装配式混凝土建筑是指在工厂中预制混凝土构件、部品等, 再将其运至工程现场进行安装而成的建筑。随着我国建筑行业推进绿色安全施工、节能减排、提高工程质量及促进产业结构调整发展的需要, 作为建筑工业化重要形式之一的装配式建筑已逐渐成为我国建筑行业发展的主要方向^[1,2,3]。

装配式混凝土建筑主要的预制构件有叠合板、预制梁、预制柱、预制阳台等, 与现浇混凝土建筑相比, 装配式建筑的特点是混凝土以工业成品的形式进入施工现场, 通过一定的方式连接拼装, 因此建筑工程从设计到施工乃至质量验收都发生了变化。该特点决定了装配式建筑的质量控制重点在于预制构件及其安装连接性能两方面。因此, 迫切需要研究装配式混凝土建筑的质量控制与检验检测技术, 以推动建筑工业化的发展, 特别是在竖向结构连接中起到关键作用的钢筋套筒灌浆连接。

在装配式混凝土建筑中, 预制构件的连接方式有钢筋浆锚连接、钢筋套筒灌浆连接、螺栓连接等, 其中钢筋套筒灌浆连接最为常见。钢筋套筒灌浆连接是指在金属套筒中插入单根带肋钢筋并注入灌浆料拌合物, 通过拌合物硬化形成整体并实现传力的钢筋对接连接^[4]。当前我国装配式混凝土建筑中竖向受力钢筋的连接主要采用钢筋套筒灌浆连接, 套筒连接接头的抗拉强度必须满足设计要求才保证建筑的安全。套筒内灌浆料存在缺陷可能导致接头无法实现有效连接, 从而影响连接性能和结构的整体性。因此, 灌浆套筒的质量控制对于保证装配式混凝土建筑的安全性和可靠性至关重要。本文简述目前几种无损检测方法的基本原理及其在钢筋套筒灌浆饱满度检测中的研究现状, 并分析各种方法在实际工程中应用的可行性。

根据钢筋的连接方式, 灌浆套筒可分为半灌浆套筒和全灌浆套筒两大类。半灌浆套筒一般在预制构件端接头采用直螺纹方式连接钢筋, 现场装配端采用灌浆方式连接。全灌浆套筒的两端均采用灌浆方式连接钢筋, 目前使用最广泛的是全灌浆套筒^[5]。

现行标准《装配式混凝土建筑技术标准》GB/T 51231-2016及《装配式混凝土结构技术规程》JGJ 1-2014对于钢筋套筒灌浆连接的质量控制手段是采用制作平行试件进行拉伸试验及监理现场监督的办法, 缺乏可行的实体无损检测方法。近年来科研工作者已经针对套筒灌浆饱满度的无损检测方法进行了大量研究, 目前主要集中在超声波法、冲击回波法、X射线工业CT技术、阻尼振动法、X射线法及预埋钢丝拉拔法。

超声波法^[6]是利用超声波在不同介质下传播速度不同这一特点检测介质内是否存在缺陷的一种无损检测方法。作为最常见的无损检测方法之一, 近年来许多学者对其在套筒灌浆饱满度检测中的应用进行了研究。聂东来^[7]等制作了有无缺陷的钢筋套筒灌浆试件作为对比组, 根据超声波传播路径的不同, 利用首波声时法检测装配式混凝土建筑中的钢筋套筒灌浆料密实性, 同时通过测得的超声波声速并借助于幅值判断套筒是否存在缺陷。研究结果表明, 超声波在无缺陷的连接接头中传播速度快, 且振幅明显;在有缺陷的试件中波速慢, 振幅不明显。得出的结论是超声波首波声时法可应用在未浇混凝土前横向套筒连接的灌浆料饱满度检测, 通过测得的超声波声速并借助于幅值可以判断预埋在混凝土中竖向钢筋连接的钢筋套筒灌浆料的密实度, 但其局限于单排布置的钢筋套筒灌浆连接, 实际工程中多采用多排套筒连接, 因此超声波法无法实施。

由此可见, 超声波法局限于定性分析缺陷情况, 不能定量分析缺陷情况, 且无法应用于多排套筒连接构件的检测。

冲击回波法是利用击振器在被测构件的混凝土表面击打, 产生的纵波被感应器接收, 得到频谱曲线, 通过被测混凝土和缺陷处阻抗的差异, 对频谱图中的振幅、相位等参数进行分析, 得出混凝土缺陷情况, 该种方法曾被列为最具有发展前途的现场检测方法之一, 解决了超声波法两面布设传感器的不足^[8]。

刘辉^[9]等利用冲击回波等效波速法对不同灌浆饱满度的钢筋套筒灌浆连接接头进行检测, 沿着灌浆套筒正上方激振后产生的弹性波经过套筒内部有缺陷的区域时将发生绕行, 从构件底面反射回来所用的时间将比灌浆密实的部位要长, 根据这一特点判断出钢筋套筒灌浆是否存在缺陷。结果表明, 冲击回波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。

冲击回波法具有一定的可行性, 但因套筒中不同介质的界面多, 其检测结果存在一定误差, 如果能在测试方式、分析方法方面进一步研究, 提高其可靠性, 这种方法应用于钢筋套筒灌浆密度检测的可能性会大大增加。

X射线工业CT技术基本原理是依据辐射在物体中的衰减规律同物质的性质有关, 利用具有一定能量的X射线在被检测物体中的分布情况及衰减规律, 就有可能由探测器获得物体内部的详细信息, 最后用计算机信息处理和图像重建技术, 以图像形式显示出来。该技术主要应用于工业在线过程的实时检测和大型工业部件的探查^[10]。

高润东^[11]等利用基于X射线工业CT技术对不同饱满度的钢筋套筒灌浆试件进行检测试验。其研究结果显示, X射线工业CT技术能够克服钢筋、混凝土和套筒外壁的影响, 清晰反映套筒内部灌浆饱满度的真实情况, 并能显示套筒内灌浆料中存在的孔洞, 对于双排布置的钢筋套筒试件同样适用。

X射线工业CT技术具有强大的无损检测能力, 能对构件进行全方位扫描, 检测结果清晰。但仪器设备较为庞大, 目前仅局限于在实验室屏蔽条件下进行检测。

阻尼振动法的原理是阻尼振动传感器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, 则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。当传感器周围的介质为空气、流动的砂浆、凝固后的砂浆, 振幅的衰减将会急剧增加。张全旭^[12]等采用预埋微型阻尼振动传感器对钢筋套筒灌浆饱满度进行检测。灌浆前将阻尼振动传感器预埋在套筒出浆口, 灌浆完成后, 可以在灌浆料初凝前进行测试, 通过读取传感器振动幅度的衰减情况判断传感器周围的介质, 以确定套筒内灌浆料是否达到出浆口, 达到套筒灌浆施工过程质量控制的目的;在灌浆料固化后进行检测, 可以达到套筒灌浆施工质量检测的目的。

阻尼振动法可有效定性分析套筒内灌浆料的饱满度, 该检测方法采用预埋传感器的手段会影响现场工人施工的技术, 对于有预埋传感器的部位可能会认真灌注, 而对于没有预埋传感器的部位可能会有所疏忽, 同时存在由于灌浆料回流导致误判的可能性, 这样难以真实反映整个工程的真实情况。但与传统的无损检测手段相比, 该方法有较大的可操作性, 目前已有个别地区将该检测方法纳入地方检测标准中。

X射线是一种波长很短约介于0.01~100。A之间的波, 具有很高的穿透本领, 能透过许多对可见光不透明的物质, 通常采用胶片成像的方式检测试件缺陷, 如图1所示。

张福文^[13]等模拟预制剪力墙钢筋套筒灌浆连接, 制作200 mm厚局部构件, 套筒分居中布置、梅花形布置及双排布置等, 选用YXLON便携式高频恒压X射线机进行检测, 测试时成像方式采用胶片成像。由于现有便携式高频恒压X射线机在混凝土的可穿透厚度<300 mm, 故只在剪力墙构件进行试验。其研究结果表明便携式X射线法用于检测套筒居中或梅花形布置的200 mm厚剪力墙钢筋套筒灌浆饱满度时, 能够明确看到灌浆密实区和未灌浆区;对于套筒双排对称布置的预制剪力墙, 该方法无法辨别哪个套筒存在缺陷;对于在内叶墙内的套筒成像效果不佳, 不具适应性。同时, 由于X射线有辐射, 试验时需做好安全保护措施, 人离机器至少保持30 m的距离。

预埋钢丝拉拔法是指灌浆前在套筒的出浆口预埋高强钢丝, 待灌浆养护一定时间后, 对预埋钢丝进行拉拔, 通过拉拔荷载判断灌浆饱满度。高润东^[14]等设计不同参数, 分别在实验室及工程现场采用拉拔仪对预埋于灌浆料的钢丝进行拉拔, 分析拉拔荷载并采用内窥镜进行验证, 研究结果证实预埋钢丝拉拔法具有可行性, 同时通过实际应用建议选择直径5 mm的钢丝、锚固长度30 mm, 灌浆料养护龄期3 d。

预埋钢丝拉拔法是一种简单实用的检测方法, 但受钢丝表面质量、钢丝放置角度、施工现场扰动的影响, 拉拔荷载有一定的离散性, 需结合内窥镜对结果进行验证。仍需大量进行现场工程试验研究, 提高其评价方法的准确性。

装配式建筑的结构特点决定了其质量控制重点在于构件及连接节点, 钢筋套筒灌浆连接作为一种重要的连接方式, 是保证装配式混凝土建筑连接性能和结构整体性的关键。由于钢筋套筒灌浆连接的结构为多层金属和非金属介质交替, 且尺寸小、灌浆缝隙小, 同时受钢筋套筒布置方式的影响, 目前传统的无损检测方法如超声波法、冲击回波法、X射线法等难以有效对其灌浆饱满度进行检测, 预埋法如阻尼振动法及预埋钢丝拉拔法虽并不完善, 但仍是可行性较高的检测方法, 具有推广的价值。这要求研发人员应从新的角度出发, 研究新的无损或微损检测方法, 同时应研究相应的评价标准, 使新的检测方法具备更高的推广性。

近年来国家及地方建筑行业的科研机构都把钢筋套筒灌浆饱满度视为重要的研究和讨论方向, 为此进行了大量的研究试验, 可见研发出一套完善的、适用于工程现场的套筒灌浆饱满度质量检测方法迫在眉睫。除此以外, 应结合实际情况建立一套不饱满度评价标准, 明确缺陷指标。对于灌浆料不饱满的钢筋灌浆套筒, 应提出合理的处理措施, 以保证装配式混凝土结构的安全性和可靠性。综合目前饱满度检测的研究现状和实际工程中质量评判标准, 科研工作者还有大量的工作需要完成。