沖擊回波法在混凝土梁橋內(nèi)部缺陷檢測及修復(fù)上的應(yīng)用

■ 宋敏芳

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路工程試驗檢測中心站，福州 350004）

0 引言

截至2016年底，中國已經(jīng)建成公路橋梁約80.53萬座，并且以每年2～3萬的數(shù)量在不斷增加。隨著時間的推移，由于自然環(huán)境、材料劣化、施工缺陷、超載因素等，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同程度的損傷和病害[1]。

目前在結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測方法近年來有了較大發(fā)展。國內(nèi)外許多學(xué)者基于不同的理論和方法提出了多種檢測手段，主要應(yīng)用的技術(shù)諸如：磁通量法、射線法、超聲法、電磁波法、熱圖像識別法、沖擊回波法等，有力地推動了橋梁檢測技術(shù)的發(fā)展。

本文針對沖擊回波法檢測混凝土內(nèi)部缺陷，結(jié)合某橋的案例，闡述沖擊回波法在某工程項目中混凝土內(nèi)部缺陷檢測以及修復(fù)效果驗收上的應(yīng)用，為混凝土內(nèi)部缺陷的測試提供一個新的快速檢測方法。

1 沖擊回波原理

沖擊回波法是通過錘擊方式產(chǎn)生瞬時沖擊彈性波并接收沖擊彈性波信號，通過分析沖擊彈性波及其回波的波速、波形和頻率等參數(shù)，判斷混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。

沖擊回波法可用于混凝土構(gòu)件厚度及內(nèi)部缺陷檢測、預(yù)應(yīng)力管道壓降密實度檢測、結(jié)合面密實度檢測等方面。其檢測原理如圖1所示，通過錘擊使混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生P波（縱波）和S波（瑞利波），并傳輸?shù)交炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部。P波和S波受內(nèi)部缺陷（聲阻抗差）或外部邊界影響而被反射。當反射波返回混凝土結(jié)構(gòu)表面時，接收傳感器會測量到二者的位移。當傳感器被放置在離沖擊點較近位置時，響應(yīng)主要反應(yīng)了P波反射波的位移。由于P波在混凝土內(nèi)部空隙經(jīng)歷多次反射，傳感器能夠檢測到一系列的低振幅震蕩波譜，從而反映出混凝土內(nèi)部缺陷[1]。

圖1 沖擊回波法基本原理

2 工程概述

某大橋全長189.80m（含兩側(cè)梁端至支座中心各0.60m），孔跨類型為（50+90+50）m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線連續(xù)梁。

大橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，橫截面為單箱單室直腹板。支點截面中心處梁高6.0m，跨中截面中心處梁高3.0m，梁高按圓曲線變化；全橋箱梁頂板寬9.40m，底板寬6.0m，頂板厚0.30m，腹板厚分別為0.80m、0.65m、0.45m，底板厚度由跨中0.30m按圓曲線變化至支點根部0.80m。

箱梁采用C55標號混凝土，管道壓漿采用水泥漿強度等級不低于M55，封錨采用C55補償收縮混凝土。全橋采用三向預(yù)應(yīng)力體系：縱、橫向預(yù)應(yīng)力體系采用抗拉強度標準值為fpk=1860MPa，公稱直徑為Φj15.20mm高強度、低松弛鋼絞線；豎向預(yù)應(yīng)力體系采用Φ32mm預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。預(yù)應(yīng)力管道采用內(nèi)徑Φ90mm金屬波紋管。

大橋完成1#墩A1、B1節(jié)段的施工。在A1、B1節(jié)段拆模后，發(fā)現(xiàn)箱梁腹板外側(cè)均出現(xiàn)較大面積的混凝土蜂窩、麻面病害情況。事故梁段縱向位置圖如圖2，橫斷面布置圖如圖3?，F(xiàn)場病害情況如圖4。

圖2 事故梁段縱向位置圖

圖3 橫斷面布置圖

圖4 箱梁腹板外側(cè)病害圖

3 現(xiàn)場外觀檢查及無損檢測結(jié)果

3.1 橋梁外觀檢查結(jié)果

通過現(xiàn)場對腹板外側(cè)混凝土的外觀檢查，結(jié)果如下：

（1）A1節(jié)段右腹板：距梁底板0.30m處，1處混凝土蜂窩、麻面，長 3.00m，高 1.90m，面積 S=5.10m2，測得最深內(nèi)部蜂窩深度為72.0mm（圖5右側(cè)腹板）；

（2）A1節(jié)段左腹板：距梁底板0.00m處，1處混凝土蜂窩、麻面，長 3.00m，高 2.84m，面積 S=5.51m2，測得最深內(nèi)部蜂窩深度為32.6mm（圖5左側(cè)腹板）；

（3）B1節(jié)段左腹板：距梁底板0.00m處，1處混凝土蜂窩、麻面，長 3.00m，高 1.86m，面積 S=5.04m2，測得最深內(nèi)部蜂窩深度為52.0mm（圖6左側(cè)腹板）；

（4）B1節(jié)段右腹板：距梁底板0.00m處，1處混凝土蜂窩、麻面，長 3.00m，高 2.00m，面積 S=6.00m2，現(xiàn)場通過鑿除表面松散混凝土，測得最深內(nèi)部蜂窩深度為167.8mm（圖6右側(cè)腹板）。

圖5 A1段右、左側(cè)腹板外墻病害示意圖

圖6 B1段右、左側(cè)腹板外墻病害示意圖

3.2 橋梁混凝土沖擊回波檢測結(jié)果

本項目采用了美國Olson公司生產(chǎn)的IES掃描式?jīng)_擊回波測試系統(tǒng)（見圖7），對病害區(qū)腹板混凝土進行內(nèi)部缺陷檢測，檢測結(jié)果如下：

圖7 IES掃描式?jīng)_擊回波測試系統(tǒng)

（1）經(jīng)現(xiàn)場對構(gòu)件混凝土波速測量，C55標號混凝土實測波速值為3900～4050m/s，略小于實驗室得到的強度對應(yīng)的參考波速（4000～4500m/s）；

（2）采用沖擊回波法對腹板混凝土內(nèi)部缺陷情況進行檢測，現(xiàn)場實測結(jié)果見表1。

表1 混凝土內(nèi)部缺陷沖擊回波檢測結(jié)果表

由表1結(jié)果表明四扇腹板缺損位置主要區(qū)域均存在缺陷反應(yīng)，主要是深色圖像區(qū)域，區(qū)域較集中于外觀檢查中表層蜂窩、麻面區(qū)域。腹板混凝土表觀良好區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的內(nèi)部缺陷。

由表2結(jié)果顯示，通過沖擊回波法能夠很好的得到混凝土內(nèi)部未灌注預(yù)應(yīng)力管道漿液時的“缺陷”反應(yīng)，圖像顯示真實。

表2 混凝土內(nèi)部缺陷沖擊回波檢測結(jié)果表

結(jié)論：通過掃描，該測量區(qū)域無異常情況。紅色區(qū)域走向與預(yù)留的腹板束F3管道走向一樣，主要是受波紋管影響，產(chǎn)生不密實反應(yīng)，不屬于缺陷反應(yīng)。藍色區(qū)域為小范圍表層混凝土蜂窩、麻面。

3.3 橋梁混凝土修復(fù)后沖擊回波檢測結(jié)果

本項目現(xiàn)場缺陷經(jīng)專家會討論，先對缺陷部位的松散混凝土采用高壓水沖法進行清除，清除后涂抹界面劑，再采用C60自密實混凝土進行修復(fù)處理。為確保修復(fù)區(qū)域修復(fù)后新混凝土與舊混凝土之間粘結(jié)性能和結(jié)合面密實度能夠滿足要求，對修復(fù)區(qū)域進行檢測，沖擊回波檢測結(jié)果見表3。

表3 修復(fù)后混凝土沖擊回波檢測結(jié)果表

根據(jù)表3中修復(fù)后混凝土沖擊回波檢測測量成像結(jié)果表明，修復(fù)后的混凝土內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。新舊混凝土之間粘結(jié)性能良好和結(jié)合面密實度能夠滿足要求。

3.4 現(xiàn)場檢測注意事項

根據(jù)本項目的實際檢測經(jīng)驗，采用沖擊回波法現(xiàn)場檢測混凝土內(nèi)部缺陷時，應(yīng)注意幾個關(guān)鍵因素：①使用IES系統(tǒng)檢測混凝土內(nèi)部缺陷時，檢測對象最好是等厚度構(gòu)件；②測量前，現(xiàn)場需要對構(gòu)件混凝土波速進行現(xiàn)場標定，并選擇合適的測量點數(shù)以及采樣頻率；③由于邊界效應(yīng)的影響，第一條測線的布置距離邊界不得小于0.3倍的理論厚度值；④有條件的情況下，現(xiàn)場需要對測線進行表面處理，清除混凝土表面的雜質(zhì)，排除干擾因素。

4 結(jié)語

（1）橋梁內(nèi)部缺陷檢測是檢測橋梁施工質(zhì)量和工藝的重要依據(jù)，傳統(tǒng)超聲波檢測方法精度不高，沖擊回波法的應(yīng)用能夠很好的適應(yīng)目前對混凝土內(nèi)部缺陷的檢測快速、精準判定，避免鋼筋對結(jié)果產(chǎn)生的影響；

（2）沖擊回波法能夠有效地對修復(fù)后混凝土內(nèi)部缺陷情況進行檢測，判斷新舊混凝土粘結(jié)性能和結(jié)合面的密實度情況；

（3）沖擊回波法能夠很好的得到混凝土內(nèi)部未灌注預(yù)應(yīng)力管道漿液時的“缺陷”反應(yīng)，圖像顯示真實；

（4）沖擊回波法檢測混凝土內(nèi)部缺陷受邊界效應(yīng)的影響，現(xiàn)場操作的時候要注意測線的布置，距離邊界不得小于0.3倍的理論厚度值；

（5）沖擊回波法在本項目的應(yīng)用能夠為今后其他橋梁工程項目施工過程中遇到類似工程事故的現(xiàn)場缺陷判斷提供借鑒和參考意義。

[1]賀拴海，趙祥模，等.公路橋梁檢測及評價技術(shù)綜述.中國公路學(xué)報，2017（11）.