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超声法检测装配式混凝土建筑浆锚灌浆的质量

时间:2019-05-05    来源:    作者:童寿兴,王勤,洪凯     
【导读】介绍了适用于装配式混凝土建筑浆锚施工节点灌浆料充盈度的超声波检测方法。该方法具有无损检测的技术特点,且检测部位以及检测比例可以根据实际需要任意取决。采用高频、小直径辐射端面的换能器是此项技术获取成功的关键手段,在研究中开发的超声波同心圆等距检测方法是在传统的超声波检测技术上的创新。依据超声检测得到的“声速、波幅、波形”等声学参量作为灌浆料充盈度的判别原则,通过同类测位检测数据的比对分析能有效判断装配式混凝土建筑浆锚节点灌浆施工中存在的缺陷。

       装配式混凝土建筑是以工厂化预制混凝土构件为主要组件,经装配、连接并进行部分现浇而形成的混凝土建筑。装配式混凝土建筑具有效率高、质量好、经济合理等特点;满足标准化、规模化的技术要求;满足节能减排、清洁生产、绿色施工等环保要求。随着我国城市化进程的不断加快,大力发展装配式混凝土建筑,推进建筑体系工业化进程,是实现建筑业可持续发展的一种选择,但装配式混凝土建筑的质量控制与检测技术相对滞后。目前,还没有一种成本低廉且能够全面检测浆锚连接处灌浆料充盈度的好方法。本研究适用于装配式混凝土构件浆锚连接施工节点灌浆料充盈度的超声波检测,其成果可为装配式混凝土建筑的质量控制及其检测技术体系的建立提供有效的手段。

1 超声波检测混凝土缺陷的临界性

       《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS 21从1990年颁布经2000年的修订至今已经使用了29年,超声法是目前一种能有效检测混凝土内部缺陷的优选方法,在建设工程领域得到广泛应用和大家认可。但是,在检测混凝土缺陷的工程或者科研项目中,也有个不争的事实,即如图1 所示:采用常规的技术手段,超声法不能想当然地测出钻芯后混凝土上的大孔洞,其原因涉及超声波换能器的配置问题。

超声波不能检测出钻芯的孔洞

图1 超声波不能检测出钻芯的孔洞

超声波的波速、频率与波长有下列关系:

      V=F×λ

      (1)式中:V为超声波的波速,m/s;F为频率,kHz;λ为波长,mm 超声波检测混凝土中的缺陷,其检测的灵敏度、或者有效性与换能器的配置密切相关:

a)设混凝土的声速为4500 m/s时,如果采用50kHz的换能器,其波长λ为90mm。因为波长长,超声波容易绕过缺陷,所以选择换能器的频率必须考虑需要探检的缺陷尺寸,通常设定超声波探伤能测到的最小缺陷近似于波长。 选用50kHz换能器检测缺陷的灵敏度比较低,如果采用 500kHz 的换能器,其波长λ则为9mm ,检测缺陷的灵敏度提高了一个数量级;但由于高频换能器在混凝土中传播时能量的衰减特别大,其测距受限。

b)目前国内超声仪普遍配置是50kHz的换能器,其直径大约40mm,因为直接比较大,显而易见,相对小于换能器直径的缺陷,超声检测较难发现。


2 超声法检测灌浆料的充盈度

      目前的装配式建筑混凝土构件的浆锚装配方式为:上构件的下端具有钢筋容纳孔,下构件的上端伸出钢筋,在上构件与下构件拼接时钢筋伸入到钢筋容纳孔中,将灌浆料通过灌浆口持续注入,当灌浆料充满上、下构件水平粘结缝和上构件中的钢筋容纳孔后多余的灌浆料通过出浆口流出,即视为完成灌浆步骤。然而,在实际操作过程中,并不能保证灌浆料全部填充满缝隙、以及上构件和下构件的水平粘结缝中是否填满了灌浆料。灌浆完成后,需要检测灌浆料的填充程度,该类检测项目称为灌浆料充盈度的检测。灌浆料充盈度检测参照混凝土超声检测技术的原理[1],即采用超声波对测或者斜对测的方法,测量浆锚节点处的超声声速、波幅、波形等声学参量,并根据这些声学参量及其相对变化分析判断灌浆料的充盈度,达到灌浆施工质量控制的目的。必须指出的是,灌浆料充盈度的检测虽然参照混凝土超声检测技术的原理但不等同于混凝土缺陷的检测,利用现有的超声波设备可满足混凝土缺陷的检测,但是并不完全适用浆锚灌浆料充盈度的检测。灌浆料充盈度的检测有其特殊性,比如:缺陷的当量,浆锚孔中灌浆料缺陷比混凝土中的缺陷小得多;但有利的是装配式建筑浆锚节点处的超声测距通常较短。据此,采用高频、小直径辐射端面的换能器是必须采取的技术手段。在超声法检测灌浆料充盈度的研究过程中经过不断摸索、已经研制定型如图2钢尺下面的一款辐射端面直径7mm、频率250kHz~500kHz的换能器。此外,当用于预制剪力墙底部水平粘接缝灌浆料充盈度检测的场合,亦研发了如图2钢尺上面的一款便于操作的卧地放置的换能器,使用前期研发的换能器,检测人员在每个测点要同时兼顾上下、左右二维方向,采用卧地式超声换能器,检测人员只需要掌控水平移动左右一维方向,置地后只需稍加推力即可,检测实践证明,卧地式超声换能器检测剪力墙底部连接水平接缝灌浆质量,具有检测时摆放稳定可靠,移动时顺畅快速,方便耦合,减少操作失误,省时省力等优点。该卧地式超声换能器已经申报了发明专利。

高频、小直径辐射端面的换能器

图2 高频、小直径辐射端面的换能器

3 浆锚施工节点灌浆料充盈度检测方法

       按照装配式建筑预制构件浆锚连接钢筋容纳孔的高度可以分为短孔道浆锚和长孔道浆锚两种。


3.1短孔道浆锚

       短孔道浆锚相似于套筒,在浆锚孔道的上下各有一个出浆口和注浆口。众所周知,超声检测选择超声波换能器的频率越高,其波长越短、检测灵敏度越高,但高频成分易被衰减、传播距离越小[2]。鉴于目前工程中浆锚构件厚度方向的检测距离通常只有200mm,根据笔者前期研发中现有的数种频率换能器的检测试验比对结果,浆锚施工节点充盈度检测较好选择了端面辐射直径为10mm;发射500kHz、接收250kHz组合频率的换能器。250kHz比通常的混凝土检测用的50kHz换能器的工作频率高很多、波长缩短五分之四。图3为短孔道浆锚采用超声波同心圆等距斜对测方法示意图。短孔道浆锚检测采用超声波同心圆“一发八收”等距测量方法。如图3(a)所示,同心圆法将发射~接收换能器分别布置在板厚的二侧,同心圆法在圆心位置发射,8个超声波接收点在发射点相对的构件反面的同心圆圆周上呈米字形分布。同心圆直径为60mm,在每个浆锚节点布置8对测点,即出浆口的水平方向上有2对,水平线上、下各有3对测点(见图3(b)中同心圆R0上的3个R1、2个R2以及3个R3),比对这8对测点超声检测的声学参量,可判断该浆锚施工节点的充盈度。在工程检测中,也可以把N个浆锚节点水平线上、中、下各R1、R2、R3测点相应的超声检测声学参量进行统计对比得出判断结果。

       本文同心圆的直径取60mm,其设计的思路是当浆锚节点位于板厚的中间,此时板厚二分之一处的超声测点声通路围成的同心圆直径约30mm,通常浆锚孔径为40mm左右,超声波的主声束正好涵盖在浆锚孔径中。起先曾考虑在同心圆的上下左右简单布置超声测点各1点,亦可以将检测数据进行比对分析,但按图3(b)的换能器8点布置法,水平线上、下的检测数据增加为原先3倍比对的信息量,且采用在构件一侧的同心圆圆心发射,在构件另一侧同心圆的圆周上接收的斜对测法超声检测,亦能增加超声波声束在灌浆料中通过的路程。此外,尝试过直径为40mm的同心圆,但检测效果不如60mm的直径。本文同心圆的直径取60mm是针对板厚为200mm的构件,如果板厚不同时,则可根据检测构件尺寸设计相应直径的同心圆。


3.2长孔道浆锚

      通常长孔道浆锚的高度超过500mm,且通常如图4所示在板厚方向被设计成双排浆锚形式。

长孔道浆锚节点超声检测方法示意图

图4 长孔道浆锚节点超声检测方法示意图


      浆锚孔由厚度0.3mm、直径40mm~50mm的薄铁皮波纹管制作成型,两根波纹管的下端与构件的底面平行;其上端一根低、一根高弯成直角伸向构件的侧面,被分别形成注浆口和出浆口。超声测点上下间隔100mm、布置在那根较低波纹管水平弯起端的下方,编号分别为1、2、3、4、5。检测时可以仅水平方向超声波发射~接收对测,对浆锚充盈度有疑或者必要时可补充发射~接收交叉斜测的超声测点,以利判断是哪根波纹管漏灌或者充盈度不足。图4为长孔道浆锚节点剖面及超声检测方法示意图。


4 灌浆料充盈度试验及工程检测实例


4.1短孔道浆锚同心圆法试验

      模拟短孔道浆锚超声试验用的试件成型尺寸长宽高为200mm×200mm×350mm。试件制作时,先在试模的中央放置直径为35mm的波纹管,混凝土浇注后适时将波纹管抽出,再插入16mm钢筋,浇注灌浆料固定钢筋在试件高度的一半左右。超声试验时,先在试件侧面标出灌浆料的高度,且作为同心圆的圆心水平面。模拟短孔道浆锚超声试验用的试件的检测数据见表1。如前所述,同心圆水平线位于灌浆面,表1中测点序号01、02、03是同心圆水平线上部的3对测点,其声速平均值为4.476km/s、波幅平均值为53.02dB ;04、05为同心圆水平线上的2对测点,其声速平均值为4.529km/s、波幅平均值为46.83dB; 06、07、08是同心圆水平线下部的3对测点,其声速平均值为4.606km/s、波幅平均值为55.62dB。检测数据的平均值表明同心圆水平线上未灌浆部位的01、02、03测点声速的平均值要比灌浆部位的06、07、08测点声速的平均值低0.13 km/s。

表1      35mm  浆锚孔径试件同心圆发试验数据

35mm 浆锚孔径试件同心圆发试验数据

       表1中试件的浆锚孔径为35mm,当浆锚孔径增大时,试验表明同心圆水平线上、中、下测点的对比效果更好。在采用外径48mm脚手架钢管制作、模拟成浆锚孔径的试件上分别采用了不同频率的换能器试验。采用500kHz~250kHz、250kHz~250kHz、100kHz~100kHz各组合换能器检测的声速、波幅数据见表2。


表2  48mm 浆锚孔径试件同心圆法试验数据

48mm 浆锚孔径试件同心圆法试验数据

       选用不同频率组合换能器的对比结果表明:换能器频率发射500kHz~接收250kHz组合的检测效果建议,下3点、中2点与上3点的声速值与波幅值的区别比较大;发射与接收为250kHz的组合也好;发射与接收100kHz的组合的规律相对差一些。


4.2长孔道浆锚灌浆料充盈度检测


4.2.1现场检测

       图5为某工地长孔道浆锚检测的现场实景照片。对应浆锚竖孔从左到右布置四条超声测线,编号分别为001、002、003、004。图6为每条测线上超声测点示意图。为了比对超声数据,相应多布置了一些测点,测点编号从上到下为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。其中1、2、3测点位于波纹管的上方,即超声波在混凝土中传播与浆锚节点无关;4、5测点布置在高、低两根波纹管伸出口之间,即超声路径通过了一个浆锚孔;6、7、8、9、10测点位于低端波纹管伸出口的下方,即超声路径通过了2个浆锚孔。表3为工地现场长孔道浆锚节点001、002、003、004四条测线超声测点的检测数据。

表3  工地现场长孔道浆锚的检测数据

工地现场长孔道浆锚的检测数据

4.2.2数据处理分析

      把表3中四条测线上共计40个超声测点归类,即位于波纹管上方编号为01、02、03计12个测点,其声速平均值为4.690km/s、波幅平均值为58.86 dB;位于高低两根波纹管横向伸出口之间编号为04、05计8个测点,其声速平均值为4.468km/s、波幅平均值为51.54 dB;位于2根波纹管伸出口下方编号为06、07、08、09、10计20测点,其声速平均值为4.389km/s、波幅平均值为48.98 dB。图7是与表3 中测点序号对应的全部40个超声测点的波列视图。


超声测点的波列视图


图7  超声测点的波列视图


      撇开-01~-05在构件上或浆锚孔内没有钢筋部位的超声测点,表3中四组-06~-10的20个数据中有一些测点的数据明显偏小,按照《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS 21:2000:将20个声速数据由大至小排序后,判别拟定排序在后有4个可疑测点,可疑数据中最大的声速是4.274 km/s,则17个数据的λ1取1.60、其声速平均值为4.419 km/s、声速标准差为0.0827 km/s,计算得声速异常情况的判断值(X0)为4.287 km/s。对应图7的波列视图,这些数据明显偏小的测点的波形前几周波几乎没有起伏、呈水平的直线。依据 “声速、波幅、波形”等声学参量作为灌浆料充盈度的判别原则,按照《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CECS 21:2000可以判断001、004测线的孔道浆锚灌浆质量可疑。图8举例了差的典型001-07、001-10、004-06以及作为比对正常的004-02测点的超声波形。

4.2.3实体开凿验证

       检测1周后工地根据检测报告结果对剪力墙实体开凿验证。图9是超声检测判断为缺陷部位开凿验证的照片。图9(a)为构件前面004测位(波纹管伸出口低的那根浆锚孔)开凿验证的照片;图9(b)为构件后面001测位(波纹管伸出口高的那根浆锚孔)开凿验证确认是浆锚孔内灌浆料被漏灌(波纹管内钢筋裸露可见)的照片。针对装配式混凝土建筑灌浆料充盈度质量的判断,这可能是国内首例采用超声波检测技术、配置高频、小直径辐射端面的换能器在工程实体上成功检测的教案。

4 结论

        (1)本研究成果具有无损检测的技术特点,填补了装配式建筑混凝土构件浆锚灌浆施工质量超声检测方法的空缺,该方法为装配式混凝土建筑的质量控制及其检测技术体系的建立提供了有效的技术手段。


       (2)本文提出的装配式建筑混凝土上下两块预制构件浆锚施工节点以及可扩展为构件间水平粘结缝中灌浆料充盈度的超声波检测方法[3],适用于预制剪力墙连接施工二维节点(垂直与水平方向)灌浆料充盈度的超声波检测。其中,超声波同心圆等距检测方法是在传统的超声检测技术上的创新。


       (3)采用高频、小直径辐射端面的换能器是针对灌浆料充盈度检测必须采取的技术手段,针对装配式混凝土建筑灌浆料质量检测研发的换能器具有波长短、探伤灵敏度高的技术特点。依据“声速、波幅、波形”检测浆锚灌浆料充盈度的判别原则,能有效判断装配整体式混凝土建筑灌浆施工的缺陷位置和程度。


      (4)本方法的检测部位以及检测比例可以根据实际需要任意选取,对于备有超声波检测仪且具有主体结构超声检测资质的机构单位,该方法的现场检测几乎没有材料成本。


参考文献

[1] 王文明. 新编建设工程无损检测技术发展与应用[M]北京:中国水利水电出版社,2012:179-213


[2] 王文明. 新编建设工程无损检测技术发展与应用[M]北京:中国水利水电出版社,2012:423-427


[3] 高润东,李向民,童寿兴,张富文,刘辉,许清风.基于改进超声法的预制剪力墙底部接缝灌浆缺陷检测技术研究[J].北京:施工技术,2017:9 .


作者简介:童寿兴(1952—),男,同济大学副教授,E-mail:13391165303@126.com 。  




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