具有很好的穿透性，套筒壁對于檢測結果沒有什么影響。

②通過MEM頻譜解析對波形信號進行處理，解析結果直觀，便于分析以及在工程實踐中推廣應用。檢測過程不會對原有構件產(chǎn)生破壞，可進行多次重復性檢測，保證了檢測結果的準確性。

③目前該方法距離實際工程應還存在以下一些問題：a.檢測結果精確度較低，目前對于直觀的定性分析檢測結果較好，難以對檢測結果進行精確的量化分析。b.檢測方法規(guī)范化問題，沖擊回波等效波速法應用工程實踐還處于初始階段，缺少統(tǒng)一的操作規(guī)范作為參考，檢測結果判斷依據(jù)多為主觀經(jīng)驗，并且，對于測試結果評定和合格率的設定沒有統(tǒng)一的標準；c.測試試件邊界對檢測結果的影響的區(qū)域范圍缺少用于判定的理論依據(jù)，主要憑借主觀經(jīng)驗判斷；d.缺少大量室內(nèi)試驗研究以及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)作為依據(jù)。該方法在工程檢測中具有良好的檢測效果，操作便捷，還是有很好的應用前景的。