建筑技术丨钢管混凝土柱缺陷成因及脱粘缺陷检测方法研究综述

1 钢管混凝土概念与分类

钢管混凝土是指将新拌混凝土灌注于预先安装定位的空心钢管内部，经充分养护硬化后，形成钢管与其包裹的核心混凝土协同工作、共同承受外部荷载（尤其是轴向压力）的复合结构构件。这种组合充分利用了两种材料的优势：钢管对其核心混凝土提供有效的侧向约束，显著提升混凝土的抗压强度、极限变形能力和韧性；同时，核心混凝土有效支撑钢管壁，延缓或防止其发生局部屈曲失稳，充分发挥钢材强度。

钢管混凝土根据其截面形状分为：圆形钢管混凝土、方形钢管混凝土、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土。其中圆形钢管混凝土约束效应最强，力学性能最优，抗压、抗扭性能突出，是应用最广泛的类型。方形钢管混凝土适用于建筑布局方便的情况，节点连接相对简单，但约束效应弱于圆形钢管混凝土。矩形钢管混凝土适用于特定受力方向或空间限制的情况，约束效应介于圆形钢管混凝土与方形钢管混凝土之间。多边形钢管混凝土结合圆形钢管混凝土约束好和方形钢管混凝土节点易处理的优点，但加工相对复杂。按照核心混凝土强度等级又分为：普通钢管混凝土（核心混凝土强度等级在C50以下）、钢管高强混凝土（核心混凝土强度等级≥C50且<C100）和钢管超高强混凝土（核心混凝土强度等级≥C100）。

钢管混凝土承载力高、塑性和韧性好、施工便捷（钢管即模板，省支模拆模，安装快速）、耐火性能相对优于钢结构、抗冲击和耐腐蚀性能较好（钢管保护混凝土，混凝土延缓钢管锈蚀）、经济性较优（尤其在大跨、高层、重载结构中）。但同时也存在一些缺点：节点构造相对复杂且造价较高、钢管外露需进行防火防腐处理、内部混凝土质量检测存在一定难度、对混凝土和易性（如自密实性）要求较高，且在承受拉力或弯矩时优势不如受压明显。

2 钢管混凝土内部常见缺陷及其成因

钢管混凝土缺陷主要包括密实度差、蜂窝离析、孔洞及钢管与核心混凝土粘结不良（脱空）。

2.1 密实度差

由于施工振捣不充分或遗漏导致混凝土骨料（尤其是粗骨料）下沉、浆体上浮，造成结构上下组分不均；此外，过大的水灰比虽提高流动性，但水分蒸发后易在水泥石内部留下空隙。

2.2 蜂窝离析

由于混凝土配合比不当，如拌合物过于粘稠阻碍排气，或和易性差导致离析泌水，及浇筑时卸料高差过大造成的浆料与骨料严重分离。

2.3 孔洞

因浇筑通道局部堵塞、振捣不实或漏振、砂石级配不良、倾倒高差过大引起骨料与浆体分离所致。在大截面构件中，空气难以完全排出并在特定部位（尤其是设计不当或位于横隔板/内加强环下部等振捣困难区域）聚集，易形成较大孔洞，严重时甚至贯穿构件。

2.4 钢管壁与核心混凝土粘结不良

混凝土凝结硬化过程中化学收缩导致与钢管壁分离；钢管与混凝土的热膨胀系数差异（钢管更大），在日照等温度变化下钢管膨胀更甚而产生脱粘；浇筑前钢管内壁除锈不彻底，锈蚀部位阻碍了混凝土与钢管的有效粘结。这些因素共同导致了核心混凝土与钢管壁之间的脱空现象，削弱了组合作用。这些缺陷的存在，特别是在大截面或构造复杂的构件中（如设置横隔板处），对结构的承载力和整体性构成显著威胁，且因其隐蔽性增加了检测难度。

3 钢管混凝土脱粘缺陷检测技术

3.1 有损检测法

钻芯取样法是通过钻芯机直接从被怀疑的位置钻取混凝土芯样，以此来判定核心混凝土内部缺陷情形及混凝土与钢管壁之间的粘结状况。借助芯样，能够直观地呈现钢管混凝土柱是否存在脱粘问题，进而对其密实度和强度作出评估。此方法得到的检测结果直观、准确，可信度极高，能够精准定量脱粘的程度。但该方法会对钢管混凝土结构造成破坏，使结构产生损伤，修复困难，且取样处位置、数量均有限制，芯样的钻取成本也较高。尽管钻芯取样法在工程中经常使用，但常作为验证无损检测结果的评判手段。

3.2 无损检测方法

3.2.1 人工敲击检测法

人工敲击法是检测人员敲击钢管表面，通过聆听回声来初步评估钢管壁与混凝土之间的粘接状况。人工敲击法是最简单、最经济的检测方法，其检测准确性依赖人员的工作经验，是一种粗略的检测方法，但不能定量检测缺陷，是辅助检测手段，高度依赖工作经验，主观性强，无法精准判断脱粘分布与大小，有较强的偶然性，不能检测钢管壁较厚的CFST柱。因此在实际工程中该方法多作为一种辅助的、初级的检测手段，常用于初步确定缺陷可能出现的部位，而后用其他检测进行准确测定。

3.2.2 冲击回波检测法

冲击回波检测法适用CFST柱的脱粘检测。其根据低频表面应力波在不同介质中的传播特性来实现的，利用短时的机械冲击制造低频的应力波遇到内部缺陷时会发生反射和折射，形成回波，通过接收器接收回波信号，对其进行波形或频域分析，计算得到CFST柱缺陷情况。冲击回波检测法操作简单、成本低等优点，但在针对一些具有特殊界面的构件进行检测时，尤其是圆形界面构件，由于其特殊的几何形状和物理特性，易被非径向反射应力回波干扰，致使检测结果出现偏差。

3.2.3 超声波检测法

超声波检测法能够识别钢管混凝土柱各种缺陷。声波在密实的钢管混凝土内与有缺陷的混凝土内传播路径不同一致。

声波在不同介质里的传播时间和能量会发生变化，对于钢管混凝土柱脱粘缺陷的检测需结合首波声时法和波形识别法综合判别。

（1）首波声时法：通过检测超声波的传播时间，判断声波的传播途径，从而快速判断缺陷区域。在无缺陷钢管混凝土中，超声波传播途径有透射和绕射两种，声时分别为t₁、t₂，采用首波声时法前提是t₁＜t₂。

（2）波形识别法：通过判断脉冲波波形畸变程度，判断钢管混凝土内部是否存在缺陷。如果钢管内混凝土存在缺陷会导致接收波形畸变，对于钢管壁胶结不良接收到的波形畸变尤为严重，因此通过判断接收到的脉冲波首波波幅及波形畸变程度可判断钢管混凝土内部是否存在缺陷。

对于钢管混凝土超声波检测时，首先用首波声时法，当实测声时大于密实状态理论声时，认为有缺陷，但无法判断缺陷类型，需结合波形识别法共同判断缺陷类型。超声波检测具有设备简单、操作便捷、检测时间短和成本低等优点，是目前运用最为广泛的检测方法之一。

由于超声波在钢管混凝土柱中的传播途径复杂，该方法只能大致定位缺陷区域，不能准确检测出缺陷大小和类型，对于内部设置钢筋或横隔板的钢管混凝土，由于钢筋和钢板的干扰，导致该方法检测准确度大为下降。

3.2.4 超声相控阵检测法

超声相控阵检测法是检测钢管混凝土柱脱粘的新方法。原理是在超声波检测基础上，结合相控阵的成像技术，实现对混凝土内部缺陷的准确识别和成像。具体来说，通过控制N个超声探头的阵列排列和发射参数，使超声波以特定的角度和强度入射到混凝土中，如果钢管与混凝土脱粘，波会发生反射。

判断脱粘缺陷的位置和范围是通过计算钢管–混凝土界面处的视反射系数来确定。当入声波射角大于26°且视反射系数大于0.5，可判断测试区域存在脱粘。

超声相控阵检测法是在超声检测法基础上，通过重建图像，可较为准确判定钢管混凝土壁与混凝土脱粘范围及程度，目前其他方法还难以实现脱粘程度的确定。但该方法检测设备昂贵、操作复杂、检测效率低，对检测人员专业技术水平要求高等缺点。

3.2.5 冲击声检测法

冲击声检测法是一种基于弯曲振动模态的冲击声检测CFST结构界面剥离的方法。通过弯曲振动和厚度拉伸模式的振动能量比（VER）来评估剥离程度。具体来说，用锤子敲击钢管壁，并使用麦克风记录信号，根据信号到达时间来提取有效信号，再用滤波器滤除低频环境噪声进行能量归一化处理，然后利用小波变换对提取的每个冲击升信号进行时频分析，最后根据时频分析结果计算按厚度拉伸和弯曲振动模式之间的振动能量比（VER）对脱粘缺陷进行评价。

该方法具有操作简单、准确、效率高和成本低等优点。但检测结果容易受到外界环境噪声、振动等因素的干扰，会影响冲击声信号的采集和分析，降低检测的准确性，对微小缺陷不敏感等缺点。

3.2.6 压电陶瓷检测法（PZT检测法）

压电陶瓷检测法（PZT检测法）能够识别的CFST柱界面剥离缺陷，是近些年来CFST柱检测的新尝试。原理是利用压电材料基于正、逆压电效应的驱动和传感功能，通过输入特定的电信号函数，将电信号转变成机械振动信号，机械振动信号以应力波的形式在结构内传播，而应力波从一种物质进入另一种物质时，在界面处会产生折射、反射和能量会损耗等特性，通过分析传感器终端电信号来判断缺陷。

PTZ检测法的优点是可以迅速识别CFST柱脱粘缺陷的范围，PTZ可同时作为驱动器和接收器，且设备简单、检测时间短和成本低等优点。缺点就是灵敏性易受到环境影响，不能识别缺陷大小和准确位置。

3.2.7 红外线热成像检测法

红外线热成像检测法是钢管混凝土脱粘检测的常用方法，能够精准识别钢管壁表面剥离的位置和面积。原理是基于混凝土、空气和钢管的导热系数差异。当对检测构件加热时，由于钢管、混凝土及脱粘区域热传导系数不同，其温度变化是不同步的，通过红外探测器接收被检测物质辐射的能量，利用图像处理系统将辐射能量转化为热成像图，可准确定位钢管混凝土的脱粘缺陷位置和面积。

红外热成像检测法可以准确判断脱粘的位置和大小，但这种检测对环境条件要求高，如果没有稳定的加热装置，使被检测部位加热均匀，会加大检测难度，并且随着钢管壁厚的增加，其检测脱粘的准确性会降低，也不能反映钢管中混凝土空洞和不密实的缺陷。

4 钢管混凝土检测技术缺陷与未来发展

综上所述，钢管混凝土中核心混凝土与钢管壁的脱粘的检测方法各有利弊。其中钻心取样法最直观、最准确，但损伤结构，不能大批量检测，成本高，修补困难。

超声检测法虽然方便快捷，但不能准确判断缺陷类别，要加以其他方法辅助。红外线成像法只能检测钢管壁是否脱粘，对于内部混凝土质量好坏不能做出判断，并且检测需要辅助加热，检测时间较长，对于钢管壁较厚不能准确判断。

光纤传感检测法需要在施工中预埋光纤传感器，成本高昂，且易在施工过程中破坏。

目前超声相控阵技术和PZT法是近些年新兴的钢管混凝土无损检测技术，具有很大的潜力，且检测准确。

随着科技进步和技术创新，未来钢管混凝土检测将朝着更加准确、高效、智能化的方向发展，为钢管混凝土结构的安全性和可靠性提供有力保障。

5 结论

钢管混凝土脱粘机理的研究在工程领域具有至关重要的意义，这是因为核心混凝土与钢管壁之间的粘结质对结构的安全性起着决定性作用。

经过对脱粘现象的分析可知，其脱粘主要是混凝土自身收缩引起的，因此在实际工程中应减少甚至避免混凝土收缩的发生，所以要对混凝土的配合比、浇筑与施工、养护及服役环境的温度变化进行控制，避免其脱粘的产生。

超声相控阵检测、冲击声检测及PZT检测是近些年新出的检测方法，多项案例表明这些方法在钢管混凝土柱脱粘缺陷检测中表现出色，具有较高的准确度和可靠性，能够较为有效识别脱粘缺陷的位置、范围及脱粘程度，为钢管混凝土结构的质量评估提供了更加精准的技术支持。

钢管混凝土的脱粘有多种检测方法，但每种方法都有局限性，单一方法实现难以实现对脱粘缺陷的位置、范围、程度进行精确评估。不同检测方法配合使用，可以实现检测的快速、经济、准确化。

钢管混凝土的综合检测应遵循“经济、快速筛查–细致检测–复核验证”的优化流程，以实现经济、高效、准确的检测。例如，利用人工敲击法经济、快速初筛缺陷区域，再使用红外热成像法检测初筛缺陷，确定缺陷准确区域及面积，最后用钻芯取样法可验证其检测的准确性等。