超聲波對鋼筋套筒灌漿料密實性檢測試驗研究

1、混 凝 土concretedoi: 10.3969/j.issn .1002-3550.2014.09.031超聲波對鋼筋套筒灌漿料密實性檢測試驗研究聶東來，賈連光，杜明坎，劉 明(沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧沈陽110168)摘要：根據(jù)超聲波傳播的特性得出超聲波在灌漿料密實的鋼筋套筒內是徑向傳播，當超聲波通過灌漿料具有脫空缺陷的鋼 筋套筒時，其傳播路徑是沿著鋼筋套筒外壁傳播，并通過試驗驗證其傳播路徑。根據(jù)其傳播路徑的不同，利用首波聲時法檢測裝配式混 凝土結構中的鋼筋套筒的灌漿料密實性，并借助于超聲波幅值對其脫空缺陷進行定性判斷。關鍵詞：裝配式；混凝土結構；鋼筋套筒；超聲波；檢測中圖分類號：

2、tu528.07文獻標志碼：a文章編號：10023550 ( 2014 ) 09-0120-04experimental study on detecting density of grouting materials for steel sleeves by using ultrasonic w avenie donglai, jja lmniguaiigr duminkmi, liumiiig(school of civil engineering. shenyang jianzhu university, shenyang 110168, china)abstract: accordin

3、g to the characteristics of ultrasonic wave propagation, the propagation path of ultrasonic wave for density of grouting materials for steel sleeves is radial transmission> and the propagation path of ultrasonic wave for void of grouting materials for steel sleeves is along the outer wall of stee

4、l sleeves the propagation path is verified by experiments. based on difference of propagation paths, the method of head wavd stimc detects density of grouting material for steel sleeves ullmsonic wave amplitude can analyze whether the grouting materials in steel sleeves are voidkeywords: fabricated；

5、 concrete stnictiuc； steel sleeve； ultrasonic wave； detection收稿日期：2014-03-13 m金項目：十二五國家科技支揮計劃課題 (2012baj16b05)0引言我國的建筑業(yè)在過去的十多年里有著蓬勃的發(fā)展，它 是國民經濟的支柱產業(yè)。建筑業(yè)開始將以提高工程建設效 率、減少資源能源消耗和環(huán)境污染、提高工程質顯為日標， 摸索看發(fā)展新型裝配式混凝土建筑17。沈陽市現(xiàn)已有兩個 項h(萬科春河里和地鐵麗水新城)采用裝配式混凝土結 構進行設計與施工。但是目前還沒有一種有效的檢測方法， 對裝配式混凝土建筑結構節(jié)點的質量進行檢測，尤其是對 鋼筋連接

6、套筒的檢測，因為它直接影響著結構的安全性。 本文將通過理論與試驗和結合的方式，提出一種適合裝配 式混凝土結構的檢測方法以解決竣工環(huán)節(jié)中對鋼筋套筒 屮的灌漿料密實性進行無損檢測的問題。1超聲波檢測的原理利用超蘆波在不同介質中傳播速度不同的特性片嘰 采用超聲波首波聲吋法對裝配式混凝土結構中的鋼筋套 筒的灌漿料密實性進行研究。采用首波聲吋法需先確泄其 超聲波在灌漿料密實的鋼筋套筒內的首波傳播路徑，一種 是徑向傳播，如圖1(“)所示另外一利|是繞鋼筋套筒管壁傳 卿，如圖i (b)所示。圖1超聲波在鋼筋套筒內灌漿料密實區(qū)的傳播路徑 超聲波沿鋼筋套筒徑向傳播的時間山下式確定。式|汕超聲波在混凝土 |的徑向

7、傳播聲時;d鋼筋套筒外徑；d鋼筋直徑；a鋼筋套筒壁厚；v.超聲波在灌漿料中的傳播速度； 匕一超聲波在鋼筋套筒中的傳播速度; 仏一超聲波在鋼材屮的傳播速度。(a)超聲波沿鋼筋套筒管璧傳播的時間由下式確定,zho5 (d2cz) tt(2)vi式中汀2超聲波沿鋼筋套筒管壁傳播的聲時；a鋼筋套筒壁厚；d鋼筋套筒外徑；v,超聲波在灌漿料屮的傳播速度。超聲波一般在鋼筋套筒和鋼筋中傳播的速度是5 700 m/s 左右，而在灌漿料中的傳播速度是4 000 in/s左右。把這 些數(shù)據(jù)代入式(1)和式可以得出02,由此得出超聲波 是沿鋼筋套筒徑向傳播的，從而確定可以用超聲波首波 法對鋼筋套筒內灌漿料的密實性進行

8、檢測。從鋼筋套筒的徑截面進行觀察，鋼筋套筒內灌漿料處 于密實狀態(tài)，如圖2 (a)所示。鋼筋套筒內的灌漿料脫空缺 陷分為兩種，一種為完全脫空，例如鋼筋套筒-與豎向鋼筋 連接時，由于灌漿料良好的流動性決定鋼筋套筒內的灌漿 料缺陷是套筒頂端為完全脫空狀態(tài)，如圖2(b)所示。另外 一種是部分脫空，例如鋼筋套筒與橫向鋼筋連接時，山于 灌漿料具有良好的流動性，在套筒中的上表血會形成一個 水平面，造成部分脫空缺陷，如圖2 (c)所示。(町密實(b)完全脫空(°)部分紀空圖2鋼筋套筒徑截面采用超聲波對測法時，超聲波換能器發(fā)射端和接收端 的連線通過帶有脫空缺陷的部位，聲波將會繞鋼筋套筒管 壁傳播。2檢

9、測結果分析2試驗驗證超聲波在鋼筋套筒內的傳播路徑超肖波檢測儀測出試驗所用的鋼筋套筒的聲速值是 5.267 km/s,鋼筋的聲速值是5.309 km/s。采用超聲波對測 法測出灌漿料不同齡期下聲速值，兩個對測面各布置五個 測點，如圖3 (a)所示。發(fā)射和接收換能器的軸線需保持在 同一直線上，如圖3 (b)所示，試塊聲速值為五點聲速的平 均值。圖3測點布置圖超聲波測出不同齡期的灌漿料聲速值，見表1。表1灌漿料不同齡期下聲速值齡期/d1371428蘆速/km/s3.9244.1874.274.3114.332制作如圖2所示的三種鋼筋套筒，灌漿料密實的鋼筋 套筒命名為t1,灌漿料完全脫空的鋼筋套筒命名

10、為t2,灌 漿料部分脫空的鋼筋套筒命名為t3。在鋼筋套筒的徑截面上選擇3個點作為測點，超聲波 檢測儀的發(fā)射端和接收端布置圖，如圖4所示。接枚接收波點3 發(fā)射圖4鋼筋套筒徑截面測點均勻布置圖按照圖4的測點布置，測出t1、12、t3的聲速值，并把 各介質的聲速值代入式(1)得出t1的聲速理論值，見表2。表2三種鋼筋套筒聲速實測值km/s鋼筋套筒齡期測點1測點2測點3理論值1 d4.5834.4354.4354.620t13d4.7414.5834.7414.7687d4.7414.7414.9114.8121 d3.4383.3543.438t23d3.3543.4383.3547d3.4383.

11、3543.2741 d4.4354.5833.354t33d4.7414.5833.4387d4.9114.7413.438由表2得出隨著齡期的增加，灌漿料和t1的聲速值 也隨著增大，說明超聲波傳播路徑與灌漿料有關，不杲沿 著鋼筋套筒壁傳播的。t1的聲速實測值與理論值接近，證 明超聲波是沿著鋼筋套筒徑向傳播的。t2的聲速是3.4 km/s左右。13的兩個測點聲速值在 4.5 km/s左右，而另一個測點聲速值在3.4 km/s左右，與 t2聲速基木一致。把測出3.4 km/s時的測距由套筒外壁直 徑轉化為套筒外壁半弧長，聲速值變?yōu)?.338 km/s,這個值 與鋼筋套筒的聲速實測值5.267 k

12、m/s相似，可以推斷超聲 波換能器兩端連線正好通過灌漿料脫空部分時，超聲波將 要沿著鋼筋套筒壁傳播。根據(jù)超聲波沿鋼筋套筒徑向傳播 速度(45 km/s)大于沿鋼筋套筒壁傳播速度(3.4 km。，試 驗驗證了采用超聲波首時法檢測鋼筋套筒內灌漿料密實 性的前提條件。當采用超聲波首波法在檢測吋，通過灌漿料密實區(qū)域 和脫空區(qū)域的聲速值相差1 knvs以上，所以很容易對鋼筋 套筒內灌漿料的脫空缺陷作出定性分析。2.2超聲波檢測混凝土中灌漿料的密實性試驗制作一個尺寸為250 mmx400 mmx500 mm混凝 土試件，混凝土等級為c30,內部預埋兩根鋼筋套筒，鋼筋 套筒的混凝土保護層取35 mm,左邊的

13、鋼筋套筒內部灌漿料為密實狀態(tài)，右邊的鋼筋套筒內部灌漿料為完全脫空 狀態(tài)o檢測超聲波在混凝土中的聲速。測距是試件的寬度 (250 mm),采用超聲波對測法進行聲時測量，在兩個對測 面各布置五個測點，如圖5 (a)所示。發(fā)射和接收換能器的 軸線需保持在同一直線上，如圖5 (b)所示，混凝土聲速值 為五點聲速的平均值。超聲波在混凝土中的聲速值見表3,各測點聲速較為 穩(wěn)定，經試驗測得混凝土的聲速為4.235 km/s。超聲波檢測預埋在混凝土屮的鋼筋套筒的灌漿料密 實度吋，測點布置圖如圖6 (a)所示，發(fā)射和接收換能器的 軸線需保持在同一條水平線上，豎直方向應在鋼筋套筒長 度范圍內均勻的取五個點，如圖6

14、 (b)所示，聲速值為五個 測點聲速的平均值。超聲波兩端的換能器對準灌漿料處于密實狀態(tài)的鋼 筋套筒的圓心，命名為第一類測點，超聲波兩端的換能器 對準灌漿料處于完全脫空狀態(tài)的鋼筋套筒的圓心，命名為 笫二類測點，測得的聲速值見表4。超聲波在第一、二類測點下的聲速理論值按照式(3) 進行計算，訃算得出理論值分別為4.277 km/s和4.003 kin/s。發(fā)駆0>)圖5測點布置圖表3混凝土蘆速值km/s測點編號19345平均值聲速值4.2234.2234.2524.2234.2524.235400prl<3日灌漿料球鋼筋套筒及鋼筋巨3混凝土ft測點o(b)圖6測點布置圖表4超聲波在兩類

15、測點下的聲速值km/s測點編號12345平均值第一類測點聲速值4.1674.1394.1954.1674.1954.173第二類測點聲速值4.0854.1124.0064.0324.1394.075l_式川：u超聲波檢測的聲速理論值；l測距(250 mm)；vi超聲波在混凝土中的聲速值；l,超聲波在構件屮混凝土部分傳播的距離(195 mm):v：超聲波通過鋼筋套筒的聲速值；l2 鋼筋套筒的外徑(55 mm)。由農5可以得出，超聲波實測值符合在第一類測點下 的聲速值大于第二類測點下的聲速值，其原因是在第二類 測點情況下，鋼筋套筒內部的灌漿料是處于完全脫空狀態(tài)， 超聲波沿著鋼筋套筒外壁傳播，其速度

16、小于沿徑向傳播速 度。第一、二類測點聲速值相差不大，在實際檢測時存在一 走的難度，有時需要通過借助于超聲波幅值進行判斷。表5兩類測點的聲速理論值與實測值比較km/s理論值實測值第一類測點聲速值4.2774.173第二類測點聲速值4.0034.075兩類測點測得的超聲波幅值見表6。表6兩類測點的幅值比較db測點編號12345第一類測點幅值87.6988.2888.5586.8488.74第二類測點幅值92.3291.6291.8195.1793.15由表6可以得出第一類測點幅值比第二類測點幅值 小，其主要原因可能是超聲波是一種高頻的振動波，而套筒 內部的灌漿料可以看作是一種類似高頻濾波器的介質，

17、所 以超聲波在其中傳播幅值會有所降低。2.3超聲波檢測混凝土柱中灌漿料密實性把2.2節(jié)制作的混凝土試件命名為試件1,如圖7 (a) 所示。本節(jié)制作一個相同尺寸的混凝土試件，作為對比試件，預埋的兩根鋼筋套筒內部灌漿料都為密實狀態(tài)，命名 為試件2,如圖7 (b)所示。按照裝配式混凝土柱子內鋼筋 套筒四周均勻布進，提出一種測點布程方法。測點布世圖 如圖73、圖7 (b)所示，發(fā)射和接收換能器分別置于柱了 對測面兩端，其軸線需保持在同一條水平線上，并通過 鋼筋套筒圓心，豎直方向應在鋼筋套筒長度范圍內，均 勻的取五個點，超聲波在試件內的聲速為五個測點的平 均值。灌漿料叵接懺射j鋼筋套筒 及鋼筋14 i混

18、凝土<3圖7測點布置圖表7超聲波在兩種試件內的聲速值km/s測點編號12345平均值試件1聲速值試件2聲速值4.0654.2024.0494.2194.0164.1944.0324.2194.0324.2024.0394.207兩個試件的聲速理論值按照式(4)進行計算，汁算結果 為試件a的聲速是4.112 km/s,試件b的聲速是4.288 km/s °v=l_l_+ 2+ 鼻v. v2 v.式中：v超聲波檢測的聲速理論值；l測距(400 mm)；v,超聲波在混凝土屮的聲速值；l.超聲波在構件屮混凝土部分傳播的距離 (290 min)；v2超聲波通過灌漿料密實的鋼筋套筒的聲速值

19、；x超聲波通過灌漿料完全脫空的鋼筋套筒的聲 速值：l2鋼筋套筒的外徑(55 mm)。由表8可以得出超聲波實測值符合在試件1屮聲速 值小于試件2中的聲速值，其原因是在試件i中右側鋼筋 套筒內部的灌漿料是處于完全脫空狀態(tài)，超聲波將是沿著 鋼筋套筒外壁傳播，聲速值小于沿徑向傳播的聲速值，根 據(jù)這點可以對混凝土中預埋的鋼筋套筒內部灌漿料的脫 空缺陷進行定性分析。還可以借助幅值對脫空缺陷進行判 斷，由表9可以得出試件1的幅值大于試件2的幅值。其 原因仍是灌漿料看作是一種類似高頻濾波器的介質。表8聲速理論值與實測值比較km/s理論值實測值試件1聲速值4.1124.039試件2聲速值4.2884.207表9

20、兩個試件的幅值比較db測點編號12345試件1波幅85.3286.1285.1583.2685.65試件2波幅77.4474.0675.4974.9871.883結論(1) 通過理論與試驗相結合，驗證超聲波在灌漿料密 實的鋼筋套筒內和灌漿料脫空的鋼筋套筒內的兩種傳播 路徑，并證明采用超聲波首波聲時法檢測的前提條件。(2) 利用超聲波首波聲時法，可以在裝配式節(jié)點處澆 筑混凝土z前，對與橫向鋼筋連接的鋼筋套筒灌漿料的密實 性進行檢測。(3) 通過測得的超聲波聲速并借助于幅值，可以判斷 預埋在混凝土中與豎向鋼筋連接的鋼筋套筒灌漿料的密 實性。但是這種檢測方法的缺點是無法確認左右哪根鋼筋 套筒內灌漿料具有脫空缺陷，需要進一步深入研究。參考文獻：in許徳峰，劉海成，賈連光.裝配式農村住宅結構體系研mi第 21屆全國結構工程學術會議論文集第ii冊，2012： &d91.121黃小坤，田春雨.預制裝配式混凝土結構研究j.住宅產業(yè)，2010 (9):莖32.棊寶暉，閻石，劉福學，等.利用壓電智能骨料的鋼管 混凝土柱 密實性檢測試驗山.沈陽建筑人學學報，2012, 28 (3) : 491-496