預(yù)制剪力墻套筒灌漿飽滿度X 射線檢測(cè)試驗(yàn)與應(yīng)用

梁建光，吳建良，宋 琢

（1.廣州市城市建設(shè)事務(wù)中心，廣東廣州 510010；2.廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣東廣州 510520；3.廣州市一建建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510060）

引言

裝配式建筑是我國(guó)推廣建筑工業(yè)化的新型建筑型式，裝配式剪力墻是一種常見裝配式構(gòu)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(cè)中的直觀方法近年來因其成像清晰、識(shí)別率高而引發(fā)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(lián)合成像技術(shù)，開發(fā)了顯微圖像的匹配方法。許國(guó)棟[2]等通過室內(nèi)試驗(yàn)證明了X 射線技術(shù)可更好地控制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。孫正華等[3]詳細(xì)闡述了便攜式X 射線技術(shù)檢測(cè)設(shè)有大、小直徑波紋管的多種工況混凝土試件的測(cè)試結(jié)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(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。張富文等[5]采用便攜式X 射線技術(shù)對(duì)各試件的灌漿密實(shí)度進(jìn)行了檢測(cè), 并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展了工程現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)制剪力墻套筒密實(shí)度測(cè)試。

分析X 射線的檢測(cè)原理，對(duì)X 射線檢測(cè)剪力墻中套筒的適應(yīng)性進(jìn)行研究，提出套筒灌漿飽滿度的檢測(cè)方法，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)異形剪力墻驗(yàn)證方法的可靠性。

1 檢測(cè)原理

X 射線原理與方法：

輻射強(qiáng)度與儀器的管電壓、電流、靶物質(zhì)原子序數(shù)相關(guān)，見式（1）。

式中：i 為管電流；Z 為靶物質(zhì)原子序數(shù)；α 為系數(shù)；V為管電壓。

當(dāng)X 射線透過物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、吸收以及透射現(xiàn)象，X 射線的輻射強(qiáng)度隨穿透物體厚度的增加呈現(xiàn)指數(shù)方式降低，見式（2）。

式中，I 為穿過材料后的強(qiáng)度；x 為吸收材料的厚度；μ為線性吸收（衰減）系數(shù)，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(shù)。從表1 和表2 可以看出，單個(gè)輻射光子的能量越大材料對(duì)輻射的吸收越弱，元素質(zhì)量衰減系數(shù)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(shù)為石灰?guī)r或二氧化硅的3～4 倍，小范圍內(nèi)空氣對(duì)射線輻射的吸收可以忽略不計(jì)。因此，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，鋼筋、空洞對(duì)X 射線的輻射吸收與混凝土基質(zhì)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(shù)設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)

表2 鋼筋混凝土組成材料的X 射線吸收系數(shù)

對(duì)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(gè)部位（混凝土、鋼筋、套筒）的強(qiáng)度差異，最后算出結(jié)構(gòu)在設(shè)備輻射能量下的相對(duì)強(qiáng)度大小，就可以建立套筒灌漿飽滿度的識(shí)別的判別標(biāo)準(zhǔn)。

式中：xi為各材料的投影厚度；μi為線性吸收（衰減）系數(shù)。

2 室內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 剪力墻模型制作

在室內(nèi)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(gè)套筒。套筒布置及編號(hào)見圖1，每個(gè)剪力墻按圖4 位置布置10 個(gè)套筒，約定有灌漿孔側(cè)為剪力墻正面。

圖1 剪力墻X 射線檢測(cè)布置圖

為檢驗(yàn)X 射線成像識(shí)別套筒灌漿飽滿度的效果對(duì)不同套筒依據(jù)距離表面的距離設(shè)置為不同的灌漿狀態(tài)。套筒狀態(tài)分為3 種：灌漿飽滿、灌漿欠飽滿、未灌漿。為實(shí)現(xiàn)灌漿未飽滿，首先通過計(jì)算與試驗(yàn)確定灌滿套筒需要的漿液量，在灌漿時(shí)灌入飽滿所需灌漿量的50%，灌漿后通過內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)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(cè)

X 射線檢測(cè)時(shí)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(shí)別出鋼筋、套筒、混凝土、注漿預(yù)留孔。套筒的內(nèi)肋也在X 射線成像圖中出現(xiàn)。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(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。

3 X 射線檢測(cè)識(shí)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(duì)比度增強(qiáng)、套筒區(qū)域增強(qiáng)。

（2） 圖像中套筒區(qū)域截取，避開有橫向鋼筋的區(qū)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(shí)做灰度校正。

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

對(duì)套筒X 成像上的截面做亮度分布曲線，分布典型結(jié)果見圖3。

圖3 套筒截面的X 射線強(qiáng)度分布

依據(jù)材料對(duì)X 射線的吸收特性，鋼材吸收強(qiáng)、混凝土吸收弱，空氣吸收基本可以忽略。上圖的X 射線強(qiáng)度分布，套筒壁外的混凝土處輻射能量較高，在套筒壁處強(qiáng)度急劇的減小，在套筒內(nèi)部輻射強(qiáng)度略低于外側(cè)的混凝土區(qū)域。套筒壁處，環(huán)形的套筒壁的投影厚度遠(yuǎn)大于2 倍套筒壁厚，導(dǎo)致套筒壁處的輻射強(qiáng)度明顯下降。

研究推薦灌漿區(qū)相對(duì)灰度值0.88～0.91 認(rèn)定為灌漿飽滿，相對(duì)灰度值0.56～0.58 評(píng)定為套筒空洞。對(duì)于不同的套筒型號(hào)、混凝土厚度，上述的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以適應(yīng)。

空套筒下套筒內(nèi)部輻射強(qiáng)度與混凝土處輻射強(qiáng)度的差異計(jì)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(qiáng)度差異，其中剪力墻設(shè)置單層套筒，完整混凝土剪力墻不設(shè)置套筒，套筒內(nèi)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(qiáng)度差異

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

圖4 中右側(cè)方框內(nèi)區(qū)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(shí)別的可靠性。

圖4 區(qū)域平均的X 射線成像判別

4 裝配式建筑異形剪力墻現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

某住宅小區(qū)為裝配式建筑，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了該裝配式建筑兩道剪力墻，剪力墻編號(hào)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(cè)試前依據(jù)圖紙?jiān)趬γ嫔蟿澗€，標(biāo)注出套筒位置，套筒與墻面距離。每道墻均進(jìn)行X 射線檢測(cè)。

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

圖6 現(xiàn)場(chǎng)8、9 號(hào)套筒X 射線成像

5 結(jié)論

X 射線檢測(cè)灌漿套筒飽滿度較多的以經(jīng)驗(yàn)判斷為主，對(duì)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(xì)化的灌漿套筒飽滿度識(shí)別方法。通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，得出了如下結(jié)論：

（1） X 射線穿透能力強(qiáng)，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(duì)X 射線具有不同的吸收特性，通過吸收差異能夠?qū)崿F(xiàn)X 射線成像。通過射線計(jì)算建立了套筒脫空的判斷方法。

（3） 異形剪力墻在現(xiàn)場(chǎng)情況下，X 射線成像時(shí)存在曝光度不同，輻射能量差異大的現(xiàn)象，通過區(qū)域平均能夠提高識(shí)別的可靠性。