劉運林，魏廣碩，劉志豪 陳旭東，汪秀娟

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

基于沖擊回波法的預制剪力墻漿錨灌漿密實度檢測

劉運林，魏廣碩，劉志豪 陳旭東，汪秀娟

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022)

預制剪力墻漿錨灌漿質(zhì)量直接影響其連接處的受力性能以及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。將混凝土無損檢測中的沖擊回波法運用于預制剪力墻漿錨灌漿密實度的檢測，在孔道正上方等距布置一段測點，采用擊振與受信的方式獲取信號來檢測漿錨孔道灌漿密實度。用泡沫制作灌漿內(nèi)部缺陷，檢測雙排孔道內(nèi)部灌漿缺陷的有無以及驗證該方法對于漿錨灌漿檢測的準確性。結(jié)果表明，使用沖擊回波法可直觀、快速準確地檢測孔道灌漿密實度并且結(jié)果與實際情況相符。

漿錨灌漿；無損檢測；灌漿密實度；沖擊回波法

約束漿錨連接構(gòu)造簡單、性能可靠、施工簡便、成本低廉，有廣闊的發(fā)展前景。漿錨連接構(gòu)件孔道灌漿質(zhì)量直接影響到連接處的受力性能以及整體穩(wěn)定性，如果灌漿不密實，水和空氣的進入會使得錨固鋼筋發(fā)生腐蝕，造成錨固質(zhì)量降低，從而影響剪力墻的耐久性、安全性。此外，灌漿質(zhì)量缺陷還會導致混凝土應力集中，進而改變墻體的設(shè)計受力狀態(tài)，從而影響預制剪力墻的承載力和使用壽命[1]。

沖擊回波法(Impact-echo Method，簡稱IE法)是目前應用最為廣泛，并且被認為是最有前途的無損檢測方法。美國聯(lián)邦標準局(NBS)于1983年研發(fā)該方法，并為其提供了理論基礎(chǔ)，證實了其可用于檢測板狀結(jié)構(gòu)物的缺陷。美國康奈爾大學Nicholas J.Carino 和Mary Sansalone于1992年首次將IE法應用于檢測預應力孔道內(nèi)缺陷的實驗，該實驗初步驗證了應用 IE法檢測孔道內(nèi)缺陷的可行性，并分別研究了普通鋼筋，不同材質(zhì)孔道對檢測結(jié)果的影響等問題[1]。美國佛羅里達大學 Rinker 教授研究指出，IE法是最有能力評估孔道壁為鐵質(zhì)的孔道內(nèi)壓漿情況的方法[2]。John Parker Burg于1967年提出最大熵分析法(簡稱MEM)，該方法最早用于地震波的解析，目前在無損檢測領(lǐng)域有著較為廣泛的應用。國內(nèi)很多學者也開展了沖擊回波法的應用研究，主要集中在預應力管道壓漿質(zhì)量缺陷的研究，并取得了一定的研究成果[1]。

沖擊回波法在檢測過程中不受金屬物的影響，避免了超聲波測試中遇到的高強信號衰減和過多雜波干擾問題，檢測條件相對寬松[3]。近年來提出的等效波速檢測預應力管道灌漿質(zhì)量缺陷的技術(shù)，即根據(jù)沖擊彈性波在缺陷部位發(fā)生繞射，傳播時間增長，等效波速顯著降低，以等效波速來檢測灌漿質(zhì)量情況。該方法彌補了沖擊彈性波在頻域解析結(jié)果中難以確認缺陷處反射信號，從而無法準確判斷管道灌漿質(zhì)量缺陷的不足，進一步提高了測試的準確性和科學性[4]。下面，筆者通過試驗與理論分析來驗證沖擊回波法對于雙排孔漿錨孔道灌漿密實度的檢測的可行性。

1 沖擊回波等效波速法

1.1基本原理

圖1 沖擊回波等效波速法基本原理示意圖

圖2 定位測試示意圖

沖擊回波等效波速法(簡稱IEEV)基于沖擊回波法的原理，利用擊振產(chǎn)生的彈性波在傳播、反射過程中的繞射現(xiàn)象，進一步提高了對缺陷的分辨力[1]?；驹砣缦拢焊鶕?jù)管道位置反射信號的有無以及彈性波在所測構(gòu)件對邊(相對于測試邊的另一端)的反射時間的長短，判定灌漿缺陷的有無，當孔道灌漿存在缺陷時可根據(jù)彈性波的反射特性來判斷缺陷孔道內(nèi)的灌漿質(zhì)量狀況。當擊振的彈性波遇到缺陷時，激振的彈性波從試件對邊反射回來所用的時間比灌漿密實的地方長，即用墻厚得到的等效波速慢。當孔道灌漿密實時，彈性波波速與構(gòu)件密實處波速相近。對于不同的灌漿情況，彈性波的傳播路徑會發(fā)生改變[1]?；驹硎疽鈭D如圖1所示。

1.2測試方法

采用定位測試的方法進行測試，在漿錨孔道正上方沿孔道方向布置測線，測線上孔道部位布置測點對孔道灌漿情況進行連續(xù)測試，定位測試示意圖如圖2所示。此外，孔道頂部試件密實區(qū)域也布置測點用作對比。當測點處于空孔道或有灌漿缺陷的孔道上方時彈性波傳播距離增加，時間延長。此時，采用基于相關(guān)分析為基礎(chǔ)的頻譜分析方法可以敏感地反映該時間的變化。沿著漿錨灌漿管道走向?qū)艿赖膲簼{情況以掃描的形式進行連續(xù)測試，采取激振和受信方式通過反射信號的特性測試管道內(nèi)部灌漿狀況[5]。同時，根據(jù)測試情況與預先做好的缺陷作對比，以驗證檢測結(jié)果是否準確。

1.3試件制作與方案設(shè)計

試件尺寸長×寬×高為2000mm×200mm×1000mm，各孔洞間距以及截面尺寸如圖3所示。

圖3 試件橫截面示意圖

各孔道依次成對命名為A～I，單個孔道長度630mm，孔道直徑35mm。試驗缺陷設(shè)計分為3個等級，分別定義為：1級，缺陷體積占灌漿體積的10%；2級，缺陷體積占灌漿體積的20%；3級，缺陷體積占灌漿體積的30%。計算出不同級別缺陷對應的泡沫體積制作缺陷，灌漿前用扎絲綁扎在鋼筋上，如圖4所示。缺陷長度將近布滿孔道，孔道正上方測點完全覆蓋缺陷區(qū)域，圖5和圖6分別為待測試件與現(xiàn)場測試圖。

圖4 缺陷制作 圖5 試件實圖

圖6 現(xiàn)場測試

A孔道正、背面均灌漿密實有鋼筋，B孔道正、背面均灌漿密實無鋼筋，C孔道正、背面均有鋼筋不灌漿；D、E、F孔道正面加入泡沫缺陷，等級依次為1、2、3級，背面密實灌漿作為對照；孔道G、H、I兩面均采用同樣大小的泡沫缺陷，等級依次為1、2、3級。泡沫缺陷分級僅對聲波延遲量做定性分析，分析對彈性波延遲量的影響。

1.4影響因素

試件表面的清潔度對檢測結(jié)果有不良影響，測試前將待測試的剪力墻表面用砂紙打磨，清除構(gòu)件表面的浮漿和灰塵，保證試件表面平整、光滑，確保測試精度及效率[6]。將構(gòu)件清潔完畢后，為保證激振信號及響應信號的穩(wěn)定性，用水將測試面進行濕潤處理。此外，定位測試前按試驗方案對測點進行定位。為保證測試結(jié)果精確，測點間距不宜間隔過大，且測點應盡量避開試件邊緣，距邊緣不應小于試件邊緣的0.3倍。沖擊點位置與傳感器的間距宜小于所測構(gòu)件設(shè)計厚度的0.4倍，試驗測點間距取40mm，孔道上方共15個測點，孔道頂部5個測點以作對比。

2 定位檢測結(jié)果

2.1檢測波形的頻譜解析方法與原理

試驗采用MEM分析法進行解析。該方法與FFT(頻譜解析方法)相比具有頻譜分辨力高、適用于短數(shù)列等特點，通過MEM可以相對精確的確定彈性波的卓越周期，直接得出應力波反射一次的傳播時間，通過應力波在試件中傳播時間的改變來判斷灌漿是否存在缺陷。

查閱相關(guān)規(guī)范資料得出應力波在混凝土中的波速，并以此進行預估計算出頻譜圖中反射信號所對應的時間的大致范圍，運用MEM解析得出相應的卓越周期。當傳感器接收到?jīng)_擊彈性波的反射波時，由于彈性波在頂面與反射界面間來回反射產(chǎn)生瞬時共振導致振幅加強，在該時刻振幅就會出現(xiàn)最高峰，該時刻對應的頻率為卓越頻率，對應的時間為卓越周期[7]。卓越周期的大小即為應力波到達試件對邊反射一次傳播的時間，用Δt表示。Δt與FFT解析出的卓越頻率在數(shù)值上為倒數(shù)關(guān)系，結(jié)果分析時將一組測試結(jié)果放在一起用彩色等值線圖進行表示。圖7為試件密實區(qū)域的一組測試數(shù)據(jù)的2種解析結(jié)果對比，圖7(a)為FFT解析結(jié)果，圖7(b)為MEM解析結(jié)果。由圖7可知，MEM解析結(jié)果更為清晰直觀，試驗所用儀器為四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司研發(fā)的SPC-MATS預應力混凝土梁多功能檢測儀。

圖7 FFT與MEM解析結(jié)果對比

2.2檢測波形的解析結(jié)果

為更直觀的表示解析結(jié)果，將MEM解析的頻譜數(shù)據(jù)使用彩色等值線圖進行表示，得到的等值線圖如表1所示，表1中藍線位置為墻端位置，紅色的能量集中區(qū)域?qū)奈恢脼閭鞲衅鹘邮詹ǖ姆瓷鋾r刻對應的位置，可以看出不同區(qū)域測點處的反射時刻明顯不同。為表示更為直觀一些，橫坐標軸采用長度單位表示。測試前采用對端測試的方法測試彈性波在墻體密實部位的傳播波速。其中測點0～14位于孔道正上方，測點15～19位于孔道頂部試件密實部分。由表1可知，對于試件密實處與缺陷處測得結(jié)果差別較大，缺陷延遲效果較為明顯。

2.3結(jié)果分析

解析波速取4.2km/s，該值通過在試件密實處多次測試解析取平均值得到，對于試件密實以及灌漿密實的地方，當紅色能量集中區(qū)域位于藍線位置時，說明擊振的彈性波沒有發(fā)生延遲。延遲表示彈性波傳播路徑發(fā)生變化，理論上孔道灌漿密實且灌漿料強度足夠，彈性波傳播路徑應該是直線，經(jīng)過孔道的彈性波在墻端的反射位置與標定的試件混凝土位置的反射位置基本是一致的，出現(xiàn)延遲說明彈性波傳播并沒有走直線，可認為是彈性波經(jīng)過缺陷時或遇到空孔道時發(fā)生了繞射，相對于密實的區(qū)域在時間上產(chǎn)生了延遲[1]。

為便于表述，將墻體兩側(cè)分別命名為測試面1與測試面2。A孔道兩側(cè)均為灌漿密實無鋼筋，測試面1中孔道部位測點6-11出現(xiàn)輕微延遲，應為灌漿質(zhì)量較差引起，測試面2與實際符合較好。試件灌漿時，灌漿質(zhì)量要求未嚴格達到試驗方案要求是出現(xiàn)偏差一個原因；其次，水泥基材料和混凝土材料之間存在差別也會產(chǎn)生一定的影響，總體來看孔道A兩側(cè)與預期結(jié)果相符?？椎繡兩側(cè)均未灌漿，孔道部位的測點相對于混凝土部位均出現(xiàn)較大的延遲，這與實際情況符合?？椎繣兩側(cè)均設(shè)置20%缺陷，缺陷長度47cm左右，位于測點2～14之間。通過表1的解析結(jié)果可以得出，設(shè)置泡沫缺陷的地方出現(xiàn)延遲，并且延遲量小于未灌漿的延遲量。對于無缺陷混凝土區(qū)域的區(qū)域，紅色的能量集中區(qū)域大致成一條線，效果較為顯著。同理，孔道I兩側(cè)均設(shè)置30%缺陷，缺陷位于測點2～14之間，同樣出現(xiàn)延遲量小于未灌漿孔道延遲量。對于試件的密實區(qū)域的檢測結(jié)果表明檢測結(jié)果與實際情況符合很好，該方法對于檢測灌漿密實度是可行的，沖擊回波等效波速法對于漿錨灌漿質(zhì)量的檢測是與實際結(jié)果是相符的。

對于灌漿密實的孔道A，其結(jié)果與試件密實處檢測結(jié)果一致，由此判定孔道A灌漿密實；對于未灌漿孔道C，孔道部位的檢測效果十分顯著，延遲量最大，判定為有缺陷；對于設(shè)置缺陷的灌漿孔道E與I，缺陷部位延遲量介于以上2種工況之間，這是因為孔道中泡沫缺陷與孔道內(nèi)壁之間灌漿料的存在，應力波的實際傳播路徑要小于全空未灌漿的情況，同時大于密實區(qū)域的傳播路徑，根據(jù)其解析結(jié)果判定為有缺陷。由表1可知，對于灌漿密實、未灌漿、灌漿有缺陷3種工況，解析結(jié)果是有差別的，這與預期相符合。有缺陷工況延遲量的大小與缺陷大小的關(guān)系可以做進一步的定量細化研究。

3 結(jié)論

1)漿錨灌漿密實性檢測是裝配式結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制的重點及難點，筆者針對預制剪力墻中預先設(shè)置的缺陷并通過現(xiàn)場測試檢測出了缺陷的存在，驗證了基于沖擊回波法的等效波速法對于檢測預制剪力墻漿錨灌漿質(zhì)量定性分析的可行性。

2)該方法具有較好的辨識度，能反映孔道內(nèi)部灌漿的情況，結(jié)果較為直觀，容易判斷，便于應用在實際工程中，可及時發(fā)現(xiàn)孔道灌漿不密實處，并且該過程是無損的。但其檢測精度還需進一步分析驗證?？紤]到實際施工情況，可從其延遲時間方向考慮其延遲量來進行定量化的研究。

3)該方法用于漿錨構(gòu)件的灌漿密實度檢測還存在以下問題有待解決，測點布置、測試方法等現(xiàn)場操作流程無現(xiàn)成技術(shù)可參考，影響測試結(jié)果的因素主要憑借主觀經(jīng)驗來避免；采用“等效波速法”測試，波速的延遲量與灌漿缺陷之間的相關(guān)性試驗。

[1]馬國峰.基于沖擊回波等效波速法的管道壓漿密實度無損檢測技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2017(2)：26～29.

[2]萬利軍，張宏祥，楊海林.沖擊回波在灌漿缺陷孔道中的傳播特征與主頻響應[J].中外公路，2014，34(4)：60～64.

[3]翁方文，項梁，荀東亮.沖擊回波法預應力管道壓漿質(zhì)量檢測技術(shù)研究[J].中外公路，2016，36(2)：184～187.

[4]盧江波，方志.基于沖擊回波厚度頻率的預應力孔道注漿狀態(tài)分析[J].地震工程與工程振動，2013，33(3)：239～244.

[5]褚鋒，齊廣志，張峰，等.波紋管孔道壓漿密實度定量評估[J].公路，2015(6)：83～87.

[6]岳振民，李雅娟，成超，等.基于沖擊回波理論的預應力管道壓漿密實度無損檢測研究[J].公路，2015(9)：236～240.

[7]胡志鵬.基于沖擊回波法識別無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)中的蜂窩傷損深度研究[J].鐵道標準設(shè)計，2016，60(10)：22～26.

[編輯] 計飛翔

TU528.07

A

1673-1409(2017)17-0026-06

2017-06-04

安徽省自然科學基金資助項目(1408085MKL45)；安徽省高校自然科學研究重點項目(KJ2016A147)；安徽省科技攻關(guān)計劃項目資助(1501041133)；安徽省教育廳重大項目(KJ2015ZD16)。

劉運林(1980-)男，副教授，現(xiàn)主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論及其應用方面的教學與研究工作。

魏廣碩(1991-)男，碩士生，現(xiàn)主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論及其應用方面的研究工作，726667150@qq.com。

[引著格式]劉運林，魏廣碩，劉志豪，等.基于沖擊回波法的預制剪力墻漿錨灌漿密實度檢測[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(17):26～31.