钢筋套筒灌浆连接技术在装配式结构钢筋连接中应用广泛, 该接头已经被美国认定为一种机械接头, 是目前比较成熟的预制混凝土构件连接技术, 该连接的可靠性直接关乎装配式施工连接质量和结构整体安全性能。现阶段, 广大专家学者重在对由套筒的材料^[1,2]和造型^[3,4,5]以及钢筋种类^[6]等引起的钢筋套筒灌浆连接件的受力性能和破坏模式^[7]的研究, 但是深入考虑套筒内部缺陷的研究却很少, 其主要原因在于缺乏对试件缺陷的位置、尺寸和分布的有效检测。

目前, 钢筋套筒灌浆连接主要依靠观察排浆孔有无出浆判断灌浆是否饱满, 在对其内部缺陷进行检测时, 主要采用超声波检测和切割检测。潘卫育等^[8]、周先雁等^[9]等先后于2005, 2006年采用超声波检测了钢管混凝土的密实性, 在检测不同壁厚金属波纹管内部浆料时, 发现管壁越厚越不易检测;2014年, 聂东来等^[10]根据超声波传播特性, 利用首波声时法检测装配式混凝土结构中钢筋套筒灌浆料的密实性, 并借助于超声波幅值对其脱空缺陷进行定性判断;赵婉等^[11]、陈旭东等^[12]对现有无损检测方法检测套筒灌浆密实度的可行性进行分析, 提出了一些套筒灌浆密实度检测方法的研究展望。2003年, 曹玉玲等^[13]通过工业CT得到了试件的三维重建图像, 从而用于复杂铸件的三维结构分析、缺陷检测, 并使之与快速成型系统相结合;2006年, 孙灵霞等^[14]详细论述了工业CT技术的主要特点, 介绍了工业CT在缺陷检测、焊缝质量诊断、密度分布表征、结构分析及装配质量检测等无损检测中的应用实例。综上所述, 钢筋套筒灌浆连接所使用的套筒由于有一定的壁厚, 采用超声波不易检测到套筒内部灌浆料的缺陷, 并且只能对缺陷进行定性分析, 不能有效检测试件内部缺陷的位置、尺寸和分布情况。目前, 工业CT技术日趋成熟, 作为一种实用的无损检测技术, 已广泛应用于复杂锻件、铸件及大型固体火箭发动机^[15]的缺陷检测、精密铸造的尺寸测量等方面。

本文通过制作4种工况的钢筋套筒灌浆连接件, 利用工业CT检测对检测数据进行分析, 并结合超声波检测和切割检测的试验结果作对比, 从而证明将工业CT用于装配式建筑中钢筋套筒灌浆连接件的缺陷检测是有效的。

试验制作的试件为钢筋套筒全灌浆连接件, 其主要设计参数如下: (1) 钢筋等级HRB400; (2) 钢筋公称直径22mm; (3) 水料比0.14; (4) 水泥种类硫铝酸盐类水泥; (5) 灌浆料SGM-85 (高性能) 无收缩灌浆料; (6) 套筒类型剥落滚轧直螺纹灌浆套筒钢筋接头。

全灌浆套筒设计参数如下: (1) 灌浆套筒型号衡翔GTJQ422; (2) 长度 (347±1) mm; (3) 外径 (48±0.8) mm; (4) 灌浆端钢筋插入深度173mm。

将钢筋按其锚固深度插入全灌浆套筒, 并进行端口防漏浆处理;按工况对试件编号, 4种工况分别是:钢筋对中 (钢筋与套筒轴线重合或平行) , 灌浆料含泡沫颗粒杂质;钢筋偏位 (钢筋横肋与套筒内壁接触) , 灌浆料含泡沫颗粒杂质;钢筋对中, 灌浆料不含泡沫颗粒杂质;钢筋偏位, 灌浆料不含泡沫颗粒杂质。采用水泥胶砂搅拌机拌合灌浆料, 使用手动注浆器对所有试件进行注浆, 注浆完毕后, 将所有试件原地静置24h。缺陷试件的制作采用在套筒一端钢筋上放泡沫板、板上加砌块的方式保证钢筋偏位, 泡沫颗粒则在灌浆料拌合时加入, 其中, 掺入泡沫颗粒是为了模拟连接件内部的细小气孔。

将试件移送到标准养护室, 养护环境为:温度 (21±2) ℃, 湿度在90%左右。养护时间为28d。

采用工业CT对4种工况的试件进行扫描检测, 然后选择缺陷突出的参考面做超声波和切割检测。

试验采用的CT扫描装置为CD系列低能X射线工业CT系统, 其主要参数指标如表1所示。

当CT扫描试件时, 利用CT系统中的固定装置将试件一端钢筋锁住, 固定装置带动试件一起水平转动, 从而实现试件的全方位检测。CT系统主要装置如图1所示。

试验采用的超声波检测装置为ZBL-U520非金属超声检测仪。

切割检测是一种传统的有损检测手段, 该检测主要是运用与试件尺寸适应的切割机将试件按选定的截面进行剖切, 通过观察试件切割面的特征来确定试件内部的缺陷性质。试验采用的切割检测装置为型材切割机。

首先, 对4根养护完成的试件分别做CT扫描检测, 这4根试件的编号和工况如表2所示。

对试件CT数据进行三维图像重建, 截取试件的下半部分进行分析, 在三维图像上查找灌浆料缺陷, 从中选取缺陷突出的切面进行缺陷位置标记, 标记以套筒轴向灌浆孔的下沿作为基准, 用CT软件测量出各切面到基准的距离, 并规定向下的距离为正值。受检测平台所限, 致使距离测量值与真实值之间存在一个放大倍数, 所以按照套筒外径的实际值与CT测量值之间的比例对切片到基准的距离进行修正, 算得该修正系数为1.212, 最终得到4根试件的切片位置如表3所示。

最后, 按照切片位置选择截面做超声波检测和切割检测。

CT确定的缺陷切片很多, 鉴于文章篇幅只分析QGJ02中5个切片的缺陷尺寸。在切片上寻找大、中、小3种尺寸的缺陷, 采用CT软件对缺陷分别进行尺寸标注, 通过长度测量得到缺陷尺寸, 缺陷尺寸测量如图2所示。

图2为QGJ02试件切片1中的大缺陷尺寸测量, 中、小缺陷尺寸测量与此类似。测量值经过乘以1.212的修正系数得到最终的缺陷尺寸值, QGJ02试件各切片的缺陷尺寸如表4所示。

对QGJ02试件各切片的缺陷尺寸进行分析可知:试件的最大缺陷尺寸为2.59mm, 最小缺陷尺寸为0.25mm;大缺陷尺寸的变化范围较大, 小缺陷尺寸均在0.7mm以内, 试件缺陷尺寸主要集中在0.5~2.0mm。结果表明:工业CT能定量检测出缺陷尺寸, 且精度较高。

CT检测可以近似测量出缺陷在对应切片上的面积, 同时借助试件的CT三维图像和x, y, z 3个切片确定出缺陷对应在套筒轴向的位置, 然后测量出该缺陷在轴向的深度。缺陷很小, 可以假设该缺陷形状为柱体, 通过缺陷面积乘以轴向深度得到缺陷的近似体积。缺陷面积和轴向深度测量如图3所示。

图3为QGJ01试件切片4中最大缺陷的面积和轴向深度测量。利用CT软件测量QGJ01试件各切片中最大缺陷的面积和轴向深度, 进而近似计算缺陷体积, 最后经过修正得到QGJ01中切片最大缺陷的面积和体积。

同样求得其余3根试件切片中最大缺陷的面积和体积, 并绘出QGJ01~QGJ04中切片的最大缺陷面积和体积的散点分布, 分别如图4和图5所示。

由图4, 5可知:QGJ01试件各切片最大缺陷的面积和体积普遍较其他3根试件的大, 最大缺陷面积和体积均来自QGJ01中切片6, 分别为11.658 4mm²和94.666 2mm³;QGJ02—04试件的最大缺陷面积主要集中在0.5~3mm²;各试件中切片最大缺陷体积主要集中在20mm³以下。结果表明:工业CT能定量分析最大缺陷面积和近似体积, 并确定最大缺陷面积和体积的分布规律。

CT检测能得到试件的二维灰度图像, 利用CT软件计算出QGJ03试件各切片中材料及缺陷的灰度值, 通过对灰度值的观察分析确定试件内部材料及缺陷的密实状况。材料及缺陷的灰度值计算如图6所示。

图6为QGJ03试件切片3中材料及缺陷的灰度值计算, 由图6可知:钢筋的灰度值比较稳定, 说明钢筋的密实度很好;套筒的内、外壁处灰度值较大, 尤其外壁处灰度值比套筒壁中部大很多, 其原因可能是射线穿过试件时在外壁和材料分界面处发生了强烈的散射, 套筒壁中部灰度值比较稳定, 说明套筒材质也比较密实;灌浆料的灰度受缺陷的影响较大, 能够明显看到缺陷处的灰度较深且灰度值较小。结果表明:工业CT通过材料及缺陷的灰度值计算可以确定试件内部材料及缺陷的密实状况。

统计QGJ03试件各切片材料及缺陷的灰度均值如表5所示。

由表4可知:缺陷的灰度均值普遍较正常浆料处小10左右, 说明缺陷处的密度较灌浆料的小;随着切片序号变大 (即切片距射线中心的距离减小) , 材料及缺陷的灰度均值均有不同程度增加, 说明在CT扫描试件时, 距射线中心更近的切片吸收的辐射更多。

利用CT软件对试件进行轴向透视, 发现:QGJ01中钢筋与套筒轴线偏离较大, 钢筋偏位明显, QGJ02中钢筋与套筒轴线几乎重合。结果表明:工业CT通过试件的轴向透视图可以准确判定试件的钢筋偏位缺陷。

对CT数据进行三维图像重建得到4根试件的CT三维图像如图7所示。

由图7可知:QGJ01-02因为含有泡沫颗粒杂质产生了比QGJ03-04更多的缺陷;缺陷主要集中分布在套筒内壁有凹槽的地方, 原因是灌浆料流到此处时, 空隙突然变大, 流速减慢, 杂质或气泡没有及时排走而停留;缺陷主要产生在灌浆孔所在的一侧, 其原因: (1) 泡沫颗粒杂质相比灌浆料密度更小, 在注浆时容易上浮形成缺陷; (2) 注浆时灌浆料下沉将空气赶到了灌浆孔所在的一侧, 有的空气不能及时排走形成的;钢筋偏位对试件缺陷的大小和分布影响很小。

结果表明:工业CT通过重建试件的三维图像, 可以直观地看到缺陷的大小与分布。

对4根试件做多次超声波检测, 选择声速较大、波幅较大的数据作为灌浆料密实的近似参照标准, 如表6所示。

按照CT检测所确定的缺陷位置, 分别选取切片作参考面进行超声波检测, 检测数据如表7所示。

由表6、表7可知:超声波在灌浆料近似密实的试件中传播速度可达3.429km/s, 较有缺陷的大1km/s以上;波幅可达96.84d B, 也普遍较有缺陷的大10d B以上, 波幅代表着材料的强度, 说明缺陷对超声波在试件中的传播速度影响很大, 对试件内部灌浆料强度也有一定的影响;声速变化值比较固定, 而缺陷大小不一, 说明超声波检测的精度不高。另外, 对比参照数据和缺陷数据的波形图可知:灌浆料有明显缺陷的试件的超声波检测波形图曲线更为崎岖和不规则, 且波幅更不稳定。结果表明:超声波可以定性检测出缺陷, 但对缺陷位置、大小和分布却很难判定。

采用型材切割机按照工况和缺陷位置对试件进行切割检测, 选取每根试件的其中4个切割面做分析, 各工况试件的切割效果如图8所示。

由图8可知:受泡沫颗粒杂质的影响, QGJ01-02含有的缺陷比QGJ03-04的多, 且缺陷尺寸普遍较大, 表现为大的气孔或者脱空, 多出现在套筒内壁处;QGJ03的缺陷主要是很小的气孔, 数量较少, 且不太明显;QGJ04的缺陷情况大致与QGJ03相似, 但是有一个较大的脱空缺陷出现在套筒内壁处;QGJ01-02的切割面中没有观察到泡沫颗粒, 主要原因是切割时锯片的高温熔化掉了泡沫颗粒。结果表明:切割检测能直观地看到切割面有无缺陷存在, 能定量分析缺陷的尺寸大小, 但是由于切割试件时, 锯片会破坏缺陷的形态, 使得一些缺陷在切割后不易检测。

通过3种检测装置的试验使用及检测质量对比, 这3种检测方法的特点 (见表8) 如下。

1) CT检测通过重建的三维图像能直观地看到缺陷的分布, 确定缺陷的位置;采用CT软件能定量分析缺陷尺寸、缺陷面积和近似体积;通过试件的轴向透视图可以判定钢筋偏位缺陷;结合切片的灰度值还可以分析试件内部材料及缺陷的密实状况。CT检测的精度很高, 对于一些细小的缺陷, 在CT三维图像中也能够清楚地观察到。

2) 超声波检测按照CT检测确定的缺陷位置作参考面能快速检测出缺陷, 但是对缺陷的尺寸、大小并不能做出定量分析;不能确定缺陷的分布, 容易漏检缺陷, 对钢筋偏位缺陷也不能做出判断;检测精度不高, 对于细小的缺陷, 超声波检测往往很困难。

3) 切割检测按照CT检测的缺陷位置作参考面切割试件, 能快速检测到缺陷, 并能对缺陷形态、尺寸、面积做有效分析;作为一种有损检测手段, 在切割试件时, 会破坏缺陷的形态, 使得检测精度降低;不能确定缺陷的分布, 容易漏检缺陷。

1) 工业CT能全面、直观地看到缺陷的分布并对缺陷定位, 精度高, 能定量分析缺陷的尺寸、面积和近似体积, 确定材料及缺陷的密实状况, 判定钢筋偏位缺陷。缺陷主要产生在灌浆孔所在一侧, 且大多位于套筒内壁处, 表现为气孔或脱空缺陷。

2) 超声波检测只能定性分析试件是否存在缺陷, 精度低, 不能确定缺陷的分布, 容易漏检缺陷, 对钢筋偏位缺陷也不能做出判断。

3) 切割检测会破坏缺陷的形态, 使检测精度降低;切割检测的切割面有限, 容易漏检缺陷, 不能确定缺陷的分布, 但是对于切割面缺陷的观察比较清楚。缺陷主要产生在套筒内壁处, 表现为气孔或大的脱空缺陷;检测结果与CT检测结果一致。

4) 工业CT检测质量较超声检测和切割检测更高, 对于装配式建筑中关键节点的钢筋套筒灌浆连接件, 建议现场按相同施工工艺及材料制备试件养护后进行CT检测。