梁 波，何文政（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

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預(yù)應(yīng)力混凝土梁孔道灌漿密實(shí)度無損檢測技術(shù)的研究及應(yīng)用

梁 波，何文政
（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

預(yù)應(yīng)力混凝土梁孔道灌漿密實(shí)度是影響公路橋梁質(zhì)量問題的主要因素之一。采用無損檢測技術(shù)，以沖擊彈性波為檢測媒介，通過多種檢測方法分別對(duì)預(yù)應(yīng)力梁孔道進(jìn)行定性測試，同時(shí)提出一套更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓酀{質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，如判定不合格，再根據(jù)定性測試的結(jié)果對(duì)有缺陷的孔道進(jìn)行定位測試，從而確定孔道缺陷位置及缺陷類型。文章依托義烏至武義公路工程，運(yùn)用無損檢測的方法對(duì)該工程中所用的預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行了孔道灌漿密實(shí)度檢測，測試結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地反映孔道灌漿密實(shí)情況及缺陷位置，并能基本判別出缺陷的類型。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁；無損檢測；灌漿密實(shí)度；定性檢測；定位檢測

近年來，隨著公路橋梁工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土梁被廣泛運(yùn)用到橋梁建設(shè)的項(xiàng)目中，而預(yù)應(yīng)力孔道灌漿是后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的一道非常關(guān)鍵的工序，重要性顯著［1-2］。如果預(yù)應(yīng)力孔道壓漿不密實(shí)，使得預(yù)應(yīng)力筋和周圍混凝土之間沒有很好的結(jié)合，使得共同抵抗外界荷載的協(xié)調(diào)能力差，另一方面，尚未排除的水和空氣使得預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料容易發(fā)生腐蝕，造成有效預(yù)應(yīng)力降低，嚴(yán)重時(shí)在外界荷載作用下鋼絞線可能會(huì)發(fā)生斷裂，從而直接影響到預(yù)應(yīng)力的效率和預(yù)應(yīng)力鋼絞線的使用壽命，進(jìn)而影響橋梁的耐久性和安全性［3-4］。因此，孔道灌漿的質(zhì)量問題被我國交通部列為公路橋梁建設(shè)中的十大質(zhì)量通病之一。

1　概述

無損檢測技術(shù)相對(duì)于一般標(biāo)準(zhǔn)試塊破壞檢測具有明顯的優(yōu)勢和特點(diǎn)，比如操作簡單快捷；檢測時(shí)不會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件破壞；能較為客觀地測出混凝土的強(qiáng)度與質(zhì)量等；隨著新技術(shù)、新材料和新工藝的不斷快速更新發(fā)展，對(duì)無損檢測技術(shù)也提出了更高的要求［5］。

長期以來，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力梁的無損檢測技術(shù)開展了大量的研究及開發(fā)，形成了多種無損檢測的方法，按測試所采用的媒介來區(qū)分，分為基于電磁波的檢測方法（如電磁雷達(dá)），基于超聲波的檢測方法及基于沖擊彈性波的檢測方法。通過眾多工程經(jīng)驗(yàn)與理論分析得知，電磁雷達(dá)法受鋼筋的影響較大、適用范圍窄、對(duì)缺陷不敏感、測試精度低［6-7］，基于超聲波的檢測方法作業(yè)性差，效率較低實(shí)用性低［8-9］；而基于沖擊彈性波的檢測方法目前被認(rèn)為是“最有前途的”檢測方法［10］。然而前人在對(duì)孔道灌漿密實(shí)度檢測時(shí)僅采用某一種檢測方法來進(jìn)行判定，得出的結(jié)果精確度較低，本文以義烏至武義公路工程（義烏段）為研究背景，以沖擊彈性波為檢測媒介，結(jié)合國內(nèi)外多種檢測方法，綜合檢測結(jié)果，提出了一套較為精確的，能夠更加準(zhǔn)確評(píng)判孔道灌漿密實(shí)度質(zhì)量的方法，并在此項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)施運(yùn)用

2　檢測方法及原理

基于沖擊彈性波的檢測方法是借助彈性波的傳播和反射特性，對(duì)預(yù)應(yīng)力梁灌漿孔道進(jìn)行定性和定位檢測。定性測試效率高，測試時(shí)間較短，但是難以判斷缺陷的位置和類型，而定位測試精度較高，能對(duì)缺陷類型和位置進(jìn)行確定，但是測試時(shí)間長，效率相對(duì)較低，因此在實(shí)際檢測過程中可以分類別分方法對(duì)預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行檢測，即如果定性檢測合格則認(rèn)為孔道灌漿密實(shí)度符合要求，檢測到此為止，對(duì)于一些定性檢測不合格的預(yù)應(yīng)力孔道，若要找出缺陷位置及確定缺陷類型的梁需再使用定位檢測。此方法僅適用于錨頭未封閉的梁。

2.1定性測試

定性檢測是通過對(duì)露在兩端表面的錨頭或者鋼絞線進(jìn)行激振和拾振，分別在錨頭兩端固定一個(gè)傳感器，用激振導(dǎo)向器尖端部分緊貼鋼絞線端面中心部位，然后敲打激振導(dǎo)向器，分別記錄下預(yù)應(yīng)力梁兩端的測試數(shù)據(jù)，從而對(duì)壓漿密實(shí)度的情況進(jìn)行分析［11］。在一次測試過程中，可以同時(shí)完成對(duì)3種方法的測試（PLEA、FLPV、PFTF）的測試，通過測試結(jié)果間的相互印證提高測試精度，測試示意圖如圖1所示。

圖1　灌漿密實(shí)度的定性檢測

2.1.1全長衰減法（FLEA）

在錨索的一端激振產(chǎn)生的信號(hào)傳遞到錨索另一端時(shí)，在傳遞過程中會(huì)發(fā)生能量的衰減即是全長衰減法的原理。一般而言，灌漿越密實(shí)，混凝土與鋼絞線結(jié)合性較好，振動(dòng)能量在混凝土中逸散越快，其衰減也就越大，振幅比越??；反之，若孔道灌漿密實(shí)度較低，存在局部空洞或缺陷則能量在傳播過程中逸散的會(huì)較少，衰減小，振幅較大。因此，用能量比（即接收信號(hào)與激發(fā)信號(hào)的振幅比）來反映灌漿密實(shí)度，能量比越小越密實(shí)，填充密實(shí)情況如圖2所示。

圖2　全長衰減測試示意圖

2.1.2全長波速法（FLPV）

全長波速法是通過測試彈性波經(jīng)過錨索的傳播時(shí)間，并結(jié)合錨索的距離計(jì)算出彈性波經(jīng)過錨索的波速（通常測試P波波速）。一般情況下波速與灌漿密實(shí)度有一定的相關(guān)性，即隨著灌漿密實(shí)度的增加，波速逐漸減小，當(dāng)灌漿密實(shí)度達(dá)到100%時(shí)，測試的錨索的P波波速接近混凝土中的P波波速，當(dāng)未灌漿時(shí)，測試的錨索P波波速越接近錨索的P波波速，以此方法來判斷孔道灌漿密實(shí)度情況［12］，測試波速與灌漿密實(shí)度的關(guān)系如圖3所示。

圖3　全長波速法測試示意圖

另一方面，基于等效模量法，灌漿密實(shí)度Sr與測試波速V的關(guān)系可表示為：

式中：As為孔道中鋼絞線的面積；A為孔道面積；Vs為鋼絞線中彈性波波速，Vs取5.01 km/s；Vg為灌漿料中彈性波波速；ρs為鋼絞線的密度，可取7 800 kg/m3；ρg為灌漿料的密度，可取2 400 kg/m3，ζ為修正系數(shù)，反映孔道壁以及周圍混凝土的影響，可通過孔道灌漿飽滿的實(shí)測波速Vf來標(biāo)定，如下：

式（2）帶入式（1）得：

由式（3）可知，只要測出Vf和Vg，即可以得出灌漿密實(shí)度，另外，當(dāng)Vg＞Vf時(shí)，ζ取1。

2.1.3傳遞函數(shù)法（PFTF）

傳遞函數(shù)法是指用激振錘在預(yù)應(yīng)力梁的一端進(jìn)行激振，如果在另一端存在不密實(shí)情況，就會(huì)在接收端產(chǎn)生高頻振蕩，通過對(duì)比接受信號(hào)與激發(fā)信號(hào)相關(guān)部分的頻率變化，可以判定錨頭兩端附近的缺陷情況，如圖4所示。當(dāng)激振端附近鋼絞線存在不密實(shí)現(xiàn)象時(shí)，激振端的傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)的頻率也會(huì)增加，另外，若鋼絞線未充分張拉，或者未灌漿部分過長時(shí)，其自振頻率反而可能會(huì)降低，因此實(shí)際測試結(jié)果應(yīng)結(jié)合張力測試的結(jié)果綜合判斷。

圖4　傳遞函數(shù)法示意圖

2.1.4定性檢測灌漿質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)

為了將定性檢測的結(jié)果定量化，引入灌漿指數(shù)If，定義當(dāng)灌漿飽滿時(shí)，If=1，而當(dāng)孔道完全未灌漿時(shí)，If=0，對(duì)于上述3種方法得到的灌漿指數(shù)值相應(yīng)地可以表示為IEA、IPV、ITF，此時(shí)綜合灌漿指數(shù)可以表示為：

從式（4）可以看出，式中的每個(gè)檢測的數(shù)值對(duì)最后結(jié)果都有較大的影響，如果測得的某種檢測方法的灌漿指數(shù)值較低，綜合灌漿指數(shù)的值也會(huì)相應(yīng)地有較大變化。通過工程實(shí)踐與理論分析得知，當(dāng)綜合灌漿指數(shù)大于0.95時(shí)，表示孔道灌漿質(zhì)量較好，而灌漿指數(shù)低于0.85時(shí)表明孔道灌漿質(zhì)量較差，若要找出預(yù)應(yīng)力梁孔道缺陷位置及缺陷類型，則需進(jìn)一步進(jìn)行定位檢測。

2.2定位檢測

在檢測過程中，如果發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力梁孔道灌漿出現(xiàn)不合格，則需要進(jìn)行缺陷定位并確定缺陷類型，從而用適合的方法對(duì)缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。定位測試是在定性測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，即沿著預(yù)應(yīng)力孔道位置依次進(jìn)行激振測試，根據(jù)彈性波的反射特性來找出預(yù)應(yīng)力梁孔道缺陷的位置坐標(biāo)，標(biāo)出孔道缺陷位置，操作方法如圖5所示。當(dāng)激振到預(yù)應(yīng)力孔道缺陷的位置，激振的彈性波會(huì)在缺陷處產(chǎn)生較多的反射，從而導(dǎo)致彈性波從梁底部反射回信號(hào)接收器所用的時(shí)間比壓漿飽滿的時(shí)候反射回來的時(shí)間要長。另外，當(dāng)激振信號(hào)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的半波長與缺陷的埋深接近時(shí)，缺陷反射與自由振動(dòng)可以產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使得自由振動(dòng)的半波長趨近于缺陷埋深。因此IE法不僅可以檢測出缺陷的位置，還可以推斷出灌漿缺陷的類型及規(guī)模大小。

圖5　灌漿密實(shí)度定位檢測

為了對(duì)定位測試的結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，這里引入灌漿率指數(shù)D，令灌漿飽滿時(shí)D =1，完全未灌時(shí)D =0，孔道壓漿質(zhì)量健全時(shí)權(quán)重為1，松散性權(quán)重為0.5，上部小空洞權(quán)重為0.5，大空洞權(quán)重為0，灌漿率可表示為：

式中：NJ為健全測點(diǎn)數(shù)；NS為松散性測點(diǎn)數(shù)；NX為上部小空洞測點(diǎn)數(shù)；ND為大空洞測點(diǎn)數(shù)；M為總測點(diǎn)數(shù)。

一般情況下當(dāng)D＞0.95時(shí)，孔道灌漿質(zhì)量為優(yōu)，0.9＜D＜0.95為良，D＜0.9時(shí)應(yīng)考慮對(duì)其進(jìn)行處理，處理缺陷時(shí)可依據(jù)缺陷類型進(jìn)行判斷，缺陷類型示意圖如圖6所示。圖6（a）表示孔道灌漿飽滿，沒有任何缺陷，為健全型；圖6（b）是由于灌漿材料的強(qiáng)度和剛度較低，從而導(dǎo)致混凝土灌入時(shí)顯得較為松散，但是這種情況仍然保持著混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，與鋼絞線仍然保持著協(xié)調(diào)抵抗變形的功能，仍然對(duì)預(yù)應(yīng)力筋起到保護(hù)作用，為松散型；圖6（c）和6（d）為空洞型的狀態(tài)，這種情況容易侵入空氣和水或者尚有未排除的空氣和水，為最不利狀態(tài)，根據(jù)空洞的規(guī)模大小，不利程度也有所不同，空洞越大越為不利。判斷出孔道缺陷及位置后，對(duì)于空洞位置可采用鉆孔灌漿的方法進(jìn)行密實(shí)處理。

圖6　缺陷類型示意圖

3　工程實(shí)例

義烏至武義公路工程（義烏段）起點(diǎn)位于義烏市佛堂鎮(zhèn)田心村附近，全長為22.966 km。項(xiàng)目組對(duì)K0+000～K22+966段工程內(nèi)的預(yù)應(yīng)力梁運(yùn)用預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測儀（SPC-MATS），采用抽查的方式進(jìn)行孔道灌漿密實(shí)度檢測，其中，在對(duì)YW-1標(biāo)的雅西大橋，編號(hào)為2-4#的中梁的檢查中，對(duì)定性測試和定位測試的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。中梁立面圖如圖7所示，隨機(jī)選取預(yù)應(yīng)力梁中的兩個(gè)孔道即N3和N4孔道分別運(yùn)用定性測試和定位測試的方法對(duì)其預(yù)應(yīng)力梁孔道灌漿密實(shí)度進(jìn)行檢測，定性檢測的結(jié)果如表1所示，從表中灌漿質(zhì)量的結(jié)果可以看出N3和N4孔道的灌漿質(zhì)量符合要求，但是N3和N4孔道的灌漿密實(shí)度都未達(dá)到灌漿質(zhì)量較好的情況，為了驗(yàn)證定性測試的結(jié)果，項(xiàng)目組又對(duì)N3和N4孔道進(jìn)行了定位測試。

表1　預(yù)應(yīng)力梁定性檢測結(jié)果

測試過程中以梁中部為起點(diǎn)定義為“0”，向左為“-”，向右為“+”，N3和N4的測試情況及結(jié)果如圖8所示，通過定位測試最終確定N3孔道中在2.5 m 和-3.5 m處分別有0.4 m和0.1 m的區(qū)域不密實(shí)，缺陷類型屬于松散型，其他區(qū)域均屬正常；對(duì)于N4孔道，在其孔道1 m處約0.2 m區(qū)域出現(xiàn)了不密實(shí)現(xiàn)象，缺陷類型屬于松散性，其他區(qū)域均屬正常。針對(duì)N3 和N4孔道灌漿的缺陷位置，分別采用鉆孔穿絲的方法得到了驗(yàn)證，并在鉆孔處對(duì)孔道進(jìn)行灌漿，對(duì)缺陷處進(jìn)行了處理。從中可以得知即使灌漿密實(shí)度符合要求，孔道內(nèi)部也可能存在一定的缺陷，因此施工過程中應(yīng)盡可能地保證更高品質(zhì)的灌漿質(zhì)量。

圖8　孔道檢測結(jié)果

4　結(jié)論

本文運(yùn)用無損檢測技術(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力梁孔道灌漿密實(shí)度情況進(jìn)行了研究及應(yīng)用，采用以沖擊彈性波為檢測媒介，綜合了多種檢測方法對(duì)預(yù)應(yīng)力梁孔道灌漿情況進(jìn)行測定及綜合評(píng)判，可以得到以下結(jié)論：

（1）預(yù)應(yīng)力梁的孔道灌漿密實(shí)度問題是公路橋梁建設(shè)中的十大通病之一，灌漿不飽滿將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。本文提出了以沖擊彈性波為檢測媒介，綜合多種檢測方法并將其結(jié)果定量化，形成一套更加精確的孔道灌漿質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，使得檢測結(jié)果更加精確，更加合理。

（2）對(duì)于錨頭未封閉的預(yù)應(yīng)力梁縱向孔道灌漿密實(shí)度的測試方法分為定性測試和定位測試，定性測試的結(jié)果包括了全長衰減法、全長波速法、傳遞函數(shù)法3種測試的結(jié)果，綜合測試的結(jié)果較為精確，且測試效率高，但是難以判斷缺陷的位置和類型。而定位測試雖然測試精度高，不僅能找出缺陷位置還能確定缺陷類型確定修補(bǔ)方案，但是測試時(shí)間長，效率相對(duì)較低，因此在實(shí)地測試時(shí)應(yīng)將兩種測試方法相結(jié)合，提高測試效率。

（3）運(yùn)用定性和定位測試對(duì)義烏至武義公路工程中某預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行灌漿密實(shí)度無損檢測，經(jīng)測試，定性檢測和定位檢測相結(jié)合的檢測技術(shù)，基本能夠檢測出預(yù)應(yīng)力灌漿的密實(shí)情況和預(yù)應(yīng)力孔道的缺陷位置，并基本判斷出缺陷的類型，并能夠較好地達(dá)到測試精度和效率的平衡。

（4）即使灌漿密實(shí)度測試結(jié)果符合要求，孔道內(nèi)部也可能存在一定的缺陷，而人員因素和技術(shù)水平是造成孔道灌漿密實(shí)度質(zhì)量問題的關(guān)鍵因素，因此在施工期間應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場的管理，嚴(yán)格把控灌漿質(zhì)量，提高灌漿技術(shù)。

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Research and Application of Nondestructive Testing Technology on Duct Grouting Density for Prestressed Concrete Beam

Liang Bo，He Wenzheng
（JSTI Group， Nanjing 211112， China）

Prestressed concrete beam duct grouting density is one of the main influence factors of the highway bridge quality issues. Based on the testing medium of impact elastic wave， this paper made the qualitative detection in the prestressed beam duct by the nondestructive and other testing technologies. At the same time， a precise grouting quality evaluation standard was proposed. If the evaluation was disqualification，the quantitative detection was adopted in the defect duct according to the result of qualitative detection， accordingly， the defect position and type of the duct were confirmed. On the basis of the Yiwu-Wuyi highway project. The paper tested the duct grouting density of all the prestressed beam of the project by nondestructive testing technology. The test result could reflect the duct grouting density and defect position comparatively accurately， and could also distinguish the defect type in principle of duct grouting.

prestressed concrete beam； nondestructive testing； grouting density； qualitative detection； location detection

U446.2

A

1672-9889（2016）02-0053-05

梁波（1983-），男，江蘇南京人，工程師，主要從事公路橋梁檢測工作。

（2016-01-06）