沖擊回波法孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

李 杰

(廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550)

0 引言

在張拉預(yù)應(yīng)力筋后進(jìn)行的孔道壓漿作業(yè)，是后張法預(yù)應(yīng)力施工的關(guān)鍵工序。通過壓漿，可使孔道內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋與混凝土結(jié)構(gòu)形成整體從而協(xié)同受力，同時(shí)也避免了外界空氣和水對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的侵蝕，因此其施工質(zhì)量亦關(guān)系著橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全和使用壽命。確保波紋管內(nèi)漿體的密實(shí)飽滿，是壓漿施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵之一。2015年《廣東省交通運(yùn)輸廳印發(fā)關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)廣東省公路橋梁預(yù)應(yīng)力工程質(zhì)量管理的指導(dǎo)意見的通知》規(guī)定了對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量的檢測(cè)要求以來，各在建高速公路項(xiàng)目都逐步開展孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)工作。本文通過梳理近年來多個(gè)項(xiàng)目的檢測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)比對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)的情況，對(duì)孔道壓漿密實(shí)度檢測(cè)工作在測(cè)試方法、現(xiàn)場(chǎng)操作、結(jié)果評(píng)價(jià)等方面的要點(diǎn)進(jìn)行整理和分析，以供有關(guān)技術(shù)人員參考。

1 沖擊回波法測(cè)試原理

沖擊回波法壓漿密實(shí)度檢測(cè)技術(shù)，是現(xiàn)階段在工程實(shí)體檢測(cè)項(xiàng)目中應(yīng)用最為廣泛與成熟的無損測(cè)試方法。該方法的基本原理可理解為：采用鋼球敲擊的方式產(chǎn)生瞬態(tài)低頻且具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的沖擊彈性波，在非勻質(zhì)的混凝土中能順利傳播。沖擊彈性波在測(cè)試結(jié)構(gòu)內(nèi)部不斷反射或繞射，同時(shí)通過傳感器接收敲擊點(diǎn)附近的信號(hào)，并將儀器接收到的反射波(P波)根據(jù)不同介質(zhì)的阻抗差異作時(shí)域/頻域分析，再結(jié)合所測(cè)試結(jié)構(gòu)的尺寸等，綜合分析判定預(yù)應(yīng)力孔道壓漿的密實(shí)度情況。其測(cè)試判斷原理如圖1所示。

圖1 沖擊回波法測(cè)試原理

2 壓漿密實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要點(diǎn)

對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物而言，內(nèi)部存在著氣孔、微裂縫、局部強(qiáng)度發(fā)展不一致等情況，同時(shí)其結(jié)構(gòu)尺寸及表面狀況也是變化的，不是勻質(zhì)的。沖擊回波法利用彈性波在不同介質(zhì)中傳播速度及路徑等差異的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用單點(diǎn)測(cè)試并沿孔道布置的方式逐點(diǎn)測(cè)試得到一組信號(hào)，然后綜合分析各信號(hào)來判斷孔道內(nèi)漿料是否飽滿，必然受到所測(cè)試混凝土結(jié)構(gòu)物本身特性帶來的影響。因此，在工程實(shí)際檢測(cè)過程中，需考慮上述影響因素，結(jié)合不同的測(cè)試方式，更好地利用沖擊回波法得出可靠的檢測(cè)結(jié)果。

2.1 測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)逐點(diǎn)測(cè)試的特點(diǎn)，準(zhǔn)確定位出孔道位置是前提條件；其次，合理的測(cè)點(diǎn)間距也是關(guān)鍵。以預(yù)制箱梁為例，其孔道布置形式簡(jiǎn)單，波紋管在鋼筋骨架綁扎時(shí)，已根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)，通過定位鋼筋的固定，基本上可以實(shí)現(xiàn)梁體澆筑完成后，管道位置不會(huì)產(chǎn)生較大偏差。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)布置可參考下列方法進(jìn)行：

(1)孔道的定位?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)圖紙所給坐標(biāo)，先將具有坐標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn)描畫出來，然后采用彈墨線的方式將各節(jié)點(diǎn)連接，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)孔道位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

(2)測(cè)點(diǎn)間距。應(yīng)根據(jù)檢測(cè)需要及孔道布置形式，在梁端彎起段、結(jié)構(gòu)漸變段等易出現(xiàn)壓漿不密實(shí)的區(qū)域加密布置測(cè)點(diǎn)。測(cè)試起點(diǎn)宜距孔道端部或錨具后方10cm左右，以減少邊界效應(yīng)帶來的影響；測(cè)點(diǎn)間距宜采用10cm，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確性和效率。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示例

2.2 激振錘的選擇

混凝土內(nèi)部含有許多小缺陷，如微裂縫、氣泡等，其大小一般只有幾厘米或更小。若波長(zhǎng)小于5cm(頻率在80kHz以上)，混凝土內(nèi)部固有的不均勻性會(huì)讓彈性波散射，從而限制了其穿透能力。因此，在實(shí)際沖擊回波測(cè)試中，鋼球的最小有用直徑大約為3.5mm，所產(chǎn)生的有效應(yīng)力波波長(zhǎng)就能在5cm以上，彈性波就能像穿透勻質(zhì)介質(zhì)一樣穿透帶小缺陷的混凝土。然而，直徑太大的小鋼球也是不行的，太大的鋼球沖擊產(chǎn)生的波長(zhǎng)就會(huì)超過被測(cè)缺陷的橫向尺寸，以致于探測(cè)不到缺陷的存在?？傮w而言，鋼球沖擊混凝土表面所激發(fā)的有用波長(zhǎng)通常為5cm～80cm，這個(gè)波長(zhǎng)范圍最適于檢測(cè)預(yù)應(yīng)力孔道中的缺陷。相關(guān)研究表明，結(jié)合所測(cè)對(duì)象尺寸可選取相應(yīng)直徑的激振錘(表1)。

表1 激振錘直徑的選取

2.3 測(cè)試過程中的注意事項(xiàng)

準(zhǔn)確定位孔道及測(cè)點(diǎn)位置和選取適用直徑的激振錘后，可進(jìn)行具體的測(cè)試工作。在測(cè)試操作過程中，還應(yīng)注意下列事項(xiàng):

(1)傳感器應(yīng)緊貼測(cè)點(diǎn)位置，不晃動(dòng)。若測(cè)點(diǎn)表明有蜂窩麻面的情況，應(yīng)避開該位置，平移至最近的光滑位置。

(2)激振錘敲擊的力度應(yīng)盡量保證均勻一致，同時(shí)以接收到信號(hào)的幅值在2～5db為宜。

(3)敲擊點(diǎn)應(yīng)在距傳感器約3～5cm范圍內(nèi)，同時(shí)敲擊點(diǎn)應(yīng)落在孔道中心線上。

(4)波速標(biāo)定點(diǎn)應(yīng)選在無孔道穿過的等厚段位置，宜在梁體的多個(gè)位置(如梁端、跨中、不同腹板)進(jìn)行波速標(biāo)定。

(5)經(jīng)初步分析判斷后，對(duì)有疑問的區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行復(fù)測(cè)確認(rèn)。可采取加密測(cè)點(diǎn)及沿孔道橫截面方向測(cè)試等方式，進(jìn)一步核查。

(6)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注孔道彎起段高點(diǎn)位置，必要時(shí)應(yīng)在易發(fā)生壓漿不密實(shí)的區(qū)域進(jìn)行鉆孔內(nèi)窺，輔助判定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)有儀器設(shè)備通常是以沖擊回波法為基本原理，采用傅立葉變換FFT和最大熵法MEM，推算所采集信號(hào)頻譜，并經(jīng)儀器轉(zhuǎn)換成容易理解的測(cè)試厚度信息，結(jié)果圖的橫軸為所測(cè)試結(jié)構(gòu)物厚度方向，豎軸為測(cè)試點(diǎn)行進(jìn)方向。通過與結(jié)構(gòu)物實(shí)際尺寸(設(shè)計(jì)尺寸)以及信號(hào)規(guī)律等進(jìn)行比對(duì)分析，若孔道內(nèi)部存在缺陷，則在結(jié)果圖相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置的信號(hào)就會(huì)存在相對(duì)正常厚度有“提前”(提前反射情況)或“滯后”(發(fā)生了繞射)的情況。

3 實(shí)體梁段檢測(cè)及壓漿施工常見問題

3.1 實(shí)體梁段檢測(cè)

對(duì)檢測(cè)方法及檢測(cè)設(shè)備而言，其檢測(cè)結(jié)果具備良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是關(guān)鍵。為驗(yàn)證采用沖擊回波法的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿密實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)儀(LT-PCGT)的檢測(cè)效果，在某實(shí)體箱梁(被切成梁段)進(jìn)行了驗(yàn)證工作。共檢測(cè)2個(gè)試驗(yàn)梁段的孔道，各試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 梁段結(jié)構(gòu)尺寸 (單位：m)

1#梁段狀況及對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果圖如圖3～圖6所示。

圖3 1#梁段

圖4 第1次測(cè)試結(jié)果

圖5 第2次測(cè)試結(jié)果

圖6 第3次測(cè)試結(jié)果

分析1#梁段的測(cè)試結(jié)果圖可知：測(cè)試起點(diǎn)表征“厚度信息”約為24cm；沿測(cè)試方向110cm左右“厚度信息”約為17cm，反射信號(hào)圖譜連續(xù)。結(jié)合分析原則及結(jié)構(gòu)物尺寸，可判定該孔道壓漿飽滿。檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況一致，3次檢測(cè)的結(jié)果判定一致。

2#梁段狀況及對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 2#梁段(“田子格”測(cè)試)

圖8 第1次測(cè)試結(jié)果

圖9 第2次測(cè)試結(jié)果

圖10 第3次測(cè)試結(jié)果

分析2#梁端“田字格”測(cè)試結(jié)果圖可知：信號(hào)圖在1#、5#、9#、10#測(cè)點(diǎn)位置的信號(hào)存在滯后情況，即彈性波在該位置發(fā)生了繞射，表征出來的“厚度信息”比正常厚度偏厚，判定這些測(cè)點(diǎn)位置存在缺陷。檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況一致，3次檢測(cè)的結(jié)果判定一致。

通過上述兩種情況的檢測(cè)結(jié)果表明：采用沖擊回波法檢測(cè)儀器進(jìn)行實(shí)體梁壓漿密實(shí)度的檢測(cè)，具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.2 壓漿施工常見問題

通過對(duì)各項(xiàng)目壓漿施工及質(zhì)量狀況的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)壓漿質(zhì)量受到材料、設(shè)備、施工過程及施工環(huán)境等影響，主要體現(xiàn)在:

(1)原材料。目前市場(chǎng)上的壓漿材料品牌眾多，質(zhì)量良莠不齊，監(jiān)管難度大；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)壓漿材料常受潮或超出保質(zhì)期，從而影響孔道壓漿的施工質(zhì)量。

(2)壓漿設(shè)備。設(shè)備使用過程中常出現(xiàn)維修保養(yǎng)不足，未按要求及時(shí)對(duì)壓力、稱量系統(tǒng)等傳感器進(jìn)行標(biāo)定，壓漿設(shè)備不穩(wěn)定。

(3)排氣孔的孔位未按要求設(shè)置或偏差過大，未設(shè)在孔道的最高點(diǎn)，容易導(dǎo)致漿液從出漿口流出時(shí)壓漿人員誤以為孔道內(nèi)漿液已滿。

(4)排氣孔內(nèi)的異物未及時(shí)清理，壓漿時(shí)殘留在孔道內(nèi)的空氣無法排出，導(dǎo)致壓漿不飽滿。

(5)孔道連接及端頭未密封。管道連接不緊密，鋼絞線切割后外露長(zhǎng)度過長(zhǎng)，且密封不嚴(yán)實(shí)，易導(dǎo)致壓漿過程中壓力損失或端頭漏漿。

4 結(jié)語

沖擊回波法壓漿密實(shí)度檢測(cè)技術(shù)在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好的適用性，為壓漿施工質(zhì)量的控制提供了檢測(cè)手段。但在使用過程中，也存在如對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，通常存在多排孔道的情況，只能對(duì)距測(cè)試面最近孔道進(jìn)行有效的檢測(cè)評(píng)價(jià)；測(cè)試過程中，拾取信號(hào)質(zhì)量受人工敲擊力度、作用點(diǎn)的影響等，需進(jìn)一步完善，以更好地滿足工程質(zhì)量控制的需要。