沖擊回波法在預應力管道壓漿質量無損檢測中的運用

鐘杰 魏冠華

摘 要：在預應力混凝土梁的制作中，混凝土結構的安全性和可靠性取決于孔道壓漿的質量，本文列舉了五種常用的檢測方法：鉆芯取樣、超聲波、探地雷達、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和定位測試，并給出注漿密實性的評價標準，據此認為基于沖擊彈性波的一系列技術是可行和有發展前途的方法。

關鍵詞：預應力管道;檢測方法;注漿飽滿度;全長哀減法;全長波速法;傳遞函數法;定位測試

0 引言

后張法預應力混凝土結構跨越能力大、極限承載能力高，廣泛應用于橋梁建設。但是如果壓漿方法不當、管道堵塞、水泥漿質量不佳等，會導致管道壓漿不密實、管道內鋼絞線銹蝕，威脅結構的安全性和耐久性。因此在土木工程領域中預應力管道壓漿質量檢測是一個極其重要的研究課題。

國內外工程中頻頻出現的由于壓漿不密實的情況而致使的悲劇讓我們深刻認識到孔道壓漿密實的重要性。就像英國Ynys GWA大橋和美國康涅狄格州的 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，后來據運輸與道路研究實驗室（TRRL）的調查發現預應力波紋管內的灌漿明顯不密實，從而導致預應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生倒塌;后者建于一九五七年，在一九九二年的常規質量檢查中發現部分預應力鋼絞線已經發生嚴重銹蝕，孔道灌漿不密實所引起的橋梁的安全程度下降。

預應力管道灌漿是橋梁施工過程中的“生命線”工序。雖然預應力管道灌漿的施工規則控制著管道灌漿質量，但是實際操作過程中發現嚴格按照施工規則也并不能保證管道能被水泥漿完全灌充密實。因此需要采用先進的檢測技術對預應力結構的管道整體灌漿質量進行檢測，據此客觀評價結構的質量。

1 彈性波以外的檢測方法

對預應力管道內壓漿的質量進行檢測評估是很困難的，預應力系統設計上沒有設置檢查孔，預應力管道壓漿成了一項隱蔽工程。國內外所采用的檢測方法主要是沖擊回波、鉆芯取樣、超聲波、x光Γ射線、探地雷達這些方法。詳情如下。

1.1 鉆芯檢測法

鉆芯檢測是通過空心薄壁鉆頭機械抽檢從混凝土結構中鉆取芯樣，以一定比例檢測混凝土內部缺陷的方法。這種方法會造成一定的結構損傷，工作量大的同時效率低，費用還較高。所以，鉆芯檢測法一般只在用后面幾種無損檢測法發現異常后，做進一步的判斷使用。

1.2 超聲波法

超聲波檢測法是常用的無損檢測法，發射器連續發射超聲波脈沖在混凝土中傳播，換能器接收信號，超聲波信號轉化為電信號，經超聲儀將電信號放大顯示在示波屏上的方法。超聲波檢測預應力混凝土管道壓漿質量的基本原理和檢測混凝土內部普通缺陷的基本原理是一樣的，但是導致超聲波法在預應力管道壓漿質量檢測領域的發展受到限制是因為超聲波法容易受到鋼筋、波紋管以及測試面等方面影響。

1.3 x光、Γ射線法

Γ射線、x光都具有較強的穿透性和直線性。當x光或Γ射線照射密度越高物體時，射線的強度越弱。分別通過發送和接收梁端和板端的信號拍片來測試灌漿密度，照片的光照水平可以測試出孔道的灌漿密度。這兩種方法的檢測設備比較大，檢測成本高，存在一定的風險（放射性）。一般采用x射線法作為驗證方法，根據預應力管道各部位灌漿的實際情況，對灌漿進行驗證和判斷。構件厚度要求不大于80 cm，并有兩個相對的檢測面。

1.4 探地雷達法

探地雷達法的工作原理是利用發射器向混凝土定向發射1 GHz 以上的高頻脈沖電磁波，電磁波經存在相對介電常數差異的目標體或界面反射后返回后由天線接收。分析返回波信號判斷目標的形態和結構。

2 基于彈性波的方法

2.1 沖擊彈性波定性檢測法

2.1.1 工作原理

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

（1）全長衰減法。全長衰減法（FLEA）是利用能量傳播過程中的衰減特性來評判預應力孔道灌漿、錨桿灌漿、錨索灌漿質量的方法。灌漿越密實能量衰減就越大，同時振幅比就越小。灌漿密度越低能量衰減就越小，同時振幅比就越大。因此，通過精密地測試能量的衰減判斷出灌漿質量。

（2）全長波速法。全長波速法（FLPV）是利用波的傳播特性，計算沖擊彈性波波動信號穿過整個預應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，檢測結果用全長波速法的局部灌漿指數IPV定量表示。

（3）傳遞函數法。沖擊彈性波在傳播過程中的頻率變化判斷出預應力孔道端部注漿密度。采用傳遞函數法和分項灌漿指數ITF對試驗結果進行了定量表達。

（4）沖擊彈性波。定性檢測結果以綜合注漿指數If來量化表達：

If ：綜合注漿的數值;

IEA：全長衰減法分項注漿的數值;

IPV：全長波速法分項注漿的數值;

ITF：傳遞函數法分項注漿的數值。

2.2 沖擊回波定位檢測法

2.2.1 工作原理

對于預應力管道內部壓漿質量的檢測，沖擊回波定位檢測法既原理簡單，又檢測方便。自上世紀八十年代提出沖擊回波定位檢測技術以來，已經經歷了二十多年的研究和實踐，驗證出沖擊回波技術是一種全方位的檢測技術。

沖擊回波定位檢測法是利用小鋼球或者小錘輕敲混凝土表面產生的低頻應力波在導入到混凝土結構內部之后，低頻應力波就會被缺陷或構件的界面反射回來。 應力波就會在由構件和內部缺陷所構成的多重界面之間來回反射，引起結構的瞬態共振狀態，這個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部缺陷的深度和混凝土構件的厚度，判斷出內部壓漿的質量。

在一九八四年的國際現場混凝土無損檢測會議中，加拿大學者馬爾霍查把沖擊回波定位檢測發法列為“最有發展前途的現場檢測方法之一”，那是因為沖擊回波定位檢測法只需單面檢測，測試過程非常簡單快捷，又克服了超聲波法兩面布設傳感器的弱點，同時沖擊回波法的檢測結果又能準確反映出測點處混凝土內部的質量情況。

如圖所示，沖擊回波檢測法預應力預留孔壓漿質量的一般原理。

在無預應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下沖擊回波信號所表現出不同的特征。

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

（2）孔道灌漿完滿、填充密實。如圖1（b）所示，當孔道內灌漿密實的時候，一部分應力波通過管道到達底板后反射回來，應力波的傳播路程是兩倍板厚;另一部分應力波就在水泥漿/預應力筋界面被反射回測試面， 此時的應力波反射就需要按照混凝土/鋼界面來考慮。板的厚度響應與無預應力管道的厚度響應相同，但由于后張預應力筋的存在，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。如圖1（c）所示，孔道內部分灌漿的時候，管道上部有空洞的存在，此時的沖擊回波響應與未灌漿孔道的響應類似。管道反射頻率和板厚頻率的變化會隨著管道內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 結束語

（1）在各種預應力管道灌漿質量檢測方法中，都有各自的優勢與劣勢，需要結合實際情況綜合考慮。而基于沖擊彈性波的方法檢測預應力管道灌漿質量具有廣闊的應用前景。

（2）在非均勻的混凝土介質中，沖擊回波檢測法與傳統的超聲波檢測法相比的時候，最大的特點是沖擊產生的應力波是低頻波，有較長的波長可以保證穿透力強傳播而不會發生較大散射。

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