冲击回波法在套筒灌浆密实度检测中的试验

刘 辉,李向民,许清风

(上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

冲击回波法在套筒灌浆密实度检测中的试验

刘 辉,李向民,许清风

(上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

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，结果表明：对于套筒居中布置的试件，无论有、无分布钢筋的影响，冲击回波法均能对其密实度进行定性判断，但定量结果与实际情况存在一定误差；对于钢筋套筒双排布置的试件，测试结果尚难以定性判断钢筋套筒的灌浆区和非灌浆区。总体而言，冲击回波法测试套筒灌浆密实度具有一定的可行性，但尚应在测试方式、分析方法等方面开展进一步的工作,以提高检测的精度和可靠性。

冲击回波法；灌浆套筒；灌浆密实度；检测

我国近年来正在大力推广建筑工业化的发展，从中央到地方密集出台了大量鼓励、引导、扶持和推广装配式建筑发展的政策文件和具体措施，装配式混凝土结构作为主要结构型式已在新建建筑中逐步推广。目前，国内装配式混凝土结构中的受力钢筋普遍采用套筒灌浆连接。由于钢筋套筒灌浆连接构造复杂，其内部缺陷的检测技术一直没有突破，成为国内外公认的难点。随着我国装配式混凝土结构的不断推广应用，研发出有效检测钢筋套筒灌浆连接内部缺陷的方法显得尤为急迫。

冲击回波法(Impact-echo Method，简称IE法)是由美国康奈尔大学(Cornell University)和美国国家标准与技术研究院(NIST)在20世纪80年代提出的一种混凝土无损检测方法[1]，其采用的冲击弹性波具有能量大、穿透力强、卓越频率分布广、现场操作方便等特点[2]，在土木工程中得到了广泛应用。2000年，冲击回波法被美国材料与试验协会(ASTM)确定为标准试验方法[3]。随着技术的不断成熟，JAEGER等[4]首次运用冲击回波法对预应力孔道内部的缺陷进行了检测，初步分析验证了该方法检测后张预应力孔道灌浆密实性的可行性。英国、意大利、日本等国也开始了对冲击回波法的研究并取得了一定的成果，HILL等[5]进行了冲击回波法检测后张预应力孔道灌浆密实性的试验，COLLA等[6]提出了两个灌浆孔道上混凝土厚度值计算的修正公式，OSLN等[7]运用冲击回波法成功评估了预应力管道灌浆情况和混凝土桥面的病害，YAMADA等[8]进一步发展了冲击回波法评定孔道灌浆的扫描成像技术。20世纪80年代末，南京水利科学研究院率先在国内开始了对冲击回波法的研究[9]，并研发了一套用于混凝土结构厚度及内部缺陷探测的系统——IES-A型冲击反射测试系统。近年来，国内开展了大量基于冲击回波法的混凝土缺陷、预应力孔道灌浆和钢管混凝土密实性等的工程质量检测研究与应用，并取得了一定的效果[10-13]。此外，庞涛等[14]还采用冲击回波法对装配整体式剪力墙结构的浆锚连接节点密实度进行了检验，模型试验结果表明该方法对于测定浆锚节点的注浆密实情况和缺陷位置是可行的。

目前，基于冲击回波法的钢筋套筒灌浆密实度检测的研究未见报道。基于此，笔者拟通过不同型号、不同灌浆密实度套筒试件的验证性试验，开展基于冲击回波法检测钢筋套筒灌浆密实度的研究，以期为可能的工程应用提供技术依据。

1 试件设计

试验共设计了两类试件：Ⅰ类为套筒+外浇素混凝土，共3个试件，主要考察冲击回波法在无钢筋干扰下对套筒灌浆密实度的检测效果；Ⅱ类为套筒+外浇混凝土且混凝土中配置分布钢筋，共5个试件，主要考察冲击回波法对于实际工程中的套筒灌浆密实度的检测效果。套筒基本性能满足JG/T 398-2012《钢筋连接用灌浆套筒》要求，灌浆料基本性能满足JG/T 408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》要求，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400。各试件的灌浆料用量按照设计密实度乘以100%密实度时所用灌浆料体积确定，且各试件均为竖向灌浆。试件基本信息如表1所示。各试件设计如图1所示，试件设计参考了行业标准JGJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》、国家标准图集15G365-1《预制混凝土剪力墙外墙板》和15G365-2《预制混凝土剪力墙内墙板》等。

表1 试件的结构信息

2 测试方法

测试采用四川升拓检测技术股份有限公司研发的预应力多功能无损测试仪(SPC-MATS)。该仪器可选用改进IE法、冲击回波等效波速法(IEEV法)和冲击回波共振偏移法(IERS法)。由于试件厚度是已知的，故选用IEEV法，其测试原理为：通过沿着套筒正上方的连续激振，激振的弹性波经过套筒内部非密实区时将发生绕行，从试件底面反射回来所用的时间将比灌浆完好的地方长(见图2)，从而判断出钢筋套筒灌浆的密实区段和非密实区段。

在此试验中，测线为沿套筒方向的直线，测点间距设置为20～50 mm，具体间距根据套筒长度调整，套筒有效灌浆长度范围测点不少于3个，每个测点激振2次。激振位置与传感器间距保持20～50 mm，测点布置完成后，可以将下一个测点作为上一个测点的激振点，如图3所示，测试由下至上进行。

图1 各试件设计图

图2 IEEV法测试套筒灌浆密实度基本原理示意

图3 套筒灌浆密实度测试方案

3 测试结果与分析

第Ⅰ、Ⅱ类试件的照片及套筒灌浆密实度的冲击回波法的检测结果如图4所示，其中各试件的检测方向均为从灌浆孔往出浆孔方向。试验结果中的纵坐标表示测试的长度(纵坐标为0，表示为起始测点)，横坐标则表示弹性波经历的路程(软件中按除以2处理，以便与试件厚度对应)，由于波速为事先标定好的确定值(试验中为4 000 m·s-1)，故横坐标所示实际为弹性波往返所用时间的一半。图中的蓝色竖线为基准线，其对应的横坐标为试件厚度，当红色频谱横坐标超过蓝色基准线时，表示弹性波往返所用时间大于其在无缺陷区的时长，说明该区域为不密实区；当红色频谱横坐标与蓝色基准线重合时，表示弹性波往返所用时间等于其在无缺陷区的时长，说明该区域为密实区。其中SC1设计密实度为30%，测试显示约66%的密实度;SC2设计密实度为60%，测试显示约76%的密实度;SC3设计密实度为100%，测试显示100%的密实度;GSR1设计密实度为60%，测试显示约40%密实及约12%过渡段;GSR2设计密实度为100%，测试显示100%的密实度;GSR3设计密实度为60%，测试显示约47%密实及约15%过渡段;GSR4设计密实度为60%，无法区分下部的密实段和上部的非密实段;GSR5设计密实度为60%，无法区分下部的密实段和上部的非密实段。

图4 各试件照片及测试结果

从图4可以看出：

(1) 当测点距离边界小于5 cm左右时，该点能量频谱受试验构件边界影响大，由于试验中试件GSR1～GSR5的长度等同于其内套筒长度，故有比较明显的边界效应，分析时应剔除上、下边缘处的影响。

(2) 对于套筒居中布置的试件，无论是无钢筋干扰的试件SC1SC3，还是包含分布钢筋的试件GSR1～GSR3，冲击回波法均能够大致定性地判断出钢筋套筒内部的灌浆是否密实，但对于灌浆密实度定量测试结果的误差有时较大、有时较小，这种差异可能是由于测点间距、测点处接触面粗糙度和套筒壁厚与孔径比等不同而引起的。

(3) 部分套筒居中布置的试件的测试图谱中的密实区与不密实区间存在较为明显的过渡段，考虑到实际注浆条件(竖直灌浆，上部处于自由状态等)，过渡段有浆料但浆料不够密实的可能性是存在的。

(4) 对于双排梅花布置和双排对称布置的套筒试件GSR4和GSR5，测试结果并不理想，甚至难以定性地区分出套筒内部的灌浆密实区和不密实区，其主要原因和解决方法需要进一步研究。

4 结论

(1) 对于钢筋套筒居中布置的灌浆套筒试件，无论有无分布钢筋影响，冲击回波法均能对其灌浆密实度进行定性判断，但其检测结果存在一定误差。

(2) 对于钢筋套筒双排布置的试件，测试结果尚难以定性判断钢筋套筒灌浆的密实区和非密实区，有待对冲击回波法进行深入的研究。

(3) 采用冲击回波法测试套筒灌浆密实度具有一定的可行性，在一定条件下的测试结果较好，但还需在测试方式、分析方法等方面开展进一步研究以提高其精度和可靠性。

致谢:在测试过程中得到了四川升拓检测技术股份有限公司吴佳晔总经理和张远军工程师的帮助，特此致谢！

[1] CARINO N, SANSALONE M, HSU N. Flaw detection in concrete by frequency spectrum analysis of impact-echo waveforms[J]. International Advances in Nondestructive Testing, 1986, 12: 117-146.

[2] 吕小彬，吴佳晔. 冲击弹性波理论与应用[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2016.

[3] ASTM C1383 Standard test method for measuring the P-Wave speed and the thickness of concrete plates using impact-echo method[S].

[4] JAEGER B, SANSALONE M, Poston R. Using impact-echo to assess tendon ducts[J]. Concrete International-Design and Construction, 1997, 19(2): 42-46.

[5] HILL M, MCHUGH J, TINNER J. Cross-sectional modes in impact-echo testing of concrete structures[J]. Journal of Structural Engineering, 2000, 126(2): 595-597.

[6] COLLA C. Improving the accuracy of impact-echo in testingpost-tensioning ducts[C]∥AIP Conference.[S.l.]:[s.n.], 2003: 1185-1192.

[7] OLSON L, TINKEY Y, MILLER P. Concrete bridge condition assessment with impact echo scanning[C]∥Geohunan International Conference. [S.l.]:[s.n.], 2011: 59-66.

[8] YAMADA M, TAGOMORI K, OHTSU M. Identification of tendon ducts in prestressed concrete beam by SIBIE[M]. Nondestructive Testing of Materials and Structures, Netherlands: Springer, 2013: 59-65.

[9] 罗骐先, 傅翔, 宋人心. 冲击反射法检测混凝土内部缺陷与厚度的研究[J]. 混凝土, 1991(6): 25-27.

[10] 肖国强, 陈华, 王法刚. 用冲击回波法检测混凝土质量的结构模型试验[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(S): 1790-1792.

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[12] 张东方, 王运生. 冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究[J].工程地球物理学报,2009,6(3):364-367.

[13] 朱绍华. 冲击回波法对钢桥面铺装层质量的检测[J]. 无损检测, 2015, 37(4): 66-68.

[14] 庞涛, 栾文彬. 装配整体式剪力墙结构的新型连接节点施工[J]. 建筑施工, 2015, 37(5): 568-570.

Test on Detection of Grouting Compactness of Grout Sleeve by Impact-echo Method

LIU Hui, LI Xiang-min, XU Qing-feng

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China)

A series of experiments on grout sleeve specimens with different types and different grouting compactness were carried out based on impact-echo method. Test results show that the impact-echo method is able to give a good qualitative judgment for specimens with the steel sleeve in the middle, with or without reinforced bars, but there are some errors in the quantitative analysis between the test result and the actual situation. For specimens with grout sleeve double row arrangement, it is difficult to distinguish the grouting zone and the non-grouting zone based on the test results. Overall, the impact-echo method is feasible to detect the grouting compactness of grout sleeve to some extent, but some further research on the testing and analysis method is still needed for its accuracy and reliability to be improved.

Impact-echo method; Grout sleeve; Grouting compactness; Detection

2016-11-01

上海市科委资助项目(15DZ1203506)；上海市住建委资助项目(建管2016-001-001)

刘 辉(1979- )，男，硕士,工程师，主要从事建筑工业化检测的研究。

李向民，E-mail：13601902634@163.com。

10.11973/wsjc201704003

TG115.28；TU758.14

A

1000-6656(2017)04-0012-05