基于TRIZ 理论装配式建筑套筒灌浆饱满度检测方法探讨

饶晓文；郭容宽

（广西机电职业技术学院建筑工程系，南宁530007）

0 引言

目前，国家着力发展低碳环保、经济适用的混凝土结构、钢结构等装配式建筑，预计未来10 年，在我国新建建筑中，装配式建筑比例将达到30%。装配式混凝土结构主要包括装配整体式混凝土结构、全装配混凝土结构等，当前应用较多的还是装配整体式混凝土结构，尤其是高层建筑。装配整体式混凝土结构预制构件与构件之间的连接是决定整体质量的关键。钢筋套筒灌浆连接技术是规范推荐的预制构件钢筋连接技术，也是目前国内外普遍采用的一种连接方式，但是在国内施工现场操作中，钢筋套筒灌浆连接接头的质量还不太稳定，容易出现填充不饱满的情况，因此急需有效的检测手段对其质量进行监控和检查。针对钢筋套筒灌浆饱满度检测的问题，比较准确的检测方法就是破损检测，但是会对结构造成一定的破坏。国内外的技术专家和学者也提出了一些无损检测的方法，主要有超声波检测法、工业CT 检测法、便携式X 射线技术、预埋传感器检测法、预埋钢丝拉拔法、内窥镜法、预成孔检测法、冲击回波检测法等，这些方法多少都存在一些问题，如：只能检测出浆口处的缺陷，检测成本较高，适用范围有局限性，复杂情况下检测不准确，对现场造成污染，不太适用于施工现场检测等[1-9]。

TRIZ 起源于前苏联，它是俄文“发明问题解决理论”的缩写。前苏联人根里奇·阿奇舒勒分析研究大量不同领域的专利，发现技术发展是遵循一定的客观规律的，创造发明是有规律可循的，从而总结出解决技术问题的思考方法，帮助人们搞发明，创造新产品[11]。TRIZ 理论并非一层不变，在根里奇·阿奇舒勒创立的经典TRIZ 理论的基础上，他的弟子将这一理论进行了扩展和补充，形成了现代TRIZ 理论体系，越来越多的专家学者开始研究这一理论，到目前仍处于发展之中。现今世界各大领先的企业都在运用TRIZ 理论解决技术难题，开发高质量的创新产品。因此我们可以将TRIZ 理论应用到套筒灌浆饱满度检测技术的研发中，帮助我们解决套筒灌浆饱满度检测的技术难题。由于TRIZ 理论在国内土木工程领域的应用较少，这一研究同时也为TRIZ 理论在土木工程领域的应用发展提供参考。

1 运用TRIZ 工具解决套筒灌浆连接饱满度检测问题

1.1 套筒灌浆连接饱满度检测问题的项目概况

钢筋套筒灌浆连接是在预制混凝土构件内预埋的金属套筒中插入钢筋并灌注水泥基灌浆料而实现的钢筋连接方式，简称套筒灌浆连接[13]。我们将套筒灌浆连接视为一个工程系统。

1.2 确定项目目标及问题的进一步描述

项目目标：一种钢筋套筒灌浆饱满度检测方法，方法简单有效，现场人员可以判断出灌浆料是否填充密实。

钢筋套筒灌浆饱满度检测，问题主要在于套筒预埋在预制构件中，套筒外有混凝土层包裹，灌浆完成后套筒不可见。灌浆料填充于套筒内，灌浆料外有套筒包裹，灌浆料也不可见。目前现场常用检验方法是灌浆料凝固后，取下排浆孔封堵胶塞，检查孔内凝固的灌浆料上表面应高于排浆孔下缘5mm 以上[12-13]。国内外的技术专家和学者也提出了一些无损检测的方法，这些方法多少都存在一些问题。该问题主要涉及施工现场操作、管理、监督人员。系统组件主要包括：金属套筒、连通腔、套筒内部空隙、上部预制构件、下部预制构件、PVC 管排浆口、PVC 管灌浆口、灌浆料、封缝料、橡胶塞。

1.3 分析问题的最终理想解

解决方案的理想愿景：灌浆料在连通腔和套筒空隙中自动填充密实或充盈程度显而易见，且没有其他任何有害的副作用，无需检测。

1.4 因果分析和资源分析

1.4.1 因果分析

对套筒灌浆饱满度难以检测的问题采用因果链进行分析，找出产生问题的潜在原因，如图1 所示。

创意解1：在制作预制构件时，选取1～2 个套筒，预先让套筒部分裸露，也就是其表面的混凝土保护层有一部分是缺失的，便于后续观察和检测，待灌浆检测完成后再将保护层补上。

通过因果分析，套筒单排布置或梅花形布置，构件尺寸较小等都有利于检测，不过在相关文献[5-6]中已有论述，此处不再赘述。

1.4.2 资源分析

对套筒灌浆料连接这一工程系统展开资源分析，寻找有利于检测的资源，如图2 所示。

创意解2：在套筒中浆料不易饱满的位置（如：套筒顶部）布置微型压力感应器，通过测试灌浆料凝固后产生的侧向压力来确定浆料是否填充饱满。

图1 因果链分析图

图2 九屏幕法

1.5 利用和查询科学效应知识库

科学效应知识库是将数学、物理、化学、土木等各个学科的效应收集整理而成的一个知识库，有助于我们突破个人知识和专业背景的局限，从而寻求问题的解决方案。

本文所研究的问题需要实现的功能是：如何检测灌浆料在套筒和连通腔内填充的饱满程度或者说如何检查套筒和连通腔中的空隙。通过查询《功能代码表》、牛津大学的Effects DATABASEYI 以及技术创新知识库Pro/solutions KB 等科学效应库找到实现功能的科学效应。

创意解3：在灌浆料中混入铁磁物质，通过探测铁磁物质来检测灌浆料的饱满程度。

创意解4：通过测量灌浆套筒的电阻值，将测量值与灌浆饱满的套筒电阻值进行比较，可以定性判断灌浆料填充是否饱满。

创意解5：通过测量灌浆套筒的阻抗，将测量值与灌浆饱满的套筒阻抗进行比较，可以定性判断灌浆料填充是否饱满。

创意解6：电阻层析成像技术（ERT）或电阻率成像（ERI），是一种新型无损检测技术，可以在不损坏原结构的条件下，通过电测量得到被检测物体的内部成像。

创意解7：电阻抗层析成像，一种医学成像技术，将导电电极附接到受试者的皮肤，并且将小的交流电施加至一些或所有电极，测量所得的电势。参考这一技术，考虑将导电电极接到套筒灌浆口和排浆口上，并将小的交流电施加至所有电极，测量所得电势，并与内部饱满的灌浆套筒进行比较。

1.6 技术矛盾分析（表1）

1.7 创新设计软件

使用国外某创新设计软件，绘制项目问题的功能模型图（如图3），根据软件提示产生解决问题的创意。

创意解9：用不同的频率振动套筒，直到产生共鸣反应，根据套筒的共鸣频率来估计灌浆料的饱满度。

创意解10：在套筒中容易填充不到位的地方，先涂上可不同颜色可溶解的漆，当灌浆料流经这些部位，灌浆料会携带有颜色的漆，流出灌浆口时，施工人员可以观察到，从而判断灌浆料在套筒各个部位是否填充饱满。

1.8 对创意概念解用努力影响矩阵对其进行评分

如图4 所示，应用努力影响矩阵，从技术复杂程度和财务影响两个方面考虑，创意解6 和创意解10 对解决该问题的效果是比较好的。

表1 技术矛盾分析

图3 创新设计软件功能模型图

经过对创意解6 和创意解10 做进一步研究，在创意解6 中提到的电阻层析成像技术相比电阻率成像更适合检测套筒灌浆饱满度，最后给出2 个具体的问题解决方案：

方案1：电阻层析成像技术（ERT）可以在不损坏原结构的条件下，通过电测量实现被检测物体的内部成像，从而观察套筒内浆料的饱满程度。

方案2：在套筒中容易填充不到位的地方，先涂上可不同颜色可溶解的漆，当灌浆料流经这些部位，灌浆料会携带有颜色的漆，流出灌浆口时，施工人员可以观察到，从而判断灌浆料在套筒各个部位是否填充饱满。

图4 努力影响矩阵图

2 结论

本文针对套筒灌浆饱满度检测问题，依次采用TRIZ理论中的因果分析、资源分析、矛盾分析、物场分析及TRIZ 创新设计软件等工具对问题进行识别和解决，提出了多个创意概念解，最后应用努力影响矩阵对创意概念解进行评价，提出了2 个较为切实可行的解决方案。方案1电阻层析成像技术可以较为准确的检测灌浆饱满度，并能形成套筒内部的图像具体观测哪里存在缺陷；方案2 在套筒中不易灌浆饱满的部位先涂上不同颜色的可溶解漆料，可以在施工现场快速对灌浆饱满程度给出一个定性的判断。上述两种解决方案为装配式建筑套筒灌浆饱满度检测这一技术难题的解决提供了很好的参考，同时促进TRIZ 理论在国内工程技术领域的普及应用。