装配式建筑浆锚连接质量的冲击回波等效波速法检测试验

赵仲杰，顾 盛2，潘永东

(1.同济大学 航空航天与力学学院，上海 200092；2. 昆山市建设工程质量检测中心，苏州 215337)

浆锚连接是装配整体式混凝土结构的一种连接方式，用于受力钢筋的连接。其工作原理是：预制构件底部留有孔道，孔道边预埋钢筋、螺旋箍筋或波纹管。灌浆作业时，将待连接构件的钢筋插入预留孔道内，在孔道内灌浆锚固该钢筋，使其与孔道旁边的纵筋形成搭接。两根搭接钢筋再被预埋的箍筋或波纹管约束，由此传递钢筋的轴向力。目前由于缺乏成熟的浆锚连接质量的无损检测技术，装配式建筑的质量验收受到制约。因此，亟需开发一种高效准确的无损检测方法，来对浆锚连接质量进行评估。

近几十年来，国内外针对预应力孔道灌浆密实性的检测相继进行了大量的试验研究，目前应用较多的方法有取芯法、雷达监测法、射线检测法、超声波检测法、冲击回波检测法等。自从20世纪康奈尔大学开展了冲击回波法的研究以来，冲击回波法发展迅速，且作为混凝土管道灌浆缺陷检测最有效的方法，已被行业内普遍认可，美国国家标准技术研究院在20世纪 80年代中期率先提出应用冲击回波法对混凝土结构和砌体结构进行无损检测评估。COLLA[1]在2003年，通过冲击回波法成功计算了含有金属管道的后张拉混凝土梁的厚度，并对管道内的空洞进行识别，准确地评价了管道的灌浆状况。2005年，OLSON等[2]采用冲击回波法检测评估了后张混凝土桥梁的桥面状况以及桥体内预应力管道的灌浆质量，得到了较好的结果。而国内对于冲击回波法的研究起步较晚，主要集中在混凝土厚度检测、裂缝检测方面，对预应力混凝土内部孔道灌浆密实度检测的研究则较少。刘洋希[3]运用该法对未灌浆、灌浆密实、部分灌浆三种不同灌浆情况、不同材料的管道进行试验检测，发现管道缺陷及埋置深度均可检测得到，管道内钢筋束信号不明显。王卓琳等[4]通过冲击回波等效波速法分别对波纹管约束与螺旋箍筋约束的浆锚搭接试件进行试验，结果表明该法在一定程度上可以发现灌浆不密实的情况，但对灌浆段和非灌浆段的界面判断不够准确。袁曙辉[5]通过检测箱梁腹板、顶板、底板模型的管道灌浆质量，发现灌浆管道内钢筋束的埋置深度并不一定能检测出来。

笔者通过室内试验检测，采用冲击回波等效波速法分析不同工况试件中管道的灌浆质量，判断灌浆质量的影响因素，评估工况灌浆饱满度，为冲击回波法应用于工程实践提供可行性研究。

1 测试方法

1.1 测试原理

冲击回波法是根据应力波在固体介质中的传播理论发展而来的，基本原理是在被测构件的表面施加一个瞬时冲击，产生频率较低的应力波在构件内通过界面反射来回传播，从而在构件表面形成一个瞬时的类谐振条件。若将传感器放置于激励设备附近，便可接收到应力波在多次反射下的振动信号。

图1 冲击回波等效波速法检测原理示意

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，该方法的基本原理(见图1，图中MEM为信号处理所用的最大熵法;f1,f2,f3为3种不同工况下得到的信号主频)为：冲击应力波在缺陷部位会发生绕射，到达构件底部时再反射回来，传播路径延长，造成传播时间也延长，相应的应力波等效波速降低；而当灌浆密实时，应力波等效波速与构件密实处的近似相同。

通过频谱图主频的变化及式(1)的计算可以更直观地判断波纹管内部的灌浆质量情况[6]。

T=βCp/(2fT)

(1)

式中：β为几何结构形状系数，板状结构取0.96；Cp为标定的等效波速；fT为频谱图中的峰值频率；T为构件厚度。

1.2 测试步骤

对浆锚构件测试前，在构件没有波纹管且不受混凝土结构边界影响的位置进行波速标定，标定数据不得少于46个。同时应保证检测部位混凝土表面平整，且不应有蜂窝、孔洞等外观质量缺陷,必要时可磨平或使用耦合剂。此外，周围不宜有机械振动和高振幅电噪声干扰。

测试时，测点间距为5 cm，由下往上在浆锚管中心处沿长度方向布置测线，每测点采集3组数据。为避免边界效应，所有测点应避开构件边缘，距离不应小于构件厚度的0.3倍。

一条测线上所有测点数据采集完成后，即可对测试数据与正常混凝土测试数据进行频谱解析并反映传播时间的变化，当被测点应力波传播时间大于正常混凝土测点应力波传播时间时，可判断该测点处存在灌浆缺陷。

1.3 频谱解析

信号处理所用的最大熵法(MEM),相比常规的傅里叶变换(FFT)法，具有频谱分辨率高、适用于短数列等特点。其原理是：当应力波在混凝土的结构中传播时，遇到波阻抗发生变化的界面或边界，会在这些界面处不断发生反射和透射，从而在结构表面形成一个瞬时的类谐振条件。若将传感器放置于激励设备附近，便可接收到应力波在多次反射下的振动信号。通过MEM法将其转化为频域信号，可得到一个对应于构件厚度的“厚度频率”，该频率的倒数则对应应力波往返传播一次的周期。因此，当构件中存在缺陷或灌浆不密实时，应力波往返一次的时间延长，导致频谱图中主频降低，从而使得由式(1)计算得到的厚度要比实际厚度大。

2 试验制备与试验结果

2.1 试验制备

为了模拟实际装配式混凝土结构中的浆锚连接质量，试验共设计了9种不同工况的构件，试验现场与构件实物如图2所示。不同构件的工况设计及浆锚波纹管尺寸如图3，表1所示，其中构件S-6深色部分表示距测试面较远的一排波纹管的灌浆高度，构件S-4，5，8，9中放置密封吸管模拟小缺陷。

图2 测试现场与构件实物

图3 不同波纹管构件剖面示意

表1 不同波纹管构件的工况设计

构件编号构件尺寸(高×宽×厚)/mm波纹管直径/mm工况S-1,S-2800×1 000×200423列波纹管灌浆高度不同S-3800×1 000×200423列波纹管灌浆高度不同;波纹管内无钢筋S-4800×700×200502列波纹管全灌浆,波纹管内预制50,100 mm高的缺陷S-5800×700×200左42,右502列波纹管半灌浆,波纹管内预制50 mm高的缺陷S-6800×1 000×20042双排波纹管,3列波纹管灌浆高度不同S-7800×700×30050距正面200 mm处有一保温层,2列波纹管灌浆高度不同S-8800×700×20042波纹管内预制100 mm高的缺陷,一根波纹管外有螺旋箍筋S-9780×700×200422列波纹管灌浆高度不同,一根波纹管内预制50,100 mm高的缺陷

2.2 试验结果

2.2.1 试验结果

构件波纹管内灌浆高度、缺陷(空腔)位置及长度，可以根据等值线云图(见图4)直接获取，其中：横轴(水平轴)表示测试结果的厚度，m；纵轴(垂直轴)表示测试的测点位置，m；红、黄色部分表示能量集中区域，其与激振点所在平面的垂直距离按式(1)计算；蓝色实线为构件的实际厚度。

图4 各构件的检测结果

2.2.2 试验分析

(1) 对于灌浆高度不同的构件，可以看到图4(a)在距底部470 mm处，厚度开始向高处偏移，证明此处开始波纹管内未灌浆，而使得信号主频降低，通过式(1)换算得的厚度偏高，与实际480 mm误差为2.08%，测试效果良好。同样，图4(b)中，测试结果与蓝色实线吻合良好，说明此根波纹管灌浆饱满。以上现象说明冲击产生的弹性波对于外壁为金属的波纹管具有很好的穿透性能，检测结果不受波纹管壁的影响，检测效果较好，整体检测效果与实际相符。

另外，由图4(c)可见，对于波纹管内无钢筋的S-3号构件，冲击回波法可有效判断波纹管内是否灌浆以及灌浆高度，但是无法确认是否有钢筋存在。

(2) 对于预埋在波纹管内的小缺陷，如图4(d),(e),(i),(j)所示(小缺陷位置由绿框标出),不论是42 mm还是50 mm直径的波纹管，使用单点式冲击回波法均能有效识别出50,100 mm高的缺陷，在测试云图中表现为式(1)计算得到的名义厚度偏小。但是，通过云图仅能判断缺陷存在，无法确定小缺陷所处的深度。此外，在精度方面，云图所示的结果也与缺陷实际大小与定位存在一定误差。如S-8号构件一号波纹管内实际缺陷位置为距底部260360,430530,560660 mm，但是检测结果显示缺陷存在于距底部260340,430470,560660 mm处，对于缺陷大小的判断误差在可接受范围内。但是对S-4号构件二号波纹管内的测试结果显示缺陷存在于距底部370470 mm和540640 mm处，与实际255355 mm和580630 mm处的误差较大，判断是灌浆不密实形成空洞、预设缺陷叠加或波纹管干扰造成。

另外，图4(j)所示的S-8号构件二号波纹管的测试结果表明，波纹管外的螺旋箍筋会使测试云图计算的名义厚度范围扩大，但仍与实际相符，对实际检测影响不大，且能准确识别缺陷所在位置及其大小。

(3) 双排波纹管的灌浆质量检测结果如图4(f)，(g)所示。从图4(f)中可判断波纹管内为空，从而导致厚度向高处偏移，但无法区分具体孔道。图4(g)显示的整体信号较为杂乱，可能是灌浆质量存在问题所致，在距底部400670 mm处(绿色方框)出现如前文所述的小缺陷对应的云图情况，与实际一根波纹管灌浆到400 mm,一根到600 mm处较为吻合。

(4) 当在构件内预制夹心保温层时，如图4(h)所示，在距底部430 mm往上部分厚度向高处偏移，判断波纹管内为空。此外，与图4(a)，(b)对比可知，夹心保温层的存在使得云图显示的厚度特征不稳定，大部分弹性波在距检测面200 mm厚处的夹心保温层处反射，无法作为有效的判断依据。

3 结论

运用单点式冲击回波等效波速法对装配式混凝土浆锚连接试件进行了测试，对测试结果分析后得到以下结论。

(1) 对于单排浆锚，单点式冲击回波等效波速法可有效检测灌浆饱满与否，所识别的灌浆高度与实际情况相符，但无法识别波纹管内是否存在钢筋。

(2) 对于单排浆锚设计有灌浆小缺陷的，测试图像均有所反映，即对于浆锚弹性波不仅能测试孔道是否饱满，也能反映浆料密实情况。

(3) 对于双排浆锚密实(饱满)或空均可以测试判定，不足的是无法确定具体孔道。在目前的技术条件下，可以采用弹性波法和内窥镜相结合的方法，对双排浆锚实施质量监控。弹性波测试没有问题的可认定没问题，对于有问题的，可以有针对性地开孔且采用内窥镜确认。

(4) 单排浆锚内预制夹心保温层和螺旋箍筋时，夹心保温层和螺旋箍筋的存在会对单点式冲击回波等效波速法的云图厚度特征产生一定影响，但无法作为有效的判断依据。