由于钢管混凝土内部属于隐蔽工程,在施工过程中有时会因管理不善和施工技术等原因,使钢管内部混凝土材料存在孔洞、蜂窝以及钢管与混凝土之间脱空等不良缺陷,从而影响钢管混凝土构件的力学性能以及结构的安全性能,因此需要对钢管混凝土内部质量进行检测。在《钢管混凝土结构设计与施工规程》CECS28∶2012中提出应采用超声法检测钢管混凝土质量^[1] 。

《超声法检测混凝土缺陷技术规程》CSCS21∶2000^[2] 中虽提及超声法检测钢管混凝土缺陷的一些理论方法,但无具体操作措施和理论数据。超声法在建筑工程中的应用以及脱空值对超声法检测准确性的影响还有待研究与验证^[2,3,4,5,6] ,本文将对建筑工程中,钢管混凝土内部可能出现的所有缺陷类型进行模拟,并且设置了不同脱空值的脱空,得出各类型缺陷的数据,并进行分析与总结,为日后利用超声法在建筑工程中检测钢管混凝土内部缺陷提供依据。

在建筑工程中钢管混凝土可能存在的缺陷如图1所示。利用超声法进行检测时,混凝土超声波检测仪的发射器与接收器分别放置在检测截面的两对侧,超声波由发射端传播至接收端,传播期间超声波经过钢管混凝土截面,根据接收器接收到的声波数据(波形、波速、声时、波幅、频率)对钢管混凝土的内部质量进行判断。

超声波在钢管混凝土中的传播方式不同于纯混凝土构件。超声波在钢管混凝土构件中有如图2所示的几种传播方式。

图2a中有2条传播路径:一条是超声波沿直线穿过质量完整的混凝土,其用时短并且声波衰减;另一条传播路径为超声波直接沿钢管壁传播至接收器。当透射时间大于绕射时间时,接收器接收到的首波为绕射波,无法识别透射信号,因此无法对混凝土内部质量进行分析。文献[5] 中对绕射与透射时间进行了分析,当超声波在混凝土中波速>2 045m/s时,超声波首先通过混凝土到达接收端,实际上超声波在混凝土中传播速度远大于该值,因此在一个良好的钢管混凝土截面上,透射的首波先于绕射的首波到达接收器,绕射波对透射波的干扰可以避免。

图2b所示为钢管壁与混凝土脱空,理论上超声波先在钢管壁上传播然后在脱空的边缘处沿混凝土传播。但是脱空处超声波能否传播以及传播方式还存在争议,许多学者进行了大量研究工作^[6,7] ,均提到当脱空值较大时超声波出现波形不稳定、首波难判断等现象。本文也会对其进行分析与研究。

图2c所示为钢管混凝土内部存在孔洞缺陷现象,且孔洞在声波从发射到接收的传播路径上,在孔洞边缘发生绕射,致使传播时间增大。

当图2b,2c同时存在时,超声波在传播过程中会出现绕射、反射现象,超声波出现能量衰减、声波互相干扰现象。此类型缺陷超声波传播时间最长,波形畸变也最大。

1)模拟钢管混凝土柱可能出现的所有缺陷,在目前最常用的探头布置方式下,测得完好钢管混凝土以及各类缺陷的波速、声时、波幅等信息,得出典型缺陷波形图,并分析各类缺陷的特点。

2)研究钢管混凝土出现不同程度脱空时超声波的传递特点。

为了更好地模拟建筑工程中的钢管混凝土柱,制作了一个直径为1 000mm、高度为2m、浇筑C30微膨胀混凝土的钢管混凝土柱,在试件中分别设置了0.2~2.0mm的脱空缺陷、蜂窝缺陷区域、内部加强环下侧缺陷及其设置了孔洞的内部加强环。其中,利用粘贴泡沫模拟脱空缺陷,通过添加泡沫模拟蜂窝区域,内部加强环下侧粘贴泡沫模拟加肋板上孔洞缺陷,在钢管中央底部放置了塑料圆管模拟孔洞缺陷,同时设置带孔洞的内部加强环是为了让内部加强环下侧无孔洞,与带缺陷的内部加强环区域做对比。试件如图3所示。

采用HC-U81混凝土超声波检测仪,共测2个立面,分别为不带孔洞内部加强环侧立面、带孔洞内部加强环侧立面(两立面相互垂直)。各立面从上至下每隔100mm设1个测点,1个立面设18个测点,共36个测点,测点布置及编号如图4所示。依照文献[2] 中的方法进行试验。

根据实测结果,将各测点声波数据整理汇总,具体实测数据如表1所示,其中A1~A5,B1~B5处于环形全脱空缺陷区,B6~B7处于局部脱空缺陷区,A8~A9处于内部加强环下部孔洞缺陷区,A11~A13,B11~B13处于蜂窝模拟区,A17~A18,B17~B18处于混凝土内部孔洞区,其余测点位置处于质量完好钢管混凝土区域。

试验结果表明:在无缺陷区域超声波声时在245~255μs,波速在3 900~4 100km/s,波幅在30~40d B;在环形全脱空缺陷以及局部脱空区域,超声波声时比正常混凝土区域大,并且声时值随着脱空值的增大而增大,从而导致声速降低,波幅变化;在蜂窝模拟区域及混凝土内部孔洞区域超声波声时均有增大,但声时增大值相比于脱空缺陷小,波速随着声时的增大而减小,波幅稍有降低。

在存在脱空缺陷时,超声波波幅变化较大,在脱空值较小区域波幅呈降低趋势,但脱空值达到一定值后(约为1.4mm)波幅突然增大,这与诸多文献中的观点是不同的,在A1~A2,B1~B2点测得的波形有少量杂波,这可能与超声波在脱空缺陷中传递路线有关。

根据实测结果,得到了缺陷典型的波形,如图5所示。

图5a为正常混凝土波形,表明钢管混凝土质量良好;图5b为脱空值较小时的环形脱空波形,该类波形稍差,有少数杂波,其特点是声时长,首峰脉冲过宽,当脱空值增大时波形畸变更为严重;图5c为局部脱空波形图,其波形与环形脱空波形相似,首峰脉冲稍宽,波形略有畸变,波幅比正常波形稍低;图5d为混凝土蜂窝波形,由于试验整个截面都为蜂窝模拟区,导致声波能量衰减严重,声时较长,波幅较低;图5e为混凝土内部孔洞波形,其所测声时值相对于正常钢管混凝土偏大,波幅值较低,声波能量有一定衰减。

在试件环形脱空区粘贴的泡沫为厚度变化的泡沫,厚度值从上至下逐渐减小,厚度值为0.2~2.0mm。在环形脱空区有A1~A5,B1~B5测点,共10个测点,分布在脱空值0.2~2.0mm区域。将环形脱空区内测点数据整理汇总,数据结果如表2所示。

试验结果表明:声时值在出现脱空时有一个突变值,随着脱空值的增大声时也随之增大,但增大值较小并呈一定规律性,这与文献[5] 中结论是一致的。波幅值相比于无脱空钢管混凝土逐渐减小,但当脱空值达到1.4mm左右时,脱空值有突变,且出现增大情形,并且声时值也出现增大值较大的现象,这是由于脱空值过大,导致超声波传播路径不确定,波形出现杂波。

1)通过对试验模拟,验证了超声法检测技术在建筑工程钢管混凝土柱缺陷检测中的可行性和适用性以及超声法的一些不足之处,针对各类可能出现缺陷的声波数据特点进行了总结和分析,并且得出了各类缺陷的典型波形,为工程人员在检测工作时提供了直观的数据与图形。

2)本文研究了不同脱空值对声波数据的影响,当出现脱空时声时值会出现突变,随后随着脱空值的增大而逐渐增大并呈现一定的规律性,当脱空值>1.4mm时,超声法测得数据不再准确。

3)在目前常用的发射器、接收器布置方式下,波幅变化具有一定的规律性,但当缺陷值过大时波幅变化幅度较大,工程人员在进行检测时应以声时、声速为主,波幅为辅。

超声法由于有规范指导,并且在检测的准确性以及经济角度上都有一定的优越性,因此目前在建筑工程中检测钢管混凝土缺陷是最常用的方法。但超声法的应用需要工程人员有一定的经验,在实际检测工程中检测结果容易受到现在环境的影响,多提供超声波检测数据及图形有利于超声法检测技术在钢管混凝土缺陷检测中的推广。另外,可以尝试对超声CT扫描技术进行开发研究,将超声CT扫描检测技术应用在建筑工程钢管混凝土缺陷检测中,让检测结果更直观化。文中试验结果部分运用于保利超高层钢管混凝土质量检测项目中。