用于检测套筒灌浆质量的X射线数字成像法 (digital radiography, DR) 基于X射线探伤原理, 用X射线透照预制构件, 然后通过平板探测器接收图像信息并进行数字成像, 可观测套筒内部灌浆缺陷。张富文等^[1]和李向民等^[2]分别利用X射线胶片成像法、X射线计算机成像法 (computed radiography, CR) 、X射线数字成像法检测套筒灌浆质量, 研究结果表明X射线数字成像法检测效率最高。目前, 我国已颁布X射线数字成像技术相关标准^[3,4,5], 为X射线数字成像技术的推广应用提供依据。但应用该技术检测套筒灌浆质量仍需解决以下问题: (1) 钢筋套筒灌浆连接接头构造复杂, X射线数字成像清晰度有待提高; (2) 主要通过肉眼观察图像进而对检测结果进行定性判断, 尚未建立定量识别方法, 人为因素影响较大。

为增强图像质量, 对软件系统和操作流程进行优化提升。拍摄时, 平板探测器增加长时积分成像功能用于提升成像质量。后期图像处理时, 采用量子降噪技术去除量子噪声, 提升信噪比和清晰度;采用散射线抑制技术去除散射线, 调整曝光度, 提升边缘清晰度;采用多模式灰度曲线映射, 通过曲线映射调整灰度分布, 增强结构和缺陷图像信息。优化后的软件系统具备自动计算图像灰度功能, 在标准试件及工程实践现场检测研究的基础上提出基于图像灰度变化的套筒灌浆缺陷识别方法。

现场检测包括标准试件检测 (见图1) 和实际墙体检测 (见图2) 。标准试件中套筒预设灌浆缺陷, 用于验证X射线数字成像效果。在此基础上, 通过对实际墙体中套筒灌浆质量进行检测, 判断灌浆缺陷区及灌浆饱满区灰度分布规律。

标准试件GSR5厚200mm, 单排居中布置套筒, 采用20钢筋, 套筒内径42mm、外径51mm, 实际灌浆饱满度为60%。套筒外侧布有纵筋。标准试件GSR7厚200mm, 梅花形布置套筒, 采用16钢筋, 套筒内径38mm、外径46mm, 实际灌浆饱满度为60%。套筒外侧无纵筋。

实际墙体W为预制混凝土夹心保温剪力墙外墙, 内叶墙厚200mm, 保温层厚50mm, 外叶墙厚60mm, 内叶墙单排居中布置套筒, 采用20钢筋, 套筒内径40mm、外径52mm。检测灌浆套筒编号为W1～W2。实际墙体N为预制混凝土剪力墙内墙, 墙体厚200mm, 单排居中布置套筒, 采用20钢筋, 套筒内径40mm、外径52mm。检测灌浆套筒编号为N1～N6。实际墙体M为预制混凝土剪力墙内墙, 墙体厚200mm, 单排居中布置套筒, 采用20钢筋, 套筒内径40mm、外径52mm。检测灌浆套筒编号为M1～M6。X射线数字成像检测参数如表1所示。

标准试件检测结果如图3所示。由图3可知, X射线数字成像显示试件GSR5, GSR7中套筒内部各元素非常清晰, 方框部分钢筋周边灰度值明显高于其他部位, 表明存在灌浆缺陷, 该检测结果符合灌浆饱满度为60%, 也与高能X射线工业CT技术检测结果吻合^[6]。标准试件检测验证了图像质量提升效果明显, 图像质量符合进一步定量识别要求。

定量识别时可参考标准试件图像灰度分析结果 (见图4, 5) 。图4a (图5a) 为灌浆套筒X射线数字成像, 并标记上划线和下划线, 与上、下划线对应的灰度曲线分别如图4b (图5b) , 4c (图5c) 所示。

灰度曲线通过软件自动计算, 并进行归一化处理。其中筒外表示套筒外灰度分布, 具体分析时可不予考虑;筒壁和套筒内钢筋位置由于密度较大, 归一化灰度值较小;灌浆区如不存在灌浆料 (图4b中套筒内钢筋右侧位置) 则归一化灰度值较大, 如存在灌浆料 (图4c中套筒内钢筋右侧位置) 则归一化灰度值较小。识别灌浆区是否存在灌浆料时, 灌浆区灰度值计算一般取套筒内钢筋两侧归一化灰度峰值平均值;如没有钢筋通过, 则直接取灌浆区归一化灰度峰值。应注意, 如果某灌浆区受套筒外钢筋投影、套筒肋投影或其他非灌浆料元素投影影响, 则该区域灰度值不能完全反映实际灌浆饱满情况。

根据上述灰度值计算原则, 图4b中套筒内钢筋左侧区域存在套筒外钢筋投影, 右侧区域归一化灰度值为1.00, 灌浆不饱满;图4c中套筒内钢筋左侧区域存在套筒外钢筋投影, 右侧区域归一化灰度值为0.60, 灌浆饱满;图5b中套筒内钢筋左侧区域存在套筒肋投影, 右侧区域归一化灰度值为0.85, 灌浆不饱满;图5c中取套筒内钢筋两侧归一化灰度峰值平均值, 经计算为0.49, 灌浆饱满。

实际墙体W, N, M中灌浆套筒X射线数字成像检测结果与图像灰度分析如图6所示。其中灰度曲线对应的套筒内部位置规定同图4, 5。由图6可知, 实际墙体检测时, 由于排除边界效应影响, X射线数字成像显示套筒内部各元素更加清晰。存在灌浆缺陷区时, 其灰度与灌浆饱满区有显著差别、易于判别。通过实际墙体检测进一步验证了图像质量提升的有效性与可靠性。

图6中各套筒上、下划线对应的灌浆区灰度计算值如表2所示。其中, N6套筒灌浆缺陷较小且分布不均, 上划线套筒内钢筋左侧位置有灌浆料, 而右侧位置没有灌浆料, 所以左右侧分别取值。另外, 将标准试件GSR5, GSR7检测结果也列于表2。

由表2可知, 当灌浆区归一化灰度值为0.48～0.65时灌浆饱满, 为0.85～1.00时灌浆不饱满。基于研究结果提出以下初步判别准则:当灌浆区归一化灰度值≤0.65时灌浆饱满;当灌浆区归一化灰度值≥0.85时灌浆不饱满, 即存在灌浆缺陷;当灌浆区归一化灰度值为0.65～0.85时, 建议进行深入分析或结合其他方法 (钻孔结合内窥镜法、局部破损法等) 进行判定。另外, 如果某灌浆区受非灌浆料元素投影的影响, 则该区域灰度值无法反映实际灌浆饱满情况, 需专门分析。

为进一步校验X射线数字成像法检测效果, 现场选择N1, M6套筒进行验证。先在套筒出浆孔管道用手电钻配空心圆柱形钻头钻至套筒内钢筋位置, 然后沿钻孔孔道底部伸入带前视镜头的Avanline3.9型内窥镜进行观测, 结果如图7所示。由图7可知, N1, M6套筒确实存在明显的灌浆不饱满情况, 与X射线数字成像法检测结果一致。

1) X射线数字成像法通过拍摄时应用长时积分技术、后期图像处理时应用量子降噪技术、散射线抑制技术和多模式灰度曲线映射技术使成像清晰, 图像质量符合定量识别要求。

2) 基于标准试件和实际检测结果, 当灌浆区归一化灰度值≤0.65时, 可判断灌浆饱满;当灌浆区归一化灰度值≥0.85时, 可判断灌浆不饱满, 即存在灌浆缺陷;当灌浆区归一化灰度值为0.65～0.85时, 需进行深入分析或结合其他方法判定。如某灌浆区受非灌浆料元素投影的影响, 则该区域灰度值不能完全反映实际灌浆饱满情况, 需专门分析。

3) 研究结果表明, 在预制混凝土剪力墙及预制夹心墙内叶剪力墙中单排或梅花形布置套筒, 套筒灌浆饱满度可通过X射线数字成像法较简便地检测与评估。但尚需进一步优化判别准则, 并研究该法对于双排布置套筒灌浆饱满度检测的适用性。