方钢管混凝土足尺试件密实度检测试验研究*

王玫玲，吕俊锋，张正先

(1.广东南粤集团有限公司，广东 广州 510699； 2.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641)

钢管混凝土构件是在钢管内浇筑混凝土，并由钢管和管内混凝土共同工作的结构构件[1-2]，具有较好的承载力、塑性、韧性及抗震性能[2-4]，因此，在高层建筑、大跨度桥梁等工程中得到广泛运用。

由于钢管内部空间狭窄且相对封闭，构造较复杂，使混凝土浇筑难度变大，易泌水收缩，混凝土内部空洞、不密实，钢管与混凝土间脱粘、脱空[5]，从而影响构件及结构承载力。因此，为检验施工方法的有效性并确保施工质量，需检测钢管混凝土构件密实度。目前常用的检测方法有人工敲击法、钻芯取样法、表面波法和超声波检测法[6-9]。由于超声波检测具有无损、穿透能力强、灵敏度高、经济性好、操作方便等优点，得到广泛运用。钢管混凝土构件因浆体材料及组成、截面形式及构造、施工工艺等不同，具体评价指标有所不同，因此，需对工程构件进行试验，确定评判标准。

本文结合某实际工程方钢管混凝土构件，对密实度检测进行足尺试验，以确定符合工程实际的检测评判标准。

1 超声波检测原理

超声波检测钢管混凝土时，在被测体外壁的一侧利用发射换能器发出周期性超声脉冲波，波经过钢管→混凝土或其他浆体介质→钢管传播后，被接收换能器接收，并将声波信号显示在仪器上，从中可测出声波在介质内传播的速度、振幅、频率等参数。当声波传播路径中遇到空洞、缝隙、疏松区等混凝土内部缺陷时，会在发射-接收的通路上形成不连续介质，将出现如下情况：①绕过缺陷向前传播，传播路径变长；②直接从缺陷穿过。声波在空气介质中的传播速度远低于在钢材和混凝土中的速度，这两种情况都将降低测得的声速、波幅等，且接收波形会发生不同程度的畸变。因此，通过声速、波幅变化或波形的畸变情况，可判断混凝土或其他介质内部缺陷。需确定正常声速、波幅范围，将小于此范围的测点视为缺陷点，一般参照相似工程确定相关参数的参考范围。当无相似工程时，应采用试验方法确定。

在CECS 21∶2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[10]中，检测混凝土不密实区和空洞的方法是将检测对象声学参数(声速、波幅和主频)按从大至小的顺序进行排列，即：

X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1≥…

(1)

mx=∑Xi/n

(2)

(3)

式中：Xi为第i测点的声学参数测量值；n为参与统计的测点数；mx，sx分别为测位处混凝土声学参数的平均值、标准差。通过排序后，将后面的小数据视为可疑，从中选取最大数(假定Xn)与平均值mx和标准差sx，然后根据式(4)计算异常情况的判断值(X0)。

X0=mx-λ1·sx

(4)

若Xn≤X0，则Xn及其后数据为异常值，选取前一个数据为新Xn，重复上面计算直至不出现新异常值为止；若Xn>X0，则取其后一个数据为新Xn，重复计算直至出现Xn≤X0，此时Xn与其后数据都为异常。最后将异常测点的相邻点用更严格的标准进行判别：

X0=mxλ2sx或X0=mx-λ3sx

(5)

式中：λ1，λ2，λ3按《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[10]选取。

2 试验概况

2.1 试件设计

采用1∶1方钢管混凝土足尺试件，钢管为800mm×800mm×35mm箱形截面，材质Q345B，钢管高度为1 580mm，距底部450mm处有1块开孔横隔板，如图1所示。

图1 方钢管混凝土足尺试件

钢管内填充CGM-380高强无收缩灌浆料，成分为高强水泥石英砂及辅料，材料参数如下：1d抗压强度≥20MPa，3d抗压强度≥40MPa，28d抗压强度≥60MPa；流动度初始值≥380mm，30min保留值≥340mm； 3h竖向膨胀率为0.1%～3.5%，24，3h膨胀值之差为0.02%～0.5%；泌水率为0。

2.2 试验缺陷设置

选取试件横隔板下部为密实区，横隔板上部为人为缺陷布置区。足尺试件灌浆前，在试件内部设置4种形式的模拟缺陷，如图2、表1所示。

图2 试件缺陷位置及网格划分

表1 缺陷形式

2.3 试验步骤及过程

密实度检测试验过程为：缺陷设置→灌浆→表面打磨→网格划分→涂抹耦合剂→采集数据。首先进行缺陷设置，再按施工方案要求，采用常规压力灌浆法对方钢管混凝土试件进行灌浆。灌浆前将带有止回阀的灌浆孔与试件预留灌注口相连，在排气孔处设置1条与其紧密接触的塑胶排气管，排气管一端伸入构件内至顶部，另一端在外部设置1个控制阀。从钢管混凝土试件灌注口连续灌入浆体，直至出气口冒出浓浆并封堵。自然养护7d后，采用ZBL-U520非金属超声检测仪检测密实度。

为确保检测过程中换能器与钢管外壁间有良好的耦合条件，打磨干净钢管表面残留灌浆料、钢材锈蚀等。然后量测钢管尺寸，以便输入测距及划分测点网格。划分网格时，应尽量保证相互平行的2个测试面上的点位一一对齐，使间距与测距一致，网格尺寸为10cm×15cm。以上工作准备就绪后检测密实度，在换能器上均匀涂抹耦合剂，紧贴在网格测点上并采集数据。

3 试验数据与结果分析

在试件立面1，2上分别划分12个测试横截面(见图2)。每个横截面上的网格汇交点为相应测点，为便于描述，同一截面上的测点位置按图中从左至右的顺序进行编号，如测点1-3-02表示试件立面1上的截面3从左向右的第2个测点。

3.1 立面1试验数据

根据试验检测结果，试件立面1上各截面测点声速、波幅如图3所示。

图3 立面1各截面测点的声速与波幅

根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[10]进行计算，立面1测点的声速和波幅判断值分别为2.951km/s和56.863dB。测点声速和波幅同时大于判断值的为检测合格点，其中任意一项不满足的则为缺陷点，即图中判断线以下的测点。因此，声速不满足的测点有1-5-03，1-6-03，1-7-03；波幅不满足的测点有1-6-03，1-7-03，1-8-03，1-10-03，1-11-02，1-11-03，如表2所示。

表2 立面1缺陷点数据

3.2 立面2试验数据

根据试验检测结果，试件立面2上各截面测点声速、波幅如图4所示。

图4 立面2各截面测点的声速与波幅

根据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[10]进行计算，立面2测点的声速和波幅判断值分别为2.955km/s和61.217dB，所有测点声速均可满足，波幅不满足的测点有2-5-01，2-6-01，2-7-01，2-8-01，2-10-01，2-11-01，如表3所示。

表3 立面2缺陷点数据

3.3 结果分析

1)缺陷测点点位与缺陷位置图基本一致，表明试验正确，同时说明超声波检测钢管混凝土密实度方法可行。

2)缺陷2所处位置截面9并未出现异常数据，是由于设置的缺陷材料为砖块，密实度接近所用灌浆料自然养护7d后的密实度。

3)由图3a，4a可发现，位于每个截面两侧边缘处的测点(1，5)，声速比位于截面中间部位的测点(2，3，4)偏大，这是由于超声波在钢材中的传播速度大于灌浆料，截面两侧边缘处的测点距钢管壁较近，声波受钢管壁介质影响，使传到另一侧所用时间减少，因此，对检测数据产生一定影响，截面中间测点因远离钢管壁则不发生此情况。表2,3中的数据可较好地反映此规律，其中表2中的缺陷点位于中部，因而声波直接通过缺陷穿透至另一侧，表3中的缺陷点因靠近截面边缘而声速均偏高。

4)由图3a，4a可发现，试件顶部测试截面12的声速均明显大于其他截面声速。为此，切开试件上端钢板封口，发现顶部浆体未能完全灌实。经分析，由于灌浆前排气孔的塑胶排气管一端未能牢固固定在试件顶部，造成试件顶部灌浆不饱满，且测点距离上侧钢管壁较近，声波在此处直接经钢管壁传至对面接收换能器，因而声速明显提高。

5)根据数据结果和分析，规程中的判断标准只规定下限判断值X0，未设置上限判断值，因此当测点距离钢管壁较近时，检测数据结果可能会出现偏差，应另行分析。

4 结语

1)密实度试验检测结果与预先设定的缺陷位置基本相符，表明本试验方法可有效识别钢管混凝土构件内部缺陷，具有工程实用性和可行性。

2)为保证检测结果准确、稳定，测点位置宜避免选取构件截面边缘区域。

3)采用常规压力灌浆施工工艺能满足灌浆密实度要求，但应确保构件顶部排气措施的有效性。