基于X射线工业CT技术的套筒灌浆密实度检测试验

高润东,李向民,张富文,许清风,王卓琳,刘 辉

(上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

基于X射线工业CT技术的套筒灌浆密实度检测试验

高润东,李向民,张富文,许清风,王卓琳,刘 辉

(上海市建筑科学研究院 上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

设计了两种套筒布置形式，一种为套筒外浇素混凝土、另一种为套筒外浇混凝土并在混凝土中布置钢筋，通过X射线工业CT对其套筒灌浆密实度进行了检测试验。试验结果表明：采用X射线工业CT技术检测套筒灌浆的密实情况是可行的，可清晰区分灌浆与未灌浆区域；X射线工业CT技术能够克服钢筋、混凝土和套筒外壁的影响，对存在纵筋和箍筋遮挡、套筒布置位置变化、双排套筒布置等复杂情形，均能有效显示套筒内部灌浆密实情况，并能清晰显示套筒外混凝土和套筒内浆体中存在的孔洞，具备强大的无损检测能力。实现了套筒灌浆密实度的实验室快速检测，也为研发现场适用检测技术提供了依据。

装配整体式混凝土结构；灌浆套筒；灌浆密实度；X射线工业CT

近年来，我国正以前所未有的力度推广工业化建筑，其中装配整体式混凝土结构是推广的主要结构型式，而该结构型式的核心即是受力钢筋的连接。目前，我国装配整体式混凝土结构中受力钢筋的竖向连接大部分采用套筒灌浆连接。由于钢筋套筒灌浆连接构造复杂，又属隐蔽工程，套筒内部灌浆密实度的检测技术一直没有取得突破，成为国内外公认的难点。套筒内灌浆如不密实将直接导致受力钢筋无法有效连接，从而使结构整体难以达到等同现浇的结构性能，存在安全隐患。当前，由于缺少可靠的检测方法，从国家到地方涉及到装配整体式混凝土结构验收的技术标准中均没有套筒灌浆密实度检测的相关条文[1-3]。随着装配整体式混凝土结构的不断推广应用，破解这一难题已显得尤为急迫。

经过反复调研比选，认为通过X射线工业CT检测钢筋套筒灌浆连接的内部缺陷是一种可行的方法。该方法具有以下优点：① 在无损状态下得到被测断层的二维和三维灰度图像，受被测对象的材料种类、外形、表面状况的限制小；② 检测结果是反映某断面密度变化的截面图，可直观得到目标细节的空间位置、形状、大小，易于识别和理解；③ 以图像的灰度来分辨被测断面内部的结构组成、有无缺陷、缺陷的性质和大小等，而且只需沿扫描轴线扫描得到足够多的断层二维图像，就可以得到被测对象的三维图像；④ 图像清晰，图像对比灵敏度高[4-7]。

基于此，笔者率先在实验室内通过X射线工业CT对套筒灌浆密实度进行检测研究，提出了X射线工业CT无损检测套筒灌浆密实度的方法，为进一步研发现场适用检测技术提供依据。

1 试件设计

试验共设计了两类试件：Ⅰ类为套筒+外浇素混凝土；Ⅱ类为套筒+外浇混凝土且混凝土中配置钢筋。第Ⅰ类试件主要考察混凝土、套筒外壁对X射线工业CT检测结果的影响；第Ⅱ类试件按工程实际设计，进一步考虑套筒外配筋的影响。各类试件的结构信息如表1所示，其中，套筒基本性能满足JG/T 398-2012《钢筋连接用灌浆套筒》要求，灌浆料基本性能满足JG/T 408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》要求，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400。GSR12为水平灌浆，其余均为竖向灌浆。第Ⅱ类试件设计如图1所示,试件的设计参考了行业标准JGJ1-2014《装配式混凝土结构技术规程》、国家标准图集15G365-1《预制混凝土剪力墙外墙板》、15G365-2《预制混凝土剪力墙内墙板》等。其中GSR10和GSR12设计构造相同，但前者为竖向灌浆、后者为水平灌浆。

表1 试件的结构信息

2 检测方法

2.1 检测仪器 检测仪器采用6MeV加速器工业CT，其实物如图2所示，该仪器属高能X射线工业CT，有效扫描口径为1 000 mm，有效扫描高度为2 000 mm，样品最大允许重量为2 000 kg，射线穿透最大厚度为250 mm(被检件材料为Fe时)，空间分辨率为1 Lp·mm-1，密度分辨率为0.2%，夹杂物检测能力为φ0.5 mm，气孔检测能力为φ1 mm，裂纹检测能力为0.05 mm×11 mm(宽度X长度)。该仪器具有高集成度、高效率和高一致性、高稳定性和高均匀性、低噪声、抗干扰性强等技术优点，采用线阵探测器和精确的后准直系统，大大降低了散射误差，重建出的CT图像清晰。钢筋套筒灌浆密实度检测时，检测参数设定如表2所示。

表2 检测参数设定

图1 第Ⅱ类试件设计图

图2 6MeV加速器工业CT实物图

表2中所列检测参数，能量、加速器触发频率、积分时间、重建算法、采集投影数(360°)等参数的取值为常规固定值，滤波参数(截止频率)、重建大小、像素合并个数等参数的取值系经过反复调试后适应钢筋套筒灌浆连接试件测量需求的取值。

2.2 检测内容

第Ⅰ类试件主要进行竖向和横向断层扫描，以及DR透视。

第Ⅱ类试件在混凝土中配置了钢筋，且套筒布置有变化，需对试件各个方向进行检测，如图3所示。为提高检测效率，每次同时对两个试件进行检测。

图3 第Ⅱ类试件的检测示意

3 检测结果与分析

第Ⅰ类试件的检测结果如图4，5所示，其中各试件竖向断层扫描图中实线位置与图4(b),5(b)横向断层扫描图对应、虚线位置与图4(c)，5(c)横向断层扫描图对应。图中套筒内灰色空间代表灌浆处、黑色空间代表未灌浆处，套筒外的灰色背景代表混凝土。整体上看，X射线工业CT对各试件灌浆密实情况的检测结果与设计一致，灌浆与未灌浆界面清晰可辨，套筒外混凝土骨料及骨料间浆体也显示清楚。SC2试件竖向断层扫描与DR透视结果一致，图4(b)所示为下段钢筋的上端部的检测结果，可见其存在浆体且钢筋出现偏置；图4(c)所示为上段钢筋的未灌浆处的结果，其与竖向断层扫描结果吻合。SC3试件竖向断层扫描与DR透视结果一致，图5(b)所示为套筒中间横肋处的检测结果，可见套筒横肋、钢筋、浆体显示清晰；图5(c)所示为上段钢筋的灌浆处的检测结果，与竖向断层扫描结果一致。通过对第Ⅰ类试件的检测，证明X射线工业CT能够克服混凝土、套筒外壁的影响。

图4 第Ⅰ类试件SC2(密实度60%)的检测结果

图5 第Ⅰ类试件SC3(密实度100%)的检测结果

第Ⅱ类试件的检测结果如图6～10所示，图中各试件竖向断层扫描中实线位置与横向断层扫描下图对应、虚线位置与横向断层扫描上图对应。同样，套筒内灰色空间代表灌浆处、黑色空间代表未灌浆处，套筒外的灰色背景代表混凝土。

垂直截面短边(150 mm)方向竖向断层扫描主要在截面短边(150 mm)中间位置竖向剖切套筒和套筒两侧纵筋，箍筋则显示横截面。结合图1，9,10,GSR10、GSR12试样设计时没有配置纵筋，只显示套筒(双套筒)和箍筋的横截面。

图6 第Ⅱ类试件GSR1(密实度100%)的检测结果

图7 第Ⅱ类试件GSR5(密实度60%)的检测结果

图8 第Ⅱ类试件GSR7(密实度60%)的检测结果

图10 第Ⅱ类试件GSR12(密实度60%)的检测结果

平行截面短边(150 mm)方向竖向断层扫描时，GSR1、GSR5、GSR7试件直接平行截面短边(150 mm)方向竖向剖切套筒，GSR10、GSR12直接平行截面短边(150 mm)方向竖向剖切图1相应试件的1-1剖面图中靠上侧的套筒。

平行截面短边(150 mm)方向横向断层扫描时，各试件选择在下半段和上半段各扫描1次，具体位置如图610的分图(a)中横线所示，可见，所有试件横向断层扫描与竖向断层扫描相应位置的状态是吻合的。GSR12由于是水平灌浆且灌浆密实度为60%，浆体在套筒内分布不均匀，灌浆和未灌浆界面呈斜面分布。

平行截面短边(150 mm)方向DR透视时，结合图1与图610，这种观测方法能够显示试件内所有元素，包括混凝土、纵筋、箍筋、套筒、灌浆料、套筒内钢筋等，这些元素间会存在不同程度的重叠现象，但对GSR1、GSR5、GSR7试件单套筒情况，这些重叠未对套筒内灌浆密实情况形成无法辨识的不利遮挡；对GSR10、GSR12试件双套筒情况，虽然套筒间的重叠对套筒内灌浆密实度显示有一定干扰，但结合断层扫描和其他方向透视，则仍可明确判断套筒内灌浆密实情况。

垂直截面短边(150 mm)方向DR透视时，结合图1与图610，这种观测方法也能够显示试件内所有元素，但这些元素间不存在重叠现象，箍筋是以横截面的方式显示的。

对比表1、图1和图610，整体上看，X射线工业CT对各试件灌浆密实情况的检测结果与设计一致，且各个方向的竖向断层扫描、横向断层扫描和DR透视可相互印证，能较充分地显示各种情况下套筒内灌浆密实情况。通过检测，证明了X射线工业CT能够克服钢筋、混凝土、套筒外壁的影响，无论钢筋是否对套筒有遮挡，还是套筒数量不同、布置方式变化，均能有效检测套筒内部灌浆密实情况，显示了强大的无损检测能力。

另外，从各试件的X射线工业CT检测结果，还可看出：

(1) 各试件中套筒外浇混凝土，混凝土中配置了纵筋和箍筋，其竖向断层扫描、横向断层扫描和DR透视结果显示部分纵筋和箍筋出现明显倾斜或偏置现象，且存在箍筋置于纵筋内侧的现象。这些现象表明钢筋配置未完全按照设计图纸施工，钢筋绑扎也不够牢固，混凝土浇注振捣时致使钢筋发生移位。可见，现场施工操作误差可通过X射线工业CT检测发现。

(2) 竖向断层扫描结果表明，GSR1、GSR5、GSR7、GSR10试件中套筒内上下段钢筋的交界处不同程度地存在黑色空间，表明此部位存在灌浆不密实现象，需通过改进灌浆料配方和灌浆工艺来解决此问题。

(3) 除了对套筒内部灌浆密实情况有较清晰的观测外，图610中各试件的竖向断层扫描、横向断层扫描和DR透视结果均表明X射线工业CT对套筒外混凝土和套筒内浆体中存在的微小孔洞也能清晰显示出来，表明X射线工业CT可准确检测混凝土内部的缺陷。

4 结论

(1) 对装配式混凝土建筑中广泛使用的钢筋套筒的灌浆密实度的检测，采用X射线工业CT检测方法是可行的，该方法可清晰区分灌浆与未灌浆区域，且不同方向的扫描图像可相互印证。

(2) X射线工业CT具备强大的混凝土结构无损检测能力。其能够克服钢筋、混凝土、套筒外壁的影响，对存在纵筋和箍筋遮挡、套筒布置位置变化、双排套筒布置等复杂情形的试件，均能有效显示套筒内部灌浆密实情况，对套筒外混凝土和套筒内浆体中存在的孔洞也能清晰显示。

(3) 由于X射线工业CT仪器的特殊要求，目前还仅限于在实验室内对灌浆套筒试件进行检测。建议研发适用于工程现场的X射线工业CT检测仪器，实现施工现场套筒灌浆密实度的有效检验。

[1] GB 50204-2015 混凝土结构工程施工质量验收规范[S].

[2] DB11/T 1030-2013 装配式混凝土结构工程施工与质量验收规程[S].

[3] DGJ 08-2117-2012 装配整体式混凝土结构施工及质量验收规范[S].

[4] 倪培君, 李旭东, 张维国, 等. 工业X射线CT的应用[J]. CT理论与应用研究, 1997, 6(3): 36-42.

[5] 王召巴, 金永. 高能X射线工业CT技术的研究进展[J]. 测试技术学报, 2002, 16(2): 36-42.

[6] 周密. 工业X-CT用新型X射线探测器性能的模拟研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2004:1-6.

[7] 卢彦斌. X射线CT成像技术与多模态层析成像技术研究[D]. 北京: 北京大学, 2012:1-7.

Experiment on Detection of Coupler Grouting Compactness Based on Industrial X-CT

GAO Run-dong, LI Xiang-min, ZHANG Fu-wen, XU Qing-feng, WANG Zhuo-lin, LIU Hui

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China)

Two kinds of specimens are designed: coupler with plain concrete and coupler with steel reinforced concrete. Then experimental research on detection of coupler grouting compactness was conducted by industrial X-CT. The results indicated that it was feasible to use industrial X-CT to detect coupler grouting compactness, and both the grouting area and the non-grouting area could be distinguished clearly; industrial X-CT can overcome the influence of concrete, steel bar and the outer wall of coupler, under complex cases such as longitudinal reinforcement and stirrup block, coupler location change, double coupler layout, the internal grouting state of all couplers can be displayed effectively, and further more the tiny pores within both concrete outside coupler and paste inside coupler can also be shown clearly, which indicated that industrial X-CT had the strong ability for nondestructive testing. This study makes rapid detection of coupler grouting compactness in lab become true, and also provides basis for the development of adaptive field testing method..

Monolithic precast concrete structure; Grouting coupler; Grouting compactness; Industrial X-CT

2016-09-20

上海市科委资助项目(15DZ1203506)；上海市住建委资助项目(建管2016-001-001)

高润东(1979-)，男，博士，高级工程师，主要从事建筑工业化和耐久性等领域的研究。

李向民，E-mail：13601902634@163.com。

10.11973/wsjc201704002

TG115.28;TU758.14

A

1000-6656(2017)04-0006-06