基于冲击回波等效波速法检测套筒灌浆缺陷的技术研究

赵量，吴志新，孟威，魏广硕

（安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）

关键字：灌浆套筒；无损检测；灌浆缺陷；冲击回波法

1 引言

近年来，装配式混凝土结构发展迅速，但是也存在很多制约其发展的因素，其中装配式构件之间的接连便是关键因素之一。钢筋套筒灌浆连接是在装配式混凝土结构常用的钢筋连接方式，套筒灌浆连接为隐蔽工程。钢筋套筒灌浆连接结构为多层金属和非金属介质交替：套筒外部为混凝土，内部为连接钢筋，套筒和钢筋之间的空腔灌注高强无收缩灌浆料完成上下两个构件的连接。灌浆质量直接影响其连接处的受力性能以及结构的整体稳定性[1]。因此，需要一种行之有效的方法在不破坏原有结构的前提下来对套筒内部的灌浆质量进行鉴定。

冲击回波法（Impact-echo Method，简称IE法）是目前应用较为广泛，冲击回波法曾被加拿大学者马尔霍察列为最有前途的现场检测方法之一。在20世纪80年代，美国康奈尔大学（Cornell University）和美国国家标准技术研究院（The National Institute of Standards and Technology，NIST）率先提出运用冲击回波法（Impact-Echo，IE）对混凝土和砌体结构进行无损检测评估。美国的Sansalone和Carino在上世纪80年代末，将冲击回波法由波形判断测试缺陷转换到解析波形的频率来判断是否存在缺陷，使得冲击回波法取得了突破性的进展，使得该方法开始应用在现场测试阶段。20世纪 90年代，Cario教授和 Marry Sansalone教授相继发现冲击回波法由于其良好的穿透性，在用于检测灌浆管道内部灌浆缺陷时具有一定的可行性，利用不同介质波阻抗不同所以在不同介质交界面应力波会发生相位的改变的，得到的频率不同的性质，并通过大量试验总结出了波速和板厚的标准，并成功地运用于工程实践中[2]。美国佛罗里达大学Rinker教授等研究指出，IE法是最有能力评估孔道壁为铁质的孔道内压浆情况的方法[3]。

2 冲击回波等效波速法

2.1 基本原理

冲击回波法在检测过程中不受金属物的影响，避免了超声波测试中遇到的高强信号衰减和过多杂波干扰问题，检测条件相对宽松。随着冲击回波法的进一步发展，冲击回波等效波速法的概念被提出，该方法基本原理为：根据冲击弹性波在缺陷部位发生绕射，传播时间增长，相应的等效波速降低，以等效波速变化来判断灌浆质量情况。该方法可以更为直观的对套筒内部的灌浆质量进行判断，便于在实际工程应用中推广[2]。

其判断依据为：根据管道位置反射信号的有无以及弹性波在所测构件对边（相对于测试边的另一端）的反射时间的长短便可以判定灌浆缺陷的有无。当孔道灌浆存在缺陷时，可根据弹性波的反射特性来判断缺孔道内的灌浆质量状况。当击振的弹性波遇到试件内部缺陷时，激振的弹性波就会绕过缺陷到达测试面另一端，再经由另一端反射回来，同样需要绕过缺陷区域，这就造成弹性波的传播路径延长，由传感器接收到的弹性波时间也会变长，这便意味着弹性波在墙板传播过程中的等效波速降低。当孔道灌浆密实时，弹性波波速与构件密实处波速相近[4]。原理示意图如图1所示。本文主要研究冲击回波法应用于套筒灌浆缺陷检测在实际工程中的应用及其可行性分析。

2.2 测试仪器与方法

现场测试采用定位测试的方法进行，在灌浆套筒正上方沿套筒方向布置测线，并在测线区域套筒以外的墙板板中位置布置测点用作对比，定位测试示意图如图2所示。沿着套筒测线走向对套筒内部的压浆情况以扫描的形式进行连续测试，采取激振和受信方式通过反射信号的特性测试管道内部灌浆状况。当测点处于空孔道或有灌浆缺陷的孔道上方时，弹性波传播距离增加，时间延长。若套筒内部灌浆密实，相应的时间相对于墙板中心位置没有变化。通过相应的频谱解析方法对测试信号进行解析，可以敏感地反映该时间的变化。同时，根据测试情况与预先做好的缺陷作对比，以验证检测结果是否准确。

图1 冲击回波等效波速法原理示意图

图2 测点布置

2.3 频谱解析与结果判定

伴随着测试方法的改进与更新，检测波形的频谱解析方法同样取得了长足的进展。John Parker Burg于1967年提出MEM（最大熵）分析法，该方法最早用于地震波的解析，目前在无损检测领域有着较为广泛的应用。其原理为：弹性波在墙板两测试面往返传播，激发出墙板的瞬态振动响应产生共振，该振动的振幅（能量）最大，在频谱解析会出现与板厚相应的卓越频率或卓越周期，解析得出的卓越周期就是弹性波往返传播一次的时间[2][5]。如图3所示，其中图3（a）为检测波形图，图3（b）为MEM频谱解析结果。相应的卓越频率为0.105ms，弹性波波速经由现场实测确定，取墙板中心区域多次敲击结果解析得出的均值为弹性波在墙板中的传播波速，大小为3.9km/s，经计算可知板厚为205mm，实际墙板厚度为200mm，可以看出测试结果与实际结果符合较好。

3 工程应用

3.1 检测结果说明

图3 检测波形及解析

检测对象为某工程预制装配式住宅小区项目，上下层预制剪力墙之间采用灌浆套筒进行连接，墙板厚度为200mm。实际测试开始之前，对墙板中心区域进行检测并将结果作为判断灌浆是否存在缺陷的参照，为方便不同测点结果进行对比，测试结果采用彩色等值线图进行更为直观的表示，结果解析如图4所示。红色区域为能量最大区域，对应的时间为MEM频谱解析得出的卓越周期，为了更为直观的说明，将横坐标轴用厚度来表示。可以看出测试结果很稳定，弹性波反射时间对应的位置集中在板厚位置，该解析结果与实际工况符合很好。

图4 墙板中心区域检测结果

3.2 不同检测工况的检测

本次测试针对4种不同工况的套筒布置与灌浆情况进行了对比分析，在实际工程中套筒的位置不是固定不变的，根据预制构件的受力情况不同，套筒的位置布置也不相同。本次现场测试主要对套筒位于墙板不同位置时的瞬态响应来说明该方法用于实际工程检测中的可行性。图5为现场测线的布置与检测，不同工况检测结果解析见表1。

3.3 结果分析

图5 工程现场实测

不同工况检测结果解析 表1

从检测波形的解析结果来看，就单排套筒而言，若套筒内部灌浆密实无缺陷，经由频谱解析得出的结果与墙板中心区域结果一致，说明弹性波在经过套筒过程中传播路径没发生什么变化。对于双排套筒而言，套筒灌浆密实时，检测结果与墙板中心区域结果一致，同样具有良好的检测效果。以上现象说明冲击产生的弹性波对于外壁为金属的套筒壁具有很好的穿透性能，检测结果不受套筒壁的影响，检测效果理想，整体检测效果与实际相符。就这点而言，冲击回波等效波速法是优于另一种无损检测方法探地雷达法的，弥补了探地雷达法检测过程中无法排除金属材质干扰的缺点[6]。

此外，检测过程中当冲击点与接收点位于套筒远端和近端时，对检测结果的准确性没有影响。对于套筒未灌浆的工况，由于套筒内部没有灌浆，墙板根部与下层墙板质量是脱空的，测点位于脱空区域附近时，边界条件对测试结果产生干扰。测试得出的结果相对于实际情况出现延迟。为进一步分析该现象原因，对其他未灌浆的套筒进行了重复性测试。结果表明，当敲击点与接收点靠近脱空区域时，就会得出被边界干扰的测试结果。因此，在实际测试过程中可以由此判断墙体座浆部位是否存在脱空。另外，为保证检测结果的准确性，测试区域应距离试件边缘一定的距离。

3.4 影响因素

测试过程中需要考虑外部条件对于测试结果的影响。传感器需要在试件表面接收信号，所以试件表面的质量情况也对检测的数据和结果有一定的影响，混凝土表面应干燥、清洁、平整，不应有蜂窝、孔洞等外观质量缺陷。为了尽可能消除此类不利影响，测试前宜用砂轮磨平或者用高强度快凝砂浆抹平，采用砂轮磨平后应清除残留的粉末或碎屑。必要时可采用耦合剂粘结来保证传感器与混凝土测点表面紧贴。

此外，传感器接收到的波形信号是弹性波在墙板前后界面往复反射激发起的瞬态振动响应，但该振动具有一定的影响范围，当冲击点与传感器距离较远时，传感器接收到的信号强度较弱，且振动波形与冲击点附近可能会有偏差。因此，传感器与冲击点距离应处于一定范围内。冲击点位置与传感器的间距宜小于所测构件设计厚度的0.4倍，鉴于此次测试套筒尺寸较小，测试过程中测点布置较为密集，所以选取冲击点位置距传感器距离为1cm。

4 结论

①套筒灌浆连接是一种重要的预制装配式建筑构件连接形式，其灌浆质量状况是施工质量控制的重点。此次工程现场测试结果表明冲击回波等效波速法对于灌浆套筒的灌浆缺陷检测是可行的，并且准确性较高。冲击产生的弹性波具有很好的穿透性，套筒壁对于检测结果没有什么影响。

②通过MEM频谱解析对波形信号进行处理，解析结果直观，便于分析以及在工程实践中推广应用。检测过程不会对原有构件产生破坏，可进行多次重复性检测，保证了检测结果的准确性。

③目前该方法距离实际工程应还存在以下一些问题：a.检测结果精确度较低，目前对于直观的定性分析检测结果较好，难以对检测结果进行精确的量化分析。b.检测方法规范化问题，冲击回波等效波速法应用工程实践还处于初始阶段，缺少统一的操作规范作为参考，检测结果判断依据多为主观经验，并且，对于测试结果评定和合格率的设定没有统一的标准；c.测试试件边界对检测结果的影响的区域范围缺少用于判定的理论依据，主要凭借主观经验判断；d.缺少大量室内试验研究以及现场测试数据作为依据。该方法在工程检测中具有良好的检测效果，操作便捷，还是有很好的应用前景的。