近年来,我国装配式建筑发展迅速,特别是装配式混凝土结构建筑。灌浆套筒连接是装配式混凝土结构的关键技术之一。灌浆套筒施工质量的好坏直接影响建筑物结构的质量和安全,是目前社会关注的焦点和研究的热点 ^[1,2]。体现灌浆套筒的施工质量主要有以下参数:套筒内钢筋的锚固长度、套筒内的灌浆饱满度以及套筒的灌浆密实度(或者强度)。

　　 目前,上述参数的现场检测方法主要有预埋钢丝拉拔法、预埋传感器法、内窥镜法、冲击回波法等 ^[3,4,5],但以上方法在使用条件、检测精度、便利性等方面还存在各自的局限性。本文重点研究了X射线数字成像(X-ray digital radiography)技术(简称DR技术)现场检测灌浆套筒施工质量的可行性、影响因素及准确性,并通过实际工程应用,验证此方法的有效性和可靠性。

　　 在新的检测手段出现之前,采用了取出实体剖开测量的方法来验证灌浆套筒的施工质量,如图1所示。结果显示,400多根样品中,15%存在空洞、不饱满的现象,不饱满区域全部集中在出浆口附近;12%左右的套筒存在锚固钢筋长度不足的问题。以上结果再次证明了灌浆不饱满(有空洞)和锚固钢筋长度不足是灌浆套筒施工质量的两种主要问题。

　　 DR技术检测通过射线透照被检工件,衰减后的射线光子被数字探测器接收,经过一系列的转换变成数字信号,数字信号经放大和A/D转换,通过计算机处理,结果以数字图像的形式呈现。工作原理如图2所示。其优势在于:1)X射线直接转换,直接创建有数字格式的图像,利用成像探测器作为X射线检测器,成像环节少,工作效率高;2)不会产生因为扫描而引起的图像模糊,具有较好的图像分辨率和对比度,成像质量高;3)无需胶片,成像板正常使用时间长,日常耗材少。

　　 采用DR技术对工程现场取出的单个套筒进行测试,观察其内部的质量。为分析此方法的准确性和精确度,在试件上放置了双线型像质计和线型像质计,如图3所示。

　　 单个灌浆套筒DR成像结果如图4所示。由图可见,套筒内部情况非常直观清晰,灌浆区与未灌浆区界限明显,空洞、孔洞等缺陷信息清晰可见,钢筋插入长度可直接测量,钢筋螺纹也清晰可见。图中双线型像质计显示图像分辨率,即检测系统所能分辨的被检构件图像中单位长度上两个相邻细节间最小距离的能力,检测结果显示,图像分辨率达到了D8级别。另一方面,负片中只观察到图像质计字码部分影像,正片中的图像质计字码更加清晰(图5)。以上结果表明,通过成像调节显示方式,如正片和负片对比分析,可以获得更加精确的图像;采用DR技术能够清晰地检测套筒内部的质量。

　　 实际工程中,灌浆套筒是埋在钢筋混凝土结构内的。一方面,混凝土的不均匀性,对X射线有着吸收和反射等干扰,另外,结构钢筋对灌浆套筒内的钢筋的检测结果也存在干扰;总之,钢筋、混凝土对DR技术的准确度和可靠度有着比较大的影响。为进一步分析这种影响,本文设计了一个钢筋混凝土剪力墙试件(图6),并模拟工程现场施工情况,将套筒埋入试件中。试件内埋了3个全灌浆套筒和3个半灌浆套筒,并人工设置了灌浆的饱满度,分别为全满、半空和全空,如表1和图7所示。试件混凝土强度等级为C40,剪力墙厚度为200mm;另外,制作了两面厚度为70mm的钢筋混凝土墙板,以模拟工程现场钢筋混凝土不同厚度,分析钢筋混凝土厚度对检测结果的影响。

　　 首先对200mm厚度钢筋混凝土内灌浆套筒内部施工质量进行检测,同时测量图像分辨率,为此,双线型像质计摆放在射源一侧,得到的DR图像如图8所示。从图8中可以看出,混凝土与钢筋、钢筋混凝土与套筒的分界线明显,套筒内插入的钢筋清晰可见,

　　 套筒内灌浆的灰度与其他部位明显不同。另外,双丝像质计图像(图8中方框框起区域)分辨率最高可识别D8级(丝径0.16mm),参照《承压设备无损检测 第11部分:X射线数字成像检测》(NB/T 47013.11—2015) ^[6],在检测等级为AB级情况下,同样透照厚度下只需识别D6级(丝径0.25mm)即可。理论上双丝像质计摆放在接收板一侧,因为离接收板近,显示的图像更清晰,试验中双丝像质计放在了放射源一侧,得到的结果也很清晰(图8),因此DR技术的检测精度较高。

　　 图9为全灌浆套筒的DR检测结果。在相同钢筋混凝土厚度、相同检测条件下,套筒内灌浆料饱满度的不同,呈现出不同的检测结果。对于灌浆料饱满的试件(图9(a)),混凝土的灰度值最高,与钢筋网片和套筒的界限明显,即套筒和钢筋显示的灰度值明显低于混凝土。分析原因认为,金属密度大,对于X射线的衰减大于混凝土。另外,混凝土内的灰度不均匀,主要因为混凝土自身不均匀,其内部对于X射线的吸收和散射不同。不均匀的灰度也成为混凝土DR图像的特征。套筒内部插入钢筋的灰度值最低,与灌浆料的分界明显。套筒内的灌浆料设计强度为85MPa,密度较高,主要是由细粉料水化而成,内部比混凝土均匀。由于灌浆料密度高,在套筒内对于X射线的吸收程度高于混凝土,因此呈现的灰度值低于混凝土,较容易分辨。另外,从图9(a)中可以看出,在出浆口附近,灌浆料不饱满,出现明显的高灰度值区域(图9(a)中方框框起区域),分析是灌浆时漏浆导致的。

　　 对于灌浆料饱满度50%左右的套筒(图9(b)),钢筋混凝土与套筒的分界等情况与图9(a)相似,不同之处在于套筒内上部未灌浆区域与灌浆区域的灰度值明显不同,出现明显的分界线(图9(b)中方框框起区域)。由于未灌浆区域的空洞区域对X射线的吸收明显减少,呈现出较高的灰度值。对于内部全未灌浆的套筒(图9(c)),套筒内部自身结构非常清晰,空白区域的灰度值和混凝土的灰度值相近。

　　 对于半灌浆套筒中的灌浆饱满度,试件中4#、5#、6#套筒的DR检测结果与对应的全灌浆套筒1#、2#、3#套筒的DR检测结果基本一致。综上分析,对于混凝土厚度200mm的剪力墙,通过DR技术能够很清晰地检测出墙体内灌浆套筒内灌浆的饱满度和钢筋的插入情况。

　　 目前,国内采用灌浆套筒连接的混凝土构件,主要是厚度为200mm左右的剪力墙,厚度为200mm以下的内填充墙,以及总厚度300～340mm夹心保温组合外墙(其中钢筋混凝土厚度260～270mm,其余部分为轻质保温层)。

　　 为进一步分析钢筋混凝土对于检测结果的影响,本研究在原试件(图6)的基础上,原位置增加了不同厚度的钢筋混凝土,如图10所示,图中从上到下依次为:70mm厚钢筋混凝土+80mm间隙+200mm厚钢筋混凝土+70mm厚钢筋混凝土。

　　 图11为灌浆饱满度50%全灌浆套筒在不同钢筋混凝土厚度条件下的DR图像,图中方框框起区域为套筒内未灌浆区和灌浆区的分界线。70mm厚钢筋混凝土+80mm间隙+200mm厚钢筋混凝土条件下的套筒DR图像相对于200mm厚钢筋混凝土条件下的DR图较模糊。但是,套筒内部插入钢筋形貌、未灌浆区域与灌浆区域的分界依然清晰可分辨。即在钢筋混凝土厚度270mm的条件下,DR技术检测灌浆套筒结果依然准确。但在70mm厚钢筋混凝土+80mm间隙+200mm厚钢筋混凝土+70mm厚钢筋混凝土的条件下,同一套筒的DR图像更加模糊,混凝土与套筒的分界模糊,套筒内灌浆料和内插钢筋的分界不够清晰,套筒内灌浆料的灰度与混凝土的灰度基本一致,表明340mm厚度的钢筋混凝土对套筒内施工质量的DR检测结果影响很大。分析原因认为,过厚的混凝土对X射线的吸收和散射过大,影响了检测结果。

　　 4.2.2 节研究成果表明,采用DR技术能够较准确地检测270mm及以下厚度钢筋混凝土内的套筒施工质量。另外,DR图像的处理程序能够测试相关尺寸。为使检测结果定量化,并验证检测结果的准确性,本文进行了不同设备之间检测结果的对比,并将其检测结果与剖开测量方法的结果进行对比,对比参数为套筒灌浆饱满度的缺陷尺寸和插入钢筋锚固长度。对比样品为预制剪力墙(厚200mm)内部灌浆套筒,套筒型号规格为JM GTJB4 14/14,长度156mm,外径34mm,设计锚固长度112mm。现场随机抽取2个套筒,采用不同品牌(A和B)的设备进行DR检测,检测时采用同样的管电压等曝光参数,并取出套筒进行剖开测量。具体对比结果见图12、图13和表2。

　　 从对比结果可以看出,DR技术可以较准确地测量出套筒内部的质量缺陷,不同品牌的DR设备之间测试结果差值绝对值在0.5mm以内。DR检测结果与剖开测量值间差值绝对值在2mm以内。表明,DR技术不仅能够定性检测套筒内部的质量缺陷,而且能够定量检测。

　　 本文试验研究成果,在部分工程中得到应用,检测对象主要是200mm厚钢筋混凝土内部的灌浆套筒。经过检测发现目前灌浆套筒施工质量主要存在以下问题:1)套筒上部,出浆口附近,出现灌浆不饱满现象(图14(a));2)底部无插筋、插筋过短以及插筋被截断现象(图14(b)～(d))。据初步的样本结果统计,第一个问题出现频率较高,第二个问题出现频率较低,但会严重影响结构安全。经过分析,以上问题主要是施工过程不规范导致的。

　　 (1)DR技术能够准确地检测出装配式混凝土结构中灌浆套筒的施工质量,主要检测参数是套筒内的灌浆密实程度和钢筋的插入长度。

　　 (2)钢筋混凝土的厚度会影响检测结果,目前宜控制在270mm以内;DR技术针对270mm厚以内的钢筋混凝土结构的检测结果是准确可靠的,此厚度基本涵盖了目前装配式混凝土构件的主要尺寸。

　　 (3)DR技术技术具备便携、无损、快速等优点,随着我国装配式建筑的蓬勃发展,此项技术已成为装配化建筑施工质量控制的有效手段。

　　 DR技术在试验过程中具有辐射性,需要专业的机构和人员操作,试验过程中安全性控制非常重要。DR技术检测装配式建筑节点的施工质量,还有很多问题需要研究,例如缺陷判定的参数和定量指标,缺陷自动判别技术,检测墙体厚度大、内部套筒多排布置条件下的检测技术等。随着DR技术的不断发展,其应用前景将更加广阔。