橋梁預應力孔道注漿密實性無損檢測方法的應用研究

謝立安

（山西省交通科學研究院 橋梁工程防災減災山西省重點實驗室黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

盡管預應力混凝土橋梁在我國橋梁建設中已被大量采用，但其病害也日益突顯，主要體現在橋梁結構耐久性方面，而影響預應力混凝土橋梁結構耐久性的因素較多，危橋拆除與橋梁倒塌后調查發現預應力孔道注漿不密實引起的預應力鋼束銹蝕及預應力損失是造成預應力混凝土橋梁病害與倒塌的主要原因，以致2001年我國交通部還將預應力孔道注漿不密實問題列為公路橋梁建設的十大質量通病之一[1]。本文通過理論分析、試驗驗證、定性與定量相結合的方法，針對當前橋梁工程領域常用無損檢測方法對預應力孔道注漿缺陷識別的敏感程度進行了深入系統的分析研究，研究成果對于確保在建及運營橋梁預應力孔道注漿密實性滿足設計與規范要求具有重要的工程實際意義，可直接服務于實際工程。

1 試驗梁制作

針對實際工程中應用較廣的裝配式梁橋預應力孔道注漿密實性的無損檢測，制作矩形試驗梁并開展試驗研究。

試驗梁混凝土強度等級為C50，結構尺寸為200 cm×100 cm×20 cm，波紋管為金屬波紋管與塑料波紋管兩種，內徑為55 mm與70 mm兩種。

試驗梁預應力孔道初始注漿缺陷類型分為全滿、1/4空、1/2空、3/4空與全空5種類型，其中全滿與全空缺陷類型主要用于定性檢測，以檢驗常用無損檢測方法的可行性，1/4空、1/2空與3/4空缺陷類型主要用于定量檢測，以檢驗常用無損檢測方法的定量化判定精度。

在初始注漿缺陷設置時，不僅考慮到缺陷類型，同時還考慮到缺陷長度大小，其中最小長度為25 cm，最大長度為169 cm，并將缺陷類型與缺陷長度大小隨機組合，以檢驗常用無損檢測方法的適用性。

試驗梁共制作4片，依次編號為1～4號。各試驗梁均設有4束預應力孔道，依次編號為1～4號。各預應力孔道均設有N個缺陷，從左到右依次編號為1～N號。注漿缺陷編號M-N-P號表示M號試驗梁N號預應力孔道P號注漿缺陷。

試驗梁預應力孔道注漿缺陷布置如圖1～圖4所示。

圖1 1號試驗梁預應力孔道注漿缺陷布置圖（塑料波紋管）

圖2 2號試驗梁預應力孔道注漿缺陷布置圖（塑料波紋管）

圖3 3號試驗梁預應力孔道注漿缺陷布置圖（金屬波紋管）

圖4 4號試驗梁預應力孔道注漿缺陷布置圖（金屬波紋管）

2 超聲波法

超聲波法是利用超聲波透射原理來對結構內部缺陷狀況進行檢測的方法，是橋梁工程領域最常用的無損檢測方法。常用判斷依據有聲時、聲速、波幅、主頻及波形等[1-2]。

2.1 理論分析

超聲波是高頻脈沖波，其波長為厘米級，與混凝土骨料和鋼筋直徑相當，在傳播過程中容易產生衍射和散射，使分析求解工作困難，此外超聲波沿直線傳播，即使預應力孔道存在注漿缺陷，但檢測時若將探頭放在孔道注漿密實部位，仍將無法檢測到注漿缺陷，且無法通過頻譜分析進行補償[3]，為此將超聲波法用于預應力孔道注漿缺陷檢測是不可行的。

2.2 試驗驗證

試驗驗證時，采用對測法進行檢測，部分檢測結果如表1與表2所示。

表1 試驗梁55mm內徑塑料波紋管不同注漿缺陷類型檢測結果表

表2 試驗梁55 mm內徑金屬波紋管不同注漿缺陷類型檢測結果表

由表1與表2可以看出，試驗梁預應力孔道不同注漿缺陷類型聲時、聲速及波幅的最小值與最大值所形成的區間基本都存在較大的重疊區域，且不同注漿缺陷類型聲時、聲速及波幅的平均值也無顯著變化規律，因此采用超聲波法對預應力孔道注漿缺陷進行檢測是不可行的。

3 探地雷達法

探地雷達法通過發射天線將高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式定向送入被檢測介質，經存在電性差異的目標體或界面反射后返回并由接收天線接收，根據工程介質電性參數的差異，通過對回波波形、頻率與振幅等特征進行分析來推測被檢測介質的結構特征與物性特征。常用判斷依據有波形特征、反射波振幅大小及方向、同相軸等[1，4]。

3.1 理論分析

對于金屬波紋管預應力孔道注漿缺陷檢測，由于金屬波紋管對電磁波信號具有較強的屏蔽作用而使電磁波信號無法穿透并對其內部注漿缺陷進行檢測[3]，因此將探地雷達法用于金屬波紋管預應力孔道注漿缺陷檢測是不可行的。

對于塑料波紋管預應力孔道注漿缺陷檢測，雖在理論上可行，但受孔道注漿缺陷大小、雷達天線頻率與普通鋼筋干擾等因素影響[3]，還需用試驗進行驗證。

3.2 試驗驗證

試驗驗證時，采用頻率1.5 GHz的雷達進行檢測，部分檢測結果如圖5所示。

圖5 試驗梁部分預應力孔道注漿缺陷探地雷達法檢測結果圖

由圖5可以看出，對于試驗梁塑料波紋管預應力孔道注漿缺陷，探地雷達法僅能檢測出試驗梁中的普通鋼筋，而無法檢測出塑料波紋管及注漿缺陷；對于試驗梁金屬波紋管預應力孔道注漿缺陷，探地雷達法僅能檢測出試驗梁中的金屬波紋管與普通鋼筋，而無法檢測出注漿缺陷，因此采用探地雷達法對預應力孔道注漿缺陷進行檢測也是基本不可行的。

4 沖擊回波法

沖擊回波法通過在預應力孔道位置處混凝土表面利用瞬時機械沖擊產生低頻應力波，應力波傳播到結構內部，遇到聲阻抗有差異的界面（如構件底面或缺陷表面）時被反射回來，并在構件表面、內部缺陷表面與構件底部之間來回反射產生縱波共振，其共振頻率能從振幅譜中辨別出來，然后通過對反射回來的應力波進行時域分析與頻域分析，就能用于確定構件厚度及其內部缺陷位置。常用判斷依據為沖擊回波的傳播時間[1，5]。

4.1 理論分析

沖擊回波是低頻應力波，其波長為分米級，遠大于混凝土骨料和鋼筋直徑，在傳播過程中發生衍射和散射較少，分析求解工作容易，此外沖擊回波為體波和面波多種形式的綜合波，沿多種路徑傳播，只要預應力孔道存在注漿缺陷，即使在孔道密實部位進行敲擊檢測，沖擊回波中的部分波也會沿缺陷部分繞射傳播，并反映在檢測信號中，同時還可采用頻譜分析進行補償[3]，最適宜預應力孔道注漿缺陷的檢測。

4.2 試驗驗證

試驗驗證時，分為定性檢測和定量檢測，測點間距為10 cm，部分檢測結果如表3、表4與表5所示。

由表3可以看出，沖擊回波法定性檢測效果較好，能夠將試驗梁預應力孔道注漿缺陷中全滿與全空類型區分開來，且波紋管材料種類影響較小。

表4 試驗梁部分預應力孔道注漿缺陷類型定量檢測結果表 ms

表5 試驗梁部分預應力孔道注漿缺陷中心位置與長度大小定量檢測結果表 cm

由表4與表5可以看出，沖擊回波法定量檢測效果不夠理想，只能對缺陷類型進行不完全定量檢測，而缺陷中心位置與長度大小的檢測偏差均未超過測點間距10 cm，且波紋管材料種類影響較小。

綜上所述，采用沖擊回波法對預應力孔道注漿缺陷進行定性檢測和不完全定量檢測是完全可行的，且不必區分波紋管材料種類。

5 X射線法

X射線法是利用不同物質對射線吸收率有所差異的原理進行檢測的。常用判斷依據為射線底片的黑度差[2]。

5.1 理論分析

X射線因其具有良好的透射性能，能夠直觀反映結構內部狀況，并早已被成功應用于結構內部探傷檢測中，為此引入X射線法對試驗梁預應力孔道注漿缺陷進行檢測。

5.2 試驗驗證

由于水泥漿體的重力作用，預應力孔道注漿缺陷基本都處于孔道上方，當射線束以水平方向拍攝時，就能最大程度地拍攝到預應力孔道的注漿缺陷狀況，這也是最佳拍攝方向；當射線束以非水平方向拍攝時，由于水泥漿體及預應力鋼束的遮擋作用，就只能部分程度地拍攝到預應力孔道的注漿缺陷狀況，這在拍攝時應當盡量避免，如圖6所示。

圖6 X射線束拍攝方向圖

試驗驗證時，部分檢測結果如圖7所示。

圖7 試驗梁部分預應力孔道注漿缺陷X射線法檢測結果圖

由圖7可以看出，X射線法定量檢測效果較好，能夠將試驗梁預應力孔道注漿缺陷中全滿、1/4空、1/2空、3/4空、全空類型區分開來，且波紋管材料種類影響較小，因此采用X射線法對預應力孔道注漿缺陷進行定量檢測是完全可行的，且不必區分波紋管材料種類。

6 內窺鏡法

內窺鏡法是利用攝像原理進行觀測的，可直接采用拍攝圖像及量測缺陷區域長度進行判定。

6.1 理論分析

內窺鏡法可通過攝像功能直觀反映結構內部狀況，并早已被成功應用于基樁檢測和醫療領域，為此引入內窺鏡法對試驗梁預應力孔道注漿缺陷進行觀測。

6.2 試驗驗證

試驗驗證時，部分觀測結果如圖8所示。

圖8 試驗梁部分預應力孔道注漿缺陷內窺鏡法觀測結果圖

由圖8可以看出，內窺鏡法觀測結果直觀可靠，成像質量清晰可見，因此采用內窺鏡法對預應力孔道注漿缺陷進行定量觀測是完全可行的，且不必區分波紋管材料種類。

7 結論

本文通過理論分析、試驗驗證、定性與定量相結合的方法，針對當前橋梁工程領域常用無損檢測方法對預應力孔道注漿缺陷識別的敏感程度進行了深入系統的分析研究，主要取得以下研究結論：

a）采用超聲波法和探地雷達法對預應力孔道注漿密實性進行檢測是不可行或基本不可行的。

b）采用沖擊回波法對預應力孔道注漿密實性進行定性檢測和不完全定量檢測是完全可行的，采用X射線法對預應力孔道注漿密實性進行定量檢測也是完全可行的，即采用沖擊回波-X射線相結合的方法，可完全實現橋梁預應力孔道注漿密實性的定量無損檢測，且不必區分波紋管材料種類。

c）采用內窺鏡法對預應力孔道注漿密實性進行定量觀測是完全可行的，且不必區分波紋管材料種類。實際檢測中，如需對橋梁預應力孔道注漿密實性無損檢測結果進行驗證，可采用內窺鏡法進行。