沖擊回波法在預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量無損檢測(cè)中的運(yùn)用

鐘杰 魏冠華

摘 要：在預(yù)應(yīng)力混凝土梁的制作中，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性取決于孔道壓漿的質(zhì)量，本文列舉了五種常用的檢測(cè)方法：鉆芯取樣、超聲波、探地雷達(dá)、X光和彈性波沖擊回波法。論述彈性波沖擊回波法的定性檢測(cè)和定位測(cè)試，并給出注漿密實(shí)性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此認(rèn)為基于沖擊彈性波的一系列技術(shù)是可行和有發(fā)展前途的方法。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力管道;檢測(cè)方法;注漿飽滿度;全長(zhǎng)哀減法;全長(zhǎng)波速法;傳遞函數(shù)法;定位測(cè)試

0 引言

后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)跨越能力大、極限承載能力高，廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)。但是如果壓漿方法不當(dāng)、管道堵塞、水泥漿質(zhì)量不佳等，會(huì)導(dǎo)致管道壓漿不密實(shí)、管道內(nèi)鋼絞線銹蝕，威脅結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因此在土木工程領(lǐng)域中預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量檢測(cè)是一個(gè)極其重要的研究課題。

國(guó)內(nèi)外工程中頻頻出現(xiàn)的由于壓漿不密實(shí)的情況而致使的悲劇讓我們深刻認(rèn)識(shí)到孔道壓漿密實(shí)的重要性。就像英國(guó)Ynys GWA大橋和美國(guó)康涅狄格州的 Bissell大橋：前者修建于一九五三年，在一九八五年十二月突然坍塌，這座橋梁僅僅使用了三十二年，后來?yè)?jù)運(yùn)輸與道路研究實(shí)驗(yàn)室（TRRL）的調(diào)查發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力波紋管內(nèi)的灌漿明顯不密實(shí)，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋被氯化物和水和氧氣等腐蝕，鋼筋束面積減小到不能承受外荷載使得橋梁就發(fā)生倒塌;后者建于一九五七年，在一九九二年的常規(guī)質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)部分預(yù)應(yīng)力鋼絞線已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，孔道灌漿不密實(shí)所引起的橋梁的安全程度下降。

預(yù)應(yīng)力管道灌漿是橋梁施工過程中的“生命線”工序。雖然預(yù)應(yīng)力管道灌漿的施工規(guī)則控制著管道灌漿質(zhì)量，但是實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)格按照施工規(guī)則也并不能保證管道能被水泥漿完全灌充密實(shí)。因此需要采用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的管道整體灌漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，據(jù)此客觀評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 彈性波以外的檢測(cè)方法

對(duì)預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壓漿的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估是很困難的，預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)上沒有設(shè)置檢查孔，預(yù)應(yīng)力管道壓漿成了一項(xiàng)隱蔽工程。國(guó)內(nèi)外所采用的檢測(cè)方法主要是沖擊回波、鉆芯取樣、超聲波、x光Γ射線、探地雷達(dá)這些方法。詳情如下。

1.1 鉆芯檢測(cè)法

鉆芯檢測(cè)是通過空心薄壁鉆頭機(jī)械抽檢從混凝土結(jié)構(gòu)中鉆取芯樣，以一定比例檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的方法。這種方法會(huì)造成一定的結(jié)構(gòu)損傷，工作量大的同時(shí)效率低，費(fèi)用還較高。所以，鉆芯檢測(cè)法一般只在用后面幾種無損檢測(cè)法發(fā)現(xiàn)異常后，做進(jìn)一步的判斷使用。

1.2 超聲波法

超聲波檢測(cè)法是常用的無損檢測(cè)法，發(fā)射器連續(xù)發(fā)射超聲波脈沖在混凝土中傳播，換能器接收信號(hào)，超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)超聲儀將電信號(hào)放大顯示在示波屏上的方法。超聲波檢測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土管道壓漿質(zhì)量的基本原理和檢測(cè)混凝土內(nèi)部普通缺陷的基本原理是一樣的，但是導(dǎo)致超聲波法在預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展受到限制是因?yàn)槌暡ǚㄈ菀资艿戒摻?、波紋管以及測(cè)試面等方面影響。

1.3 x光、Γ射線法

Γ射線、x光都具有較強(qiáng)的穿透性和直線性。當(dāng)x光或Γ射線照射密度越高物體時(shí)，射線的強(qiáng)度越弱。分別通過發(fā)送和接收梁端和板端的信號(hào)拍片來測(cè)試灌漿密度，照片的光照水平可以測(cè)試出孔道的灌漿密度。這兩種方法的檢測(cè)設(shè)備比較大，檢測(cè)成本高，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)（放射性）。一般采用x射線法作為驗(yàn)證方法，根據(jù)預(yù)應(yīng)力管道各部位灌漿的實(shí)際情況，對(duì)灌漿進(jìn)行驗(yàn)證和判斷。構(gòu)件厚度要求不大于80 cm，并有兩個(gè)相對(duì)的檢測(cè)面。

1.4 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法的工作原理是利用發(fā)射器向混凝土定向發(fā)射1 GHz 以上的高頻脈沖電磁波，電磁波經(jīng)存在相對(duì)介電常數(shù)差異的目標(biāo)體或界面反射后返回后由天線接收。分析返回波信號(hào)判斷目標(biāo)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

2 基于彈性波的方法

2.1 沖擊彈性波定性檢測(cè)法

2.1.1 工作原理

通過不同尺寸的振動(dòng)錘激發(fā)，產(chǎn)生沖擊彈性波，作為一種應(yīng)力波，能量大而集中，可以穿透10 m左右的混凝土。利用外露的預(yù)應(yīng)力鋼束兩端分別進(jìn)行激振和接收信號(hào)，通過分析信號(hào)傳播過程中能量、波速和頻率等參數(shù)的變化，定性判定預(yù)應(yīng)力孔道整體注漿飽滿度的方法，檢測(cè)前需先測(cè)定梁體混凝土的波速等特征。沖擊彈性波的定性檢測(cè)方法有全長(zhǎng)衰減法、全長(zhǎng)波速法和傳遞函數(shù)法。

（1）全長(zhǎng)衰減法。全長(zhǎng)衰減法（FLEA）是利用能量傳播過程中的衰減特性來評(píng)判預(yù)應(yīng)力孔道灌漿、錨桿灌漿、錨索灌漿質(zhì)量的方法。灌漿越密實(shí)能量衰減就越大，同時(shí)振幅比就越小。灌漿密度越低能量衰減就越小，同時(shí)振幅比就越大。因此，通過精密地測(cè)試能量的衰減判斷出灌漿質(zhì)量。

（2）全長(zhǎng)波速法。全長(zhǎng)波速法（FLPV）是利用波的傳播特性，計(jì)算沖擊彈性波波動(dòng)信號(hào)穿過整個(gè)預(yù)應(yīng)力灌漿孔道的平均波速值，判斷出灌漿飽滿度的一種方法。整體孔道灌漿密度越高，波速傳播的平均波速值就接近混凝土波速;孔道整體灌漿密度越低，傳播過程中的波速值就接近股線波速，檢測(cè)結(jié)果用全長(zhǎng)波速法的局部灌漿指數(shù)IPV定量表示。

（3）傳遞函數(shù)法。沖擊彈性波在傳播過程中的頻率變化判斷出預(yù)應(yīng)力孔道端部注漿密度。采用傳遞函數(shù)法和分項(xiàng)灌漿指數(shù)ITF對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定量表達(dá)。

（4）沖擊彈性波。定性檢測(cè)結(jié)果以綜合注漿指數(shù)If來量化表達(dá)：

If ：綜合注漿的數(shù)值;

IEA：全長(zhǎng)衰減法分項(xiàng)注漿的數(shù)值;

IPV：全長(zhǎng)波速法分項(xiàng)注漿的數(shù)值;

ITF：傳遞函數(shù)法分項(xiàng)注漿的數(shù)值。

2.2 沖擊回波定位檢測(cè)法

2.2.1 工作原理

對(duì)于預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部壓漿質(zhì)量的檢測(cè)，沖擊回波定位檢測(cè)法既原理簡(jiǎn)單，又檢測(cè)方便。自上世紀(jì)八十年代提出沖擊回波定位檢測(cè)技術(shù)以來，已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年的研究和實(shí)踐，驗(yàn)證出沖擊回波技術(shù)是一種全方位的檢測(cè)技術(shù)。

沖擊回波定位檢測(cè)法是利用小鋼球或者小錘輕敲混凝土表面產(chǎn)生的低頻應(yīng)力波在導(dǎo)入到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部之后，低頻應(yīng)力波就會(huì)被缺陷或構(gòu)件的界面反射回來。 應(yīng)力波就會(huì)在由構(gòu)件和內(nèi)部缺陷所構(gòu)成的多重界面之間來回反射，引起結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)共振狀態(tài)，這個(gè)共振頻率能在頻譜圖中被明顯辨別出來，可以很明確的確定混凝土內(nèi)部缺陷的深度和混凝土構(gòu)件的厚度，判斷出內(nèi)部壓漿的質(zhì)量。

在一九八四年的國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)混凝土無損檢測(cè)會(huì)議中，加拿大學(xué)者馬爾霍查把沖擊回波定位檢測(cè)發(fā)法列為“最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法之一”，那是因?yàn)闆_擊回波定位檢測(cè)法只需單面檢測(cè)，測(cè)試過程非常簡(jiǎn)單快捷，又克服了超聲波法兩面布設(shè)傳感器的弱點(diǎn)，同時(shí)沖擊回波法的檢測(cè)結(jié)果又能準(zhǔn)確反映出測(cè)點(diǎn)處混凝土內(nèi)部的質(zhì)量情況。

如圖所示，沖擊回波檢測(cè)法預(yù)應(yīng)力預(yù)留孔壓漿質(zhì)量的一般原理。

在無預(yù)應(yīng)力管混凝土板和灌漿混凝土板以及未灌滿漿混凝土板的三種狀態(tài)下沖擊回波信號(hào)所表現(xiàn)出不同的特征。

（1）無預(yù)應(yīng)力管道部分。這與采用沖擊回波法測(cè)試混凝土的板厚原理完全一樣，如圖1（a）所示。共振頻率FT是一與混凝土應(yīng)力波波速（Vp）和板厚T有關(guān)的量：FT=as·Vp/（2T）， as是截面形狀系數(shù)。

（2）孔道灌漿完滿、填充密實(shí)。如圖1（b）所示，當(dāng)孔道內(nèi)灌漿密實(shí)的時(shí)候，一部分應(yīng)力波通過管道到達(dá)底板后反射回來，應(yīng)力波的傳播路程是兩倍板厚;另一部分應(yīng)力波就在水泥漿/預(yù)應(yīng)力筋界面被反射回測(cè)試面， 此時(shí)的應(yīng)力波反射就需要按照混凝土/鋼界面來考慮。板的厚度響應(yīng)與無預(yù)應(yīng)力管道的厚度響應(yīng)相同，但由于后張預(yù)應(yīng)力筋的存在，板的頻率幅值較大，公式：F鋼=as·Vp/（4d）。

（3）孔道灌漿填充不密實(shí)。如圖1（c）所示，孔道內(nèi)部分灌漿的時(shí)候，管道上部有空洞的存在，此時(shí)的沖擊回波響應(yīng)與未灌漿孔道的響應(yīng)類似。管道反射頻率和板厚頻率的變化會(huì)隨著管道內(nèi)空洞位置的變化而變化。管道未灌漿情況下的板厚度頻率部分灌漿情況下的板厚頻率小。波紋管反射峰的頻率約為波紋管的兩倍：F鋼移=as·Vp/（2d）。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）在各種預(yù)應(yīng)力管道灌漿質(zhì)量檢測(cè)方法中，都有各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。而基于沖擊彈性波的方法檢測(cè)預(yù)應(yīng)力管道灌漿質(zhì)量具有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）在非均勻的混凝土介質(zhì)中，沖擊回波檢測(cè)法與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)法相比的時(shí)候，最大的特點(diǎn)是沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波是低頻波，有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)可以保證穿透力強(qiáng)傳播而不會(huì)發(fā)生較大散射。

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