沖擊回波法檢測預應力混凝土梁孔道注漿質量的研究

毛晶 彭鵬

摘要：文章基于后張法預應力孔道注漿質量無損檢測方法，采用沖擊回波技術對預應力混凝土梁孔道注漿質量進行檢測，在注漿前識別空管位置，并對波紋管進行缺陷設置，在已知缺陷位置的情況下與沖擊回波檢測結果進行對比分析，以研究該方法的可信度。檢測結果表明：沖擊回波法能準確識別未注漿前預應力孔道位置，對預應力混凝土梁注漿質量檢測有較好的準確度和精度，且檢測方法簡單，檢測速度較快。

關鍵詞：沖擊回波法;波紋管;注漿質量;檢測

0 引言

在后張法預應力混凝土梁的制作中，波紋管注漿質量是決定預應力鋼絞線在橋梁使用過程中是否能長期發揮作用的關鍵因素。波紋管注漿質量差會加快預應力鋼筋的銹蝕速度，導致有效預應力降低，從而會降低橋梁承載力，減少橋梁使用壽命。因此確保波紋管的注漿質量是非常重要的，必須高度重視。

1 孔道注漿密實度無損檢測技術概述

目前國內外常見的橋梁孔道注漿密實度無損檢測方法主要有探地雷達方法、脈沖熱成像檢測方法、超聲波檢測方法以及沖擊回波法這四種。

超聲波層析成像技術主要處于在實驗室研究階段[1]，室內試驗研究發現超聲層析成像技術可以對預應力孔道注漿的孔洞缺陷有較好的檢測效果，但對數據處理要求較高，所需檢測點數量多，檢測速度較慢[2]。探地雷達檢測方法基于電磁波原理，電磁波難以穿透金屬類預應力管道，對其內部缺陷難以判斷。同時電磁波受混凝土中普通鋼筋影響較大，對鋼筋密集的構件難以檢測，測試精度低[3]。脈沖熱成像檢測技術探測的缺陷深度一般在3～4mm左右，且探測分辨率低，不適用于橋梁預應力孔道注漿質量檢測。沖擊回波法是目前對橋梁預應力混凝土波紋管注漿質量比較有效的檢測方法。該方法受結構體鋼筋影響小，可穿透金屬物體，在測試中可以避免高頻信號被吸收和受到過多雜波干擾問題，因此具有較好的應用前景。

2 沖擊回波法

2.1 基本原理

沖擊回波法是利用激振源在混凝土表面沖擊產生應力波[4]，并利用應力波在結構體中獲得的傳播信號的有無、強弱和傳播時間等特性來檢測結構體內部缺陷的無損檢測方法。

圖1結構物是板狀體，其內部存在一個較大的空隙，圖中顯示沖擊回波法檢測該結構體應力波傳播的過程示意圖。沖擊器在敲擊結構體表面時，產生縱波和橫波在板內傳播，產生表面波在板的表面傳播。縱波和橫波在內部缺陷處或外部邊界發生反射（阻抗差異），反射波或回波返回到表面時產生的位移被傳感器接收。由于縱波引起的表面位移比橫波大得多，沖擊回波法位移響應主要由縱波控制[5]。圖1上方右側的圖顯示接收器接收到波在結構體傳播的不同位移模式，起初敲擊表面波在結構體表面傳播，引起最大的向下位移，隨后縱波在結構體表面和內部空隙中間多次反射，引起一系列低幅度向下位移。

2.2 分析方法

沖擊回波法利用接收傳感器接收反射回來的壓縮波，記錄時域信號，通過快速傅立葉變換，獲得頻率域信號（如圖2所示），經過頻譜分析后獲得結構響應沖擊的主頻率f（振幅頻域曲線中單主峰值），如式（1）所示。

根據大量試驗數據結果顯示，實際與厚度及厚度頻率相關的波速約為縱波波速的96%，即Cpp=0.96Cp。測點處孔道注漿不密實或未注漿時，應力波傳播路徑變長，在管道處發生反射或繞射，對應傳播時間變長，因此計算厚度值偏大（檢測時P波通過板厚方向的波速設為定值），因此厚度偏移作為判斷缺陷位置的依據。

3 現場試驗及檢測結果分析

3.1 試驗檢測模型設計

現場試驗模型為（80×80×25）cm預制混凝土預應力梁板，共布設3根預應力直管道（N1為塑料管，N2、N3為金屬管），波紋管管壁厚5mm、內徑為50mm，板內布置普通鋼筋。孔道預應力鋼絞線采用抗拉強度標準值fpk=1860MPa、d=15.2mm的低松弛高強度鋼絞線，通過人為安放不同尺寸的軟泡沫來模擬孔道內部的注漿缺陷。梁板孔道的測點布置及缺陷模擬見圖3及表1。

3.2 未注漿孔道測試及分析

混凝土梁澆筑7d后，在預應力孔道注漿前，采用沖擊回波測試系統對預制梁板進行檢測，定位預應力孔道位置。試驗模型上共布置7條測線，每條測線間距為10cm，并豎向通過3條預應力孔道，每條孔道有7個測點，測點間距為10cm（見圖3），每個測點敲擊一次。檢測前需要對梁體進行波速標定，確定P波通過板厚方向的波速，此次波速標定值為4510m/s。

圖4為試驗梁預應力孔道注漿前檢測結果平面成像圖，圖中直觀地顯示出預應力孔道位置。由于應力波傳播到空的孔道處發生繞射，傳播時長增加，此變量作為此次識別預應力梁孔道位置的主要依據。

3.3 注漿孔道內部缺陷測試及分析

注漿14d后，對預制預應力梁進行孔道注漿質量檢測。在試驗模型上共布置7條測線，每條測線間距為10cm，并豎向通過3條預應力孔道，每條孔道有7個測點，測點間距為10cm（見圖3），每個測點敲擊一次，對布置人為缺陷的位置，重復測試一次。檢測結果見圖5。

測點處孔道注漿密實性較好的部位，應力波傳播到梁測試底面反射，傳播時長接近在構件混凝土中的傳播時長;測點處孔道存在缺陷部位，應力波在其表面發生反射或在其邊緣發生繞射，傳播時長增加，可以此判斷缺陷位置。

由圖5對測試數據進行分析，試驗梁板N1孔道內未檢測出缺陷，N2孔道內2#缺陷坐標范圍約為0.34～0.65m，N3孔道內1#缺陷坐標范圍約為0.13～0.26m。對比實際缺陷坐標位置，沖擊回波法用于檢測預制梁預應力金屬波紋管內注漿質量是可行的。具體孔道缺陷檢測結果見表2。

4 結語

（1）沖擊回波檢測的基本原理以應力波的反射和繞射特性為基礎，通過時域分析或頻率分析來確定缺陷位置及其他特征。

（2）沖擊回波法檢測能很好地識別未注漿時預應力孔道的位置，普通鋼筋對其檢測結果影響較小。

（3）在被測結構體表面光滑度較高的情況下，沖擊回波法對金屬孔道內部注漿情況判斷具有較高的精度，但對塑料孔道內注漿情況判斷效果不明顯。

（4）沖擊回波法目前只能定性地分析注漿缺陷，不可以使用沖擊回波法定量地檢測孔道注漿密實度。

參考文獻：

[1]DennisA.Sack，LarryD.Olson.AdvancedNDTmethodsforevaluatingconcretebridgesandotherstructures[J].1995，28（6）349-357.

[2]楊天春，易偉健，魯光根，等.預應力T梁束孔管道壓漿質量的無損檢測試驗研究[J].振動工程學報，2006，（3）：411-415.

[3]鮑亦興，彈性波的衍射與動應力集中[M].北京：科學出版社，1993.

[4]Sansalone，M.，andCarion，N.J..ImpactEcho：AMethodforFlawDetectioninConcreteUsingTransientStressWaves[S].NBSIR863452，NationalBureauofStandards，1986.

[5]Lin，J.M.，andSansalone，M..AProcedureforDeterminingPwaveSpeedinConcreteforUseinImpactEchoTestingUsingaRayleighWaveSpeedMeasurementTechnique[C].InnovationsinNondestructiveTesting，SP168，S.PessikiandL.Olson，Eds.，AmericanConcreteInstitute，FarmingtonHills，MI，1997.