桥梁预应力孔道注浆密实性无损检测方法的应用研究

2017-10-29谢立安

山西交通科技 2017年4期

谢立安

（山西省交通科学研究院桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原 030006）

0 引言

尽管预应力混凝土桥梁在我国桥梁建设中已被大量采用，但其病害也日益突显，主要体现在桥梁结构耐久性方面，而影响预应力混凝土桥梁结构耐久性的因素较多，危桥拆除与桥梁倒塌后调查发现预应力孔道注浆不密实引起的预应力钢束锈蚀及预应力损失是造成预应力混凝土桥梁病害与倒塌的主要原因，以致2001年我国交通部还将预应力孔道注浆不密实问题列为公路桥梁建设的十大质量通病之一[1]。本文通过理论分析、试验验证、定性与定量相结合的方法，针对当前桥梁工程领域常用无损检测方法对预应力孔道注浆缺陷识别的敏感程度进行了深入系统的分析研究，研究成果对于确保在建及运营桥梁预应力孔道注浆密实性满足设计与规范要求具有重要的工程实际意义，可直接服务于实际工程。

1 试验梁制作

针对实际工程中应用较广的装配式梁桥预应力孔道注浆密实性的无损检测，制作矩形试验梁并开展试验研究。

试验梁混凝土强度等级为C50，结构尺寸为200 cm×100 cm×20 cm，波纹管为金属波纹管与塑料波纹管两种，内径为55 mm与70 mm两种。

试验梁预应力孔道初始注浆缺陷类型分为全满、1/4空、1/2空、3/4空与全空5种类型，其中全满与全空缺陷类型主要用于定性检测，以检验常用无损检测方法的可行性，1/4空、1/2空与3/4空缺陷类型主要用于定量检测，以检验常用无损检测方法的定量化判定精度。

在初始注浆缺陷设置时，不仅考虑到缺陷类型，同时还考虑到缺陷长度大小，其中最小长度为25 cm，最大长度为169 cm，并将缺陷类型与缺陷长度大小随机组合，以检验常用无损检测方法的适用性。

试验梁共制作4片，依次编号为1～4号。各试验梁均设有4束预应力孔道，依次编号为1～4号。各预应力孔道均设有N个缺陷，从左到右依次编号为1～N号。注浆缺陷编号M-N-P号表示M号试验梁N号预应力孔道P号注浆缺陷。

试验梁预应力孔道注浆缺陷布置如图1～图4所示。

图1 1号试验梁预应力孔道注浆缺陷布置图（塑料波纹管）

图2 2号试验梁预应力孔道注浆缺陷布置图（塑料波纹管）

图3 3号试验梁预应力孔道注浆缺陷布置图（金属波纹管）

图4 4号试验梁预应力孔道注浆缺陷布置图（金属波纹管）

2 超声波法

超声波法是利用超声波透射原理来对结构内部缺陷状况进行检测的方法，是桥梁工程领域最常用的无损检测方法。常用判断依据有声时、声速、波幅、主频及波形等[1-2]。

2.1 理论分析

超声波是高频脉冲波，其波长为厘米级，与混凝土骨料和钢筋直径相当，在传播过程中容易产生衍射和散射，使分析求解工作困难，此外超声波沿直线传播，即使预应力孔道存在注浆缺陷，但检测时若将探头放在孔道注浆密实部位，仍将无法检测到注浆缺陷，且无法通过频谱分析进行补偿[3]，为此将超声波法用于预应力孔道注浆缺陷检测是不可行的。

2.2 试验验证

试验验证时，采用对测法进行检测，部分检测结果如表1与表2所示。

表1 试验梁55mm内径塑料波纹管不同注浆缺陷类型检测结果表

表2 试验梁55 mm内径金属波纹管不同注浆缺陷类型检测结果表

由表1与表2可以看出，试验梁预应力孔道不同注浆缺陷类型声时、声速及波幅的最小值与最大值所形成的区间基本都存在较大的重叠区域，且不同注浆缺陷类型声时、声速及波幅的平均值也无显著变化规律，因此采用超声波法对预应力孔道注浆缺陷进行检测是不可行的。

3 探地雷达法

探地雷达法通过发射天线将高频电磁波以宽频带脉冲形式定向送入被检测介质，经存在电性差异的目标体或界面反射后返回并由接收天线接收，根据工程介质电性参数的差异，通过对回波波形、频率与振幅等特征进行分析来推测被检测介质的结构特征与物性特征。常用判断依据有波形特征、反射波振幅大小及方向、同相轴等[1，4]。

3.1 理论分析

对于金属波纹管预应力孔道注浆缺陷检测，由于金属波纹管对电磁波信号具有较强的屏蔽作用而使电磁波信号无法穿透并对其内部注浆缺陷进行检测[3]，因此将探地雷达法用于金属波纹管预应力孔道注浆缺陷检测是不可行的。

对于塑料波纹管预应力孔道注浆缺陷检测，虽在理论上可行，但受孔道注浆缺陷大小、雷达天线频率与普通钢筋干扰等因素影响[3]，还需用试验进行验证。

3.2 试验验证

试验验证时，采用频率1.5 GHz的雷达进行检测，部分检测结果如图5所示。

图5 试验梁部分预应力孔道注浆缺陷探地雷达法检测结果图

由图5可以看出，对于试验梁塑料波纹管预应力孔道注浆缺陷，探地雷达法仅能检测出试验梁中的普通钢筋，而无法检测出塑料波纹管及注浆缺陷；对于试验梁金属波纹管预应力孔道注浆缺陷，探地雷达法仅能检测出试验梁中的金属波纹管与普通钢筋，而无法检测出注浆缺陷，因此采用探地雷达法对预应力孔道注浆缺陷进行检测也是基本不可行的。

4 冲击回波法

冲击回波法通过在预应力孔道位置处混凝土表面利用瞬时机械冲击产生低频应力波，应力波传播到结构内部，遇到声阻抗有差异的界面（如构件底面或缺陷表面）时被反射回来，并在构件表面、内部缺陷表面与构件底部之间来回反射产生纵波共振，其共振频率能从振幅谱中辨别出来，然后通过对反射回来的应力波进行时域分析与频域分析，就能用于确定构件厚度及其内部缺陷位置。常用判断依据为冲击回波的传播时间[1，5]。

4.1 理论分析

冲击回波是低频应力波，其波长为分米级，远大于混凝土骨料和钢筋直径，在传播过程中发生衍射和散射较少，分析求解工作容易，此外冲击回波为体波和面波多种形式的综合波，沿多种路径传播，只要预应力孔道存在注浆缺陷，即使在孔道密实部位进行敲击检测，冲击回波中的部分波也会沿缺陷部分绕射传播，并反映在检测信号中，同时还可采用频谱分析进行补偿[3]，最适宜预应力孔道注浆缺陷的检测。

4.2 试验验证

试验验证时，分为定性检测和定量检测，测点间距为10 cm，部分检测结果如表3、表4与表5所示。

由表3可以看出，冲击回波法定性检测效果较好，能够将试验梁预应力孔道注浆缺陷中全满与全空类型区分开来，且波纹管材料种类影响较小。

表4 试验梁部分预应力孔道注浆缺陷类型定量检测结果表 ms

表5 试验梁部分预应力孔道注浆缺陷中心位置与长度大小定量检测结果表 cm

由表4与表5可以看出，冲击回波法定量检测效果不够理想，只能对缺陷类型进行不完全定量检测，而缺陷中心位置与长度大小的检测偏差均未超过测点间距10 cm，且波纹管材料种类影响较小。

综上所述，采用冲击回波法对预应力孔道注浆缺陷进行定性检测和不完全定量检测是完全可行的，且不必区分波纹管材料种类。

5 X射线法

X射线法是利用不同物质对射线吸收率有所差异的原理进行检测的。常用判断依据为射线底片的黑度差[2]。

5.1 理论分析

X射线因其具有良好的透射性能，能够直观反映结构内部状况，并早已被成功应用于结构内部探伤检测中，为此引入X射线法对试验梁预应力孔道注浆缺陷进行检测。

5.2 试验验证

由于水泥浆体的重力作用，预应力孔道注浆缺陷基本都处于孔道上方，当射线束以水平方向拍摄时，就能最大程度地拍摄到预应力孔道的注浆缺陷状况，这也是最佳拍摄方向；当射线束以非水平方向拍摄时，由于水泥浆体及预应力钢束的遮挡作用，就只能部分程度地拍摄到预应力孔道的注浆缺陷状况，这在拍摄时应当尽量避免，如图6所示。