裝配式混凝土建筑是以工廠化預(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；滿足標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的技術(shù)要求；滿足節(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)量控制與檢測技術(shù)相對滯后。目前，還沒有一種成本低廉且能夠全面檢測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)點灌漿料充盈度的超聲波檢測，其成果可為裝配式混凝土建筑的質(zhì)量控制及其檢測技術(shù)體系的建立提供有效的手段。

1 超聲波檢測混凝土缺陷的臨界性

       《超聲法檢測混凝土缺陷技術(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，在檢測混凝土缺陷的工程或者科研項目中，也有個不爭的事實，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題。

圖1 超聲波不能檢測出鉆芯的孔洞

超聲波的波速、頻率與波長有下列關(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，mm 超聲波檢測混凝土中的缺陷，其檢測的靈敏度、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，如果采用50kHz的換能器，其波長λ為90mm。因為波長長，超聲波容易繞過缺陷，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)定超聲波探傷能測到的最小缺陷近似于波長。 選用50kHz換能器檢測缺陷的靈敏度比較低，如果采用 500kHz 的換能器，其波長λ則為9mm ，檢測缺陷的靈敏度提高了一個數(shù)量級；但由于高頻換能器在混凝土中傳播時能量的衰減特別大，其測距受限。

b）目前國內(nèi)超聲儀普遍配置是50kHz的換能器，其直徑大約40mm，因為直接比較大，顯而易見，相對小于換能器直徑的缺陷，超聲檢測較難發(fā)現(xiàn)。

2 超聲法檢測灌漿料的充盈度

      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)件拼接時鋼筋伸入到鋼筋容納孔中，將灌漿料通過灌漿口持續(xù)注入，當(dāng)灌漿料充滿上、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出漿口流出，即視為完成灌漿步驟。然而，在實際操作過程中，并不能保證灌漿料全部填充滿縫隙、以及上構(gòu)件和下構(gòu)件的水平粘結(jié)縫中是否填滿了灌漿料。灌漿完成后，需要檢測灌漿料的填充程度，該類檢測項目稱為灌漿料充盈度的檢測。灌漿料充盈度檢測參照混凝土超聲檢測技術(shù)的原理[1]，即采用超聲波對測或者斜對測的方法，測量漿錨節(jié)點處的超聲聲速、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雖然參照混凝土超聲檢測技術(shù)的原理但不等同于混凝土缺陷的檢測，利用現(xiàn)有的超聲波設(shè)備可滿足混凝土缺陷的檢測，但是并不完全適用漿錨灌漿料充盈度的檢測。灌漿料充盈度的檢測有其特殊性，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)點處的超聲測距通常較短。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。在超聲法檢測灌漿料充盈度的研究過程中經(jīng)過不斷摸索、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的場合，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，檢測人員在每個測點要同時兼顧上下、左右二維方向，采用臥地式超聲換能器，檢測人員只需要掌控水平移動左右一維方向，置地后只需稍加推力即可，檢測實踐證明，臥地式超聲換能器檢測剪力墻底部連接水平接縫灌漿質(zhì)量，具有檢測時擺放穩(wěn)定可靠，移動時順暢快速，方便耦合，減少操作失誤，省時省力等優(yōu)點。該臥地式超聲換能器已經(jīng)申報了發(fā)明專利。

圖2 高頻、小直徑輻射端面的換能器

3 漿錨施工節(jié)點灌漿料充盈度檢測方法

       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出漿口和注漿口。眾所周知，超聲檢測選擇超聲波換能器的頻率越高，其波長越短、檢測靈敏度越高，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試驗比對結(jié)果，漿錨施工節(jié)點充盈度檢測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用的50kHz換能器的工作頻率高很多、波長縮短五分之四。圖3為短孔道漿錨采用超聲波同心圓等距斜對測方法示意圖。短孔道漿錨檢測采用超聲波同心圓“一發(fā)八收”等距測量方法。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個超聲波接收點在發(fā)射點相對的構(gòu)件反面的同心圓圓周上呈米字形分布。同心圓直徑為60mm，在每個漿錨節(jié)點布置8對測點，即出漿口的水平方向上有2對，水平線上、下各有3對測點（見圖3(b)中同心圓R0上的3個R1、2個R2以及3個R3），比對這8對測點超聲檢測的聲學(xué)參量，可判斷該漿錨施工節(jié)點的充盈度。在工程檢測中，也可以把N個漿錨節(jié)點水平線上、中、下各R1、R2、R3測點相應(yīng)的超聲檢測聲學(xué)參量進(jìn)行統(tǒng)計對比得出判斷結(jié)果。

       本文同心圓的直徑取60mm，其設(shè)計的思路是當(dāng)漿錨節(jié)點位于板厚的中間，此時板厚二分之一處的超聲測點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單布置超聲測點各1點，亦可以將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，但按圖3(b)的換能器8點布置法，水平線上、下的檢測數(shù)據(jù)增加為原先3倍比對的信息量，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測法超聲檢測，亦能增加超聲波聲束在灌漿料中通過的路程。此外，嘗試過直徑為40mm的同心圓，但檢測效果不如60mm的直徑。本文同心圓的直徑取60mm是針對板厚為200mm的構(gòu)件，如果板厚不同時，則可根據(jù)檢測構(gòu)件尺寸設(shè)計相應(yīng)直徑的同心圓。

3.2長孔道漿錨

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

圖4 長孔道漿錨節(jié)點超聲檢測方法示意圖

      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。超聲測點上下間隔100mm、布置在那根較低波紋管水平彎起端的下方，編號分別為1、2、3、4、5。檢測時可以僅水平方向超聲波發(fā)射~接收對測，對漿錨充盈度有疑或者必要時可補充發(fā)射～接收交叉斜測的超聲測點，以利判斷是哪根波紋管漏灌或者充盈度不足。圖4為長孔道漿錨節(jié)點剖面及超聲檢測方法示意圖。

4 灌漿料充盈度試驗及工程檢測實例

4.1短孔道漿錨同心圓法試驗

      模擬短孔道漿錨超聲試驗用的試件成型尺寸長寬高為200mm×200mm×350mm。試件制作時，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。超聲試驗時，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用的試件的檢測數(shù)據(jù)見表1。如前所述，同心圓水平線位于灌漿面，表1中測點序號01、02、03是同心圓水平線上部的3對測點，其聲速平均值為4.476km/s、波幅平均值為53.02dB ；04、05為同心圓水平線上的2對測點，其聲速平均值為4.529km/s、波幅平均值為46.83dB； 06、07、08是同心圓水平線下部的3對測點，其聲速平均值為4.606km/s、波幅平均值為55.62dB。檢測數(shù)據(jù)的平均值表明同心圓水平線上未灌漿部位的01、02、03測點聲速的平均值要比灌漿部位的06、07、08測點聲速的平均值低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，試驗表明同心圓水平線上、中、下測點的對比效果更好。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。采用500kHz~250kHz、250kHz~250kHz、100kHz~100kHz各組合換能器檢測的聲速、波幅數(shù)據(jù)見表2。

表2  48mm 漿錨孔徑試件同心圓法試驗數(shù)據(jù)

       選用不同頻率組合換能器的對比結(jié)果表明：換能器頻率發(fā)射500kHz~接收250kHz組合的檢測效果建議，下3點、中2點與上3點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)律相對差一些。

4.2長孔道漿錨灌漿料充盈度檢測

4.2.1現(xiàn)場檢測

       圖5為某工地長孔道漿錨檢測的現(xiàn)場實景照片。對應(yīng)漿錨豎孔從左到右布置四條超聲測線，編號分別為001、002、003、004。圖6為每條測線上超聲測點示意圖。為了比對超聲數(shù)據(jù)，相應(yīng)多布置了一些測點，測點編號從上到下為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。其中1、2、3測點位于波紋管的上方，即超聲波在混凝土中傳播與漿錨節(jié)點無關(guān)；4、5測點布置在高、低兩根波紋管伸出口之間，即超聲路徑通過了一個漿錨孔；6、7、8、9、10測點位于低端波紋管伸出口的下方，即超聲路徑通過了2個漿錨孔。表3為工地現(xiàn)場長孔道漿錨節(jié)點001、002、003、004四條測線超聲測點的檢測數(shù)據(jù)。

表3  工地現(xiàn)場長孔道漿錨的檢測數(shù)據(jù)

4.2.2數(shù)據(jù)處理分析

      把表3中四條測線上共計40個超聲測點歸類，即位于波紋管上方編號為01、02、03計12個測點，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為04、05計8個測點，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為06、07、08、09、10計20測點，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 中測點序號對應(yīng)的全部40個超聲測點的波列視圖。

圖7  超聲測點的波列視圖

      撇開-01~-05在構(gòu)件上或漿錨孔內(nèi)沒有鋼筋部位的超聲測點，表3中四組-06~-10的20個數(shù)據(jù)中有一些測點的數(shù)據(jù)明顯偏小，按照《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》CECS 21:2000：將20個聲速數(shù)據(jù)由大至小排序后，判別擬定排序在后有4個可疑測點，可疑數(shù)據(jù)中最大的聲速是4.274 km/s，則17個數(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，計算得聲速異常情況的判斷值（X0）為4.287 km/s。對應(yīng)圖7的波列視圖，這些數(shù)據(jù)明顯偏小的測點的波形前幾周波幾乎沒有起伏、呈水平的直線。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《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》CECS 21:2000可以判斷001、004測線的孔道漿錨灌漿質(zhì)量可疑。圖8舉例了差的典型001-07、001-10、004-06以及作為比對正常的004-02測點的超聲波形。

4.2.3實體開鑿驗證

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

4 結(jié)論

        （1）本研究成果具有無損檢測的技術(shù)特點，填補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)點以及可擴展為構(gòu)件間水平粘結(jié)縫中灌漿料充盈度的超聲波檢測方法[3]，適用于預(yù)制剪力墻連接施工二維節(jié)點（垂直與水平方向）灌漿料充盈度的超聲波檢測。其中，超聲波同心圓等距檢測方法是在傳統(tǒng)的超聲檢測技術(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灌漿料充盈度檢測必須采取的技術(shù)手段，針對裝配式混凝土建筑灌漿料質(zhì)量檢測研發(fā)的換能器具有波長短、探傷靈敏度高的技術(shù)特點。依據(jù)“聲速、波幅、波形”檢測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）本方法的檢測部位以及檢測比例可以根據(jù)實際需要任意選取，對于備有超聲波檢測儀且具有主體結(jié)構(gòu)超聲檢測資質(zhì)的機構(gòu)單位，該方法的現(xiàn)場檢測幾乎沒有材料成本。

參考文獻(xiàn)

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

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