装配式混凝土结构作为一种新型的结构体系, 与传统现浇结构体系相比, 施工工艺有了较大的改变。其中, 装配式结构节点现场连接质量是影响装配式建筑安全性及耐久性最主要的因素之一。若节点连接存在质量缺陷, 将影响结构整体性, 从而降低结构的可靠性。浆锚搭接是装配式混凝土结构中一种新型的连接节点, 依靠钢筋与灌浆料之间的粘结锚固性能来传递受力、协同工作。浆锚连接节点主要包括预留小直径波纹管成孔的单筋浆锚连接节点和预留大直径波纹管的钢筋集中束浆锚连接节点。实际工程中, 存在波纹管灌浆不饱满的情况, 极大地影响连接节点的质量和工作性能。由于目前缺乏成熟的无损检测浆锚连接节点灌浆饱满度的技术, 装配式建筑的质量评估受到了一定制约。因此, 研究高效的无损检测装配式混凝土浆锚连接节点灌浆饱满度的方法至关重要。

　　 冲击回波法是基于应力波的一种无损检测方法, 可用于测试混凝土结构的厚度及缺陷。Sansalone和Carino^[1]最早曾在1989年采用冲击回波法检测判断混凝土板内的分层剥离以及带后浇沥青层的混凝土板内的缺陷。Kumar等^[2]采用冲击回波法测试混凝土内的孔洞、剥离、裂缝等缺陷, 并评估了混凝土加压重水核反应堆的结构整体性。顾轶东等^[3]对冲击回波法无损检测混凝土结构的可行性进行了系统的研究, 通过测试结果频谱图、名义厚度的分析, 判定了混凝土试块的裂缝深度和混凝土板的缺陷分布及类型。宁建国等^[4]采用冲击回波法进行了确定单层混凝土结构质量和表面开口深度的试验。万里等^[5]采用冲击回波法进行了识别混凝土中不同缺陷的试验研究, 得出采用冲击回波法可准确测量除竖向裂缝外的混凝土缺陷类型、位置及宽度的结论。Garbacz等^[6]采用冲击回波法评估混凝土修复层的结合面质量和粘结力。除检测混凝土本身的缺陷外, 冲击回波法还被大量用于检测混凝土预应力束孔压浆状态^{[7,8,9,10,11]}和钢管混凝土^[12]等金属介质内混凝土或灰浆的质量。Tinkey等^[11]在2004年采用扫描式冲击回波法, 通过测试结果名义厚度的分析, 判定了混凝土桥梁后张预应力束孔的灌浆饱满度。由于浆锚波纹管连接节点与混凝土预应力束孔有一定的相似性, 冲击回波法是一种潜在可行的有效检测装配式混凝土波纹管浆锚连接节点灌浆质量的方法。本文针对装配式混凝土剪力墙浆锚连接节点, 制作了不同的设有大、小直径波纹管的试件, 采用扫描式冲击回波法进行了检测装配式结构波纹管浆锚连接节点灌浆饱满度的试验研究, 并通过实际工程验证了该方法的可行性和准确性。

　　 扫描式冲击回波测试系统的测试原理如图1所示, 接收器接收到反射波后, 通过快速傅立叶转换将时间域数据转化为频域数据, 然后确定回波的频率峰值, 计算结构的名义厚度和缺陷^[4,13]。

　　 $D=\frac{bv{}_{\text{p}}}{2f}$

　　 式中:D为混凝土结构构件的厚度计算值, m;b为形状系数, 由构件厚度和宽度的比值确定, 对板、墙而言b=0.96, 对于梁、柱该值更小;v_p为混凝土表观波速, m/s;f为振幅谱图中构件厚度对应的主频峰值, Hz。

　　 根据检测对象调试数据采集系统, 正确设置采集系统参数 (如采样频率、采样点数、电压范围、触发电平、延滞时间、滤波方式等) 。采样频率的设置必须保证在合适的分辨率基础上, 能对最大频率的冲击回波响应信号进行记录。

　　 测点或测区中的测线距构件边缘距离宜不小于所测构件实际厚度的0.3倍, 以避免边界效应的影响。测线的布置宜垂直于预埋波纹管走向, 且位于构件同侧, 因本项试验作为试验研究, 故横、纵测线均有布置, 横测线垂直于预埋波纹管走向布置, 纵测线沿波纹管布置, 横测线在距离试件顶部80mm和距离试件底部100mm的区间内按间距100mm均匀布置, 纵测线只布置在波纹管上。

　　 采用扫描式冲击回波法测试结构或构件缺陷前, 在各测区测试混凝土表观波速。试验中因试件为模板浇筑, 试件厚度均已知, 故使用已知的试件厚度标定混凝土波速。

　　 扫描仪的冲击器和接收器应与测试面接触良好, 而且使扫描仪一直保持滚动。因为如果一个或者多个轮脱离表面, 或者压力过小, 测得的信号都可能因过小而失真, 故扫描仪应紧贴混凝土表面, 且宜匀速滚动, 移动速率不宜大于0.1m/s。测试时, 应及时观察时域曲线和振幅谱图的波形变动情况, 并保存有效波段和振幅谱, 必要时进行复测。

　　 为了模拟实际工程装配式预制混凝土墙体中小直径单筋浆锚连接节点不同程度的缺陷情况, 本次试验共设计9个设有小直径 (40mm) 波纹管的试件, 如图2所示。具体试件设计见表1及图3 (图中SJ6试件中深黑处为双排波纹管均灌浆位置) 。) 。

　　 表2为设有小直径波纹管试件典型区域的平均测试结果。结果表明, SJ1, SJ2, SJ9试件中波纹管灌浆位置的名义厚度比素混凝土位置的名义厚度提高13.1mm, 主频下降6.1%;波纹管未灌浆位置的名义厚度比素混凝土位置提高62.1mm, 主频下降23.7%, 与灌浆位置处的名义厚度和主频区分较为明显。SJ4, SJ5试件中波纹管内存在小尺寸灌浆缺陷位置的测试结果与SJ1, SJ2, SJ9试件中波纹管灌浆位置的测试结果区分明显, 但与SJ1, SJ2, SJ9试件中波纹管未灌浆位置的测试结果相近;另外, 在波纹管内存在小尺寸灌浆缺陷的深度对测试结果的影响并无明显规律。波纹管内部无钢筋的SJ3试件中波纹管灌浆位置、未灌浆位置的测试结果, 与波纹管内部有钢筋的SJ1, SJ2, SJ9试件中波纹管灌浆位置、未灌浆位置的测试结果基本一致。设有双排波纹管的SJ6试件中, 双排波纹管均灌浆位置、双排波纹管均未灌浆位置、波纹管一排灌浆一排未灌浆位置的测试结果较为接近, 其区分度不如设有单排波纹管的SJ1, SJ2, SJ9试件明显。含夹心保温层的SJ7试件测试数据与SJ1, SJ2, SJ9普通试件测试结果无明显区别。带螺旋箍筋的SJ8试件中波纹管灌浆位置的名义厚度和主频, 与无螺旋箍筋的SJ1, SJ2, SJ9试件中波纹管灌浆位置的名义厚度和主频相近。带螺旋箍筋的SJ8试件中波纹管内存在小尺寸灌浆缺陷位置的名义厚度较素混凝土位置的名义厚度提高20.7mm, 主频下降9.3%, 与SJ8试件中波纹管灌浆位置的名义厚度区别较小, 比无螺旋箍筋的SJ4, SJ5试件中波纹管内存在小尺寸灌浆缺陷对测试结果造成的影响更低。

　　 设有小直径波纹管试件各典型位置的频谱图如图4所示。如图4 (a) , (b) 所示, 波纹管灌浆位置的主频略低于素混凝土位置的主频;12～20kHz的中高频部分有一些较低的振幅峰值, 小于主振幅峰值。如图4 (a) , (c) 所示, 波纹管未灌浆位置主频远低于素混凝土位置的主频, 说明应力波的传播路径明显加长^[14];在中频部分有一个由未灌浆空波纹管造成的较高振幅峰值, 与主振幅峰值接近。如图4 (c) , 4 (d) 所示, 波纹管内存在小尺寸缺陷位置的频谱图波形与波纹管未灌浆位置的频谱图波形接近, 中频部分由灌浆缺陷或空洞造成的振幅峰值相比波纹管未灌浆位置的振幅峰值略有降低。如图4 (e) 所示, 双排波纹管不论是否灌浆, 中高频部分均有多个较高的振幅峰值, 区分不明显。如图4 (f) 所示, 带螺旋箍筋的波纹管无论是否有灌浆缺陷, 高频部分均有多个由箍筋产生的振幅峰值, 会对灌浆缺陷的判断产生影响。

　　 由设有小直径波纹管试件的测试结果可知, 通过频谱图和名义厚度的分析, 扫描式冲击回波法可准确判断40mm直径波纹管是否灌浆, 并能测试波纹管内的灌浆高度及是否存在灌浆缺陷;但不能判断波纹管内是否有钢筋, 且不能测试钢筋的锚固深度。扫描式冲击回波法的测试结果虽不受非测试面的夹心保温层影响, 但受波纹管外螺旋箍筋的干扰较大。另外, 扫描式冲击回波法检测双排波纹管的效果较差。

　　 为了模拟装配式混凝土结构中大直径金属波纹管钢筋束浆锚连接节点, 制作了如图5所示的1个节点模型试件, 研究采用扫描式冲击回波法测试波纹管内不同形状、大小的灌浆缺陷的效果, 图中BWG-1～BWG-4为波纹管的编号。

　　 经测试, 设有大直径波纹管试件典型区域的平均测试结果如表3所示。相较于波纹管灌浆位置的测试结果, 波纹管缺陷位置处的主频降低较多, 从8 700Hz减小至最低5 957Hz, 名义厚度也相应增大, 最高可达352.5mm。且随着缺陷体积的增大, 应力波的传播路径增长, 主频相应降低, 名义厚度相应增高。

　　 大直径波纹管灌浆位置的频谱图波形与素混凝土位置的频谱图波形相近, 如图6 (b) 所示, 且因大直径波纹管的存在, 主频向低频部分偏移, 且高频部分出现一些较低的振幅峰值, 与小直径波纹管灌浆位置的测试结果吻合。大直径波纹管内不同形状、不同尺寸缺陷位置的频谱形状相似, 如图6 (c) , (d) 所示, 均为主频降低的同时在中高频部分出现多个较高的振幅峰值。

　　 由以上试验及分析可知, 通过名义厚度及频谱图, 扫描式冲击回波法可识别大直径波纹管内是否存在的灌浆缺陷, 但无法判断缺陷的形状。

　　 为验证扫描式冲击回波法在实际工程中的可行性及准确性, 选择了江苏省南京市某在建工程进行了实地测试。该工程地上30层, 地下2层车库, 主体结构3层及3层以下、屋面采用现浇结构;4, 5层东西侧外墙采用预制外墙板, 其余结构构件采用现浇结构;6～30层采用装配整体式剪力墙结构。该工程的装配式剪力墙连接节点采用大直径金属波纹管钢筋束浆锚连接, 如图7所示。

　　 经过对6～10层7面墙体的测试, 典型的频谱图如图8所示。相对素混凝土位置的测试结果, 所测波纹管各位置的测试结果中仅主频有所降低, 波形和素混凝土位置的相近;名义厚度从200mm普遍提高至230～250mm, 且同一波纹管在不同位置测得的数据基本一致, 可判断该波纹管均灌浆饱满。通过局部破损并使用内窥镜观察, 波纹管内部灌浆密实, 如图9所示, 与扫描式冲击回波法的检测结果吻合。

　　 本工程中, 扫描式冲击回波法测试的结果和第2节的试验结论基本一致。可见, 扫描式冲击回波法在实际工程中是一个可行的无损检测大直径波纹管钢筋集中束浆锚连接节点灌浆饱满度的方法。

　　 本文采用扫描式冲击回波法对设有大、小直径波纹管浆锚连接节点试件及实际工程中剪力墙钢筋束浆锚连接节点进行了测试, 对测试结果进行了分析, 并得出以下结论:

　　 (1) 通过频谱图及名义厚度的分析, 波纹管中灌浆不饱满或存在缺陷会导致所测得的名义厚度提高, 主频降低, 同时会改变频谱图的波形, 在高频部分出现一个或多个明显的振幅峰值。对于设有大直径波纹管的试件, 主频会随着缺陷尺寸的增大而降低。由此, 扫描式冲击回波法可较为准确地判断设有大、小直径波纹管的灌浆饱满度。

　　 (2) 对于混凝土结构, 连接节点的不同工况对扫描式冲击回波法的检测效果有较大影响。设有大直径波纹管灌浆位置和灌浆缺陷位置的测试结果区分度比设有小直径波纹管相应位置的测试结果更显著。另外, 扫描式冲击回波法检测带螺旋箍筋的波纹管及平行双排波纹管的灌浆饱满度时, 测试结果受复杂工况的干扰较大。实际工程中, 推荐使用梅花形布置小直径波纹管来代替平行双排波纹管, 这样在检测时可视为单排波纹管, 无双层的干扰, 且便于单筋浆锚连接节点的质量检测工作。

　　 (3) 扫描式冲击回波法检测某实际工程的大直径波纹管灌浆饱满度的测试结果与实际观测到的现象及试验结果一致, 由此验证了扫描式冲击回波法是一种高效、可行的无损检测大范围装配式混凝土结构钢筋集中束波纹管浆锚连接节点的方法。

　　 (4) 目前, 扫描式冲击回波法无法准确判断波纹管内缺陷的形状, 更无法精确量化缺陷尺寸及深度, 且测试的精度及最小量程也尚未确定。还需进一步试验研究及分析来提高冲击回波法检测装配式混凝土结构浆锚连接节点的准确性和适用性。