裝配式混凝土建筑是以工廠(chǎng)化預(yù)制混凝土構(gòu)件為主要組件，經(jīng)裝配、連接并進(jìn)行部分現(xiàn)澆而形成的混凝土建筑。裝配式混凝土建筑具有效率高、質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)；滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；募夹g(shù)要求；滿(mǎn)足節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)、綠色施工等環(huán)保要求。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，大力發(fā)展裝配式混凝土建筑，推進(jìn)建筑體系工業(yè)化進(jìn)程，是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種選擇，但裝配式混凝土建筑的質(zhì)量控制與檢測(cè)技術(shù)相對(duì)滯后。目前，還沒(méi)有一種成本低廉且能夠全面檢測(cè)漿錨連接處灌漿料充盈度的好方法。本研究適用于裝配式混凝土構(gòu)件漿錨連接施工節(jié)點(diǎn)灌漿料充盈度的超聲波檢測(cè)，其成果可為裝配式混凝土建筑的質(zhì)量控制及其檢測(cè)技術(shù)體系的建立提供有效的手段。

1 超聲波檢測(cè)混凝土缺陷的臨界性

       《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》CECS 21從1990年頒布經(jīng)2000年的修訂至今已經(jīng)使用了29年，超聲法是目前一種能有效檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的優(yōu)選方法，在建設(shè)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和大家認(rèn)可。但是，在檢測(cè)混凝土缺陷的工程或者科研項(xiàng)目中，也有個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，即如圖1 所示：采用常規(guī)的技術(shù)手段，超聲法不能想當(dāng)然地測(cè)出鉆芯后混凝土上的大孔洞，其原因涉及超聲波換能器的配置問(wèn)題。

圖1 超聲波不能檢測(cè)出鉆芯的孔洞

超聲波的波速、頻率與波長(zhǎng)有下列關(guān)系：

      V=F×λ

      (1)式中：V為超聲波的波速，m/s；F為頻率，kHz；λ為波長(zhǎng)，mm 超聲波檢測(cè)混凝土中的缺陷，其檢測(cè)的靈敏度、或者有效性與換能器的配置密切相關(guān)：

a）設(shè)混凝土的聲速為4500 m/s時(shí)，如果采用50kHz的換能器，其波長(zhǎng)λ為90mm。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)長(zhǎng)，超聲波容易繞過(guò)缺陷，所以選擇換能器的頻率必須考慮需要探檢的缺陷尺寸，通常設(shè)定超聲波探傷能測(cè)到的最小缺陷近似于波長(zhǎng)。 選用50kHz換能器檢測(cè)缺陷的靈敏度比較低，如果采用 500kHz 的換能器，其波長(zhǎng)λ則為9mm ，檢測(cè)缺陷的靈敏度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；但由于高頻換能器在混凝土中傳播時(shí)能量的衰減特別大，其測(cè)距受限。

b）目前國(guó)內(nèi)超聲儀普遍配置是50kHz的換能器，其直徑大約40mm，因?yàn)橹苯颖容^大，顯而易見(jiàn)，相對(duì)小于換能器直徑的缺陷，超聲檢測(cè)較難發(fā)現(xiàn)。

2 超聲法檢測(cè)灌漿料的充盈度

      目前的裝配式建筑混凝土構(gòu)件的漿錨裝配方式為：上構(gòu)件的下端具有鋼筋容納孔，下構(gòu)件的上端伸出鋼筋，在上構(gòu)件與下構(gòu)件拼接時(shí)鋼筋伸入到鋼筋容納孔中，將灌漿料通過(guò)灌漿口持續(xù)注入，當(dāng)灌漿料充滿(mǎn)上、下構(gòu)件水平粘結(jié)縫和上構(gòu)件中的鋼筋容納孔后多余的灌漿料通過(guò)出漿口流出，即視為完成灌漿步驟。然而，在實(shí)際操作過(guò)程中，并不能保證灌漿料全部填充滿(mǎn)縫隙、以及上構(gòu)件和下構(gòu)件的水平粘結(jié)縫中是否填滿(mǎn)了灌漿料。灌漿完成后，需要檢測(cè)灌漿料的填充程度，該類(lèi)檢測(cè)項(xiàng)目稱(chēng)為灌漿料充盈度的檢測(cè)。灌漿料充盈度檢測(cè)參照混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)的原理[1]，即采用超聲波對(duì)測(cè)或者斜對(duì)測(cè)的方法，測(cè)量漿錨節(jié)點(diǎn)處的超聲聲速、波幅、波形等聲學(xué)參量，并根據(jù)這些聲學(xué)參量及其相對(duì)變化分析判斷灌漿料的充盈度，達(dá)到灌漿施工質(zhì)量控制的目的。必須指出的是，灌漿料充盈度的檢測(cè)雖然參照混凝土超聲檢測(cè)技術(shù)的原理但不等同于混凝土缺陷的檢測(cè)，利用現(xiàn)有的超聲波設(shè)備可滿(mǎn)足混凝土缺陷的檢測(cè)，但是并不完全適用漿錨灌漿料充盈度的檢測(cè)。灌漿料充盈度的檢測(cè)有其特殊性，比如：缺陷的當(dāng)量，漿錨孔中灌漿料缺陷比混凝土中的缺陷小得多；但有利的是裝配式建筑漿錨節(jié)點(diǎn)處的超聲測(cè)距通常較短。據(jù)此，采用高頻、小直徑輻射端面的換能器是必須采取的技術(shù)手段。在超聲法檢測(cè)灌漿料充盈度的研究過(guò)程中經(jīng)過(guò)不斷摸索、已經(jīng)研制定型如圖2鋼尺下面的一款輻射端面直徑7mm、頻率250kHz~500kHz的換能器。此外，當(dāng)用于預(yù)制剪力墻底部水平粘接縫灌漿料充盈度檢測(cè)的場(chǎng)合，亦研發(fā)了如圖2鋼尺上面的一款便于操作的臥地放置的換能器，使用前期研發(fā)的換能器，檢測(cè)人員在每個(gè)測(cè)點(diǎn)要同時(shí)兼顧上下、左右二維方向，采用臥地式超聲換能器，檢測(cè)人員只需要掌控水平移動(dòng)左右一維方向，置地后只需稍加推力即可，檢測(cè)實(shí)踐證明，臥地式超聲換能器檢測(cè)剪力墻底部連接水平接縫灌漿質(zhì)量，具有檢測(cè)時(shí)擺放穩(wěn)定可靠，移動(dòng)時(shí)順暢快速，方便耦合，減少操作失誤，省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)。該臥地式超聲換能器已經(jīng)申報(bào)了發(fā)明專(zhuān)利。

圖2 高頻、小直徑輻射端面的換能器

3 漿錨施工節(jié)點(diǎn)灌漿料充盈度檢測(cè)方法

       按照裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件漿錨連接鋼筋容納孔的高度可以分為短孔道漿錨和長(zhǎng)孔道漿錨兩種。

3.1短孔道漿錨

       短孔道漿錨相似于套筒，在漿錨孔道的上下各有一個(gè)出漿口和注漿口。眾所周知，超聲檢測(cè)選擇超聲波換能器的頻率越高，其波長(zhǎng)越短、檢測(cè)靈敏度越高，但高頻成分易被衰減、傳播距離越小[2]。鑒于目前工程中漿錨構(gòu)件厚度方向的檢測(cè)距離通常只有200mm，根據(jù)筆者前期研發(fā)中現(xiàn)有的數(shù)種頻率換能器的檢測(cè)試驗(yàn)比對(duì)結(jié)果，漿錨施工節(jié)點(diǎn)充盈度檢測(cè)較好選擇了端面輻射直徑為10mm；發(fā)射500kHz、接收250kHz組合頻率的換能器。250kHz比通常的混凝土檢測(cè)用的50kHz換能器的工作頻率高很多、波長(zhǎng)縮短五分之四。圖3為短孔道漿錨采用超聲波同心圓等距斜對(duì)測(cè)方法示意圖。短孔道漿錨檢測(cè)采用超聲波同心圓“一發(fā)八收”等距測(cè)量方法。如圖3(a)所示，同心圓法將發(fā)射~接收換能器分別布置在板厚的二側(cè)，同心圓法在圓心位置發(fā)射，8個(gè)超聲波接收點(diǎn)在發(fā)射點(diǎn)相對(duì)的構(gòu)件反面的同心圓圓周上呈米字形分布。同心圓直徑為60mm，在每個(gè)漿錨節(jié)點(diǎn)布置8對(duì)測(cè)點(diǎn)，即出漿口的水平方向上有2對(duì)，水平線(xiàn)上、下各有3對(duì)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖3(b)中同心圓R0上的3個(gè)R1、2個(gè)R2以及3個(gè)R3），比對(duì)這8對(duì)測(cè)點(diǎn)超聲檢測(cè)的聲學(xué)參量，可判斷該漿錨施工節(jié)點(diǎn)的充盈度。在工程檢測(cè)中，也可以把N個(gè)漿錨節(jié)點(diǎn)水平線(xiàn)上、中、下各R1、R2、R3測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的超聲檢測(cè)聲學(xué)參量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比得出判斷結(jié)果。

       本文同心圓的直徑取60mm，其設(shè)計(jì)的思路是當(dāng)漿錨節(jié)點(diǎn)位于板厚的中間，此時(shí)板厚二分之一處的超聲測(cè)點(diǎn)聲通路圍成的同心圓直徑約30mm，通常漿錨孔徑為40mm左右，超聲波的主聲束正好涵蓋在漿錨孔徑中。起先曾考慮在同心圓的上下左右簡(jiǎn)單布置超聲測(cè)點(diǎn)各1點(diǎn)，亦可以將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，但按圖3(b)的換能器8點(diǎn)布置法，水平線(xiàn)上、下的檢測(cè)數(shù)據(jù)增加為原先3倍比對(duì)的信息量，且采用在構(gòu)件一側(cè)的同心圓圓心發(fā)射，在構(gòu)件另一側(cè)同心圓的圓周上接收的斜對(duì)測(cè)法超聲檢測(cè)，亦能增加超聲波聲束在灌漿料中通過(guò)的路程。此外，嘗試過(guò)直徑為40mm的同心圓，但檢測(cè)效果不如60mm的直徑。本文同心圓的直徑取60mm是針對(duì)板厚為200mm的構(gòu)件，如果板厚不同時(shí)，則可根據(jù)檢測(cè)構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)直徑的同心圓。

3.2長(zhǎng)孔道漿錨

      通常長(zhǎng)孔道漿錨的高度超過(guò)500mm，且通常如圖4所示在板厚方向被設(shè)計(jì)成雙排漿錨形式。

圖4 長(zhǎng)孔道漿錨節(jié)點(diǎn)超聲檢測(cè)方法示意圖

      漿錨孔由厚度0.3mm、直徑40mm～50mm的薄鐵皮波紋管制作成型，兩根波紋管的下端與構(gòu)件的底面平行；其上端一根低、一根高彎成直角伸向構(gòu)件的側(cè)面，被分別形成注漿口和出漿口。超聲測(cè)點(diǎn)上下間隔100mm、布置在那根較低波紋管水平彎起端的下方，編號(hào)分別為1、2、3、4、5。檢測(cè)時(shí)可以?xún)H水平方向超聲波發(fā)射~接收對(duì)測(cè)，對(duì)漿錨充盈度有疑或者必要時(shí)可補(bǔ)充發(fā)射～接收交叉斜測(cè)的超聲測(cè)點(diǎn)，以利判斷是哪根波紋管漏灌或者充盈度不足。圖4為長(zhǎng)孔道漿錨節(jié)點(diǎn)剖面及超聲檢測(cè)方法示意圖。

4 灌漿料充盈度試驗(yàn)及工程檢測(cè)實(shí)例

4.1短孔道漿錨同心圓法試驗(yàn)

      模擬短孔道漿錨超聲試驗(yàn)用的試件成型尺寸長(zhǎng)寬高為200mm×200mm×350mm。試件制作時(shí)，先在試模的中央放置直徑為35mm的波紋管，混凝土澆注后適時(shí)將波紋管抽出，再插入16mm鋼筋，澆注灌漿料固定鋼筋在試件高度的一半左右。超聲試驗(yàn)時(shí)，先在試件側(cè)面標(biāo)出灌漿料的高度，且作為同心圓的圓心水平面。模擬短孔道漿錨超聲試驗(yàn)用的試件的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。如前所述，同心圓水平線(xiàn)位于灌漿面，表1中測(cè)點(diǎn)序號(hào)01、02、03是同心圓水平線(xiàn)上部的3對(duì)測(cè)點(diǎn)，其聲速平均值為4.476km/s、波幅平均值為53.02dB ；04、05為同心圓水平線(xiàn)上的2對(duì)測(cè)點(diǎn)，其聲速平均值為4.529km/s、波幅平均值為46.83dB； 06、07、08是同心圓水平線(xiàn)下部的3對(duì)測(cè)點(diǎn)，其聲速平均值為4.606km/s、波幅平均值為55.62dB。檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值表明同心圓水平線(xiàn)上未灌漿部位的01、02、03測(cè)點(diǎn)聲速的平均值要比灌漿部位的06、07、08測(cè)點(diǎn)聲速的平均值低0.13 km/s。

表1      35mm  漿錨孔徑試件同心圓發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

       表1中試件的漿錨孔徑為35mm，當(dāng)漿錨孔徑增大時(shí)，試驗(yàn)表明同心圓水平線(xiàn)上、中、下測(cè)點(diǎn)的對(duì)比效果更好。在采用外徑48mm腳手架鋼管制作、模擬成漿錨孔徑的試件上分別采用了不同頻率的換能器試驗(yàn)。采用500kHz~250kHz、250kHz~250kHz、100kHz~100kHz各組合換能器檢測(cè)的聲速、波幅數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2  48mm 漿錨孔徑試件同心圓法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

       選用不同頻率組合換能器的對(duì)比結(jié)果表明：換能器頻率發(fā)射500kHz~接收250kHz組合的檢測(cè)效果建議，下3點(diǎn)、中2點(diǎn)與上3點(diǎn)的聲速值與波幅值的區(qū)別比較大；發(fā)射與接收為250kHz的組合也好；發(fā)射與接收100kHz的組合的規(guī)律相對(duì)差一些。

4.2長(zhǎng)孔道漿錨灌漿料充盈度檢測(cè)

4.2.1現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

       圖5為某工地長(zhǎng)孔道漿錨檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片。對(duì)應(yīng)漿錨豎孔從左到右布置四條超聲測(cè)線(xiàn)，編號(hào)分別為001、002、003、004。圖6為每條測(cè)線(xiàn)上超聲測(cè)點(diǎn)示意圖。為了比對(duì)超聲數(shù)據(jù)，相應(yīng)多布置了一些測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)從上到下為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。其中1、2、3測(cè)點(diǎn)位于波紋管的上方，即超聲波在混凝土中傳播與漿錨節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)；4、5測(cè)點(diǎn)布置在高、低兩根波紋管伸出口之間，即超聲路徑通過(guò)了一個(gè)漿錨孔；6、7、8、9、10測(cè)點(diǎn)位于低端波紋管伸出口的下方，即超聲路徑通過(guò)了2個(gè)漿錨孔。表3為工地現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)孔道漿錨節(jié)點(diǎn)001、002、003、004四條測(cè)線(xiàn)超聲測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表3  工地現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)孔道漿錨的檢測(cè)數(shù)據(jù)

4.2.2數(shù)據(jù)處理分析

      把表3中四條測(cè)線(xiàn)上共計(jì)40個(gè)超聲測(cè)點(diǎn)歸類(lèi)，即位于波紋管上方編號(hào)為01、02、03計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)，其聲速平均值為4.690km/s、波幅平均值為58.86 dB；位于高低兩根波紋管橫向伸出口之間編號(hào)為04、05計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，其聲速平均值為4.468km/s、波幅平均值為51.54 dB；位于2根波紋管伸出口下方編號(hào)為06、07、08、09、10計(jì)20測(cè)點(diǎn)，其聲速平均值為4.389km/s、波幅平均值為48.98 dB。圖7是與表3 中測(cè)點(diǎn)序號(hào)對(duì)應(yīng)的全部40個(gè)超聲測(cè)點(diǎn)的波列視圖。

圖7  超聲測(cè)點(diǎn)的波列視圖

      撇開(kāi)-01~-05在構(gòu)件上或漿錨孔內(nèi)沒(méi)有鋼筋部位的超聲測(cè)點(diǎn)，表3中四組-06~-10的20個(gè)數(shù)據(jù)中有一些測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)明顯偏小，按照《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》CECS 21:2000：將20個(gè)聲速數(shù)據(jù)由大至小排序后，判別擬定排序在后有4個(gè)可疑測(cè)點(diǎn)，可疑數(shù)據(jù)中最大的聲速是4.274 km/s，則17個(gè)數(shù)據(jù)的λ1取1.60、其聲速平均值為4.419 km/s、聲速標(biāo)準(zhǔn)差為0.0827 km/s，計(jì)算得聲速異常情況的判斷值（X0）為4.287 km/s。對(duì)應(yīng)圖7的波列視圖，這些數(shù)據(jù)明顯偏小的測(cè)點(diǎn)的波形前幾周波幾乎沒(méi)有起伏、呈水平的直線(xiàn)。依據(jù) “聲速、波幅、波形”等聲學(xué)參量作為灌漿料充盈度的判別原則，按照《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》CECS 21:2000可以判斷001、004測(cè)線(xiàn)的孔道漿錨灌漿質(zhì)量可疑。圖8舉例了差的典型001-07、001-10、004-06以及作為比對(duì)正常的004-02測(cè)點(diǎn)的超聲波形。

4.2.3實(shí)體開(kāi)鑿驗(yàn)證

       檢測(cè)1周后工地根據(jù)檢測(cè)報(bào)告結(jié)果對(duì)剪力墻實(shí)體開(kāi)鑿驗(yàn)證。圖9是超聲檢測(cè)判斷為缺陷部位開(kāi)鑿驗(yàn)證的照片。圖9（a）為構(gòu)件前面004測(cè)位（波紋管伸出口低的那根漿錨孔）開(kāi)鑿驗(yàn)證的照片；圖9（b）為構(gòu)件后面001測(cè)位（波紋管伸出口高的那根漿錨孔）開(kāi)鑿驗(yàn)證確認(rèn)是漿錨孔內(nèi)灌漿料被漏灌（波紋管內(nèi)鋼筋裸露可見(jiàn)）的照片。針對(duì)裝配式混凝土建筑灌漿料充盈度質(zhì)量的判斷，這可能是國(guó)內(nèi)首例采用超聲波檢測(cè)技術(shù)、配置高頻、小直徑輻射端面的換能器在工程實(shí)體上成功檢測(cè)的教案。

4 結(jié)論

        （1）本研究成果具有無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，填補(bǔ)了裝配式建筑混凝土構(gòu)件漿錨灌漿施工質(zhì)量超聲檢測(cè)方法的空缺，該方法為裝配式混凝土建筑的質(zhì)量控制及其檢測(cè)技術(shù)體系的建立提供了有效的技術(shù)手段。

       （2）本文提出的裝配式建筑混凝土上下兩塊預(yù)制構(gòu)件漿錨施工節(jié)點(diǎn)以及可擴(kuò)展為構(gòu)件間水平粘結(jié)縫中灌漿料充盈度的超聲波檢測(cè)方法[3]，適用于預(yù)制剪力墻連接施工二維節(jié)點(diǎn)（垂直與水平方向）灌漿料充盈度的超聲波檢測(cè)。其中，超聲波同心圓等距檢測(cè)方法是在傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)上的創(chuàng)新。

       （3）采用高頻、小直徑輻射端面的換能器是針對(duì)灌漿料充盈度檢測(cè)必須采取的技術(shù)手段，針對(duì)裝配式混凝土建筑灌漿料質(zhì)量檢測(cè)研發(fā)的換能器具有波長(zhǎng)短、探傷靈敏度高的技術(shù)特點(diǎn)。依據(jù)“聲速、波幅、波形”檢測(cè)漿錨灌漿料充盈度的判別原則，能有效判斷裝配整體式混凝土建筑灌漿施工的缺陷位置和程度。

      （4）本方法的檢測(cè)部位以及檢測(cè)比例可以根據(jù)實(shí)際需要任意選取，對(duì)于備有超聲波檢測(cè)儀且具有主體結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)單位，該方法的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)幾乎沒(méi)有材料成本。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：童壽興（1952—），男，同濟(jì)大學(xué)副教授，E-mail：13391165303@126.com 。  

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