沖擊回波法在混凝土梁橋內部缺陷檢測及修復上的應用

■ 宋敏芳

（1.福建省交通科學技術研究所；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，中國已經建成公路橋梁約80.53萬座，并且以每年2～3萬的數量在不斷增加。隨著時間的推移，由于自然環境、材料劣化、施工缺陷、超載因素等，橋梁結構會出現不同程度的損傷和病害[1]。

目前在結構內部缺陷檢測方法近年來有了較大發展。國內外許多學者基于不同的理論和方法提出了多種檢測手段，主要應用的技術諸如：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的發展。

本文針對沖擊回波法檢測混凝土內部缺陷，結合某橋的案例，闡述沖擊回波法在某工程項目中混凝土內部缺陷檢測以及修復效果驗收上的應用，為混凝土內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，判斷混凝土結構內部缺陷。

沖擊回波法可用于混凝土構件厚度及內部缺陷檢測、預應力管道壓降密實度檢測、結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構表面產生P波（縱波）和S波（瑞利波），并傳輸到混凝土結構內部。P波和S波受內部缺陷（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構表面時，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，響應主要反應了P波反射波的位移。由于P波在混凝土內部空隙經歷多次反射，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（含兩側梁端至支座中心各0.60m），孔跨類型為（50+90+50）m預應力混凝土雙線連續梁。

大橋上部結構為預應力混凝土變截面連續箱梁，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。全橋采用三向預應力體系：縱、橫向預應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；豎向預應力體系采用Φ32mm預應力混凝土用螺紋鋼筋。預應力管道采用內徑Φ90mm金屬波紋管。

大橋完成1#墩A1、B1節段的施工。在A1、B1節段拆模后，發現箱梁腹板外側均出現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。現場病害情況如圖4。

圖2 事故梁段縱向位置圖

圖3 橫斷面布置圖

圖4 箱梁腹板外側病害圖

3 現場外觀檢查及無損檢測結果

3.1 橋梁外觀檢查結果

通過現場對腹板外側混凝土的外觀檢查，結果如下：

（1）A1節段右腹板：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，測得最深內部蜂窩深度為72.0mm（圖5右側腹板）；

（2）A1節段左腹板：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，測得最深內部蜂窩深度為32.6mm（圖5左側腹板）；

（3）B1節段左腹板：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，測得最深內部蜂窩深度為52.0mm（圖6左側腹板）；

（4）B1節段右腹板：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，現場通過鑿除表面松散混凝土，測得最深內部蜂窩深度為167.8mm（圖6右側腹板）。

圖5 A1段右、左側腹板外墻病害示意圖

圖6 B1段右、左側腹板外墻病害示意圖

3.2 橋梁混凝土沖擊回波檢測結果

本項目采用了美國Olson公司生產的IES掃描式沖擊回波測試系統（見圖7），對病害區腹板混凝土進行內部缺陷檢測，檢測結果如下：

圖7 IES掃描式沖擊回波測試系統

（1）經現場對構件混凝土波速測量，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的參考波速（4000～4500m/s）；

（2）采用沖擊回波法對腹板混凝土內部缺陷情況進行檢測，現場實測結果見表1。

表1 混凝土內部缺陷沖擊回波檢測結果表

由表1結果表明四扇腹板缺損位置主要區域均存在缺陷反應，主要是深色圖像區域，區域較集中于外觀檢查中表層蜂窩、麻面區域。腹板混凝土表觀良好區域未發現明顯的內部缺陷。

由表2結果顯示，通過沖擊回波法能夠很好的得到混凝土內部未灌注預應力管道漿液時的“缺陷”反應，圖像顯示真實。

表2 混凝土內部缺陷沖擊回波檢測結果表

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

3.3 橋梁混凝土修復后沖擊回波檢測結果

本項目現場缺陷經專家會討論，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處理。為確保修復區域修復后新混凝土與舊混凝土之間粘結性能和結合面密實度能夠滿足要求，對修復區域進行檢測，沖擊回波檢測結果見表3。

表3 修復后混凝土沖擊回波檢測結果表

根據表3中修復后混凝土沖擊回波檢測測量成像結果表明，修復后的混凝土內部未發現明顯缺陷。新舊混凝土之間粘結性能良好和結合面密實度能夠滿足要求。

3.4 現場檢測注意事項

根據本項目的實際檢測經驗，采用沖擊回波法現場檢測混凝土內部缺陷時，應注意幾個關鍵因素：①使用IES系統檢測混凝土內部缺陷時，檢測對象最好是等厚度構件；②測量前，現場需要對構件混凝土波速進行現場標定，并選擇合適的測量點數以及采樣頻率；③由于邊界效應的影響，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，現場需要對測線進行表面處理，清除混凝土表面的雜質，排除干擾因素。

4 結語

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

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

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

（4）沖擊回波法檢測混凝土內部缺陷受邊界效應的影響，現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綜述.中國公路學報，2017（11）.