装配式混凝土结构的节点连接方式主要有钢筋套筒灌浆连接、钢筋浆锚连接、螺栓连接等, 其中钢筋套筒灌浆连接是目前装配式混凝土结构最常用的连接方式, 其主要原理是在金属套筒中插入带肋钢筋并注入灌浆料拌合物, 通过灌浆料硬化形成整体并实现传力^[1,2,3,4]。采用套筒灌浆连接时, 套筒内部灌浆是否饱满密实会对连接接头的质量及传力性能产生影响, 直接决定着装配式混凝土结构的抗震性能和整体性^[5]。

一方面, 钢筋套筒灌浆连接结构复杂, 又是隐蔽工程;另一方面, 装配式构件精度不够、缺少现场保护措施、灌浆人员培训不足等, 导致钢筋套筒易堵塞, 造成灌浆不饱满^[6]。目前, 钢筋套筒灌浆连接的质量控制主要是通过制作平行试件进行拉伸试验以及监理现场监督, 难以保证钢筋套筒内部灌浆饱满度。因此, 研究一种便捷可行、安全可靠的钢筋套筒灌浆饱满度无损检测方法意义重大, 是保障装配式混凝土结构安全可靠的有效措施。

近年来, 国内学者针对钢筋套筒灌浆饱满度检测技术进行了相关研究。李雅璠^[7]、聂东来等^[8]研究发现超声波法检测结果在一定程度上能够反映实际情况, 但是超声波检测只能定性分析套筒内部灌浆料存在缺陷与否, 精度低, 无法确定缺陷的分布, 且局限于单排布置的钢筋套筒灌浆连接。刘志豪^[9]、刘洋希^[10]、刘辉等^[11]基于冲击回波法对钢筋灌浆套筒缺陷进行检测研究, 此方法能对单排布置的钢筋套筒灌浆密实度进行定性判断, 但无法进行定量分析;对于常见的双排布置的钢筋套筒连接构件, 冲击回波等效波速法无法定性判断钢筋套筒连接接头的密实区和缺陷区域;陶里等^[12]、李向民等^[13]、张富文等^[14]研究X射线法检测剪力墙内套筒灌浆料饱满度, 结果发现该方法无法适用于套筒双排对称布置的预制剪力墙。崔士起等^[15]采用预埋阻尼振动传感器法和CT法进行试验, 研究结果表明预埋传感器法能有效测试钢筋套筒灌浆饱满度。目前, 关于预埋阻尼振动传感器法检测钢筋套筒灌浆饱满度的研究较少。

本试验基于预埋阻尼振动传感器法, 制作钢筋连接用灌浆套筒模型, 针对施工现场灌浆和漏浆情况, 系统研究了传感器预埋方式和不同流动度灌浆料对钢筋套筒灌浆料饱满度测试结果的影响。

预埋阻尼振动传感器法的原理是在特定激励信号的驱动下, 会产生一定频率的振动, 当振动体一定、激励后初始振动的幅度和频率一定, 振动体周围的介质的弹性模量越大, 振幅衰减越快, 因此, 根据振动周期和振幅的变化可判断振动器周围介质的情况, 从而判断套筒内灌浆是否饱满。对于有阻尼的单自由度结构体系, 施加初始激励后结构自由振动微分方程如式 (1) 所示。

式中:x为结构位移, m;t为时间, s;β为阻尼系数;ω为结构振动的圆周率。其中β、ω计算如式 (2) ~ (3) 所示。

式中:γ为阻力系数;m为质量, g;k为劲度系数。

当β<ω₀时, 式 (1) 振动微分方程的求解结果如式 (4) 所示。

式中:A为初始振动幅值, m;φ为初始相位角, rad。

式 (4) 表明, 对于有阻尼的结构体系, 施加激励后初始相位角和初始振动幅值一定时, 振动幅值Ae^-βt与其阻尼系数β呈负指数关系。

图1为不同阻尼系数下的振动曲线。由图1可见, 当传感器周围的介质为空气、灌浆料拌合物、硬化的灌浆料时, 其阻尼系数依次增大, 振幅的衰减也随着阻尼系数依次增加。

1) 灌浆饱满度检测仪。ZBL-G1000灌浆饱满度检测仪, 其幅值线性度每10 dB优于±1.0 dB, 频带宽度为10~100 kHz。

2) 阻尼振动传感器。传感器直径为6 m m, 厚度为3 mm, 连接检测仪进行测试时, 其正面产生一定频率的振动, 垂直正面方向以及背面不产生振动, 具体如图2所示。

3) 钢筋连接用灌浆套筒。模拟钢筋连接用灌浆套筒的自制透明模型, 模型材质为亚克力板, 内径40 mm, 壁厚3 mm, 出浆口及进浆口内径18 mm, 套筒内植入直径25 mm、长度200 mm的热轧带肋钢筋, 其模型如图3所示。

4) 灌浆设备。采用手动注浆枪, 注浆枪口径18 mm。

本次试验选用超高强微膨胀钢筋连接用套筒灌浆料, 性能符合JGJ 408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》的技术要求。灌浆料与水质量比为1.00∶0.11, 灌浆料拌合物初始流动度为330 mm, 2 h后流动度为300 mm, 3.5 h后流动度为260 mm。

灌浆时将传感器从套筒的出浆口水平伸至套筒中央, 使传感器自带橡胶塞的排气孔位于正上方。灌浆前确保橡胶塞紧固, 避免灌浆饱满时, 橡胶塞被冲出, 并保证传感器正常工作。采用手动注浆枪从注浆口注入灌浆料, 直至橡胶塞的排气孔出浆, 停止灌浆。对编号为G1~G10的套筒注入流动度为330 mm的灌浆料, 编号为G11的套筒注入流动度为300 mm的灌浆料, 编号为G12的套筒注入流动度为260 mm的灌浆料。

灌浆完成, 对G9~G12号套筒进行施工现场漏浆模拟, 松开底部注浆口橡皮塞, 使套筒内灌浆料漏出, 直到套筒内灌浆料为套筒体积的4/5时, 停止漏浆模拟, 使预埋灌浆料中的传感器外露出来, 并保持该状态30 min。

测试过程中, 对于预埋G1~G8号套筒的传感器, 分别在灌浆完成后2 min及1 d进行灌浆料硬化前和硬化后的振动能量值测试;对于有漏浆处理G9~G12号套筒, 分别在灌浆完成时及漏浆后的30 min内进行多次测试, 具体试验方案如表1所示。试验中传感器的预埋方式如图4、图5所示。

阻尼振动传感器在空气、灌浆料拌合物和硬化后灌浆料中的振动能量值测试结果如图6所示。阻尼振动传感器在空气中的振动能量值为255, 在灌浆料拌合物中的能量值范围为20~60;在硬化灌浆料中的振动能量值范围为10~30。

传感器周围的介质阻尼系数不同, 振动能量值也会不同。介质的阻尼系数大小为:硬化灌浆料>灌浆料拌合物>空气, 阻尼系数越大, 振动衰减也越大, 表现为振动能量值越小。

灌浆料流动度为330 mm时, 传感器放置方式与振动能量值的关系测试曲线如图7所示。在灌浆料饱满的情况下, 传感器放置方式不同时, 振动能量值分别是25及29。当经漏浆处理至传感器外露于空气中, 且传感器正面朝向侧边放置, 传感器振动能量值先上升后下降, 振动能量值在1 min内上升至239, 与传感器放置在空气中振动能量值255相近, 10 min后开始下降, 30 min后降至176;传感器正面朝上方放置, 振动能量值上升缓慢, 1 min后为58, 大约10 min后达最大值139, 然后开始下降, 30 min后降至96。

当传感器正面朝侧边放置时, 漏浆处理过程中灌浆料由于自身重力作用只有少量附着在传感器表面, 传感器测到的振动能量值主要是空气的;传感器正面朝上放置时, 在漏浆处理过程中, 由于传感器处于平放状态, 有部分灌浆料残留在传感器的正面, 导致传感器振动时受到阻力, 表现为能量值低;漏浆一段时间后传感器振动能量值下降可能是因为灌浆料慢慢凝结, 对传感器表面产生拉应力, 导致传感器振动时阻力变大。

上述结果表明, 进行预埋传感器检测灌浆料饱满度时, 为了使测试数据能准确反映套筒内部漏浆情况, 应将传感器正面朝向侧边放置。

基于1.2的试验结果, 在对比灌浆料流动度对振动能量值影响的试验中, 传感器预埋时正面朝向侧边, 测试结果如图8所示。对于流动度300 mm的灌浆料, 漏浆1 min后振动能量值为76, 在15 min后达到最大值144;而对于流动度260 mm的灌浆料, 传感器振动能量值没有明显变化, 这是因为灌浆料流动度变小, 松开注浆口橡皮塞时, 灌浆料拌合物不外漏。

随着灌浆料拌合物流动度的下降, 漏浆处理后传感器的振动能量值上升速率变慢, 振动能量值的最大值变小。灌浆料拌合物流动度降低, 粘附力变大, 导致更多灌浆料附着于传感器表面, 表现为振动能量值小。采用预埋阻尼振动传感器法检测钢筋套筒灌浆饱满度时, 应在同一段时间内进行多次测试, 若检测结果的数值变化较大, 应检查钢筋套筒是否漏浆或出现灌浆料拌合物液面回流的情况。

1) 传感器在空气中的振动能量值为255, 当灌浆料饱满时, 在灌浆料拌合物中传感器振动能量值均小于100, 其范围在20~60, 在硬化灌浆料中能量值在范围10~30。在灌浆料拌合物中, 可将能量值<100作为灌浆料拌合物饱满的判定条件, 在硬化灌浆料中则可将能量值<50作为其饱满的判定条件。

2) 流动度为300 mm的灌浆料经过模拟漏浆处理, 传感器不同的放置方式测试结果有较大差异, 传感器振动能量值均先上升后下降。传感器正面朝向侧边放置时, 传感器振动能量值上升快速, 1 min内上升至239, 30 min后降至176;传感器正面朝上方放置, 振动能量值上升缓慢, 1 min后为58, 10 min后达最大值139, 30 min后降至96。采用预埋传感器法检测钢筋套筒灌浆饱满度时, 预埋传感器应将其正面朝向侧边放置。

3) 模拟漏浆处理时, 随着灌浆料拌合物流动度的增大, 传感器的振动能量值上升变快, 幅度也增大。流动度为300 mm的灌浆料, 漏浆1 min后振动能量值为76, 在15 min后达到最大值144;流动度为260 mm的灌浆料, 传感器振动能量值变化不明显。