钢管混凝土柱芯混凝土质量检测方法研究

钢管混凝土柱芯混凝土质量检测方法研究

管道混凝土具有承受高、抗疲劳动性强、弹性好、施工方便等优点。广泛应用于高层（高层）、桥梁和大型走廊空间等建筑物的压力系统。同时，管道混凝土结构的科学研究、基础理论和设计计算也得到了前所未有的发展和改进。目前，已经建立了相对成熟的结构设计原则和施工工艺，为管道混凝土的广泛应用奠定了良好的基础。对于柱芯混凝土的质量控制,除了优化混凝土配合比、选择合理的浇筑方式和严控施工工艺等措施外,另一个重要的方法就是加强钢管混凝土实体质量的检验.在施工过程中,由于工序控制得不严,难免会出现混凝土与钢管壁脱空或钢管内的混凝土不密实,出现蜂窝、离析等质量问题的风险.因此,对加强柱芯混凝土完整性的检验尤为重要.目前根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28:90)第7.4.9条、《建筑结构检测技术标准》(GB/T50344-2004)第7.4.5条和《超声波检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21:2000)第10.2.5条等现行的标准、规范的规定,柱芯混凝土的质量检测有敲击法、钻芯法和超声波法(径向对测和埋管超声波法)等方法.1一些检测方法的优点1.1击穿法检测.敲击法适用于普查柱芯混凝土质量,完全凭技术人员的技术及经验,受主观因素影响大.敲击法缺乏理论依据和可供存档的资料,不便于施工技术管理及质量检测技术管理.并且对于壁厚较大的钢管混凝土柱,敲击法很难进行准确判断.因此,它只能作为一种辅助检测手段.1.2钢管混凝土柱的施工钻芯法是在已成形的柱芯混凝土上钻孔抽芯,通过钻取的芯样的质量状况判断柱芯混凝土的质量.钻芯法只是一“孔”之见,不能综合判断整个混凝土的质量情况,局限性较大.而且钻孔的直径较大,钻孔的灌浆补强很难满足与柱芯混凝土等强,存在着破坏混凝土柱整体性的风险,严重时会削弱混凝土柱的受力.再有就是钻芯法存在周期较长、费用较高、在钢管混凝土柱上不易架设钻芯设备等弊端.而超声波法则比较实用和便捷.1.3混凝土脉冲波的特性混凝土内部性能的无损检测方法主要有超声波、红外线法、冲击回波法、雷达法、声发射法、微波法和光纤传感等.超声波法主要用于混凝土强度和缺陷检测等.超声波法检测混凝土质量完整性的基本原理是:由超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波,并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特性.当混凝土内存在不连续或破损界面时,缺陷面形成波阻抗界面,超声波到达该界面时,产生波的投射和反射,使接收到的投射波能量明显降低;当混凝土内存在松散、蜂窝、孔洞等严重缺陷时,将产生波的散射和绕射;根据波的初至到达时间和波的能量衰减特性、频率变化及波形畸变程度等特征,可以获得测区范围内混凝土密实度参数.测试记录不同侧面、不同高度上的超声波特征,经过处理分析就能判别测区内部存在缺陷的性质、大小和空间位置以及各测区混凝土质量均匀性的相对分布.超声波检测钢管混凝土柱柱芯混凝土质量有两种方法:径向对测法和预埋声测管法.径向对测是在钢管混凝土每一环线上保持T、R换能器连线通过圆心,沿环向测试,逐点测取声时、波幅和主频.2混凝土超声脉冲波测试超声波在钢管混凝土中径向传播时间tc与绕钢管壁半周长传播时间tg为tc=2Dvg+2rvc,tg=πRvr.tc=2Dvg+2rvc,tg=πRvr.式中,D为钢管壁厚;r为钢管内半径;vg为超声波在钢中的传播速度;vc为超声波在混凝土中的传播速度;vr为超声波绕钢管壁的传播速度.一般情况下,vr会比vg稍微小,但接近vg.当tg≤tc时,将对检测结果造成极大的干扰,导致检测误判和失败.在满足tg>tc的情况下,由超声仪通过发射换能器向混凝土内发射超声脉冲波,超声脉冲波在混凝土内传播过程中,当混凝土的原材料、配合比、内部质量及测试距离一定时,超声波在其中传播的速度、首波的幅度及接收信号的频率等声学参数的测量值应基本一致.如果结构混凝土局部区域内存在不密实区或空洞等缺陷时,便破坏了混凝土的整体性,超声脉冲波只能绕过空洞或蜂窝传播到接收能器,将产生波的散射和绕射,则所测得的分声时值将偏大,波幅及频率值降低.测试记录测区内各个测点的超声波传播时间、首波幅度和信号频率等声学参数,并记录相应的波形,根据这些参数的相对变化,便能判定混凝土中的内部缺陷情况.检测时使用的仪器为武汉岩海公司生产的RS-ST01D(P)数字型跨孔超声检测仪;发射、接收主要采用30kHz厚度振动换能器,仪器在检定期内.2.1钢管声速检测在没有吊装的钢管柱的钢管头部,对没有经过涂层处理的部位(即焊接位)在管壁内外对称布置点位,检测没有涂层处理的钢管的超声声速;然后,同样在经过涂层处理的部位布点,检测有涂层处理的钢管的超声声速;最后,在管外对称布点,使检测线路通过轴心,并与轴向垂直,沿轴向布置两列,试验空管时超声波绕管壁的传播.在理想状态下,主频30kHz的超声波在钢中的声速值约5800m/s,各个工程选用的钢管材质不同,钢管表面涂层处理不同,因此,实测的声速一般没有这么高.在钢管无涂层处理部位测得的超声波声速平均值为5612m/s,由于管壁不是很厚,因此测得的声速有一定的误差.在钢管有涂层处理部位测得的超声波声速平均值为5376m/s,同样管壁不是很厚,因此测得的声速也有一定的误差.由以上两种情况下的测试结果对比可知,钢管的涂层处理对超声波声速有一定的影响,超声波穿过涂层后,声速和主频均有不同程度的降低.对于空管管外对测,有些对测点干扰很大,首波较难区分,测试是同组人同条件操作,排除人为影响,推测是边界条件影响所致.通过计算能够区分首波的对测点的声速,得出声速平均值约为5200m/s.2.2声速测定现场选取了两个使用同条件混凝土制作的柱芯标准试块,测试的声速平均值是4613m/s.两个试块的龄期均不足两周,随龄期的增长、强度的增加,标准试块声速将会有一定的提高,因此,两周以上龄期的钢管柱内混凝土的声速应不小于此时测得的声速.2.3钢管混凝土柱的超声声表面钢管混凝土柱测试中钢管的直径均为2000mm,钢管壁厚50mm.测试的轴向范围为1.50m,测试时在柱面分别布置对应测试用的圆周长均分的32列垂线及相隔200mm的环向线,环向线垂直于轴线,垂线平行于轴线,每对测点连线过轴心,形成一个环向网格.检测结果见表1.由表1的检测结果可以看出:被检测的钢管柱内混凝土平均声时值在530~575μs之间,即平均声速值在3300~3600m/s之间,显然与测试柱芯同条件标准试块所得到的混凝土声速值(≥4600m/s)相差很远,该声速值应不是钢管柱内混凝土的声速值,即接收的首波应不是穿透钢管柱内混凝土的初至波.在钢管混凝土柱超声波法管外对测检测工作中,沿钢管壁传播的超声波信号是否有影响是我们所关心的一个重要问题.下面具体分析这几根钢管混凝土柱的实测超声声时值:前面有涂层处理的钢管内外壁对测得到的声速约5376m/s,可以得出超声波在两个管壁(各厚50mm,共厚100mm)中传播的声时约是19μs;钢管混凝土柱实测声时值等于柱内混凝土声时加上声波在管壁中传播的声时(即19μs),即其平均值为549~594μs,如果用钢管的半周长3140mm来除以这个声时平均值,可以得到声速为5280~5710m/s,这个声速值与前面测试的各种情况下钢管的声速值很相近.因此,可推测:检测混凝土柱接收到的首波可能为超声波沿钢管壁传播的,而不是通过柱内混凝土作径向传播.这种情况可能是柱内混凝土收缩后与管壁形成一定的缝隙,超声波遇到缝隙后能量衰减过大波形畸变造成不能有效分辨.如果缝隙过大,超声波将不能穿透.为了探究混凝土龄期是否对测试结果有影响,比较了17号柱3d、7d和14d的超声波对测声速.见表2.考虑到每次检测中出现的不确定因素的影响,可以认为3次检测结果基本相同,这种情况下测试得到的声时平均值为530~540μs,换算成沿柱内混凝土径向传播的超声波声速平均值为3530~3560m/s,而钢管柱内混凝土标准试块的声速平均值约为4600m/s,两者相差较大.钢管混凝土柱的实测声时等于超声波在两侧钢管内外壁中的传播时间(19μs)加上在柱内混凝土中的传播时间(530~540μs),因此,3次实测的声时平均值约为550~560μs,用钢管柱的半周长(3.14m)除以上述实测声时平均值,可得声速平均值为5600~5700m/s,接近以前在钢管内外壁直接对测的声速值(5300~5700m/s),因此推测:检测混凝土柱接收到的首波可能为超声波沿钢管壁传播的,而不是通过柱内混凝土作径向传播,这可能是由于直径大、管壁厚、结构复杂等原因造成.3初始声测柱的检测.根据工程特点进行选择.依据工程特点.依据目前我国一个钢管混凝土柱柱芯混凝土质量检测的几种方法都有各自的利弊和适用范围,超声波法具有简便、快捷、准确等优点,但其对测法和埋管法在工程实际操作中有一定的局限性,应根据具体的工程特点进行选