钢管混凝土缺陷成因分析及其检测方法综述.pdf

Chongqing Architecture60第 22 卷 总第 236 期CauseAnalysisofDefectsinConcrete-filledSteelTubeandaReviewofItsDetectionMethodsPanQun,WangTengfei,ZhengHanying,ZhuBinAbstract:Concrete-filledSteeltubeiswidelyusedinthefieldofcivilandconstructionengineeringbecauseofitsexcellentseismicperformance,remarkableplasticdeformationperformance,highstrength,lightdeadload,andhighindustrializationdegree.However,thesuperiorperformanceofthiscompositestructureiscloselyrelatedtotheconstructionqualityofconcrete-filledsteeltube.Therefore,itiscrucialtoaccuratelydetectthequalityoffinishedconcrete-filledsteeltubeproducts,calculateandjudgepotentialdefects,andanalyzetheirimpactonbuildingsorstructuressoastotakeappropriatetreatmentmeasures.Thedetectioneffectsofdifferentdetectionmethodsondefectsinconcrete-filledsteeltubeareanalyzedbasedonexploringtheformsandcausesofthesedefects,combinedwiththeprinciplesofexistingdetectionmethodsandpracticaldatafromtypicalapplicationcases,whichcanproviderelevanttechnicalreferencesforindustrypractitioners.Keywords:concrete-filledsteeltube;defects;detectionmethod;typicalcases收稿日期：2023-04-12作者简介：潘群（1986），女，四川眉山人，研究生，高级工程师，主要从事建筑材料、主体结构、市政道路、室内环境等检测工作，以及水泥混凝土和固体废弃物资源化技术研究。钢管混凝土具有抗震性能优、塑性变形空间大、强度高、自重轻、施工便捷、环境友好和工业化程度高的优点，广泛应用于土木建筑工程领域的超高层结构、单层工业厂房和拱桥等建筑物或构筑物中1，但在实际施工过程中，难免会出现混凝土内部缺陷或发生混凝土与钢管壁脱空的情况，因此这种新型组合结构优越性能的发挥与钢管混凝土的施工质量密切相关，如何准确检测钢管混凝土成品的相关数据，计算判断可能存在的质量缺陷，分析其对建筑物或构筑物的影响，进而采取合适的处理措施显得十分重要。本文通过对钢管混凝土缺陷形式及成因进行探讨，引入现有检测方法原理，结合典型应用案例的实践数据，分析不同检测方法对钢管混凝土缺陷的检测效果，为行业从业者提供相关技术参考。1 钢管混凝土的概念和分类 钢管混凝土是近年逐渐发展起来的一种新型建筑结构形式，它是将拌制好的混凝土向空钢管内灌注后养护而成、且钢管与其核心混凝土能共同承受外在荷载作用的结构构件。根据截面形状不同，分为矩形钢管混凝土、方形钢管混凝土、圆形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。此外，核心混凝土强度等级在 C50 以下的钢管混凝土称为普通钢管混凝土，强度等级大于等于 C50 且小于 C100 的钢管混凝土称为钢管高强混凝土，钢管超高强混凝土其核心混凝土强度等级则达到 C100 以上。2 钢管混凝土缺陷形式及成因由于钢管混凝土是用钢材和混凝土两种特性各异的材料相互组合形成的结构形式，这就造成：一是各项性质不同的两种材料相互融合程度有限；二是组合结构是在钢管内浇筑混凝土而后养护形成的成品，不能保证钢管内部的混凝土饱满、均匀且不存在蜂窝、孔洞和密实度差等相关质量缺陷。与此同时，随着越来越多的超高层建筑的建设，大截面钢管混凝土需求也随之增多，一般在钢管壁布置相应数量的横隔板以增大承载能力，在钢管壁和横隔板粘结的下部空间，由于振捣不便，此处常常会出现混凝土不密实的情况，严重的甚至会出现脱空现象，此外，大截面钢管混凝土中很难排尽空气，也容易在空气聚集处形成孔洞。相doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.06.60基金项目：重庆市技术创新与应用发展专项“山区桥梁安全智能检测系统开发与应用”（cstc2019jscx-gksbX0017）。引文检索：潘群，王腾飞，郑寒英，等.钢管混凝土缺陷成因分析及其检测方法综述 J.重庆建筑，2023（6）：60-62.钢管混凝土缺陷成因分析及其检测方法综述潘群1，王腾飞2，郑寒英3，祝斌4（1重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆400016；2 重庆永渝检验检测技术有限公司，重庆400060；3重庆华盛检测技术有限公司，重庆 400043；4中国建筑第八工程局有限公司西南分公司，四川成都610000）摘 要：钢管混凝土抗震性能优、塑性变形空间大、强度高、自重轻，且工业化程度高，广泛应用于土木建筑工程领域中，但该组合结构优越性能的发挥与钢管混凝土的施工质量密切相关，因此如何准确检测钢管混凝土成品质量，计算判断可能存在的缺陷，分析其对建筑物或构筑物的影响，进而采取合适的处理措施就显得十分重要。该文通过对钢管混凝土缺陷形式及成因进行探讨，引入现有检测方法原理，结合典型应用案例的实践数据，分析不同检测方法对钢管混凝土缺陷的检测效果，可为行业从业者提供相关技术参考。关键词：钢管混凝土；缺陷；成因分析；检测方法中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）06-0060-0361材料与技术Material&Technology2023NO.06关学者2-3研究认为钢管混凝土缺陷主要有密实度差、蜂窝离析、孔洞和钢管壁与核心混凝土粘结不良等形式。2.1密实度差由于施工过程中混凝土振捣不充分或遗漏振捣，较多的浆料悬浮在钢管顶部周围，更多的粗骨料则在结构下端集聚，导致结构上下两端骨料不均匀，从而造成混凝土密实度差，综合强度不高。此外，混凝土配合比中较大的水灰比，使拌合物具有较大的流动性，并且在浆体凝结硬化后随着水分的不断流失，造成水泥石出现密实度差。2.2蜂窝混凝土配合比设计不当，拌合物过于粘稠，振捣时气体难以排出，导致硬化后的混凝土结构出现蜂窝现象；混凝土拌合物和易性差，产生离析泌水，加上浇筑时卸料高差过大，造成浆料与骨料分离从而形成蜂窝。2.3孔洞在混凝土浇筑过程中，个别构件部位堵塞不通畅，硬化结构中就会有孔洞产生，孔洞的情况与蜂窝不同，蜂窝主要是存在于缺少水泥浆或没有捣实的混凝土，而孔洞则是局部或全部没有混凝土。孔洞的尺寸一般较大，极易导致贯穿构件的缺陷甚至造成结构整体性破坏。原材料砂石级配不良、振捣不实、漏振或混凝土倾倒高差过大，都可能会造成混凝土集料与水泥浆体分离形成孔洞。孔洞还易出现在钢管内加强环的下边侧，因为浇筑过程中空气多在内加强环下边侧汇集，尤其是内加强环设计位置不恰当时，空气则无法完全排除，加之人为原因造成振捣不到位，从而形成较大的孔洞。2.4钢管壁与核心混凝土粘结不良首先，水泥凝结硬化过程中产生化学收缩，致使在钢管壁与混凝土之间出现脱空；其次，就材料特性而言，混凝土的膨胀系数比钢管壁小，在阳光照射下钢管壁温度升高发生比混凝土更大幅度的膨胀，就会产生脱黏；此外，由于浇筑前钢管壁内部除锈不到位，在壁内未除锈的部位，混凝土难以与钢管壁胶结在一起。3 钢管混凝土检测方法及典型案例3.1人工敲击检测法人工敲击法是钢管混凝土内部浇筑质量检测最常用的方法。检测中，由检测人员聆听手动敲击钢管后产生的声响，依据声响的不同特质寻找混凝土与钢管剥离、脱空的部位。人工敲击法是从人的主观角度进行缺陷判定，高度依赖检测操作者的实践经验，同时对于混凝土和钢管之间的空隙分布和缺陷大小偏向于初级判定，难以真正反映出本质情况，有较强的偶然性，因此，该种方法更多作为一种辅助的、初级的检测手段。3.2钻芯取样检测法钻芯取样检测法是直接从被怀疑的结构构件相应位置钻取芯样，测试判断核心混凝土的内部缺陷状况以及芯样周围混凝土与钢管壁的粘结情况。虽然钻芯取样检测法结果可靠、直观，但是芯样钻取是破坏性检测，会对结构构件产生损伤，且修复存在较大难度，因而取样处的位置、数量均有一定限制，此外，芯样钻取的费用较高，不经济、不划算。3.3超声波检测法超声波在传播的过程中会沿着特定的路径和方向不断传播，当遇到不同性质的缺陷形成的界面时，传播方向和路径都被改变，其能量也会在此处产生衰减，进而导致换能器接收到的振幅、频率和声时都发生变化。通过对比分析换能器接收到的数据信息，达到检测钢管混凝土内部混凝土质量的目的。超声法检测钢管混凝土质量具有穿透能力强、设备简单、操作便捷和成本低等优点。但是，采用埋管法检测缺陷，由于预先埋设了声测管，后期检测只能针对钢管内核心混凝土开展，无法检测到混凝土与钢管壁的黏结情况。此外，超声法对于设置了内部加强环的钢管混凝土柱，对内部加劲环处混凝土的质量无法检测，特别是无法判断加劲环下部是否存在孔洞。3.4冲击回波检测法冲击回波检测法是利用短时的机械冲击制造低频的应力波，当应力波到达构件内部后，被结构底面和构件缺陷反射回来，再被收集到安装在冲击点附近的传感接收器中，传送到一个内置有高速信号处理、数据采集的仪器中，最后对获得的数据和信号进行频域和时域分析，从而计算获得钢管混凝土缺陷的深度。冲击回波检测法设备简单、方法易行，但是对特殊界面的构件，尤其是圆形界面构件，易被非径向反射应力回波扰动导致结果偏差。从实际操作实践数据看来，冲击回波法检测到的缺陷深度比真实深度更浅，且实际缺陷深度越深，测试结果偏差就越大。西安至郑州铁路某钢管混凝土拱桥，张东方4等对灌注完成并养护 14 天的拱桥钢管混凝土进行检测，采用冲击回波法和超声波法对同一测位进行平行测试：Wys-egs06 智能检测仪利用冲击回波法检测原理进行多次信号采集，优选重复性较好的数据；Nm-4A 非金属超声检测分析仪对测位进行正交对测。分析两组所获数据判断缺陷类型：通过超声波检测法可以推断测区存在缺陷，但对于缺陷类型很难进一步确定，但是冲击回波法可以得出孔洞位置区间，且能判断缺陷类型。3.5光纤传感监测法光纤传感检测法是根据光纤内部传输的光波强度的损失，其接收到的能量也随之出现变化，是对损失的能量对比判断分析钢管混凝土缺陷的一种方法。检测中，当钢管混凝土交界面有脱空现象时，预埋在脱空位置的光纤会发生牵动，产生微型弯曲，出现能耗传输损失。光纤传感检测法可以有效地测试到钢管混凝土的裂缝损伤和钢管与混凝土之间的脱空，该方法因可大范围、连续测试而具有明显优势，但其需要提前预埋传感器并布置检测系统，同时，成本又较高。丁睿5等在巫峡长江大桥的建设中，利用光纤传感技术监测了大桥拱顶、1/4拱处以及拱脚处混凝土的脱空情况。由于提前预埋传感器并布置检测系统，因此混凝土浇筑完成后，系统即对大桥钢管混凝土结构进行实时监测，通过对接收信号的处理Chongqing Architecture62第 22 卷 总第 236 期分析判断钢管混凝土实体的缺陷情况，并在后期同时利用钻芯取样法和超声波检测法对结构缺陷位置进行对比检测，得到的数据结果与光纤传感监测法基本一致。3.6雷达检测法雷达检测法是根据物质的电磁特异性来检测钢管混凝土缺陷的一种方法，它通过被检测物质的表面向内部发射电磁波，当从外界发射的电磁波在内部缺陷位置产生发射时，传送给接收器数据信息生成波形图，再对波形图进行对比分析，则可以对钢管混凝土缺陷情况做出判断。雷达检测法对缺陷界面两端电磁特性感知灵敏，电磁特性差别越大，反射信号就会越明显，识别效果就越优越。3.7红外热成像检测法红外热成像检测法是通过图像采集系统，利用红外探测器接收被检测物质辐射出的能量，由计算机将物质辐射发出的非可见能量转化为可视可读的热量图。当钢管表面温度高于混凝土表面温度时，热量就会从钢管壁传到核心混凝土中，由于钢管、混凝土和空气三者导热系数不同，且空气的导热系数远远小于混凝土和钢管，因此，当外界环境温度升高时，钢管、混凝土和孔洞处出现不同程度升温，结合红外热成像技术则可快速测试出钢管混凝土内部的缺陷。红外热成像检测法具有可大范围、非接触检测钢管混凝土缺陷和对日照和温度要求较高的特点。陈劲6等采用红外热成像检测法对杭州市某办公商业金融用房方形钢管混凝土柱构件进行检测。检测结果显示，工程现场获得的钢管混凝土柱的温度分布规律与实验室内获得的类似，项目现场中的低热区域与高热区域间的温度分布梯度较大，说明钢管混凝土柱的钢管壁与核心混凝土之间出现了脱空缺陷，并判断出测区脱空缺陷面积。同行采用超声波检测法对测区进行测试，分析判断方形钢管混凝土柱存在表面脱空缺陷，不存在内部缺陷。陈劲6等认为将超声波法和红外热成像法两相结合来测试钢管混凝土质量，能高效准确区分缺陷类型，可更好地表征混凝土结构缺陷。3.8压电陶瓷检测法钢管混凝土健康检测中一种新的尝试是压电智能骨料7-9的应用，国内外实践较多的是压电陶瓷的波动检测法。它是利用钢管混凝土内部不同特性的物质形成不同传播规律的应力波，当一种物质进入另一种物质时，在物质界面处会产生折射、反射等现象，从而导致部分能量损耗，这个过程是不可逆的，同时随着缺陷的出现而变大，通过比较分析能量信号的变化即可判断钢管混凝土内部的缺陷。压电陶瓷可同时作为驱动器和接收器，反应灵敏，抗信号干扰能力强，可有效地检测钢管混凝土缺陷。许斌10-11等将压电陶瓷预埋在钢管混凝土柱内部，在电压信号的作用环境中产生激励信号，同时测量粘贴在钢管壁各个面上作为传感器的压电陶瓷电压，对比分析完好界面和有缺陷界面数据信息，发现：无缺陷区域小波包能量谱相较总能量指标有更小的离散性，同时与应力波传播路径和压电陶瓷位置无明显关系；钢管壁与混凝土脱空区域小波包能量谱则差异明显，基于此对界面缺陷区域进行了准确识别。4 结语钢管混凝土被广泛应用于土木建筑工程领域的超高层结构、单层工业厂房和拱桥等建筑物或构筑物中，成品质量缺陷却对其优越性能的发挥影响巨大，目前对于测试钢管混凝土质量的方法虽然繁多，但已有的各种原理的检测方法都存在相应的局限性。将不同检测方法通过组合充分发挥各自优点，弥补缺点，能高效准确区分缺陷类型，可更好地表征混凝土结构缺陷，具有较好的工程应用价值。此外，智能材料以及智能结构的不断涌现和持续发展，为有效检测钢管混凝土质量提供了一条智能化的思路。参考文献：1胡曙光.钢管混凝土 M.北京：人民交通出版社，2007：1-10.2于道红，章青.混凝土缺陷研究综述 J.混凝土，2009（10）：16-18.3鲁学伟，徐蓉，王桂玲.钢管混凝土内部常见缺陷及检测方法综述 J.施工技术，2011（S1）：46-48.4张东方，王运生.冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究 J.工程地球物理学报，2009（3）：364-367.5丁睿，刘浩吾，罗凤林，等.光纤传感技术在巫峡长江大桥中的应用 J.四川大学学报，2004（6）：24-27.6陈劲，陈晓东，赵辉，等.基于红外热成像法和超声波法的钢管混凝土无损检测技术的试验研究与应用 J.建筑结构学报，2021（3）：444-453.7SongG，GuH，MoYL，etal.ConcretestructuralhealthmonitoringusingembeddedpiezoceramictransducersJ.SmartMaterialsandStructures，2007(4)：959-968.8李震.基于压电陶瓷的型钢混凝土柱界面缺陷识别研究 D.长沙：湖南大学，2015.9XuB，ChenH，Xia，S.WavepropagationsimulationanditswaveletpackageanalysisfordebondingdetectionofcircularcfstmembersJ.SmartStructuresandSystems，2017(2)：181-194.10许斌,李冰,宋刚兵,等.基于压电陶瓷的钢管混凝土柱剥离损伤识别研究 J.土木工程学报,2012,45(07):86-96.11庄志友.基于外贴压电陶瓷的钢管混凝土内部缺陷检测方法研究 D.泉州：华侨大学，2019.责任编辑：刘艳萍