楊仲元

（浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112）

0 引 言

隨著我國的交通基礎建設和城鎮(zhèn)基礎設施建設的快速發(fā)展，每年需要大量鋼材，國內的鋼鐵礦產資源不斷地被過量開采。鋼鐵業(yè)早在21世紀初期已經從國內出口走向國外進口，大幅度的鋼材量進口影響著國內社會經濟的快速發(fā)展。

2004－2013年近十年中國粗鋼產量變化如圖1所示，據中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的數(shù)據統(tǒng)計，2013年我國鋼材總產量為7.79億噸，占全球總量的約48.5%。隨著國際鐵礦石原料價格不斷升高，鋼制產品價格會越來越高。

圖1 中國粗鋼總產量變化

煉鋼行業(yè)作為高耗能高污染行業(yè)，存在很大的“轉型”壓力。在全國各行業(yè)推廣減少對鋼材的依賴，是我國 “十二五”期間建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的重要舉措之一。其次，新型塑料管材因其價格相對低廉，在交通、市政等行業(yè)正在逐步替代一些高耗能的金屬管材，以塑代鋼是我國管材市場發(fā)展的主要趨勢之一。

1 普通鋼管

國內外實際工程中聲測管普遍采用普通鋼管（黑鐵管），即直縫焊接鋼管和無縫鋼管，公稱直徑一般在DN50左右，壁厚在3mm以上，普通鋼管由于剛度好，在使用中甚至可以替代部分鋼筋截面，其缺點是壁厚大超聲波透過率低，且相對其它管材成本要高。普通鋼管作為聲測管的接口通常有螺紋連接和焊接兩種類型。其中建筑、市政等行業(yè)較小管徑的鋼管普遍螺紋連接，一些規(guī)程[1]相關條文里對普通鋼管建議均采用螺紋連接。焊接又可分為兩種形式：套管焊接和對接焊接，其中對接焊接抗彎折能力差，在安裝檢測管時為避免產生漏漿或者因直接對焊導致焊渣進入管內堵塞通道，所以對接焊接不應采用[2]。由于套管焊接比螺紋連接工作效率高，更適于工地現(xiàn)場作業(yè)，成為目前普通鋼管最主要的連接方式。

1.1 鋼質波紋管

鋼質波紋管外壁為薄壁波紋鋼板，具有管壁薄（壁厚l mm左右）、鋼材省和抗?jié)B、耐壓、強度高、柔性好等特點，相比普通鋼管可以節(jié)省成本，但該管材不便采用螺栓連接和焊接方式，常采用橡膠套連接，即用6～10cm長橡膠套套接兩聲測管接口。但由于橡膠套材質軟，無法保證聲測管管箍的強度與剛度，聲測管在安裝、施工過程中易出現(xiàn)錯位甚至脫開，而且橡膠套的熱膨脹系數(shù)與混凝土的相差懸殊，在混凝土灌注過程中水泥的水化熱不易發(fā)散，而橡膠溫度變形系數(shù)較大，混凝土凝結后橡膠套因溫度下降而產生收縮變形，有可能使之與混凝土局部脫開而造成空氣或水的夾縫，影響檢測信號，容易造成誤判。文獻 [3]報道了某橋墩樁在波紋管連接處由于橡膠套收縮變形導致的波形嚴重畸變，波速嚴重降低而造成誤判的工程實例。

1.2 鋼薄壁焊管

自從杭州灣跨海大橋施工起，各地在使用聲測管時，陸續(xù)開始用帶管箍的直徑50mm左右、壁厚1.0～1.8mm的薄壁焊管來代替普通鋼管，其優(yōu)點是顯著節(jié)省成本且超聲波透過性好[4]。薄壁焊管強度低，國內一些企業(yè)對其連接方式做了很多探索和改進。目前廣泛應用的是鉗壓式，其特點是承口端部為U型槽，內設有特制的O形橡膠密封圈，安裝時將聲測管的插口端插入承口端，用專用的液壓鉗對U型槽及其一側部位同時進行擠壓。橡膠密封圈受擠壓后起密封作用，鉗壓部位插口端和承插口端的管材同時收縮變形 （剖面形成六角形狀）起定位固定作用，從而有效地實現(xiàn)了聲測管的連接。該方法操作簡單，可任意長度現(xiàn)場鋸切使用，具有很強的密封、抗扭矩、抗拉拔性能，已在交通運輸部的行業(yè)標準 《混凝土灌注樁用鋼薄壁聲測管及使用要求》（GB／T 705－2007）中推薦使用。

2 塑料聲測管的性能

從超聲波檢測角度來說，聲測管所用材料透射系數(shù)越高越好。超聲波從發(fā)射換能器到接收換能器，需穿過4個界面：水至聲測管界面，聲測管至樁身混凝土界面，樁身混凝土至聲測管界面，聲測管至水界面，上述4個界面的透射系數(shù)之積為總透射系數(shù)，應伯宣等[5]根據計算，跨孔測量中采用鋼管時的聲波總透射系數(shù)只有0.071，而采用UPVC塑料管則為0.645，其數(shù)值十分接近樁身混凝土的最大透射系數(shù)0.646，可見采用UPVC塑料管比采用鋼管接受信號強。從使用成本看，一般單位長度塑料管的價格也比鋼管低，大規(guī)模使用可以節(jié)省成本。

硬聚氯乙烯 （UPVC）塑料管廣泛用于市政、建筑的流體輸送管道，目前應用于聲測管的多是價格相對低廉的UPVC排水管道，管接口之間采用管箍 （一些文獻也稱為套管）進行膠水粘接，對UPVC聲測管美國材料試驗協(xié)會標準建議采用膠水粘接和螺紋連接。W.Y.Chan等[6]通過一系列試驗比較了UPVC聲測管和鋼管的聲波穿透能力，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，管徑從40mm至160mm范圍內，通過UPVC管接受的信號強度是鋼管接受的信號強度的3到4倍；而且由于圓形管道斷面可以聚焦超聲波，接收端所在聲測管管徑增大導致接受的信號強度也增大。用DN75的UPVC管和鋼管分別作為聲測管，在相同情況下比較試驗檢測結果[5]，發(fā)現(xiàn)檢測出的聲波在混凝土中的平均傳播速度相差很小，平均波幅方面則是PVC管比鋼管高4.5db，可見在聲波能量傳播方面PVC管比鋼管有利，但還沒有保證UPVC聲測管的環(huán)剛度和強度，不適合推廣使用。UPVC芯層發(fā)泡管材[4]作為某實際工程50m深樁的聲測管，管徑DN50，壁厚3 mm。結果表明，UPVC管與傳統(tǒng)的鋼管相比更有利于聲波傳送，檢測數(shù)據更接近于混凝土材料。經實際施工測試，大部分達到要求，管道貫通率達到90E，而施工成本則可節(jié)約53%。

UPVC管的缺點是其環(huán)剛度低，在采用排水用UPVC管道做聲測管時通常壁厚加大一號，將原DN50管道的壁厚改為DN75管道的壁厚，即壁厚在3mm以上。某工程用原來壁厚為1mm的UPVC管作聲測管，強度不夠，致使在灌注樁身混凝土時擠壓聲測管，使聲測管變形甚至破裂，水泥砂漿流入聲測管內導致堵塞，后來壁厚改為3 mm才解決問題[7]。另外UPVC管外壁光滑，與混凝土粘結性差，美國材料試驗協(xié)會標準規(guī)定UPVC聲測管使用前外壁應打磨粗糙。再者塑料材料的溫度變形系數(shù) （熱膨脹系數(shù)）大，當混凝土硬化后塑料管因水化熱散去而溫度下降產生收縮導致混凝土與塑料管局部脫開，從而造成誤判。J.C.Adams等[8]對某工程實例中聲測管與混凝土的脫開時，超聲波檢測出現(xiàn)的異常信號進行了評價，并提出了鑒定方法。而且，UPVC管耐熱性能差，在60℃以上環(huán)境抗拉強度下降，這對于大體積混凝土的灌注樁而言，其內部散熱性差，盡管聲測管內注有清水可以緩沖溫度上升，但能否保證所需的強度尚無人研究。

3 新型復合材料塑料管的創(chuàng)新設想

國內外對聲波透射法的研究多集中在信號和數(shù)據的處理與分析、檢測儀器、軟件開發(fā)、檢測手段等方面，而針對非金屬管材、管道外壁設計、管道接口形式等方面的研究很少。在聲測管選用上，工程人員普遍對塑料管由于熱膨脹系數(shù)大、外壁光滑，導致混凝土與塑料管局部脫開顧慮較多而不愿使用。對于聲測管的材料研究，由于國內外大多數(shù)研究集中于鋼質聲測管的強度、連接和密封性，雖然在檢測技術和使用得到了普遍的推廣，但是鋼材的大量耗用和昂貴的檢測成本問題仍未得到緩解與解決。雖然國內專利也有相關的塑料聲測管的開發(fā)，但是材料與結構尚未得到進一步的研究。特別是能否考慮再生、經濟和環(huán)保的塑料材料，亟待在管體結構上加以創(chuàng)新與探索。

近年來塑料行業(yè)的迅猛發(fā)展，一些價廉優(yōu)質的塑料管材在交通、建筑等行業(yè)開始替代一些金屬管材。當塑料加入玻璃纖維后，熱膨脹系數(shù)和蠕變成倍下降，目前市政用增強聚丙烯管材 （FRPP）就采用在聚丙烯材料中摻入一定比例的短切玻璃纖維，不僅熱膨脹系數(shù)降低，而且強度和低溫抗沖擊性能大大增強。如果基樁塑料管的外壁面采用增強纏繞帶、環(huán)形肋加強等異型結構，不僅減少材料用量和造價，而且管道環(huán)剛度增加，波紋狀管外壁還能增加與混凝土的附著能力，可以減少塑料管與混凝土的脫開。這些技術都有利于塑料聲測管材的開發(fā)。

大多數(shù)基樁完整性檢測采用鋼管，全國每年用于基樁完整性檢測的鋼管數(shù)量約為72萬噸，占鋼材總產量的0.1%。如果取代基樁完整性檢測的鋼管，將大幅度減少全國的鋼管使用量，30年將節(jié)約近2100萬噸鋼材。因此，隨著各種新型塑料產品、復合材料產品不斷問世，有必要研究價格低、性能高、接口操作方便、環(huán)境效益良好的產品來替代鋼質聲測管。

4 結 語

各種塑料管材的溫度膨脹系數(shù)相對于鋼材和混凝土都比較大。在與混凝土澆灌過程中由于水化熱反應引起聲測管的熱脹冷縮，從而在澆筑冷卻后導致聲測管與混凝土之間存在間隙，影響聲波檢測的可靠性。因此，降低塑料管材的膨脹系數(shù)是其作為聲測管應用的關鍵技術。

復合管材作為管道的一個重要分支，也是塑料管道未來的發(fā)展方向。例如，在現(xiàn)有的塑料基材中，摻入具有高強度和極低膨脹系數(shù)的增強纖維如玻璃纖維、納米碳纖維等，通過設計制作工藝、材料配合比，制成高強度復合管材，并使管材的溫度膨脹系數(shù)與鋼管接近。通過膨脹系數(shù)、強度等技術指標的改進，可真正實現(xiàn)塑料聲測管的推廣應用。

[1]JTG／T F81－01－2004，公路工程基樁動測技術規(guī)程[S].

[2]ASTM D6760－08，Standard Test Method for Integrity Testing of Concrete Deep Foundations by Ultrasonic Crosshole Testing[S].

[3]趙守全.基樁聲波透射法檢測中聲測管埋設問題的探討[J].甘肅科技，2008，24（11）：77－80.

[4]宋麗妹，沈桂平.PVC管在鉆孔樁檢測中的應用[J].中國市政工程，2007，（A01）：75－77.

[5]應伯宣，陳軍.淺談基樁檢測聲測管的選擇[J].上海地質，2007，（2）：49－51.

[6]F.W.Y.Chan，S.W.F.Tsang.Effects of different sonic access tube materials on the signal strength of ultrasonic waves in the cross－h(huán)ole sonic logging technique[J].Transactions Hong Kong Institution of Engineers，2005，12 （2）：1－7.

[7]盧賢存，林朝陽，郭茶發(fā).京津城際鐵路基樁聲波檢測技術的應用[J].國防交通工程與技術，2008，（5）：67－69.

[8]J.C.Adams，E.L.Hajduk，P.Halvarsson，et al.A case history evaluation of CSL access tube debonding[J].ASCE Geotechnical Special Publication，2009，（185）：552－559.