基于冲击回波法的预制剪力墙浆锚灌浆密实度检测

2017-10-20刘运林魏广硕刘志豪陈旭东汪秀娟

长江大学学报(自科版) 2017年17期

关键词：孔道波速灌浆

刘运林，魏广硕，刘志豪陈旭东，汪秀娟

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

基于冲击回波法的预制剪力墙浆锚灌浆密实度检测

刘运林，魏广硕，刘志豪陈旭东，汪秀娟

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230022)

预制剪力墙浆锚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。将混凝土无损检测中的冲击回波法运用于预制剪力墙浆锚灌浆密实度的检测，在孔道正上方等距布置一段测点，采用击振与受信的方式获取信号来检测浆锚孔道灌浆密实度。用泡沫制作灌浆内部缺陷，检测双排孔道内部灌浆缺陷的有无以及验证该方法对于浆锚灌浆检测的准确性。结果表明，使用冲击回波法可直观、快速准确地检测孔道灌浆密实度并且结果与实际情况相符。

浆锚灌浆；无损检测；灌浆密实度；冲击回波法

约束浆锚连接构造简单、性能可靠、施工简便、成本低廉，有广阔的发展前景。浆锚连接构件孔道灌浆质量直接影响到连接处的受力性能以及整体稳定性，如果灌浆不密实，水和空气的进入会使得锚固钢筋发生腐蚀，造成锚固质量降低，从而影响剪力墙的耐久性、安全性。此外，灌浆质量缺陷还会导致混凝土应力集中，进而改变墙体的设计受力状态，从而影响预制剪力墙的承载力和使用寿命[1]。

冲击回波法(Impact-echo Method，简称IE法)是目前应用最为广泛，并且被认为是最有前途的无损检测方法。美国联邦标准局(NBS)于1983年研发该方法，并为其提供了理论基础，证实了其可用于检测板状结构物的缺陷。美国康奈尔大学Nicholas J.Carino 和Mary Sansalone于1992年首次将IE法应用于检测预应力孔道内缺陷的实验，该实验初步验证了应用 IE法检测孔道内缺陷的可行性，并分别研究了普通钢筋，不同材质孔道对检测结果的影响等问题[1]。美国佛罗里达大学 Rinker 教授研究指出，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[2]。John Parker Burg于1967年提出最大熵分析法(简称MEM)，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。国内很多学者也开展了冲击回波法的应用研究，主要集中在预应力管道压浆质量缺陷的研究，并取得了一定的研究成果[1]。

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[3]。近年来提出的等效波速检测预应力管道灌浆质量缺陷的技术，即根据冲击弹性波在缺陷部位发生绕射，传播时间增长，等效波速显著降低，以等效波速来检测灌浆质量情况。该方法弥补了冲击弹性波在频域解析结果中难以确认缺陷处反射信号，从而无法准确判断管道灌浆质量缺陷的不足，进一步提高了测试的准确性和科学性[4]。下面，笔者通过试验与理论分析来验证冲击回波法对于双排孔浆锚孔道灌浆密实度的检测的可行性。

1 冲击回波等效波速法

1.1基本原理

图1 冲击回波等效波速法基本原理示意图

图2 定位测试示意图

冲击回波等效波速法(简称IEEV)基于冲击回波法的原理，利用击振产生的弹性波在传播、反射过程中的绕射现象，进一步提高了对缺陷的分辨力[1]。基本原理如下：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，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陷孔道内的灌浆质量状况。当击振的弹性波遇到缺陷时，激振的弹性波从试件对边反射回来所用的时间比灌浆密实的地方长，即用墙厚得到的等效波速慢。当孔道灌浆密实时，弹性波波速与构件密实处波速相近。对于不同的灌浆情况，弹性波的传播路径会发生改变[1]。基本原理示意图如图1所示。

1.2测试方法

采用定位测试的方法进行测试，在浆锚孔道正上方沿孔道方向布置测线，测线上孔道部位布置测点对孔道灌浆情况进行连续测试，定位测试示意图如图2所示。此外，孔道顶部试件密实区域也布置测点用作对比。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。此时，采用基于相关分析为基础的频谱分析方法可以敏感地反映该时间的变化。沿着浆锚灌浆管道走向对管道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[5]。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。

1.3试件制作与方案设计

试件尺寸长×宽×高为2000mm×200mm×1000mm，各孔洞间距以及截面尺寸如图3所示。

图3 试件横截面示意图

各孔道依次成对命名为A～I，单个孔道长度630mm，孔道直径35mm。试验缺陷设计分为3个等级，分别定义为：1级，缺陷体积占灌浆体积的10%；2级，缺陷体积占灌浆体积的20%；3级，缺陷体积占灌浆体积的30%。计算出不同级别缺陷对应的泡沫体积制作缺陷，灌浆前用扎丝绑扎在钢筋上，如图4所示。缺陷长度将近布满孔道，孔道正上方测点完全覆盖缺陷区域，图5和图6分别为待测试件与现场测试图。

图4 缺陷制作图5 试件实图

图6 现场测试

A孔道正、背面均灌浆密实有钢筋，B孔道正、背面均灌浆密实无钢筋，C孔道正、背面均有钢筋不灌浆；D、E、F孔道正面加入泡沫缺陷，等级依次为1、2、3级，背面密实灌浆作为对照；孔道G、H、I两面均采用同样大小的泡沫缺陷，等级依次为1、2、3级。泡沫缺陷分级仅对声波延迟量做定性分析，分析对弹性波延迟量的影响。

1.4影响因素

试件表面的清洁度对检测结果有不良影响，测试前将待测试的剪力墙表面用砂纸打磨，清除构件表面的浮浆和灰尘，保证试件表面平整、光滑，确保测试精度及效率[6]。将构件清洁完毕后，为保证激振信号及响应信号的稳定性，用水将测试面进行湿润处理。此外，定位测试前按试验方案对测点进行定位。为保证测试结果精确，测点间距不宜间隔过大，且测点应尽量避开试件边缘，距边缘不应小于试件边缘的0.3倍。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，试验测点间距取40mm，孔道上方共15个测点，孔道顶部5个测点以作对比。

2 定位检测结果

2.1检测波形的频谱解析方法与原理

试验采用MEM分析法进行解析。该方法与FFT(频谱解析方法)相比具有频谱分辨力高、适用于短数列等特点，通过MEM可以相对精确的确定弹性波的卓越周期，直接得出应力波反射一次的传播时间，通过应力波在试件中传播时间的改变来判断灌浆是否存在缺陷。

查阅相关规范资料得出应力波在混凝土中的波速，并以此进行预估计算出频谱图中反射信号所对应的时间的大致范围，运用MEM解析得出相应的卓越周期。当传感器接收到冲击弹性波的反射波时，由于弹性波在顶面与反射界面间来回反射产生瞬时共振导致振幅加强，在该时刻振幅就会出现最高峰，该时刻对应的频率为卓越频率，对应的时间为卓越周期[7]。卓越周期的大小即为应力波到达试件对边反射一次传播的时间，用Δt表示。Δt与FFT解析出的卓越频率在数值上为倒数关系，结果分析时将一组测试结果放在一起用彩色等值线图进行表示。图7为试件密实区域的一组测试数据的2种解析结果对比，图7(a)为FFT解析结果，图7(b)为MEM解析结果。由图7可知，MEM解析结果更为清晰直观，试验所用仪器为四川升拓检测技术股份有限公司研发的SPC-MATS预应力混凝土梁多功能检测仪。

图7 FFT与MEM解析结果对比

2.2检测波形的解析结果

为更直观的表示解析结果，将MEM解析的频谱数据使用彩色等值线图进行表示，得到的等值线图如表1所示，表1中蓝线位置为墙端位置，红色的能量集中区域对应的位置为传感器接收波的反射时刻对应的位置，可以看出不同区域测点处的反射时刻明显不同。为表示更为直观一些，横坐标轴采用长度单位表示。测试前采用对端测试的方法测试弹性波在墙体密实部位的传播波速。其中测点0～14位于孔道正上方，测点15～19位于孔道顶部试件密实部分。由表1可知，对于试件密实处与缺陷处测得结果差别较大，缺陷延迟效果较为明显。

2.3结果分析

解析波速取4.2km/s，该值通过在试件密实处多次测试解析取平均值得到，对于试件密实以及灌浆密实的地方，当红色能量集中区域位于蓝线位置时，说明击振的弹性波没有发生延迟。延迟表示弹性波传播路径发生变化，理论上孔道灌浆密实且灌浆料强度足够，弹性波传播路径应该是直线，经过孔道的弹性波在墙端的反射位置与标定的试件混凝土位置的反射位置基本是一致的，出现延迟说明弹性波传播并没有走直线，可认为是弹性波经过缺陷时或遇到空孔道时发生了绕射，相对于密实的区域在时间上产生了延迟[1]。

为便于表述，将墙体两侧分别命名为测试面1与测试面2。A孔道两侧均为灌浆密实无钢筋，测试面1中孔道部位测点6-11出现轻微延迟，应为灌浆质量较差引起，测试面2与实际符合较好。试件灌浆时，灌浆质量要求未严格达到试验方案要求是出现偏差一个原因；其次，水泥基材料和混凝土材料之间存在差别也会产生一定的影响，总体来看孔道A两侧与预期结果相符。孔道C两侧均未灌浆，孔道部位的测点相对于混凝土部位均出现较大的延迟，这与实际情况符合。孔道E两侧均设置20%缺陷，缺陷长度47cm左右，位于测点2～14之间。通过表1的解析结果可以得出，设置泡沫缺陷的地方出现延迟，并且延迟量小于未灌浆的延迟量。对于无缺陷混凝土区域的区域，红色的能量集中区域大致成一条线，效果较为显著。同理，孔道I两侧均设置30%缺陷，缺陷位于测点2～14之间，同样出现延迟量小于未灌浆孔道延迟量。对于试件的密实区域的检测结果表明检测结果与实际情况符合很好，该方法对于检测灌浆密实度是可行的，冲击回波等效波速法对于浆锚灌浆质量的检测是与实际结果是相符的。

对于灌浆密实的孔道A，其结果与试件密实处检测结果一致，由此判定孔道A灌浆密实；对于未灌浆孔道C，孔道部位的检测效果十分显著，延迟量最大，判定为有缺陷；对于设置缺陷的灌浆孔道E与I，缺陷部位延迟量介于以上2种工况之间，这是因为孔道中泡沫缺陷与孔道内壁之间灌浆料的存在，应力波的实际传播路径要小于全空未灌浆的情况，同时大于密实区域的传播路径，根据其解析结果判定为有缺陷。由表1可知，对于灌浆密实、未灌浆、灌浆有缺陷3种工况，解析结果是有差别的，这与预期相符合。有缺陷工况延迟量的大小与缺陷大小的关系可以做进一步的定量细化研究。