基于超声反射波衰减系数的套筒灌浆饱满度检测技术研究

基于超声反射波衰减系数的套筒灌浆饱满度

*

检测技术研究

李 峰1, 宋 潮1, 孙 彬2, 顾 盛3, 潘永东1

（1 同济大学航空航天与力学学院，上海200092；2 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；

3 昆山市建设工程质量检测中心，苏州215337）

[摘要] 使用2.5MHz平探头测得的钢板-空气、钢板-混凝土两种界面上超声反射波的衰减系数分别为（0.28±0.12）mm–1、（0.64±0.16）mm–1，5MHz探头测得的分别为（0.82±0.04）mm–1、（1.00±0.08）mm–1，两种探头测量结果68.3%的置信区间分离度分别为128%、107%，因此可通过测量灌浆套筒界面上的超声反射波衰减系数来判断其灌浆是否饱满。对是否灌浆的套筒进行超声无损检测，用2.5MHz双晶探头测得空、实套筒的衰减系数分别为（0.34±0.07）mm–1、（0.56±0.12）mm–1，用5MHz双晶探头测得空、实套筒的衰减系数分别为（0.50±0.09）mm–1、（0.91±0.19）mm–1，其是否灌浆68.3%的置信区间分离度分别为108%和126%。因此灌浆套筒界面上的超声反射波衰减系数可反映套筒内部是否灌浆，可用作检测灌浆饱满度的依据。 [关键词] 超声反射波；衰减系数；灌浆套筒；灌浆饱满度；超声无损检测

中图分类号：TU758.14 文献标识码：A 文章编号：1002-848X(2019)S2-0550-08

Research on quality inspection technique of grouting sleeve by attenuation of reflected ultrasounds

Li Feng1, Song Chao1, Sun Bin2, Gu Sheng3, Pan Yongdong1

(1 School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2 China Academy of Building Research, Beijing 100013, China;

3 Kunshan Construct Engineering Quality Testing Center, Suzhou 215337，China) Abstract: The attenuation coefficients of ultrasounds reflected by two interfaces of the steel between air or concrete measured by the 2.5MHz flat probe were(0.28±0.12)mm–1 and(0.64±0.16)mm–1, and measured by the 5MHz flat probe were (0.82±0.04)mm–1 and 1.00±0.08 mm–1, the separating capacities of 68.3% confidence interval of the two flat probes are 128% and 107%, respectively. Therefore, the attenuation coefficients of ultrasounds reflected by the grouting sleeve inner-interface can be measured to judge whether the sleeve is full or not. Ultrasonic non-destructive testing the full and empty sleeves, the attenuation coefficients of the empty and full sleeves measured by a 2.5MHz dual-crystal probe are(0.34±0.07)mm–1, (0.56±0.12)mm–1, and are (0.50±0.09)mm–1 and(0.91±0.19)mm–1 by a 5MHz dual-crystal probe, the separating capacities of 68.3% confidence interval of the two dual-crystal probes are 108% and 126%, respectively. Therefore, the attenuation coefficients of ultrasounds reflected by the grouting sleeve inner-interface can report whether the sleeve is grouted or not, and can be used as a criteria to judge the grouting quality of the sleeve.

Keywords: reflected ultrasound; attenuation coefficient; grouting sleeve; grouting quality; ultrasonic non-destructive testing

0

概述

近年来，我国正在加速建筑行业的工业化，装

配式建筑是一个新的发展高潮[1]。装配整体式混凝土结构中受力钢筋的竖向连接绝大多数采用套筒灌浆连接。灌浆套筒连接属于隐蔽工程，因构件加工精度、现场施工水平等因素，套筒内部可能出现漏浆、少灌的情况[2–3]。若套筒内部灌浆不饱满，钢筋连接将达不到预期性能，则会带来结构安全隐患，因此，需要研究装配式混凝土建筑钢筋套筒内部灌浆饱满度的检测方法和技术。

目前，研究人员相继提出了预埋传感器法、冲

击反射波法、X射线法等方法，但在使用条件、检测精度、便捷性等方面还存在各自的局限性。其中，预埋传感器法虽然比较准确，但是该方法需要在灌浆前，在每个套筒内部都进行传感器预埋，因此检

1测成本偏高[4]；冲击反射波法在一定程度上可以发现灌浆不饱满的情况，但定量结果与实际情况存在误差，且对于钢筋套筒双排布置的试件，测试结果 *国家重点研发计划项目(2016YFC0701800)，江苏省建设系统科技项目（2017ZD122）。

作者简介：李峰，硕士研究生，Email: 15221615928@163.com。 通讯作者：潘永东，博士，教授，Email: ypan@tongji.edu.cn。

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尚难以定性判断钢筋套筒的灌浆区和非灌浆区，总体而言尚不成熟[5]；X射线法虽然比较直观，但是受限于便携式X射线机的穿透能力，目前只适用于套筒居中或梅花形布置的200mm厚预制剪力墙套筒灌浆饱满度检测，且由于具有放射性，在工地进行检测时也有一定的局限性[6]。鉴于便携式X射线机的穿透能力，有学者提出一种局部破损检测方法：在不截断受力钢筋的前提下，剔凿套筒周边的混凝土，使套筒背面能够放置成像板，然后只针对单个套筒进行透射成像。但是，该方法为使套筒背面能够放置成像板，剔凿范围过大，现场不宜操作，且X射线法的其他缺点仍然存在[7]。

另一方面，超声波作为一种常规的无损检测手段，其针对混凝土和钢板等材料粘结情况的探测已有广泛的报道[8–10]。基于此，作者提出了基于超声反射衰减系数来检测套筒灌浆饱满度的方法。在实际操作中，可对试件进行随机抽样，局部剔凿套筒外混凝土保护层，露出套筒外表面，即可采用超声探头测量其反射波衰减系数来判断套筒的饱满度，这样一来既能够避免套筒外混凝土保护层的干扰，又可以尽量减小预制构件的破损程度。

1 检测技术原理 1.1 超声衰减系数

以钢板-混凝土试件为例，从超声换能器发射的超声波，通过耦合油进入钢板，并在钢板底层和混凝土交接面发生反射，当反射波回到耦合层时，一部分被换能器接收，这就是第一次底面反射波；另一部分反射回钢板，并再次在钢板-混凝土界面发生反射，反射波再次回到耦合层被换能器接收，这一部分被称为第二次底面反射波。依次类推，超声探头可以接收到N次底面反射波，当反射界面不同时，反射波的衰减情况不同，所以可以通过反射波的衰减情况对不同的界面进行分辨。超声在钢板中传播的声压幅度的衰减规律一般服从如下一元欧拉指数方程[8]

y(x)Aebx （1）式中：x为超声信号传播距离，mm；y为换能器接

收到的电压信号幅值，显示在示波器上时，单位为V；e为自然对数底；A、b为拟合参数，其中，A的单位为V，b的单位为mm–1，b代表了反射波幅值随距离的衰减情况，即为将要用到的超声反射波衰减系数（均称为衰减系数）。

以钢板-混凝土结构为例，若钢板下无混凝土

粘结，则底面为钢-空气界面，由于钢和空气声阻抗相差很大，其界面反射率高，反射波衰减速度慢，则相应的衰减系数b小；若钢板下与混凝土粘结，则底面为钢-混凝土界面，由于钢和混凝土声阻抗接近，其界面反射率低，反射波衰减速度快，相应的衰减系数b大。因此可以根据两种界面上衰减系数的不同，可以对其进行分辨。

1.2 衰减系数对于不同界面的判定设计并制作了如图1所示的试件，

左侧的底面为钢板-混凝土界面，右侧为钢板-空气界面，试件尺寸为68cm×60cm，钢板的厚度为8mm，在试件左右两侧分别均布20个测点，如图2所示。

图1 钢板-混凝土试件照片

图2 试件测点布置示意图

试验使用CTS-8077PR超声脉冲发生接收仪连接超声换能器来激发和接受超声波，并将其输出端连接到TDS1012B-SC示波器进行波形观察，得到的有效结果将输出到便携式计算机上。接下来在得到的波形中，提取前四次反射波的峰值，按公式（1）进行曲线拟合，得到其衰减系数b。试验系统与数据处理流程如图3、图4所示。

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图3 试验系统

图4 数据处理流程图

分别用中心频率为2.5MHz与5MHz的纵波平探头进行测量，使用黄油作为耦合剂。以钢-空气界面一侧的测点1为例，测量到的反射波波形如图3所示，横坐标起点0处的波形为换能器激发信号，之后接收到的波形即为反射波。在图中，可以清楚地分辨出前四次反射波的波形，分别提取其最大值，拟合得到的曲线如图5所示，即可计算出衰减系数b。

按此方法测量了左、右两侧各20个测点，得到了不同界面的衰减系数，见表1。表1中的区间指平均值±标准差，即置信度为68.3%时的置信区间，下文中所指的置信区间均为此概念。从表中可以看出，5MHz探头测得的衰减系数的标准差小于2.5MHz的探头，数据离散情况好于2.5MHz探头。

为了直观地看出不同界面衰减系数的差别，将钢板-混凝土一侧20个测点的衰减系数绘制成直方图，如图6所示。

图5 不同探头测得的超声反射波波形以及拟合曲线

试验得到的衰减系数（mm–1） 表1

2.5MHz探头 5MHz探头

数值

钢-空气

钢-混凝土

钢-空气

钢-混凝土

平均值0.28 0.64 0.82 1.00 标准差0.12 0.16 0.04 0.08 置信区间

0.16~0.40 0.48~0.80 0.78~0.86 0.92~1.08

由图6可见，两条阴影带没有重合，钢-混凝土界面的衰减系数区间大于钢-空气界面的衰减系数区间，所以通过衰减系数来进行不同界面的分辨是可行的。这里定义一个置信区间分离度的概念，分离度c的表达式为： c（

1(混凝土混凝土)(气气)

）

100% 气

式中：µ为平均值；σ为标准差。

当钢板-空气衰减系数的置信区间的最大值等于钢板-混凝土区间的最小值时（此时两条阴影带的上下侧刚好接壤），此时分离度c为100%。

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注：深色阴影为平探头测钢板-混凝土的超声反射波衰减系数平均值±标准差范围，浅色阴影为钢板-空气的衰减系数。

图6 平探头测钢板-混凝土的超声反射波衰减系数与

钢板-空气的衰减系数比较

以此计算得到2.5MHz和5MHz平探头测得的衰减系数的置信区间分离度分别为128%、107%，即对于钢板-混凝土试件的检测，2.5MHz平探头的表现优于5MHz平探头。

有学者在他们工作中，已测量并计算了8mm厚的钢板的钢-气界面以及钢-混凝土界面的衰减系数[8]，内容见表2。

文献[8]与本试验中衰减系数平均值（mm–1） 表2

界面

文献5MHz 本试验2.5MHz

本试验5MHz 探头

平探头 平探头 钢-空气 0.19 0.28 0.82 钢-混凝土 0.44 0.64

1.00

文献中测得结果与本试验测量结果有着一定的差异，这是因为影响衰减系数数值的因素有很多，比如换能器的材料与结构（本文采用了与文献不同的传感器）、钢板的具体材质等，但是这种差

异并不会影响试验结果，在采用衰减系数进行界面判断时，重要之处是对不同界面的衰减系数能否有效的区分，文献[8]中以及实际测量中，钢-混凝土界面的衰减系数均大于钢-空气界面的衰减系数。实际操作中，只需使用换能器先测得钢-空气的衰减系数区间，并以此作为判据即可。

所以做出假设，可以通过同样的方法来对套筒的灌浆情况进行判断。当测点内部有灌浆料时，反射面为套筒壁-混凝土界面，当测点内部无灌浆料时，反射面为套筒壁-空气界面。

2 试验设计

2.1 试件的设计和制作

为设计对照试验以及验证试验的可行性，设计了三组试件。

制作了长度为30cm的试验用试件A1、试件A2、试件A3，其灌浆度分别为0%、50%、100%，用来模拟漏灌、灌浆不满、灌浆饱满三种工况，套筒内部无加强肋、无钢筋，试件如图7(a)所示。该组试件用来测试当耦合边界为弧面时，衰减系数法是否依旧有效。

制作了如图7(b)所示的试件B1、试件B2，其灌浆度分别为0%和100%，模拟未灌浆、灌浆饱满两种工况，并分析套筒内钢筋是否会对本方法产生影响。该组试件采用利物宝GTZQ4-25型号的套筒。

制作了如图7(c)所示的试件，四个套筒分别编号为C1、C2、C3、C4。在套筒内插入钢筋并进行灌浆，待灌浆料凝固后，从套筒上方和钢筋的缝隙处伸入尺子，测得套筒内未灌浆的深度，并计算得到四组试件灌浆度分别为0%、100%、58%、71%，用于模拟灌浆套筒的真实工况。该组试件采用利物宝GTZQ4-25型号的套筒，在试验进行前，凿开了套筒外侧的混凝土以供布置换能器。

由于灌浆套筒外表面为弧形，传统的平面超声换能器无法进行耦合。故采用了弧面双晶探头，弧形的表面可以更加容易的与套筒外壁耦合，且该探头拥有自发自收的功能，节省了试验空间，简化了试验步骤。

2.2 试验测点的确定

沿套筒的长度方向绘制测线，测点间距设置为5~30mm，具体间距根据套筒长度调整，从上到下对测点依次编号，顺序标记的起始点为距出浆口处最近的测点。如试件A1的8个测点从上到下分别编号为1、2、3、4、5、6、7，如图8所示。以此

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(a) A组试件 (b) B组试件

(c) C组试件

图7 试件实物照片

类推。试件A1、A2、A3分别布置7个测点；试件B1、B2分别布置8个测点；C组的四个试件由于混凝土凿开情况有差异，分别布置了5、9、7、11个测点。

图8 编号示意

2.3 衰减系数判别方法

首先测得空套筒的衰减系数，求得其平均值b和标准差，得到一个68.3%置信区间

bb。接下来去测量需要进行判断的套

筒，可得到一组衰减系数b。

若按照测点编号从小到大的顺序对数组b进行观察，若数值在某一测点有明显增大，则该测点可能是套筒由空到实的分界测点，同时，若可以在这一测点将数据分为大小两部分（这一测点之后的

数据均大于这一测点之前的数据），则分别计算两侧的衰减系数的平均值和标准差；若数据中不存在这样具有明显分隔作用的测点，则计算所有测点的衰减系数的平均值和标准差。以得到的衰减系数平均值与置信区间做对比，若平均值落在置信区间以内，则该部分套筒内部为空；若平均值大于置信区间，则该部分套筒内部为实。

3 试验结果与分析 3.1 A组试件测量结果

按上文的方法使用不同中心频率的双晶探头分别对A1、A2、A3的7个测点进行测试，各自得到了其衰减系数。2.5MHz双晶探头测得的空套筒A1的衰减系数平均值为0.32mm–1，标准差为0.06mm–1；5MHz双晶探头测得的空套筒A1的衰减系数平均值为0.52mm–1，标准差为0.06mm–1。将A2与A3分别和空套筒测得的衰减系数置信区间作对比（试件A1用作标定标准，所以没有单独绘制其所测值的柱状图，下同），见图9，图中浅色阴影部分为空套筒A1的置信区间。

由图9可见，套筒A2的衰减系数可以依据数值的大小在测点4处被分为两部分，且测点4衰减系数大于测点3，所以判断测点4处套筒内开始有灌浆料。分别计算两部分的平均值并绘制在图中。由图9(a)(c)可见，前3个测点的平均值落在了置信区间内，可判定这3个测点内部为空；后4个测点的平均值大于置信区间的最大值，可判定其内部为实，符合实际情况。由图9(b)(d)可见，套筒A3的衰减系数无法按编号顺序依据大小分为两部分，并且A3的7个测点的平均值大于置信区间，由此可判断套筒A3内部灌浆饱满，与试件情况相符。对比2.5MHz探头和5MHz探头的结果可发现，5MHz探头测得的衰减系数更大，这是由于高频率的超声波在混凝土中更容易衰减系。

由分析结果可知，超声反射波衰减系数可以用作套筒灌浆饱满度的判断依据。

3.2 B组试件的测量结果

使用双晶探头分别对B1、B2的8个测点进行测试，得到了B组试件的衰减系数。2.5MHz探头测得的空套筒B1衰减系数平均值为0.36mm–1，标准差为0.06mm–1；5MHz探头测得的空套筒B1的衰减系数平均值为0.52mm–1，标准差为0.09mm–1。将套筒B2和空套筒B1测得的衰减系数做对比，见图10，图中浅色阴影部分为空套筒B1的置信区间。

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)1m-(m数系减衰(a) 2.5MHz探头测套筒A2

)1m-(m数系减衰(b) 2.5MHz探头测套筒A3

)1m-(m数系减衰(c) 5MHz探头测套筒A2

)1-m(m数系减衰(d) 5MHz探头测套筒A3

图9 不同探头测套筒的衰减系数

)1-m(m数系减衰

(a) 2.5MHz探头测套筒B2

)1-m(m数系减衰

(b) 5MHz探头测套筒B2

图10 不同探头测套筒的衰减系数

由图10(a)，可以看到套筒B2的衰减系数没有明显的分段情况，8个测点的平均值为0.51mm–1，大于置信区间，可判断套筒B2内部灌浆饱满，对于个别测点如测点7，其衰减系数数值落在了空套筒区间内，可能是由于该测点内部与灌浆料粘结情况不好或者有气泡，但个别点的数据异常不会影响对套筒灌浆整体情况的判断。

同样，由5MHz频率换能器测得的衰减系数对比情况见图10(b)，测点4虽然大于其他测点，但其两侧测点均小于测点4，数据没有明显的“分段”

情况，所以直接可直接对8个测点取平均值；其平均值大于置信区间，可判定套筒灌浆饱满。

由结果知，两种中心频率的换能器均能有效判断内部有钢筋与加强肋的套筒的灌浆情况，灌浆料内的钢筋对结果判断无影响。

3.3 C组试件的测量结果

对于C组试件，由于四个套筒外壁的水泥开凿情况不同，所以四个套筒测点数量不一致；由于C1、C3凿开部分套筒外壁有凸起的型号标识，与换能器耦合情况很差，无法测量，所以C1只取了

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明显的区分点，而试件C3、C4的衰减系数可以按编号顺序、依据数值大小分为两部分。

由图11(a)(d)可见，试件C2的衰减系数平均值大于置信区间，可判断其内部饱满；由图11(b)(e)可见，试件C3前四个测点的平均值落在置信区间之内，可判断其内部为空，其后三个测点的衰减系数平均值大于置信区间，可以判断其内部为实，与套筒实际情况相符；由图11(c)(f)可知，试件C4的

5个测点，C3取了7个测点。测点从最上方编号为1，不同套筒的相同编号表明其测点位于同一水平高度。2.5MHz探头测得的空套筒C1衰减系数平均值为0.30mm–1，标准差为0.09mm–1；5MHz探头测得的空套筒C1的衰减系数平均值为0.47mm–1，标准差为0.12mm–1。各套筒与空套筒C1衰减系数区间的对比见图11。

通过图11可以看出，试件C2的衰减系数没有

衰减系数(mm-1)

(a) 2.5MHz探头测套筒C2 (b) 2.5MHz探头测套筒C3

衰减系数(mm-1)

衰减系数(mm-1)

(c )2.5MHz探头测套筒C4 (d) 5MHz探头测套筒C2

衰减系数(mm-1)

衰减系数(mm-1)

(e) 5MHz探头测套筒C3 (f) 5MHz探头测套筒C4

衰减系数(mm-1)

图11 不同探头测套筒的衰减系数

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三个测点的衰减系数平均值落在了置信区间以内，可判断其内部为空，其余测点的平均值落在置信区间之外，可判断其内部为实。

2.5MHz探头测量的内部为实的个别测点，如图11(a)的测点8，图11(c)的测点11，其值落在了置信区间以内，可能由于内部有气泡或套筒壁材质不均匀所致，这一点上5MHz探头的表现更好。

由此组试验得知，可以通过衰减系数的大小，准确的判断实际工况的套筒的灌浆情况。 3.4 小结

三组套筒试件测量完成后，统计所有空、实测点的数据，计算平均值与标准差，结果见表3。

bb为置信度为 68.3%时的置信区间。

衰减系数的平均值、标准差、置信区间和分离度 表3

衰减系数 2.5M探头 5M探头 空

实

空

实

平均值μ/mm 0.34 0.56 0.50 0.91 标准差σ/mm

0.07 0.12 0.09 0.19 μ±σ/mm (0.27,0.41) (0.44,0.68) (0.41,0.59) (0.72,1.10) 分离度c

108% 126%

由表3的数据得知，两种中心频率的探头均能有效地对空、实套筒进行区分，其中，2.5MHz双晶探头测得数据的68.3%置信区间分离度c低于5MHz双晶探头，5MHz双晶探头对于套筒灌浆饱满情况的判定有着更好的表现；另一方面，5MHz双晶探头测得的衰减系数大于2.5MHz双晶探头，这是因为频率更高的波更易衰减；内部为实的测点的衰减系数的标准差比内部为空的测点更大，是因为内部有灌浆料的各个测点的灌浆情况、粘结质量均有不同，导致测得的衰减系数偏大或偏小，但并不影响对于灌浆套筒灌浆情况的确认。

4

结论

使用平探头测量了钢-空气、钢-混凝土界面上的超声反射波衰减系数，2.5MHz平探头测得的钢板-空气、钢板-混凝土界面上超声反射波的衰减系数分别为（0.28±0.12）mm–1、（0.64±0.16）mm–1，5MHz平探头测得的分别为（0.82±0.04）mm–1、1.00±0.08）mm–1；两种平探头的置信区间分离

度分别为128%、107%。两种界面的反射波衰减系数有着数值大小上的区分，依此提出了一种基于超声反射波衰减系数，来判断灌浆套筒测点处灌浆情况的方法。

对于三组套筒试件，2.5MHz双晶探头测得的空套筒、实套筒的衰减系数分别为（0.34±0.07）mm–1、（0.56±0.12）mm–1，5MHz双晶探头测得的空套筒、实套筒的衰减系数分别为（0.50±0.09）mm–1、（0.91±0.19）mm–1，两种探头的置信区间分离度分别为108%和126%，即衰减系数数值的大小可以准确地判断出套筒内部的灌浆情况，其中5MHz双晶探头的表现更好。如果想得到置信度更高的测量结果，需要增加更多的测点获取更多测量数据来进行统计分析。

套筒外侧的混凝土开凿不好会直接影响换能器的耦合，套筒外壁标注型号的凸起文字等明显的不平整也会影响换能器的耦合，耦合不好无法测得多次反射波，进而无法获取其衰减系数，在现场检测时需要避免探头耦合不充分的影响。

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