新疆石油天然气稿件信息
冲击回波法对于灌浆套筒缺陷精度的检测研究*
李利1,2,3,4,翟新铭2,白建飞3,周海威2,姚鑫4,朱纪刚4，晋强1
1. 新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052
2. 新疆远大华美建筑工业有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000
3. 乌鲁木齐市建筑建材科学研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000
4.四川陆通检测科技有限公司，四川成都610000
[摘要] 装配式建筑具有节能、环保、缩短工期等优点，装配式建筑的梁、柱和剪力墙等预制构件一般采用是灌浆套筒连接。套筒内部的灌浆质量直接影响装配式建筑的安全。通过在灌浆套筒过程中设置钢筋偏位和其他缺陷，采用冲击回波法检测灌浆套筒的缺陷位置和大小。检测结果表明：对于单排布置的灌浆套筒，冲击回波能够检测到混凝土构件内部灌浆套筒的缺陷位置和缺陷的大小；对于双排布置灌浆套筒的构件，无法准确定位出缺陷的位置以及大小。
[关键词]装配式建筑；灌浆套筒；冲击回波法；灌浆缺陷；无损检测
Study on the accuracy of grouting sleeve defect by impact echo method
Li Li1,2,3,Zhai Xinming2,Bai Jianfei3, Zhou Haiwei2,Yao Xin4,Zhu Jigang4,Jin Qiang1
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
2.Xinjiang Broad Huamei Construction Industry Co.Ltd,Urumqi,Xinjiang 830000
3.Urumqi Construction and Building Materials Research Institute Co.Ltd,Urumqi,Xinjiang 830000
4.Sichuan Lutong Testing Technology Co.Ltd, Chengdu, Sichuan province 610000
Abstract: The Assembly building has the advantages of energy saving, environmental protection and shorter construction period, and the prefabricated components such as beams, columns and shear walls are generally connected by grouting sleeves.The quality of grouting inside the sleeve directly affects the safety of the assembly building.In this paper, the position and size of the defects of the grouting sleeve were detected by shock echo method through setting the deviation of reinforcement and other defects in the process of grouting sleeve.The test results show that the impact echo can detect the defects position and size of the internal grouting sleeve of concrete members for single-row grouting sleeves.However, for the components of double-row grouting sleeve, the location and size of defects cannot be accurately located.
[keywords] Assembly buildings; Grouting sleeve; Impact-echo method; Grouting defects; Nondestructive testing
0 引言
钢筋套筒灌浆连接作为装配式混凝土结构的主要连接方式，其施工质量受到普遍关注。钢筋套筒灌浆连接接头的工作原理是向灌浆套筒内部注入无收缩或者微膨胀的水泥基灌浆料，灌浆料具有较高的强度，当它受到套筒的约束作用时，灌浆料和套筒间产生较大正应力，与钢筋密肋以及灌浆套筒内壁的凹槽、凸肋紧密咬合[1]；同时，钢筋借此正应力产生摩擦力，以此传递钢筋轴向应力。如果灌浆料密实度不够，将不利于钢筋轴向力的传递，进而极大影响到结构的安全性。此外，灌浆料还具有保护钢筋不受侵蚀的作用。因此，保证钢筋套筒连接的灌浆密实度是装配式混凝土结构施工质量控制的关键环节之一[2]。
但因为灌浆套筒预埋在混凝土构件内部，属于隐蔽工程[3]。因此，越来越多的人开始将目光放在了灌浆套筒连接件内部的密实程度和产生的缺陷的位置以及尺寸的精准无损检测上面。在冲击回波无损检测方面：宋敏芳[4]研究了冲击回波法在混凝土桥梁内部缺陷检测及修复上的应用，发现冲击回波法能够很好的适应目前对混凝土内部缺陷的快速检测、精准判定，并且冲击回波法在检测混凝土内部缺陷时受边界条件影响较大；徐宏武[5]提出了基于冲击回波等效厚度的概念，表明冲击回波等效厚度法对于预应力孔道压浆密实度检测具有很高的适用性；刘辉[6]采用冲击回波法对不同类型和不同灌浆密实度的钢筋套筒试件进行了检测试验，对于套筒居中布置的试件，无论结构面层有、无分布钢筋的影响，冲击回波法均能对其密实度进行定位判断，但是试验结果却与实际数据有一定的误差；对于双排布置的钢筋套筒试件，测试结果会受到另一侧钢筋套筒的影响，需要增加检测方位来提高检测的精度与可靠性。
本文采用冲击回波法检测灌浆套筒内部缺陷，研究冲击回波法对于灌浆套筒的缺陷尺寸以及缺陷位置的精确定位，为装配式混凝土结构施工的质量，以及后续的修补提供指导[7]。
1 试件制作
1.1 原材料
(1)钢筋。试验采用HRB335钢筋，直径为12mm。从这一批钢筋中随机抽取的钢筋式样，经过一系列的抗拔抗弯等检测，材料性能满足标准《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》(GB/T1499.2-2018)[8]要求。
(2)灌浆套筒。灌浆套筒有全灌浆套筒和半灌浆套筒，试验采用的是全灌浆套筒，由铸铁铸造而成，套筒型号为GTZQ4-12，材料性能满足标准《钢筋连接用灌浆套筒》(JG/T 398-2012)[9]要求。长度为250mm，外径为44mm，内径为32mm，薄厚大约是5-6mm，灌浆套筒内部存在凹槽。套筒内上端钢筋和下端钢筋的锚固长度分别为110mm和120mm。
(3)灌浆料。试验所用灌浆料是高强灌浆料，材料性能符合标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T50448-2015)[10]要求。
1.2 试件设计
(1)试件尺寸
在装配式结构中，灌浆套筒是主要用于梁、柱、剪力墙之间的连接。在一般施工情况下，通常会先将套筒预埋进混凝土构件内，一起进行浇筑，浇筑时注意预留出注浆孔和出浆孔，然后在装配式施工吊装以后再进行灌浆[3]。参考实际工程中套筒的位置以及灌浆情况，制作了单排以及双排灌浆套筒试件模型，模型尺寸分别为1500mm×120mm×600mm、250mm×180mm×390mm，并且对模型内的灌浆套筒分别编号。
(2)缺陷设置
通过设置不同长度的塑料泡沫模拟不同尺寸和位置的缺陷。
试验主要目的是测试冲击回波法对于灌浆套筒缺陷尺寸以及具体位置。在本次试验中，采用不同长度的塑料泡沫模拟灌浆缺陷，具体方案见图1。应注意的是，塑料泡沫不能紧贴灌浆套筒的内壁，以保证灌浆时灌浆料浆体能够从间隙中流过[7]。同时，对试件内的各灌浆套筒进行孔道编号以及准确记录缺陷的尺寸和位置。缺陷设置如图1所示：
(a)单排灌浆套筒试件设计 (b)双排灌浆套筒试件设计 （c）灌浆套筒缺陷设计
图1 试件设计示意图
注：图中套筒内的留白处表示缺陷。
1.3 试件的制作成型
具体成型见图2所示。将带有塑料泡沫缺陷的钢筋插入灌浆套筒，用钢筋架固定。将灌浆料与水进行拌合：首先将所有拌合水加入搅拌桶，然后加入大约70%的灌浆料，搅拌时间大约为1-2min，最后将剩余灌浆料全部加入，搅拌3-4分钟至浆体均匀，搅拌均匀后，静置2-3min排气，采用灌浆枪灌浆[10]。灌浆枪从底部注浆口注浆，待上部出浆口出浆时用塞子将出浆口堵住。在封堵出浆口时，下部不要停止注浆，以保证浆体充满套筒，然后在拔出灌浆枪，同时封堵注浆口。在灌浆1d后拆除固定支架，自然养护28d后进行试件缺陷的检测。
图2 试件成型图
2 试件的检测
2.1 试验仪器
本次测试采用的仪器是由四川某公司研发的装配式建筑套筒灌浆质量检测仪。
2.2 检测依据
沿孔道纵向进行测试，激振点在孔道上方或侧方，以扫描的形式连续测试，通过信号的反射特性判断孔道内部灌浆状况。根据振动信号在传播过程中的特性变化判定灌浆缺陷及混凝土缺陷的有无和类型，通过反射信号的特性测试管道内灌浆密实度及混凝土密实性的状况，如图3所示。
图3 冲击回波法测试原理
当测得的构件厚度频率峰值f（图示红色反射区域）与无预应力孔道部分的构件厚度频率峰值f基本相同或低频轻微漂移并出现另一个高频峰值f，可判断孔道内灌浆密实[11]（如图4正常区域）。当测得构件厚度频率峰值f（图示红色反射区域）明显小于无预应力孔道部分的构件厚度频率峰值f基本相同或低频明显漂移并出现另一个高频峰值f[11]（如图4缺陷区域）。即：等云图中红色线条位置为正常反射时刻，图中实际反射位置接近正常反射位置，表明灌浆质量较好，偏离正常反射位置则表示灌浆存在缺陷。
图4 缺陷与正常彩色云图 图5 测点位置示意图
2.3 测试方法
本次检测，采用了装配式建筑套筒灌浆质量检测仪及10号激振锤（直径1cm）对测试部位进行测试。测区位置分别为试件内各灌浆套筒所在位置，如图1所示，编号分别为：1、2、3、4……17、18。为了保证测量结果的准确性，在进行布置测点时要全面的考虑到测点的位置和数量[3]。试验采用的测点距为5cm，同时激振锤每点敲击3次，测试方向均是沿着灌浆套筒自上而下，通过使用10号激振锤敲击套筒孔道的方式来收集信息。并且为了防止边界条件[4]对于试验的影响，将第一个测点的位置调至距离边界4cm处。另外，在测试之前，需要将试件表面进行打磨，使试件表面平整，提高传感器与试件之间的贴合度，减少冲击回波信号传递误差，提高精度[3]。
3 试验结果以及分析
在本次测试中共测试了12个单排灌浆套筒以及6个双排灌浆套筒，通过仪器对测得的数据使用FFT（EFS）/MEM进行频谱分析，其中：
(1)横坐标表示被检测试件的厚度频率(kHz)；
(2)纵坐标表示被检测试件的测点位置(m)。
单排灌浆套筒测试结果如图6所示。
(a)1号设计：全密实
测试结果：全密实
(b)2号设计：全密实
测试结果：全密实
(c)3号设计：缺陷位置为上端部2cm，缺陷尺寸为2cm
测试结果：全密实
(d)4号设计：缺陷位置为0-14cm，缺陷尺寸为14cm
测试结果：缺陷位置为0-12cm，缺陷尺寸为12cm
(e) 5号设计：缺陷位置为0-8cm，缺陷尺寸为8cm
测试结果：缺陷位置为0-7cm，缺陷尺寸为7cm
(f) 6号设计：缺陷位置为8cm-9cm，缺陷尺寸为1cm
测试结果：全密实
(g) 7号设计：缺陷位置为7cm-9cm，缺陷尺寸为2cm
测试结果：缺陷位置为5cm-8cm，缺陷尺寸为3cm
(h) 8号设计：缺陷位子为6cm-9cm，缺陷尺寸为3cm
测试结果：缺陷位置为4cm-7cm，缺陷尺寸为3cm
(i) 9号设计：缺陷位置为5cm-9cm，缺陷尺寸为4cm
测试结果:缺陷位置为4cm-9cm，缺陷尺寸为5cm
(j) 10号设计:缺陷位置为5cm-10cm，缺陷尺寸为5cm
测试结果：缺陷位置为4cm-8cm，缺陷尺寸为4cm
(k) 11号设计：偏心密实
测试结果：全密实，但不能看出是否偏心
(l) 12号设计：全空
测试结果：全空
图6 单排套筒灌浆密实度测试结果
双排灌浆套筒测试结果如图7所示。
(a) 13号设计：缺陷位置为0-8cm，缺陷尺寸为8cm
测试结果：缺陷位置为0-10cm，缺陷尺寸为10cm
(b) 14号设计：缺陷位置为0-6cm，缺陷尺寸为6cm
测试结果：缺陷位置为0-6cm，缺陷尺寸为6cm
(c) 15号设计:全密实；
测试结果:显示异常
(d) 16号设计：全密实；
测试结果：缺陷位置为15cm-17cm，缺陷尺寸为2cm
(e) 17号设计：缺陷位置为0-8cm，缺陷尺寸为8cm
测试结果：缺陷位置为0-4cm，缺陷尺寸为4cm
(f) 18号设计：全密实；
测试结果：显示异常
图7 双排套筒灌浆密实度测试结果
3.2 测试结果数据分析
单、双排灌浆套筒检测结果见表1、表2：
表1 单排灌浆套筒测试精度表
|
灌浆套筒序号
|
缺陷尺寸 |
缺陷位置 |
|||
|
设计值 |
检测值 |
差值 |
设计位置 |
检测结果 |
|
|
1 |
满灌 |
满灌 |
0cm |
无 |
无 |
|
2 |
满灌 |
满灌 |
0cm |
无 |
无 |
|
3 |
2cm |
满灌 |
0cm |
上端部 |
无 |
|
4 |
14cm |
12cm |
2cm |
0-14cm |
0-12cm |
|
5 |
8cm |
7cm |
1cm |
0-8cm |
0-7cm |
|
6 |
1cm |
满灌 |
1cm |
8-9cm |
无 |
|
7 |
2cm |
3cm |
1cm |
7-9cm |
5-8cm |
|
8 |
3cm |
3cm |
0cm |
6-9cm |
4-7cm |
|
9 |
4cm |
5cm |
1cm |
5-9cm |
4-9cm |
|
10 |
5cm |
4cm |
1cm |
5-10cm |
4-8cm |
|
11 |
偏心满灌 |
满灌 |
0cm |
偏心 |
无 |
|
12 |
全空 |
全空 |
0cm |
全套筒 |
全套筒 |
表2 双排灌浆套筒测试精度表
