超聲波檢測(cè)預(yù)應(yīng)力波紋管孔道壓漿質(zhì)量的試驗(yàn)研究

王鋒　張峰

摘 要：針對(duì)應(yīng)用超聲波檢測(cè)預(yù)應(yīng)力波紋管孔道壓漿質(zhì)量的問題，通過人為對(duì)波紋管孔道設(shè)置缺陷，在波紋管孔道全空、1/4密實(shí)、1/2密實(shí)、3/4密實(shí)、完全密實(shí)并埋入混凝土板中的各種情況下，再使用超聲波檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果證明：超聲波法可有效評(píng)價(jià)預(yù)應(yīng)力波紋管孔道的壓漿質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力波紋管；壓漿質(zhì)量；超聲波檢測(cè)；首波聲時(shí)

中圖分類號(hào)：U446.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

近年來，橋梁建設(shè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不同類型的橋梁工程紛紛涌現(xiàn)。由于預(yù)應(yīng)力混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有抗裂性好、剛度大、節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)安全及質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，而逐漸被人們重視并應(yīng)用到各種大型建筑中[1]。預(yù)應(yīng)力鋼筋作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在結(jié)構(gòu)承載方面發(fā)揮著巨大的作用，其中預(yù)留孔道的壓漿質(zhì)量對(duì)于保證預(yù)應(yīng)力效果、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性等有重要意義。工程設(shè)計(jì)中要求預(yù)應(yīng)力束管道內(nèi)必須壓滿砂漿，以防止水分侵入而銹蝕鋼筋；但在實(shí)際工作操作中，由于壓漿方法不當(dāng)導(dǎo)致管道堵塞、壓漿不密實(shí)等情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)此類問題，前蘇聯(lián)的弗格瓦羅首次將超聲波檢測(cè)與回彈檢測(cè)一起運(yùn)用，來檢測(cè)混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，開辟了綜合檢測(cè)的新途徑。自20世紀(jì)70年代開始，中國多次組織力量合作攻關(guān)，在無損檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用方面不斷創(chuàng)新，使得超聲波缺陷檢測(cè)技術(shù)得以規(guī)范化。鑒于超聲波首波聲時(shí)參數(shù)受外界環(huán)境影響較小，因此在混凝土缺陷測(cè)定中可以將其作為主要的判斷依據(jù)[2]。本文將研究以超聲波首波聲時(shí)作為主要檢測(cè)手段，對(duì)混凝土缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定量的評(píng)估。

1 超聲波檢測(cè)原理

混凝土是非均質(zhì)的彈粘塑性材料，它對(duì)超生脈沖波的吸收、散射衰減較大，其中高頻成分更易衰減，而且混凝土聲速會(huì)在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，不可能事先設(shè)置一個(gè)判斷缺陷的指標(biāo)。因此，用于混凝土檢測(cè)的超聲法，系指采用帶波形顯示功能的超聲波檢測(cè)儀和頻率為20～250 kHz的聲波換能器，測(cè)量超聲脈沖波在混凝土中的傳播速度（簡(jiǎn)稱聲速）、首波波幅（簡(jiǎn)稱波幅）、接收信號(hào)波形及主頻率（簡(jiǎn)稱主頻）等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及其變化，判斷混凝土中的缺陷情況。

利用超聲脈沖波檢測(cè)混凝土缺陷依據(jù)的是以下原理[3]。

（1） 超聲脈沖波在混凝土中遇到缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射，可根據(jù)聲時(shí)及聲程的變化、波幅變化，判別和計(jì)算缺陷的性質(zhì)和大小。

（2） 超聲脈沖波在缺陷界面產(chǎn)生散射和反射，到達(dá)接收換能器的聲波能量（波幅）顯著減小，可根據(jù)波幅變化的程度判斷缺陷的性質(zhì)和大小。

（3） 超聲脈沖波通過缺陷時(shí)，部分聲波的路徑和相位會(huì)產(chǎn)生變化，不同路徑或不同相位的聲波疊加后，會(huì)造成接受信號(hào)波形畸變。

（4） 超聲脈沖波中各頻率成分在缺陷截面衰減程度不同，接受信號(hào)的頻率程度不同，可根據(jù)接收信號(hào)主頻或頻率譜的變化分析判別缺陷情況。

超聲波法是由發(fā)射換能器在預(yù)留孔道位置的混凝土表面施加瞬時(shí)聲波能量，產(chǎn)生的聲波有縱波、橫波和表面波三種波形，這些波在混凝土內(nèi)部進(jìn)行傳播，在缺陷處發(fā)生明顯繞射現(xiàn)象[3-4]。在固體彈性介質(zhì)中，縱波波速（CL）最大，橫波波速（CS）次之，表面波波速（CR）最小。對(duì)于一般材料而言，CL≈2CS，CR≈09CS。考慮到質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，故主要研究縱波的傳播效應(yīng)。本文采用了超聲波檢測(cè)方法中的對(duì)測(cè)法作為檢測(cè)手段，通過縮小采樣間隔，可以較為準(zhǔn)確地確定出首波聲時(shí)的具體時(shí)間，進(jìn)一步尋找首波聲時(shí)與板厚、缺陷之間的關(guān)系。檢測(cè)流程如圖 1所示。

圖1 超聲波對(duì)測(cè)法檢測(cè)流程

超聲波首波聲時(shí)法可以用于波紋管孔道中缺陷大小的判定。通過超聲波在混凝土中的傳播速度V和超聲波在混凝土中的傳播路徑D，得到首波聲時(shí)公式

t=1/f=D/V（1）

式中：V為超聲波在混凝土中的傳播速度；D為超聲波傳播路徑；t為首波聲時(shí)；f為通過傅里葉變換得到的波的共振頻率。

首波聲時(shí)檢測(cè)原理依據(jù)公式（1）中不同缺陷程度下的首波聲時(shí)t，對(duì)波紋管缺陷進(jìn)行定量評(píng)估。其中，波紋管缺陷越大，超聲波的繞射現(xiàn)象越明顯，傳播路徑D也就

越大。超聲波在金屬管道內(nèi)的傳播速度是其在混凝土中傳播速度的13倍，考慮到金屬波紋管壁厚較薄，該影響可以忽略不計(jì)[5]。

2 預(yù)應(yīng)力孔道超聲波響應(yīng)

超聲波在混凝土內(nèi)部經(jīng)過均質(zhì)混凝土、壓漿密實(shí)孔道、壓漿未密實(shí)孔道、未壓漿孔道后，由接收器采集到不同的首波聲時(shí)信號(hào)[6]。

2.1 均質(zhì)混凝土

無波紋管孔道的混凝土超聲波響應(yīng)與測(cè)量混凝土板厚的原理相同，超聲波由安置在混凝土構(gòu)件一側(cè)的發(fā)射換能器發(fā)射，沿直線傳播并抵達(dá)對(duì)側(cè)面，由傳感器接收。此時(shí)，首波聲時(shí)t1的計(jì)算公式為

t1=1/f1=D1/V

式中：D1為均質(zhì)混凝土構(gòu)件的板厚；f1為響應(yīng)頻率。

2.2 壓漿密實(shí)孔道

考慮到金屬波紋管對(duì)首波聲時(shí)的影響非常小，超聲波經(jīng)過壓漿密實(shí)的波紋管孔道與無波紋管孔道混凝土中的傳播原理相同。此時(shí)，首波聲時(shí)t2的計(jì)算公式為

t2=1/f2=D2/V

式中：D2為壓漿密實(shí)孔道混凝土構(gòu)件的板厚；f2為響應(yīng)頻率。

2.3 壓漿未密實(shí)孔道

當(dāng)超聲波經(jīng)過壓漿未密實(shí)孔道時(shí)，超聲波會(huì)產(chǎn)生明顯的繞射現(xiàn)象，傳播路徑D大于板厚。圖2可以清楚地顯示出，混凝土缺陷越大，傳播路徑D越大。此時(shí)，首波聲時(shí)

t3的計(jì)算公式為

t3=1/f3=D3/V

式中：D3為壓漿未密實(shí)孔道的混凝土構(gòu)件的厚度；f3為響應(yīng)頻率。

圖2 超聲波檢測(cè)縱斷面

2.4 未壓漿孔道

未壓漿孔道超聲波響應(yīng)與壓漿未密實(shí)孔道類似：傳播路徑比壓漿未密實(shí)孔道還要長(zhǎng)，其首波聲時(shí)t4>t2，響應(yīng)頻率f4

3 模型試驗(yàn)

3.1 檢測(cè)儀器

檢測(cè)儀器為北京智博聯(lián)科技有限公司的ZBL-U520非金屬超聲檢測(cè)儀，如圖3所示。該儀器是一款便攜式超聲波測(cè)試產(chǎn)品，采樣周期為005～400

發(fā)射頻率為50 kHz，在無缺陷混凝土中對(duì)測(cè)穿透距離可達(dá)10 m，電火花震源單次激勵(lì)穿透距離大于50 m。其自帶的數(shù)據(jù)分析軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示及從PC上打印，可發(fā)現(xiàn)諸如孔洞、裂縫、蜂窩等內(nèi)部缺陷，還可下載波形數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果到PC上，進(jìn)行全面的厚度/缺陷分析。

圖3 ZBL-U520非金屬超聲檢測(cè)儀

3.2 模型試件制作

模型試驗(yàn)使用的混凝土標(biāo)號(hào)為C50，配有少量的Φ16 mm構(gòu)造鋼筋和波紋管定位鋼筋，波紋管布置距混凝土試件上下界面相等[7]，設(shè)計(jì)板厚分別為25、40 cm的兩種混凝土構(gòu)件，如圖4、5所示。試件尺寸及參數(shù)如表1所示。

人為對(duì)波紋管孔道設(shè)置缺陷，將一根完整的金屬波紋管截為70 cm（保證有效檢測(cè)長(zhǎng)度為50 cm）。在澆注混凝土前，采用人工灌漿至完全密實(shí)、3/4密實(shí)、1/2密實(shí)、1/4密實(shí)和全空。先將波紋管一端封住，豎向灌注砂漿至相應(yīng)密實(shí)程度，然后將波紋管另一端封住并水平放置養(yǎng)護(hù)，待砂漿初凝后將兩端封口拆除，并用套管將不同缺陷的波紋管拼接成一根。

沿混凝土試件橫向等距布置3根內(nèi)徑為5 cm的金屬波紋管，選用Φ16 mm鋼筋彎成U形作為波紋管的固定鋼筋，縱向每隔20 cm布置一個(gè)。波紋管混凝土板模型俯視、縱向截面剖切如圖6、7所示。

圖6 混凝土板模型俯視

圖7 混凝土板模型截面剖切

3.3 測(cè)點(diǎn)布置與參數(shù)設(shè)置

在混凝土板表面對(duì)應(yīng)預(yù)應(yīng)力波紋管埋設(shè)的位置，沿波紋管長(zhǎng)度方向每隔1 cm均勻標(biāo)注測(cè)點(diǎn)，共計(jì)11個(gè)測(cè)點(diǎn)。用砂紙將作業(yè)表面打磨平整，并在測(cè)點(diǎn)處均勻涂抹一定量的耦合劑。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3次并對(duì)異常測(cè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

使用與混凝土板同期制作、強(qiáng)度相同的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行混凝土應(yīng)力波波速標(biāo)定?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得波速Vp約為4 000 m·s-1，采樣間隔為0.4

換能發(fā)射器發(fā)射頻率為50 kHz。

3.4 檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)階段使用超聲波首波聲時(shí)法檢測(cè)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量沒有國家規(guī)范，一般以首波聲時(shí)作為主要的評(píng)判依據(jù)[8-10]。對(duì)波紋管孔道完全密實(shí)、3/4密實(shí)、1/2密實(shí)、1/4密實(shí)、全空等5類不同測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如表3所示，得出的檢測(cè)結(jié)果如下。

（1） 波紋管孔道完全密實(shí)。

如圖8所示，該處測(cè)點(diǎn)時(shí)譜響應(yīng)信號(hào)顯示：板厚25 cm的混凝土試件首波聲時(shí)t=64.4

?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的超聲波聲速Vp約為4 000 m·s-1，按照公式（1）計(jì)算得到深度分別為2576、3936 cm，與實(shí)際混凝土板厚（256、435 cm）基本相符。

圖8 混凝土試件時(shí)域聲時(shí)響應(yīng)

（2） 波紋管孔道未填充密實(shí)。分別對(duì)25、40 cm厚的混凝土構(gòu)件不同密實(shí)度11個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試平均值進(jìn)行圖譜分析，如圖9～11所示。

從時(shí)譜曲線可以看出，首波聲時(shí)在同一板厚、不同密實(shí)度以及不同板厚、同一密實(shí)度兩種情況下，均有著較為明顯的變化規(guī)律。針對(duì)此特點(diǎn)，在同一板厚前提下，分別對(duì)從不同密實(shí)度的11個(gè)測(cè)點(diǎn)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，取其平均值，并進(jìn)行圖譜分析，

表2 25 cm試件各測(cè)點(diǎn)首波聲時(shí)值

4 結(jié) 語

（1） 首波聲時(shí)法中的首波聲時(shí)與聲通路有著較為緊密的聯(lián)系，能夠形成特定的時(shí)譜曲線。

（2） 超聲波經(jīng)均質(zhì)混凝土、壓漿密實(shí)孔道、壓漿未密實(shí)孔道、未壓漿孔道后會(huì)產(chǎn)生不同的首波聲時(shí)響應(yīng)規(guī)律。

（3） 超聲波首波聲時(shí)法檢測(cè)在25 cm和40 cm兩種板厚的混凝土構(gòu)件中，有著類似的首波聲時(shí)規(guī)律。

（4） 通過人為對(duì)波紋管孔道設(shè)置缺陷，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬超聲波首波聲時(shí)檢測(cè)，驗(yàn)證了首波聲時(shí)理論分析和該測(cè)試方法的可靠性，表明首波聲時(shí)法可以有效地檢測(cè)波紋管孔道的壓漿質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜 盼.超聲波檢測(cè)預(yù)應(yīng)力梁孔道壓漿質(zhì)量的試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2012：3-7.

[2] 周先雁，肖云風(fēng).用超聲波法和沖擊回波法檢測(cè)鋼管混凝土質(zhì)量的研究[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（6）：44-48

[3] 林維正.土木工程質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] 黃政宇，紀(jì)學(xué)靈，黃 靚.超聲波檢測(cè)混凝土缺陷成像的定性分析法[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，35（8）：5-8.

[5] 楊天春，易偉建，魯光銀，等.預(yù)應(yīng)力T梁束管道壓漿質(zhì)量的無損檢測(cè)試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2006，19（3）：411-415.

[6] 楊 忠，梁俊輝，張升彪，等.超聲成像法在橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].公路工程，2012，37（5）：168-171.

[7] 王 偉，水中和，王桂明，等.沖擊回波法檢測(cè)波紋管灌漿質(zhì)量的研究及工程實(shí)踐[J].混凝土，2010（5）：134-137.

[8] 楊春東.時(shí)頻分析技術(shù)在橋梁預(yù)應(yīng)力管道注漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究，2012，38（4）：329-333.

[9] 馬永光，劉良玉，王璋奇，等.超聲波無損檢測(cè)的計(jì)算機(jī)模擬[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（3）：98-101.

[10] 丁 輝，張 俊，張益成，等.超聲檢查聲場(chǎng)計(jì)算模型的建立于仿真軟件的開發(fā)[J].無損檢測(cè)，2009，31（8）：614-618.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint