近年来,因国家政策的推进和社会环境的需求,装配式建筑,尤其是装配式混凝土结构建筑在我国快速发展。为保障装配式建筑的发展,确保装配式混凝土结构工程的质量和安全,其对应的质量检测必不可少。然而,目前我国关于装配式混凝土结构工程质量检测研究却不够完善,有一部分方法仍是沿用现浇混凝土结构质量控制的检验思路,并不适用于施工工艺有了较大改变的装配式混凝土结构。其中,浆锚搭接、钢筋套筒等装配式混凝土重要连接节点关系到结构整体的安全性、耐久性,目前却缺乏完善的无损检测方法。

　　 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锚固力来传递竖向受力,主要分为使用大直径波纹管的钢筋集中束浆锚搭接和使用小直径波纹管的单筋浆锚搭接。因浆锚搭接性能稳定、易于施工等优点,近几年在江苏等地的装配式混凝土结构工程剪力墙竖向连接节点中应用广泛。实际工程中,存在节点灌浆不饱满、钢筋有效锚固长度不足等灌浆质量问题,严重影响节点的质量和工作性能。超声波、地质雷达和红外成像等混凝土结构常规无损检测方法目前均无法有效检测节点的内部缺陷 ^[1]。冲击回波法可用于无损检测大直径波纹管浆锚搭接节点的灌浆饱满度,但无法有效识别波纹管内的钢筋锚固长度及双排布置的小直径波纹管浆锚搭接节点灌浆缺陷 ^[2,3]。X射线工业CT技术可有效检测钢筋套筒等连接节点内部的灌浆质量,但其庞大的检测设备无法适用于现场测试,仅适用于连接节点平行试件的实验室检测 ^[4]。

　　 随着国内外便携式X射线技术的发展,便携式X射线机的参数条件开始满足现场无损检测装配式混凝土结构连接节点灌浆质量的要求 ^[5]。试验研究表明便携式X射线技术可以成功识别预制混凝土构件内的钢筋套筒、钢筋形态和灌浆饱满度,并通过工程应用验证了该方法检测套筒灌浆质量的可行性 ^[6,7,8]。然而,便携式X射线技术检测装配式混凝土结构连接节点的研究主要集中在钢筋套筒等节点的灌浆质量研究,针对浆锚搭接节点的检测技术研究相对较少。与钢筋套筒相比,浆锚搭接节点的灌浆孔道使用厚度较薄金属波纹管、塑料波纹管或无波纹管成型,浆锚搭接节点灌浆位置与节点外混凝土的分界相较灌浆套筒更难分辨。同时,钢筋浆锚搭接节点外部往往设有螺旋箍筋,可能会对X射线的检测造成干扰。另外,目前的研究表明,便携式X射线技术检测预制混凝土构件中双排对称布置的连接节点效果较差,更适用于梅花形或居中单排布置的连接节点 ^[6]。因此,有必要针对浆锚搭接节点进行试验,研究便携式X射线无损检测浆锚搭接灌浆质量的可行性。

　　 本文针对装配式混凝土结构剪力墙浆锚搭接节点,制作了设有大、小直径波纹管的模型试件,采用便携式X射线技术进行了装配式结构钢筋集中束浆锚搭接节点和双排对称布置单筋浆锚搭接节点灌浆质量无损检测的模型试验研究,并通过实际工程应用验证了该方法的可靠性。

　　 X射线属于电磁波的一种,波长较短,介于紫外线和γ射线之间。X射线检测混凝土构件主要是利用其穿透、电离、荧光等物理特性和感光、着色等化学特性 ^[6]。根据目前国内外的X射线技术,便携式X射线机在混凝土中的最大穿透厚度约为450mm,受混凝土中钢筋等因素的干扰,实际有效检测厚度约为300mm ^[6,9]。因此,便携式X射线机主要适用于装配式混凝土剪力墙等厚度小于300mm的预制构件及其连接节点的缺陷检测。

　　 X射线技术现场检测混凝土构件的原理如图1所示。根据X射线数字成像法或X射线胶片成像法的不同,成像装置可为X射线数字探测板或X射线胶片。X射线数字成像是通过射线透照被检预制混凝土构件,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,以数字图像的形式输出在显示器上。X射线胶片成像技术的原理为将感光材料(胶片)放置于预制混凝土构件的后面,使其在透射X射线的作用下感光,经暗室处理后得到底片。由于缺陷部位与完好部位的射线穿透强度不同,底片上相应部位就会出现黑度差异。根据该差异影像的形状和黑度情况,就可以评定预制混凝土构件或预埋波纹管内有无缺陷及缺陷的形状、大小和位置。

　　 根据条件和试验要求选取合适的X射线数字成像装置或X射线胶片成像装置。为保证穿透厚度和成像质量,X射线机的最大管电压不宜低于300kV。

　　 根据设备及检测工况选择合适的透照工艺,包括管电流、管电压、曝光时间、透照几何参数等,以保证成像质量。其中,管电压越高,射线的穿透能力越强;管电流越大,射线密度越大,成像像素越高;曝光时间越长,成像黑度越大。

　　 根据透照工艺放置便携式X射线装置。成像装置宜贴紧构件表面,且有效成像区域应覆盖待检测的部位;射线机放置应满足透照时X射线束垂直指向透照区中心,必要时可选用有利于发现缺陷的方向透照。合理放置射线机及成像装置可减小成像畸变。散射线和无用射线会降低图像对比度,可采取在X射线管窗口前安装滤波板;在探测器或X射线管窗口前安装光栅;对非检测部位进行屏蔽等措施减少散射线和无用X射线。

　　 确保检测人员处于安全区域后,开启透照曝光。待曝光完成后,关闭射线机,确认检测区域处于安全状态后,取下成像装置。

　　 为模拟装配式混凝土结构剪力墙中大直径金属波纹管浆锚搭接节点,制作了如图2所示的设有不同形状、大小、位置灌浆缺陷的波纹管节点模型试件,研究采用便携式X射线技术测试大直径钢筋集中束浆锚搭接波纹管内缺陷的效果,图中BWG-1～BWG-4为波纹管的编号。缺陷设置详情见表1。

　　 本次试验选用便携式高频恒压X射线机,最大管电压350kV,试验成像方式采用数字成像。试验时选取管电压为250kV,管电流3mA,透照时间1min等参数透照200mm厚的混凝土构件。

　　 大直径波纹管节点试件各部位X射线数字成像如图3所示。图3(a)为模拟BWG-1灌浆无缺陷、饱满度100%的波纹管节点扫描成像,图中通过各区域黑度的不同,可以清晰地分辨混凝土与波纹管的分界,以及构件中钢筋、波纹管的螺旋箍筋。图3(b),(d)为模拟BWG-2,BWG-3波纹管顶部灌浆不饱满的缺陷(QX1,QX3)成像,其中灰色区域为灌浆饱满部位,黑色空间为未灌浆部位。波纹管顶部不同大小的不饱满缺陷在图中清晰可见,且大小、位置与实际吻合。图3(c),(e),(f),(g)为模拟BWG-2～BWG-4中不同形状、尺寸和位置的空洞缺陷成像。图中黑色的空间可以明显分辨QX2,QX4,QX5,QX6的形状、角度、大小和位置,测试结构均与实际工况一致。另外,试件浇筑过程中用于固定模拟缺陷的泡沫所用的定位钢筋在图中也清晰可见。由此可见,X射线不仅可以识别波纹管中的灌浆缺陷,也可以识别波纹管中的钢筋。

　　 由大直径波纹管节点模型试件的测试结果可知,对于200mm厚的装配式混凝土墙体,在便携式X射线机采用250kV管电压、3mA管电流、1min透照时间的前提下,成像可以清晰地确定预制混凝土构件中波纹管的位置;定量识别波纹管的灌浆饱满度;定量识别波纹管中孔洞等缺陷的存在及其形状、大小、位置;定量识别波纹管中的钢筋位置、长度。

　　 为模拟实际工程装配式预制混凝土墙体中双排布置小直径单筋浆锚搭接节点,制作了如图4所示的设有双排不同灌浆饱满度的波纹管节点模型试件,研究采用便携式X射线数字成像法测试双排布置单筋浆锚搭接波纹管内缺陷的效果。其中,G1,G3,G4为灌浆饱满波纹管,G2为未灌浆波纹管,以模拟波纹管双排均灌浆饱满和一排灌浆一排未灌浆的工况。

　　 本次试验选用便携式高频恒压X射线机,最大管电压350kV,试验成像方式采用数字成像。试验时选取管电压为250kV、管电流3mA、透照时间90s等参数透照200mm厚的混凝土构件,透照角度如图5所示。

　　 小直径波纹管节点试件各部位X射线数字成像结果如图6所示。图6(a)为X射线垂直透照G1,G2的成像,图中G1,G2的影像重合模糊,通过黑度可以勉强识别有一根波纹管未灌浆,但无法区分未灌浆的波纹管为前排或后排。图6(b)为X射线斜角透照G1,G2的成像,斜角透照角度如图5所示。斜角透照的图像中G1,G2的位置不再重叠,可以分别判断G1,G2的灌浆饱满度。通过斜角的方向可知,图中左侧黑度较大的波纹管为未灌浆的G2,右侧波纹管为灌浆的G1。图6(c)为X射线斜角透照G3,G4的成像,可以判断G3,G4两根波纹管均灌浆。斜角透照的成像结果均与实际工况一致。

　　 由小直径波纹管节点模型试件的测试结果可知,采用便携式X射线机正常透照200mm厚混凝土墙体中双排布置的波纹管成像效果较差,波纹管在影像中重叠,难以判断是否灌浆,以及缺陷所在的波纹管。通过斜角透照,可将波纹管分离成像,分别判断其灌浆饱满度及有无内部缺陷。但是,因为斜角透照的几何参数原因,实际的透照厚度会大于预制混凝土构件的实际厚度,其成像质量略低于X射线正常透照的结果。

　　 为验证便携式X射线技术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体测试。该工程含11幢住宅楼,每幢7层,为框架剪力墙结构,竖向承重构件(剪力墙)采用大直径浆锚搭接节点方式连接,剪力墙厚200mm,波纹管直径为130mm。现场测试采用胶片成像,测试时选取管电压为280kV,管电流5mA,曝光时间10min,焦距800mm,如图7所示。

　　 对该工程22片剪力墙50个浆锚搭接节点进行X射线成像检测,结果如图8所示。其中,典型的节点成像如图8(a)所示,可以清晰地识别波纹管、螺旋箍筋和预埋钢筋所在位置及长度,底片黑度均匀,未发现缺陷存在,可以判断灌浆饱满;有4个浆锚搭接节点的成像如图8(b)所示,底片上部与下部有较大黑度差,疑似灌浆不饱满,存在缺陷。通过对发现疑似缺陷的浆锚搭接节点进行局部破损验证,发现波纹管内部未灌满,且实际灌浆饱满度均与X射线成像结果吻合,如图9所示。

　　 本工程中便携式X射线现场测试结果准确,成像效果良好。可见,该技术在实际工程中是一个可行、有效的无损检测浆锚搭接节点波纹管内灌浆饱满度和预埋钢筋位置、长度的方法。

　　 本文采用便携式X射线技术对设有大、小直径波纹管浆锚搭接节点模型试件及实际工程中剪力墙浆锚搭接节点进行了测试,对测试结果进行了分析论证,并得出以下结论:

　　 (1)便携式X射线技术可以识别200mm厚装配式混凝土墙体中浆锚搭接节点的波纹管位置,定量识别灌浆饱满度,识别波纹管内孔洞等灌浆缺陷的形状、尺寸、位置,识别波纹管内钢筋的位置、长度,从而测试浆锚搭接节点的灌浆质量。

　　 (2)对于双排布置的浆锚搭接节点,X射线常规透照成像效果不佳,无法区分哪个波纹管中存在灌浆缺陷。宜进行斜角透照,使两排波纹管的成像分离,进行浆锚搭接节点灌浆质量的测试。因斜角透照会使实际透照厚度增加,降低成像质量,可适当调节参数,如增加管电压、增加透照时间等,以提高检测效果。

　　 (3)选取管电压、管电流、透照时间等参数对于便携式X射线技术检测装配式混凝土构件内浆锚搭接灌浆质量的成像质量至关重要。本研究通过大量试验,确定了适用于装配式混凝土剪力墙浆锚搭接节点的检测参数,可为未来X射线技术无损检测灌浆质量的推广和应用以及标准编制提供参考,具有良好的工程检测应用意义。

　　 (4)由于混凝土结构及灌浆料材质的多样性、复杂性,目前还未得到通过黑度值推断波纹管内灌浆密实度的方法,还需要大量试验寻找黑度值等参数和灌浆密实度的对应关系,形成更全面、可靠的X射线技术检测浆锚搭接节点灌浆质量的方法。