淺析預應力孔道灌漿質量無損檢測技術

張春紅

(國家鐵路局裝備技術中心,北京 100036)

0 引言

近年來,為了適應交通運輸能力日益增長的需求,國內建造了許多大跨度預應力橋梁。在后張預應力混凝土技術中使用高強度材料可以使結構更輕,從而大大提高橋梁的跨越能力。預應力孔道頂部的上彎曲部分、兩邊的下彎管底部和錨固端附近是易出現灌漿缺陷,這些缺陷的存在會使預應力筋與梁的整體作用缺失,并且造成預應力筋銹蝕,導致預應力減小,嚴重時整個橋梁失穩[1]。

目前,超聲波法因其很強的適用性,已成為主流的無損檢測方法,橋梁構件中鋼筋、波紋管等金屬材料對超聲波的影響導致其無法應用于預應力孔道灌漿的無損檢測中。沖擊回波法則是使用機械沖擊所產生的低頻應力波,以小鋼球或小鐵錘對混凝土結構表面進行沖擊,分析通過混凝土結構內部的反射波來判斷混凝土中的缺陷或部件的厚度[2],對于預應力孔道灌漿質量的無損檢測有著更好的適用性。

本文將開展模型構件模擬試驗,模擬實際工程中預應力孔道中灌漿容易出現的質量情況,以沖擊回波法對其進行檢測,比對數據,得出最優檢測模式。綜合分析檢測結果,以沖擊回波法對預應力孔道灌漿質量進行有效性評價。

1 沖擊回波法檢測的基本原理

沖擊回波法檢測的基本原理是以彈性波在混凝土內部傳播為基礎,彈性波的激發由鋼質小錘在砼結構表面激振所產生,攜帶有混凝土結構內部信息的彈性波會在缺陷界面處進行反射,灌漿質量缺陷的有無和類型就依據反射經時來推定。反射波的時域信號由設備的傳感器接收,將時域信號通過速傅里葉變換轉變為頻域信號,依此得到混凝土結構的厚度及內部質量情況[3],具體見圖(1-1)。

圖1-1 沖擊回波法測試原理圖

2 模型模擬試驗及數據分析

實際橋梁中,孔道灌漿的缺陷主要有：

(1)灌漿不及時、壓漿不飽滿；

(2)水泥漿的硬化收縮導致的水泥漿與預應力孔道壁分離；

(3)硬化后的水泥漿體強度不足。

這些缺陷體現在模擬的缺陷中比較復雜,結合研究的總體目標,確定模擬三種灌漿情況：灌漿密實情況、灌漿半空情況以及未灌漿情況[4]。

2.1 檢測儀器

采用四川升拓的預應力混凝土多功能檢測儀,它由主機、前置放大器、激振導向器、加速度傳感器、電荷電纜以及電纜組成,如圖(2-1)。激振導向器即是指激振錘,有直徑分別為6mm、17mm、30mm和50mm激振錘,用于激發波動信號。該儀器最大的特點為穩定性,可以大大地提高預應力梁的質量保證度。沖擊彈性波為整個技術體系的測試媒介,其測試精度和效率達到實際工程要求,選為試驗設備。

圖2-1 SPC-MATS預應力結構多功能檢測儀

2.2 模型試驗構件制作

2.2.1 缺陷設計

為了在獲得更多檢測數據與預設缺陷情況的比對結果,將預應力孔道分為三個部分[5]：第一段灌漿1/2和無灌漿；第二段為泡沫塊制作的缺陷,設定具體位置綁扎在預應力束上,并灌漿；第三段滿灌；分別灌注后固定于定位預應力束上,具體如下圖(2-2)。

圖2-2 試驗梁缺陷設置圖

2.2.2 模型構件設計

模型構件制作基于實際工程,混凝土設計強度C50,共制作4個梁板模型,完全按照預應力梁板制作標準進行預制,其尺寸見表(2-1)。

表2-1 試驗模型尺寸對應表

2.3 模型試驗構件檢測

2.3.1 測點布置與波速標定

模型試驗構件的預應力孔道為水平布設,將測試面平整,沿孔道走向進行測線布置,選取測試走向如圖(2-3)所示。圖中在兩個管道中間的標識為波速標定走向,在已知厚度混凝土結構部位獲得標定聲速,得到厚度頻率,將用于與測試頻率進行對比。

在實際工程中,孔道走向依據施工圖紙確定,準確的孔道走向將直接影響沖擊彈性波法的檢測準確性。

圖2-3 測線布置走向圖

2.3.2 檢測方案

(1)變檢測間距測試

檢測間距即為相鄰兩測點之間的距離,研究中選用5cm、10cm兩種檢測間距,塑料孔道構件的上管測試增加2.5cm檢測間距,以比較不同測試間距對檢測結果的影響。

(2)變測試面測試

對同一個構件的不同測試面(圖2-4中A、B面)分別進行檢測,以比較對立檢測面對檢測結果的影響。

圖2-4 測試位置示意圖

(3)變激震錘直徑測試

每個孔道檢測均采用兩種激振錘(17mm、30mm)進行檢測,塑料孔道構件上孔道增加50mm直徑的激震錘測試,以比較不同激震錘對檢測結果的影響。

(4)變采集次數測試

對相同檢測孔道進行兩次檢測,以比較多次檢測對檢測結果的影響。

2.3.3 檢測結果

模型試驗共筑模型構件4個,進行對比測試29組,將檢測結果中得到的缺陷位置與預設缺陷位置比對后統計,所得結果如下表(2-2)。這里對準確進行定義：準確是指所得結果反映的缺陷尺寸及位置與預設缺陷情況偏差均小于20%,反之定義為不準確結果。

表2-2 各測試結果準確率統計表

由上表可以得到以下結論：

(1)相同孔道材質下,以5cm為測試間距所獲的結果比10cm測試間距更加準確。

(2)金屬孔道的檢測結果準確率高于塑料材質孔道。

(3)采用大直徑鋼錘進行測試,結果準確率與其他直徑鋼錘基本相同。

(4)同一測試面進行兩組檢測,檢測結果前后基本一致,儀器穩定性滿足要求。

3 結論

(1)對試驗模型構件檢測和數據分析得到以下經驗：將檢測測試間距控制在5～10cm,檢測結果更精確；激振錘的選取按構件厚度選取足夠直徑鋼球；對于測試結果精度要求高或采用塑料材質預應力孔道的可加密測試間距至2.5cm,同時,如果有兩個滿足測試條件的工作面時,可兩個測試面均進行檢測,綜合評定檢測構件。

(2)沖擊回波法工程試用性強,檢測所需環境簡單,只需確定好預應力孔道位置便可開始進行檢測,現場數據采集方便快捷,分析結果穩定性高,適合推廣使用。

[1]林同炎,Ned H. Burns.預應力混凝土結構設計.路湛沁,黃棠,馬譽美.第一版.北京:中國鐵道出版社,1983∶1-23．

[2]羅騏先,傅翔,宋人心.沖擊反射法檢測混凝土內部缺陷與厚度[J].混凝土,1991,(5)．

[3]劉洋希.基于沖擊回波法的預應力管道壓漿質量檢測[D].湖南大學,2013∶26-86．

[4]鄒春江,陳征宙,董平等.箱梁中沖擊回波主頻影響因素研究及應用[J].振動與沖擊,2010,29(7):126-131．

[5]王鋒,張峰.超聲波檢測預應力波紋管孔道壓漿質量的試驗研究[J].筑路機械與施工機械化,2015,(2)．