預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量的分布式光纖檢測方法

龔士林，馮新

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

隨著預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，因預(yù)應(yīng)力管道壓漿不密實(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低的問題日益突出。管內(nèi)漿體的作用是保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋以及使預(yù)應(yīng)力筋與管外混凝土形成整體，如果存在壓漿不密實(shí)的情況，空氣和水分進(jìn)入預(yù)應(yīng)力管道中，極易造成預(yù)應(yīng)力筋銹蝕，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的耐久性和承載能力，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌。由于壓漿缺陷隱蔽于管道內(nèi)部，傳統(tǒng)方法難以將其檢測出來，所以必須采取有效方法檢測預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量的檢測開展了一些研究，采取的主要方法有沖擊回波法、超聲波探測法和探地雷達(dá)法，這些方法均為在結(jié)構(gòu)表面激發(fā)信號波使其進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過接收和分析反射波或者透射波信號判斷管道內(nèi)部的壓漿質(zhì)量，基本上可以做到將壓漿缺陷識別出來，得到比較滿意的檢測結(jié)果。但是，現(xiàn)有方法均為點(diǎn)式檢測，而實(shí)際上壓漿缺陷有可能產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)中管道的任意位置，這就需要在結(jié)構(gòu)表面布置大量測點(diǎn)并逐一檢測，效率低，成本高，而且對于大型結(jié)構(gòu)，測點(diǎn)的密集程度也難以保證，容易產(chǎn)生缺陷漏檢的情況。因此，設(shè)計(jì)一種檢測效率高、受檢測環(huán)境影響小的分布式測量方法對預(yù)應(yīng)力管道的壓漿缺陷進(jìn)行檢測十分必要。

分布式光纖傳感器(DFOS)具有高精度、便于安裝、受檢測環(huán)境影響小、能夠做到分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)點(diǎn)式檢測技術(shù)的不足，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測。DFOS能夠?qū)ζ溲鼐€溫度場進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，若將其布設(shè)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，便可以獲取不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)的溫度分布情況，并對溫度異常部位進(jìn)行精準(zhǔn)識別和定位。該文提出一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量檢測方法，通過物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬，將設(shè)計(jì)的具有主動(dòng)加熱功能的DFOS布設(shè)于預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部，對壓漿缺陷進(jìn)行識別和定位，并研究壓漿密實(shí)度對溫升的影響，為預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量的檢測提供新的思路。

1 檢測原理及方法

1.1 檢測原理

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，若存在壓漿不密實(shí)的情況，一般會(huì)在管道內(nèi)某位置產(chǎn)生空洞，即壓漿缺陷。由于空氣和水泥漿體的熱學(xué)性質(zhì)不同，從而在相同外界條件下壓漿缺陷與壓漿密實(shí)位置的溫度也不相同。但是，在常溫下空氣與水泥漿體的溫度差異并不明顯，所以需要在管道內(nèi)部設(shè)置熱源，將壓漿缺陷與壓漿密實(shí)位置的溫度差異信號放大。而對于不同規(guī)模的壓漿缺陷，管道內(nèi)空氣的比例有所不同，加熱后溫升值也會(huì)存在差異。此時(shí)，若能夠獲取熱源沿線的溫度分布情況，便可以將壓漿缺陷檢測出來，并且可以根據(jù)溫升值對管道壓漿密實(shí)度進(jìn)行定性評估。

DFOS可實(shí)現(xiàn)對其沿線溫度場進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，若將DFOS與加熱絲集成在一起，設(shè)計(jì)一款同時(shí)具有加熱和測溫功能的DFOS，便可以用于預(yù)應(yīng)力管道壓漿缺陷的檢測，加熱型DFOS的三維結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 加熱型DFOS三維結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 檢測方法

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工程序繁瑣，對施工工藝要求較高，因此需要相應(yīng)的DFOS布設(shè)方法與之相匹配，才能夠保證DFOS在施工過程中具有較高的存活率。對于大型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，每根預(yù)應(yīng)力管道中一般會(huì)布設(shè)多根預(yù)應(yīng)力筋，并且每隔一定間距會(huì)設(shè)置由預(yù)應(yīng)力管道通往混凝土上部的排氣孔。該布設(shè)方法采用強(qiáng)力膠將金屬線卡按照一定間隔黏結(jié)于位于管道最頂端的預(yù)應(yīng)力筋上部，將DFOS穿過線卡與鋼絞線固定在一起，并且在DFOS與線卡之間需留有空隙，以保證在張拉鋼絞線過程中不會(huì)對DFOS造成損壞，隨后將固定有DFOS的鋼絞線穿入預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部，使DFOS的引線從管道兩側(cè)的排氣孔引出，DFOS布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 DFOS布設(shè)示意圖

待預(yù)應(yīng)力管道中的水泥漿體達(dá)到終凝之后，便可以進(jìn)行壓漿缺陷的檢測。采集加熱過程中DFOS的溫度數(shù)據(jù)，通過識別DFOS上溫度異常的測點(diǎn)，便可以將壓漿缺陷檢測出來，并進(jìn)行定位，進(jìn)一步分析各溫度異常測點(diǎn)在傳熱穩(wěn)定時(shí)的溫升值，對壓漿缺陷位置的密實(shí)度進(jìn)行定性評估，達(dá)到對預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量檢測的目的。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)裝置

為了模擬預(yù)應(yīng)力管道中壓漿缺陷的真實(shí)檢測環(huán)境，設(shè)計(jì)了一個(gè)原型試驗(yàn)來檢驗(yàn)DFOS檢測管道壓漿缺陷的實(shí)際效果。如圖3所示，主體為一個(gè)長、寬、高分別為270、52、56 cm的混凝土試件，內(nèi)部設(shè)置4根外徑為70 mm、壁厚為1 mm的金屬預(yù)應(yīng)力管道(該文僅對1#預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量進(jìn)行研究，暫不考慮其他工況)，管道長290 cm，在混凝土試件兩端各伸出10 cm，用于安裝壓漿孔和排氣孔。每根預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部設(shè)置一根直徑為15.2 mm的預(yù)應(yīng)力筋，DFOS通過線卡固定于預(yù)應(yīng)力筋上方，并且在DFOS與線卡之間留有空隙，以防止在張拉預(yù)應(yīng)力筋過程中對DFOS造成損壞，DFOS兩端在預(yù)應(yīng)力管道兩側(cè)的壓漿孔和排氣孔引出。試驗(yàn)中摒棄了現(xiàn)有文獻(xiàn)中以軟泡沫模擬壓漿缺陷的情況，而是采用密封后的薄壁弓形亞克力管模擬真實(shí)壓漿缺陷，缺陷的熱學(xué)性質(zhì)與實(shí)際情況相符，各缺陷的尺寸和位置設(shè)置情況如表1所示。為了保證壓漿缺陷位于管道頂部以及缺陷處DFOS距管道頂端高度d固定，采用不同高度的木質(zhì)支座將預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行支撐，如圖3中1#預(yù)應(yīng)力管道所示。

圖3 試件二維截面尺寸示意圖(單位：cm)

表1 各壓漿缺陷的參數(shù)設(shè)置

2.2 檢測過程

試驗(yàn)中采用的DFOS溫度數(shù)據(jù)采集儀器為基于布里淵散射的分布式光纖溫度應(yīng)變采集儀(BOTDA系統(tǒng))，型號為NBX-6050。該儀器可實(shí)現(xiàn)1 cm的最小采樣點(diǎn)間隔，5 cm的最小空間分辨率以及0.35 ℃的溫度測量精度。在檢測時(shí)，將DFOS中傳感光纖通過跳線與數(shù)據(jù)采集儀相連，形成光信號回路；DFOS中的加熱絲與調(diào)壓器連接，用于設(shè)定合適的功率對DFOS進(jìn)行加熱。為了DFOS能夠充分傳熱，獲取傳熱穩(wěn)定時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，將加熱時(shí)間設(shè)定為1 200 s，加熱功率設(shè)定為15 W/m。設(shè)定DFOS數(shù)據(jù)采集儀的采樣間隔為5 cm，空間分辨率為10 cm，采集加熱升溫及后續(xù)降溫過程中DFOS的溫度數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 壓漿缺陷的識別方法及其定位分析

由理論分析可知，加熱情況下，壓漿缺陷與壓漿密實(shí)位置有明顯的溫度差異，若能夠測量管道內(nèi)部全段的溫度分布情況，便可以將壓漿缺陷進(jìn)行識別。試驗(yàn)中設(shè)定DFOS的測點(diǎn)采樣間隔為5 cm、空間分辨率為10 cm，即每個(gè)測點(diǎn)覆蓋了左右各5 cm的測量范圍，空間分辨率大于采樣間隔，便實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的分布式溫度測量。所以在管道內(nèi)任意位置存在壓漿缺陷，均會(huì)在DFOS的相應(yīng)位置產(chǎn)生溫度異常(圖4)。由圖4可知：在加熱前(0 s)，DFOS上各測點(diǎn)溫度基本保持一致，表明在常溫下空氣與水泥漿體的溫度差異并不明顯，此時(shí)不能將壓漿缺陷進(jìn)行識別。加熱之后，DFOS所有測點(diǎn)溫度開始上升，并且在DFOS溫度分布曲線上產(chǎn)生4個(gè)明顯的溫度峰，與圖3中設(shè)置的4個(gè)壓漿缺陷相對應(yīng)。所以，通過識別DFOS上的溫度峰可以快速將預(yù)應(yīng)力管道中的壓漿缺陷檢測出來。

圖4 DFOS溫度分布曲線

由圖4可知:加熱后壓漿缺陷位置的溫度明顯高于其他位置，并且距離壓漿缺陷中心最近測點(diǎn)的溫度高于相鄰其他測點(diǎn)，將該測點(diǎn)稱為定位測點(diǎn)。而定位測點(diǎn)體現(xiàn)在DFOS溫度分布曲線上即為溫度峰的頂點(diǎn)，因此可以將溫度峰頂點(diǎn)的位置認(rèn)為是壓漿缺陷的縱向位置，從而將壓漿缺陷進(jìn)行定位。但是，定位測點(diǎn)與壓漿缺陷的中心位置可能并不重合，兩者位置存在一定偏差，即為定位誤差。試驗(yàn)中設(shè)定測點(diǎn)采樣間隔為5 cm，即壓漿缺陷中心距定位測點(diǎn)最大距離為2.5 cm，因此該試驗(yàn)中壓漿缺陷的最大定位誤差為±2.5 cm。圖4中溫度峰頂點(diǎn)的縱向位置分別為51.3、107.8、164.2和220.7 cm，與表1中設(shè)定的壓漿缺陷縱向位置相比，定位偏差分別為-1.2、0.3、1.7、3.2 cm，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，是因?yàn)樵囼?yàn)中需要布置壓漿缺陷，因此實(shí)際所用DFOS的長度略大于圖3中所設(shè)計(jì)的尺寸，便形成定位偏差累計(jì)逐漸增大的情況。但是，前3個(gè)缺陷的定位偏差仍在最大定位誤差±2.5 cm范圍之內(nèi)，說明該定位誤差具有較高的可靠性。

3.2 溫升與壓漿密實(shí)度的關(guān)系分析

選取壓漿密實(shí)位置和1#～4#壓漿缺陷位置(壓漿密實(shí)度分別為100%、86.5%、67.9%、50%和32.1%)的測點(diǎn)作為特征點(diǎn)，分析其在加熱800 s后溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫升與壓漿密實(shí)度之間的關(guān)系,結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫升與壓漿密實(shí)度的關(guān)系示意圖

由圖5可知：當(dāng)壓漿密實(shí)度為100%時(shí)，預(yù)應(yīng)力管道中全部為水泥漿體，其熱擴(kuò)散系數(shù)較小，因此溫升僅為12.27 ℃；當(dāng)壓漿密實(shí)度為86.5%時(shí)，管道中存在空氣，而空氣的熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于水泥漿體，因此溫升達(dá)到37.09 ℃；當(dāng)壓漿密實(shí)度為67.9%時(shí)，空氣所占比例增大，溫升繼續(xù)增長到46.13 ℃；而當(dāng)壓漿密實(shí)度降為50%和32.1%時(shí)，溫升分別為46.48、46.49 ℃，基本不再增長。所以，當(dāng)管道內(nèi)的壓漿缺陷較小時(shí)，溫升可以用于壓漿密實(shí)度的評估，溫升越大，壓漿密實(shí)度越?。划?dāng)管道內(nèi)壓漿缺陷較大時(shí)，溫升趨于穩(wěn)定，不再適用于壓漿密實(shí)度的評估。而溫升所能評估的壓漿缺陷大小的界限，在試驗(yàn)結(jié)果中無法得知，因此通過數(shù)值模擬的方式，設(shè)置更多壓漿缺陷工況，對溫升評估壓漿密實(shí)度的能力進(jìn)一步研究。

4 數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證物理試驗(yàn)所得結(jié)論的可靠性，以及分析溫升所能評估壓漿缺陷尺寸的界限，建立三維數(shù)值模型進(jìn)行對比分析。在此模型中，混凝土、水泥漿體等的形態(tài)為固體，壓漿缺陷(空氣)的形態(tài)為流體，并且需要對模型進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，同時(shí)涉及到流、固、熱多物理場的耦合分析，因此研究中選用適合多物理場建模仿真的COMSOL Multiphysics軟件，并且采用其熱傳遞模塊對模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析求解。

4.1 三維有限元數(shù)值模型

借助COMSOL Multiphysics自帶建模工具建立三維數(shù)值模型，在物理試驗(yàn)中壓漿缺陷工況基礎(chǔ)上增加4個(gè)不同尺寸的壓漿缺陷，如圖6所示。將壓漿缺陷的材料設(shè)定為軟件內(nèi)置材料庫中的氣體材料Air，混凝土、水泥漿體等通過手動(dòng)輸入其常用熱學(xué)參數(shù)的方式賦予材質(zhì)屬性。設(shè)定模型整體初始溫度以及外界環(huán)境溫度均為10 ℃，模型外表面與外界空氣產(chǎn)生熱對流換熱，對流系數(shù)為5 W/(m2·℃)。因壓漿缺陷空腔封閉，且體積較小，所以將流體的流態(tài)設(shè)定為可壓縮層流，并且考慮其受到重力的影響。將DFOS設(shè)置為熱源，前1 200 s加熱功率選用15 W/m，后800 s加熱功率為0，即前1 200 s為加熱升溫階段，后800 s為冷卻降溫階段。采用自由劃分網(wǎng)格的方式，將三維模型劃分網(wǎng)格，并將壓漿缺陷部位(流體)進(jìn)行細(xì)化處理，如圖7所示。設(shè)定總求解時(shí)間為2 000 s，步長為25 s，對三維模型進(jìn)行熱傳遞的瞬態(tài)非線性求解。

圖6 數(shù)值模擬壓漿缺陷工況示意圖

圖7 三維模型網(wǎng)格劃分

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖8為將數(shù)值模擬所得各壓漿密實(shí)度工況的溫升與物理試驗(yàn)對比結(jié)果。由圖8可以看出：當(dāng)壓漿密實(shí)度分別為100%、86.5%、67.9%、50%和32.1%時(shí)，對應(yīng)的溫升差為3.92、-2.39、1.68、2.07和2.36 ℃，吻合度較高，說明物理試驗(yàn)中所得結(jié)論是可靠的。

圖8 物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬對比分析

圖9為數(shù)值模擬溫升與壓漿密實(shí)度的關(guān)系圖。由圖9可知：隨著壓漿密實(shí)度的降低，溫升逐漸增長，當(dāng)密實(shí)度降為84.3%時(shí)，溫升為42.58 ℃，而當(dāng)密實(shí)度繼續(xù)降為67.9%時(shí)，溫升為44.45 ℃，僅增長1.87 ℃。因此可以得出結(jié)論：當(dāng)壓漿密實(shí)度為84.3%以上時(shí)，溫升可以用于壓漿密實(shí)度的評估，溫升越大，壓漿密實(shí)度越??；而當(dāng)管道壓漿密實(shí)度小于84.3%時(shí)，溫升趨于穩(wěn)定，與壓漿密實(shí)度關(guān)系則不太明顯。而在實(shí)際工程中，對壓漿缺陷檢測所關(guān)注的結(jié)果有兩個(gè)：① 判斷預(yù)應(yīng)力管道中是否存在壓漿缺陷；② 預(yù)應(yīng)力筋是否暴露在壓漿缺陷內(nèi)部，從而導(dǎo)致其易銹蝕。因此，一般只需要定性評估較小壓漿缺陷的規(guī)模，判斷其是否與預(yù)應(yīng)力筋相接觸，而對于已經(jīng)覆蓋到預(yù)應(yīng)力筋的較大壓漿缺陷規(guī)模則不太關(guān)注。而圖6顯示，當(dāng)壓漿密實(shí)度為84.3%時(shí)，壓漿缺陷已經(jīng)覆蓋到預(yù)應(yīng)力筋的上部，所以基于DFOS的預(yù)應(yīng)力管道壓漿缺陷的檢測方法可以有效判斷預(yù)應(yīng)力筋是否處于易銹蝕環(huán)境中，能夠滿足實(shí)際工程中壓漿缺陷檢測的應(yīng)用要求。

圖9 數(shù)值模擬溫升與壓漿密實(shí)度的關(guān)系示意圖

5 結(jié)語

根據(jù)對預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)壓漿缺陷的熱學(xué)分析，設(shè)計(jì)一款具有主動(dòng)加熱功能的DFOS，提出一種基于分布式測溫技術(shù)的預(yù)應(yīng)力管道壓漿缺陷檢測方法，并采用物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式驗(yàn)證該檢測方法的有效性。研究表明：該檢測方法僅需要在預(yù)應(yīng)力筋上部布設(shè)DFOS，與預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的施工工藝無縫銜接，便于工程應(yīng)用。DFOS可以準(zhǔn)確獲取加熱過程中預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部的溫度分布情況，對壓漿缺陷導(dǎo)致的溫度異常較為敏感，通過檢測DFOS上溫度異常測點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)壓漿缺陷的識別和定位。當(dāng)管道壓漿密實(shí)度為84.3%以上時(shí)，可采用溫升對壓漿密實(shí)度進(jìn)行定性評估，溫升越大，壓漿密實(shí)度越小。物理試驗(yàn)表明該方法可同時(shí)對預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)的多個(gè)壓漿缺陷進(jìn)行有效識別，并且對于結(jié)構(gòu)中多根預(yù)應(yīng)力管道均為獨(dú)立的檢測，不會(huì)出現(xiàn)管道間互相影響的情況，有效避免了點(diǎn)式方法檢測效率低、對檢測環(huán)境要求高、容易漏檢的局限性。