沖擊回波法檢測混凝土管道灌漿質(zhì)量的影響因素分析

李星漁 柴文浩 楊雅勛

（1.阿拉善盟交通運輸局，內(nèi)蒙古阿拉善 200092；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064）

對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力管道的灌漿質(zhì)量直接影響預(yù)應(yīng)力橋梁的承載力和耐久性。若灌漿不密實，會導(dǎo)致梁體內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā)生腐蝕，甚至造成橋梁垮塌［1-2］。因此，需要對預(yù)應(yīng)力橋梁的灌漿質(zhì)量進行檢測。常用的檢測方法為鉆芯取樣法、沖擊回波法、回彈法、超聲波法、地質(zhì)雷達法、聲波散射法、內(nèi)窺鏡法、紅外熱成像法等［3］。

沖擊回波法（Impact-echo Method）是由美國康奈爾大學(xué)提出的一種無損檢測方法，用于檢測混凝土質(zhì)量［4］。隨后，沖擊回波法被用于檢測混凝土板的內(nèi)部缺陷，混凝土桿結(jié)構(gòu)和面板的缺陷，混凝土中鋼筋的腐蝕損傷等［5-7］。在預(yù)應(yīng)力管道灌漿質(zhì)量檢測方面，文獻［8-10］采用沖擊回波法對預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部混凝土的灌漿質(zhì)量做了評估。文獻［11］探究了板厚度以及影響范圍對測試結(jié)果的影響。文獻［12］采用數(shù)值模擬方法研究了激發(fā)點與接收點的距離對沖擊回波法的影響。

本文采用數(shù)值模擬的方法對影響沖擊回波法檢測結(jié)果的主要因素（預(yù)應(yīng)力鋼筋位置、測試斷面、缺陷程度、管道材質(zhì)）進行分析，通過現(xiàn)場試驗對其影響規(guī)律進行驗證。

1 沖擊回波法

沖擊回波法是一種利用瞬態(tài)應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播特性對混凝土進行檢測的方法。在沖擊回波測試過程中，使用鋼球或錘子敲擊混凝土表面會產(chǎn)生低頻應(yīng)力波（縱波、橫波和表面波）。表面波沿表面?zhèn)鞑?，而縱波和橫波會傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)縱波遇到缺陷或邊界時會被反射、折射或衍射，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生瞬態(tài)共振，利用提前放置在撞擊點附近的傳感器接受該共振信號，再通過采集設(shè)備保存下來可進行相關(guān)分析。 采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）將該時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號，得到缺陷深度和構(gòu)件厚度有關(guān)的峰值頻率。其檢測原理見圖1。

圖1 沖擊回波法檢測原理

文獻［13-14］表明：采用沖擊回波法測試時，由于不同材料的波阻抗系數(shù)不同，導(dǎo)致其反射頻率的計算公式不同?；炷涟宓暮穸阮l率f可由式（1）確定；混凝土中有鋼筋時，鋼筋的反射頻率Fs可由式（2）確定。

式中：αs為截面的形狀系數(shù)，板狀結(jié)構(gòu)取0.96；D為混凝土板的厚度，計算缺陷深度時，D為缺陷頂部至混凝土表面的距離；d為鋼筋的埋置深度；Vp為傳波在介質(zhì)中的傳播速度，計算式為

式中：E為材料的彈性模量；ν為材料的泊松比；β為材料密度。

在檢測預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部灌漿質(zhì)量時，混凝土板中無預(yù)應(yīng)力管道、灌滿漿管道及部分灌滿漿管道試件采集到的沖擊回波信號會顯示不同的特征［15］，見圖2。

圖2 不同管道的響應(yīng)譜

2 有限元分析

2.1 模擬工況

為研究預(yù)應(yīng)力鋼筋位置、測試斷面、缺陷程度、管道材質(zhì)對檢測結(jié)果的影響規(guī)律，設(shè)置以下工況（表1）：①在管道頂部和管道底部布置預(yù)應(yīng)力鋼筋，對應(yīng)工況1—工況4；②測試斷面主要包括頂（底）板、腹板，頂（底）板工況對應(yīng)工況5—工況8，腹板工況對應(yīng)于工況9—工況10；③通過不同的灌漿程度模擬管道內(nèi)不同程度的缺陷，設(shè)置全空、1/3灌漿、2/3灌漿、完全灌漿4 種情況，對應(yīng)工況5—工況8；④設(shè)置金屬波紋管、塑料波紋管2種管道，對應(yīng)工況5—工況8。

表1 模擬工況

2.2 模型參數(shù)

采用ABAQUS 建立含有預(yù)應(yīng)力管道的混凝土板模型，尺寸為0.8 m×0.4 m×0.3 m。預(yù)應(yīng)力管道位于混凝土板的正中心，直徑為80 mm。金屬波紋管和塑料波紋管厚度分別為2，3 mm。預(yù)應(yīng)力鋼筋直徑為40 mm。材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

2.3 模擬流程

采用C3D8 實體單元模擬混凝土、波紋管、鋼筋，波紋管和鋼筋，混凝土采用綁定約束；側(cè)面邊界設(shè)置為無反射吸收邊界（圖3）；總計算時長3 ms。沖擊荷載簡化為一個正弦形的簡諧力。t時刻的沖擊荷載F為

式中：Fmax為荷載峰值，取30 N；tc為沖擊荷載的持續(xù)時長，取30 μs。

圖3 部分工況的模型

2.4 模擬結(jié)果分析

通過有限元數(shù)值模擬典型工況得到對應(yīng)的時域信號，在MATLAB 中采用快速傅里葉變換得到頻域信號并繪制成頻譜圖，見圖4。

將所有工況頻譜圖中的峰值進行統(tǒng)計，并根據(jù)式（1）和式（2）計算混凝土板厚度頻率、缺陷深度頻率、鋼筋反射頻率，結(jié)果見表3與表4。

由表3和表4可知：

圖4 部分工況塑料波紋管頻譜

表3 頻率及偏移率

表4 鋼筋反射頻率及偏移率

1）對于工況1—工況4，當(dāng)管道灌漿存在缺陷時，隨著管道缺陷程度的逐漸增加，板厚頻率向低頻發(fā)生偏移。當(dāng)把預(yù)應(yīng)力鋼筋布置在管道頂部（工況1 和工況3）時，可以得到鋼筋的反射頻率，且與理論值接近。當(dāng)上部出現(xiàn)缺陷（工況2）的情況下，沒有測到任何預(yù)應(yīng)力鋼筋的反射頻率信號，但可以檢測到缺陷的頻率信號，說明預(yù)應(yīng)力鋼筋不影響缺陷頻率信號的檢測。此外，工況4 中沒有檢測到預(yù)應(yīng)力鋼筋的反射頻率信號，原因是預(yù)應(yīng)力鋼筋的反射頻率信號與板厚頻率信號接近，二者相互重疊導(dǎo)致無法顯示鋼筋反射頻率的峰值。

2）對于工況5-1—工況8-2，隨著缺陷程度的減小，偏移率減小，板厚頻率逐漸接近密實處的理論計算值，且板厚偏移率與缺陷程度成正相關(guān)的關(guān)系，說明板厚頻率可以作為判斷預(yù)應(yīng)力管道是否存在缺陷的依據(jù)。金屬波紋管對應(yīng)的缺陷深度頻率誤差小于塑料波紋管，說明金屬波紋管對測試結(jié)果影響較小，實際工程中可作為壓漿管道。

3）對于工況6-2、工況7-2 和工況9、工況10，在同等條件、相同的缺陷程度情況下，頂（底）板工況的板厚偏移率大于腹板工況，說明在測試過程中腹板工況誤差更大。原因是腹板工況中管道的缺陷主要位于管道頂部，而測點在腹板側(cè)部，缺陷的橫向尺寸比頂（底）板小，測試誤差大。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試件制備

在實驗室內(nèi)制作3塊C40等級的混凝土試件對數(shù)值結(jié)果進行驗證。試件尺寸分別為：800 mm×1 000 mm×300 mm，1 600 mm×1 000 mm×300 mm，每個混凝土試件包含4 個預(yù)應(yīng)力直徑為80 mm 的管道，管道中心距離混凝土試件表面為11 cm（圖5）。試件1 中布置直徑為8 mm 的縱向鋼筋，相鄰鋼筋間隔為50 mm，共計38 根。采用16 mm 的普通鋼筋代替預(yù)應(yīng)力鋼筋。為模擬橋梁腹板的預(yù)應(yīng)力管道缺陷情況，在制造缺陷時將試件3旋轉(zhuǎn)90°。

圖5 試件尺寸（單位：cm）

3.2 測試過程

選取每個管道縱向軸線對應(yīng)的混凝土板表面作為管道測試線，縱向每隔10 cm布置1個測點，不考慮邊緣與空氣接觸的點以及金屬波紋管和塑料波紋管交匯處，試件1和試件3每個管道有7個測點（參見圖5（a）），試件2 每個管道有14 個測點，測試點與沖擊點的距離為3 cm。測點編號原則是每個測點對應(yīng)1 個測點系列，如測點1包括4個管道相同位置的測點。

測試過程中先用砂紙將混凝土板表面磨平，采用四川升拓公司生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測儀對每個試件進行波速標(biāo)定，并對每個管道進行沖擊回波測試，記錄其測試數(shù)據(jù)。

3.3 測試結(jié)果分析

試件1—試件3 的波速標(biāo)定結(jié)果分別為3 989.5，3 998.3，4 000.2 m/s。對試件1進行測試，統(tǒng)計板厚頻率與缺陷深度頻率并計算出每個測點對應(yīng)的偏移率，見圖6。可知，工況1 與工況2 的板厚偏移率在4%～6%，工況3 與工況4 的板厚偏移率在15%～18%，說明當(dāng)管道內(nèi)部存在缺陷時板厚偏移率明顯增大。工況3與工況4 的缺陷深度頻率偏移率大部分在4%～7%，滿足工程精度需要，說明沖擊回波法可用于缺陷深度定位。

圖6 試件1偏移率

工況1鋼筋反射頻率及偏移率見表5。可知，鋼筋反射頻率集中在8 972～9 372 Hz，與現(xiàn)場理論值（由現(xiàn)場標(biāo)定波速度計算而得到）8 814 Hz 相比，誤差在1.79%～6.33%。工況2—工況4 未檢測到鋼筋反射頻率信號，原因是：工況2 的鋼筋位于管道頂部，在數(shù)值模擬時，采用綁定約束模擬鋼筋和波紋管的約束，但是現(xiàn)場制作時鋼筋沒有與管道壁嚴(yán)密接觸，無法檢測到鋼筋反射頻率；工況3 存在空洞缺陷無法檢測到信號；工況4鋼筋反射頻率與混凝土板厚頻率接近，其信號被板厚頻率信號淹沒，但不影響管道缺陷深度頻率的檢測。

表5 工況1鋼筋反射頻率及偏移率

在試件2 中，僅選取測點3、測點4（金屬波紋管測點）與測點9、測點10（塑料波紋管測點）的結(jié)果（分別對應(yīng)工況5—工況8）進行分析，見圖7?？芍S著缺陷程度的增大，板厚頻率逐漸減??；測點3、測點4比測點9、測點10 更接近現(xiàn)場理論值6 381 Hz，說明金屬波紋管對板厚測試結(jié)果的影響小。另外，測點3、測點4和測點9、測點10與缺陷深度頻率現(xiàn)場理論值17 264 Hz相比，金屬波紋管的誤差率約為4.4%，塑料波紋管的誤差率約為7.3%，說明金屬波紋管的測試結(jié)果較好。

圖7 試件2頻率

選取試件3 第 2，3 個管道中測點 3 與測點 4（分別對應(yīng)工況9和工況10）的結(jié)果進行分析，見表6。

表6 測點3和測點4結(jié)果

由表6可知，隨著缺陷程度的增加，板厚頻率向低偏移，其實測值略小于圖7 中的對應(yīng)值。缺陷深度的偏移率約為10%，比工況6 和工況7 的偏移率（7.3%）大，說明在腹板工況下識別缺陷的難易程度遠大于頂（底）板工況，在現(xiàn)場測試中測試斷面對缺陷檢測結(jié)果有影響。

4 結(jié)論

1）采用沖擊回波法可以對混凝土管道內(nèi)部缺陷進行識別以及初步定位；當(dāng)混凝土內(nèi)部有缺陷時，缺陷程度越大，板厚頻率越向低頻偏移，缺陷程度和板厚偏移率成正相關(guān)的關(guān)系。

2）預(yù)應(yīng)力管道材料對測試結(jié)果有明顯影響，金屬波紋管比塑料波紋管測試結(jié)果更精確。

3）普通鋼筋布置較少時，對測試結(jié)果無明顯影響；密實混凝土中預(yù)應(yīng)力鋼筋會出現(xiàn)對應(yīng)的鋼筋反射頻率，但該頻率與缺陷深度頻率相差較大，對內(nèi)部缺陷的檢測無影響。

4）測試斷面對結(jié)果有影響，與頂（底）板工況相比，腹板工況測試難度大，且誤差較大。