基于沖擊回波法的波紋管注漿密實(shí)性檢測(cè)技術(shù)研究

胡盛華，毛 敏

（1.云南省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，云南 昆明 650214；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司 橋梁工程防災(zāi)減災(zāi)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

1 研究背景

孔道壓漿是后張法有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系的關(guān)鍵施工工序之一，其主要作用是提供可靠的黏結(jié)力，確保預(yù)應(yīng)力筋和混凝土協(xié)同工作，保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋免受腐蝕。一旦出現(xiàn)壓漿質(zhì)量缺陷，預(yù)應(yīng)力筋的使用效率和使用壽命就會(huì)受到影響，甚至在服役期間出現(xiàn)因鋼絞線銹斷而導(dǎo)致橋毀人亡的重大事故。孔道壓漿作為隱蔽工程，具有施工時(shí)間短、隱蔽性強(qiáng)、發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題后難以修復(fù)的特點(diǎn)[1]。早在2001年孔道壓漿不密實(shí)問(wèn)題就已被交通運(yùn)輸部列為公路橋梁建設(shè)中的十大質(zhì)量通病之一[2]。

2 沖擊回波法檢測(cè)原理

目前橋梁預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量檢測(cè)方法主要有超聲波法、鉆芯法、探地雷達(dá)法、射線輻射法（χ射線、γ射線）、沖擊回波法等。相較于其他方法，沖擊回波法（Impact-echo Method，簡(jiǎn)稱IE法）[3]因具有可單面測(cè)試且快速簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為更具有應(yīng)用前景[3-4]。

沖擊回波法是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和美國(guó)康奈爾大學(xué)（Cornell University）在20世紀(jì)80年代提出的一種混凝土無(wú)損檢測(cè)方法[5-6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開展了大量基于沖擊回波法的混凝土澆筑質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力孔道灌漿飽滿度、鋼管混凝土密實(shí)性、鋼橋面鋪裝質(zhì)量等的無(wú)損檢測(cè)研究與應(yīng)用，并取得了一定的理論成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[7-14]。

沖擊回波法檢測(cè)的主要判斷依據(jù)為聲時(shí)，聲時(shí)大小主要取決于沖擊回波的傳播路徑。理想狀態(tài)下，沖擊回波在構(gòu)件中的傳播路徑如圖1所示。測(cè)試時(shí)，利用瞬時(shí)機(jī)械沖擊（利用帶手柄的鋼制球敲擊混凝土表面）在預(yù)應(yīng)力孔道相對(duì)應(yīng)的混凝土表面產(chǎn)生低頻應(yīng)力波，應(yīng)力波進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到有聲阻抗差異的界面（如構(gòu)件底面或內(nèi)部缺陷表面時(shí)）將反射回來(lái)，并在構(gòu)件表面、內(nèi)部缺陷表面或構(gòu)件底部之間來(lái)回反射產(chǎn)生瞬態(tài)共振，通過(guò)對(duì)接收器接收到的反射回來(lái)的應(yīng)力波進(jìn)行時(shí)域分析與頻域分析，能確定構(gòu)件厚度及其內(nèi)部缺陷的位置[15]。沖擊回波法定位檢測(cè)示意見(jiàn)圖2。

圖1 理想狀態(tài)下沖擊回波在構(gòu)件中的傳播路徑

圖2 沖擊回波定位檢測(cè)示意圖

3 試驗(yàn)板制作

目前山西省高速公路橋梁以跨徑20 m、25 m、30 m的后張法裝配式預(yù)制箱梁為主，其箱梁腹板厚度范圍：18 cm（跨中）～25 cm（支點(diǎn)），C50混凝土澆筑；腹板單孔鋼束為3～5（根）-7φ15.2鋼絞線、波紋管內(nèi)徑以55 mm為主。根據(jù)省內(nèi)高速公路橋梁技術(shù)特點(diǎn)制作了2片試驗(yàn)板。

試驗(yàn)板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，結(jié)構(gòu)尺寸：長(zhǎng)200 cm×寬100 cm×厚20 cm，板內(nèi)布置構(gòu)造鋼筋，每塊板內(nèi)沿長(zhǎng)邊方向布設(shè)4根波紋管（內(nèi)徑55 mm、70 mm的鋼制波紋管/塑料波紋管），單根波紋管內(nèi)部均布置1束4-7φ15.2鋼絞線。C50混凝土配合比為：水膠比0.32，砂率37%；其中每立方米材料用量為：水155 kg，52.5級(jí)水泥484 kg，粗集料1 140 kg，細(xì)集料670 kg，SMS高性能減水劑5.33 kg。

結(jié)合橋梁預(yù)應(yīng)力孔道注漿質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，在缺陷設(shè)置時(shí)，綜合考慮缺陷類型以及連續(xù)分布范圍，將缺陷程度類型與缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行隨機(jī)組合，以驗(yàn)證沖擊回波法檢測(cè)精度的影響因素。根據(jù)孔道斷面壓漿料的填充程度將缺陷類型分為1/4空、1/2空、3/4空與全空4種類型（見(jiàn)圖3）；各種缺陷連續(xù)分布長(zhǎng)度25～65 cm。波紋管內(nèi)部缺陷用包裹在鋼絞線上的軟質(zhì)泡沫塑料來(lái)模擬，試驗(yàn)板缺陷設(shè)置見(jiàn)圖4。

圖3 預(yù)應(yīng)力孔道斷面缺陷類型示意圖

圖4 試驗(yàn)板孔道注漿缺陷布置圖（單位：cm）

4 試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

沖擊回波試驗(yàn)采用的是四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司研發(fā)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測(cè)儀（SPC-MATS）。首先對(duì)無(wú)孔道處、孔道全滿處、孔道全空處的反射聲時(shí)進(jìn)行測(cè)試，確定對(duì)應(yīng)的反射聲時(shí)（簡(jiǎn)稱初始標(biāo)定），然后將測(cè)試點(diǎn)位的反射聲時(shí)與初始標(biāo)定聲時(shí)對(duì)比確定孔道的灌漿質(zhì)量。當(dāng)反射聲時(shí)越接近全滿狀況下的反射聲時(shí)，其灌漿質(zhì)量就越好，而當(dāng)反射聲時(shí)越接近全空狀況下的反射聲時(shí)，其灌漿質(zhì)量就越差。

4.1 無(wú)孔道處的反射聲時(shí)標(biāo)定

試驗(yàn)板無(wú)孔道處、孔道全滿處反射聲時(shí)標(biāo)定如圖5所示。無(wú)孔道處、孔道全滿處反射聲時(shí)標(biāo)定值均在0.100 ms附近，即孔道全滿處的反射聲時(shí)與無(wú)孔道位置處的反射聲時(shí)接近。因此實(shí)際工程檢測(cè)中，可以運(yùn)用無(wú)預(yù)應(yīng)力孔道位置處的理論反射聲時(shí)來(lái)代替預(yù)應(yīng)力孔道全滿位置處的反射聲時(shí)。試驗(yàn)板厚20 cm，理論反射聲時(shí)0.100 ms，計(jì)算沖擊回波在試驗(yàn)板內(nèi)的傳播速度為：

圖5 試驗(yàn)板聲時(shí)標(biāo)定分析圖（單位：ms）

4.2 敲擊位置的研究與選取

為檢測(cè)不同敲擊位置對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷檢測(cè)結(jié)果的影響，在波紋管預(yù)應(yīng)力孔道的全空缺陷類型的d/4、d/2與3d/4處進(jìn)行敲擊檢測(cè)，如圖6所示。

圖6 敲擊位置示意圖

由表1可知，1號(hào)試驗(yàn)板φ55塑料波紋管與1號(hào)試驗(yàn)板φ55金屬波紋管全空缺陷處反射聲時(shí)均集中于0.114～0.118 ms，這與試驗(yàn)板預(yù)應(yīng)力孔道全空位置處反射聲時(shí)標(biāo)定值0.116 ms相差甚小，且測(cè)點(diǎn)位置與波紋管材料種類對(duì)反射聲時(shí)影響較小。1號(hào)試驗(yàn)板φ70塑料波紋管預(yù)應(yīng)力孔道全空缺陷類型反射聲時(shí)均集中于0.118～0.122 ms，這與試驗(yàn)板預(yù)應(yīng)力孔道全空位置處反射聲時(shí)標(biāo)定值0.120 ms相差甚微，且測(cè)點(diǎn)位置對(duì)反射聲時(shí)影響較小。

表1 試驗(yàn)板全空缺陷檢測(cè)結(jié)果表 ms

綜上所述，由于沖擊回波在介質(zhì)內(nèi)以面波形式傳播，且敲擊位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較小，因此實(shí)際工程注漿缺陷檢測(cè)中只需在預(yù)應(yīng)力孔道范圍內(nèi)進(jìn)行敲擊即可。同時(shí)還可得出反射聲時(shí)的主要影響因素是缺陷類型，且波紋管材料種類對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響也較小，可以忽略不計(jì)。

4.3 測(cè)點(diǎn)間距的研究與選取

為分析不同測(cè)點(diǎn)間距對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷檢測(cè)結(jié)果的影響，首先沿1-1號(hào)、2-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道中心線標(biāo)記間距5 cm的測(cè)點(diǎn)，然后分別以5 cm、10 cm、15 cm的測(cè)點(diǎn)間距對(duì)試驗(yàn)板預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷進(jìn)行沖擊回波檢測(cè)。1-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道檢測(cè)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 1-1號(hào)孔道測(cè)點(diǎn)間距5 cm時(shí)檢測(cè)結(jié)果圖（單位：ms）

圖8 1-1號(hào)孔道測(cè)點(diǎn)間距15 cm時(shí)檢測(cè)結(jié)果圖（單位：ms）

1-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道測(cè)點(diǎn)間距5 cm、10 cm與15 cm時(shí)的檢測(cè)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 1-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道不同測(cè)點(diǎn)間距缺陷中心位置檢測(cè)結(jié)果表

表3 1-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道不同測(cè)點(diǎn)間距缺陷尺寸檢測(cè)結(jié)果表

由表2、表3可知，塑料波紋管預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷中心位置與尺寸大小的檢測(cè)偏差隨測(cè)點(diǎn)間距的減小而減小，且最大檢測(cè)偏差均不超過(guò)測(cè)點(diǎn)間距。

2-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道測(cè)點(diǎn)間距5 cm、10 cm與15 cm時(shí)的檢測(cè)結(jié)果如表4、表5所示。

表4 2-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道不同測(cè)點(diǎn)間距缺陷中心位置檢測(cè)結(jié)果表

表5 2-1號(hào)預(yù)應(yīng)力孔道不同測(cè)點(diǎn)間距缺陷尺寸檢測(cè)結(jié)果表

由表4、表5可知，金屬波紋管預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷中心位置與尺寸大小的檢測(cè)偏差隨測(cè)點(diǎn)間距的減小而減小，且最大檢測(cè)偏差均不超過(guò)測(cè)點(diǎn)間距。

綜上所述，試驗(yàn)板預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷中心位置與尺寸大小的檢測(cè)偏差隨測(cè)點(diǎn)間距的減小而減小，且最大檢測(cè)偏差均不超過(guò)測(cè)點(diǎn)間距，此外波紋管材料種類對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較小，可以忽略不計(jì)。因此實(shí)際工程檢測(cè)中，可取10～20 cm測(cè)點(diǎn)間距對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且不必區(qū)分波紋管的材料種類。當(dāng)檢測(cè)偏差不滿足精度要求時(shí)，可對(duì)測(cè)點(diǎn)間距進(jìn)行加密并重新檢測(cè)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證、定性定量相結(jié)合，采用沖擊回波法對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道注漿缺陷識(shí)別的實(shí)際效果、識(shí)別精度試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論：

a）注漿飽滿狀態(tài)下塑料波紋管、鋼制波紋管的標(biāo)定聲時(shí)無(wú)明顯差異。

b）實(shí)際工程檢測(cè)中，完全可以運(yùn)用無(wú)預(yù)應(yīng)力孔道位置處的理論反射聲時(shí)來(lái)代替預(yù)應(yīng)力孔道全滿位置處的反射聲時(shí)，以簡(jiǎn)化聲時(shí)標(biāo)定。

c）敲擊位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較小，實(shí)際工程檢測(cè)中只需在預(yù)應(yīng)力孔道范圍內(nèi)進(jìn)行敲擊即可。

d）反射聲時(shí)的主要影響因素是缺陷類型，且波紋管材料種類對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響也較小，可以忽略不計(jì)。

e）因此實(shí)際工程檢測(cè)中，可取10～20 cm測(cè)點(diǎn)間距對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且不必區(qū)分波紋管的材料種類。

f）當(dāng)檢測(cè)偏差不滿足精度要求時(shí)，可對(duì)測(cè)點(diǎn)間距進(jìn)行加密并重新檢測(cè)。