龔士林，馮新

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

隨著預應力施工技術越來越廣泛地應用于混凝土結構中，因預應力管道壓漿不密實導致結構耐久性降低的問題日益突出。管內(nèi)漿體的作用是保護預應力筋以及使預應力筋與管外混凝土形成整體，如果存在壓漿不密實的情況，空氣和水分進入預應力管道中，極易造成預應力筋銹蝕，進而降低結構的耐久性和承載能力，嚴重的甚至會導致結構坍塌。由于壓漿缺陷隱蔽于管道內(nèi)部，傳統(tǒng)方法難以將其檢測出來，所以必須采取有效方法檢測預應力管道壓漿質量。

國內(nèi)外學者已經(jīng)對預應力管道壓漿質量的檢測開展了一些研究，采取的主要方法有沖擊回波法、超聲波探測法和探地雷達法，這些方法均為在結構表面激發(fā)信號波使其進入結構內(nèi)部，通過接收和分析反射波或者透射波信號判斷管道內(nèi)部的壓漿質量，基本上可以做到將壓漿缺陷識別出來，得到比較滿意的檢測結果。但是，現(xiàn)有方法均為點式檢測，而實際上壓漿缺陷有可能產(chǎn)生于結構中管道的任意位置，這就需要在結構表面布置大量測點并逐一檢測，效率低，成本高，而且對于大型結構，測點的密集程度也難以保證，容易產(chǎn)生缺陷漏檢的情況。因此，設計一種檢測效率高、受檢測環(huán)境影響小的分布式測量方法對預應力管道的壓漿缺陷進行檢測十分必要。

分布式光纖傳感器(DFOS)具有高精度、便于安裝、受檢測環(huán)境影響小、能夠做到分布式測量等優(yōu)點，可以彌補點式檢測技術的不足，已經(jīng)廣泛地應用于混凝土結構的無損檢測。DFOS能夠對其沿線溫度場進行實時測量，若將其布設在結構內(nèi)部，便可以獲取不同時刻結構的溫度分布情況，并對溫度異常部位進行精準識別和定位。該文提出一種基于分布式光纖傳感技術的預應力管道壓漿質量檢測方法，通過物理試驗和數(shù)值模擬，將設計的具有主動加熱功能的DFOS布設于預應力管道內(nèi)部，對壓漿缺陷進行識別和定位，并研究壓漿密實度對溫升的影響，為預應力管道壓漿質量的檢測提供新的思路。

1 檢測原理及方法

1.1 檢測原理

預應力混凝土結構中，若存在壓漿不密實的情況，一般會在管道內(nèi)某位置產(chǎn)生空洞，即壓漿缺陷。由于空氣和水泥漿體的熱學性質不同，從而在相同外界條件下壓漿缺陷與壓漿密實位置的溫度也不相同。但是，在常溫下空氣與水泥漿體的溫度差異并不明顯，所以需要在管道內(nèi)部設置熱源，將壓漿缺陷與壓漿密實位置的溫度差異信號放大。而對于不同規(guī)模的壓漿缺陷，管道內(nèi)空氣的比例有所不同，加熱后溫升值也會存在差異。此時，若能夠獲取熱源沿線的溫度分布情況，便可以將壓漿缺陷檢測出來，并且可以根據(jù)溫升值對管道壓漿密實度進行定性評估。

DFOS可實現(xiàn)對其沿線溫度場進行實時測量，若將DFOS與加熱絲集成在一起，設計一款同時具有加熱和測溫功能的DFOS，便可以用于預應力管道壓漿缺陷的檢測，加熱型DFOS的三維結構見圖1。

圖1 加熱型DFOS三維結構示意圖

1.2 檢測方法

預應力混凝土結構的施工程序繁瑣，對施工工藝要求較高，因此需要相應的DFOS布設方法與之相匹配，才能夠保證DFOS在施工過程中具有較高的存活率。對于大型預應力混凝土結構，每根預應力管道中一般會布設多根預應力筋，并且每隔一定間距會設置由預應力管道通往混凝土上部的排氣孔。該布設方法采用強力膠將金屬線卡按照一定間隔黏結于位于管道最頂端的預應力筋上部，將DFOS穿過線卡與鋼絞線固定在一起，并且在DFOS與線卡之間需留有空隙，以保證在張拉鋼絞線過程中不會對DFOS造成損壞，隨后將固定有DFOS的鋼絞線穿入預應力管道內(nèi)部，使DFOS的引線從管道兩側的排氣孔引出，DFOS布設示意圖如圖2所示。

圖2 DFOS布設示意圖

待預應力管道中的水泥漿體達到終凝之后，便可以進行壓漿缺陷的檢測。采集加熱過程中DFOS的溫度數(shù)據(jù)，通過識別DFOS上溫度異常的測點，便可以將壓漿缺陷檢測出來，并進行定位，進一步分析各溫度異常測點在傳熱穩(wěn)定時的溫升值，對壓漿缺陷位置的密實度進行定性評估，達到對預應力管道壓漿質量檢測的目的。

2 試驗系統(tǒng)

2.1 試驗裝置

為了模擬預應力管道中壓漿缺陷的真實檢測環(huán)境，設計了一個原型試驗來檢驗DFOS檢測管道壓漿缺陷的實際效果。如圖3所示，主體為一個長、寬、高分別為270、52、56 cm的混凝土試件，內(nèi)部設置4根外徑為70 mm、壁厚為1 mm的金屬預應力管道(該文僅對1#預應力管道壓漿質量進行研究，暫不考慮其他工況)，管道長290 cm，在混凝土試件兩端各伸出10 cm，用于安裝壓漿孔和排氣孔。每根預應力管道內(nèi)部設置一根直徑為15.2 mm的預應力筋，DFOS通過線卡固定于預應力筋上方，并且在DFOS與線卡之間留有空隙，以防止在張拉預應力筋過程中對DFOS造成損壞，DFOS兩端在預應力管道兩側的壓漿孔和排氣孔引出。試驗中摒棄了現(xiàn)有文獻中以軟泡沫模擬壓漿缺陷的情況，而是采用密封后的薄壁弓形亞克力管模擬真實壓漿缺陷，缺陷的熱學性質與實際情況相符，各缺陷的尺寸和位置設置情況如表1所示。為了保證壓漿缺陷位于管道頂部以及缺陷處DFOS距管道頂端高度d固定，采用不同高度的木質支座將預應力筋進行支撐，如圖3中1#預應力管道所示。

圖3 試件二維截面尺寸示意圖(單位：cm)

表1 各壓漿缺陷的參數(shù)設置

2.2 檢測過程

試驗中采用的DFOS溫度數(shù)據(jù)采集儀器為基于布里淵散射的分布式光纖溫度應變采集儀(BOTDA系統(tǒng))，型號為NBX-6050。該儀器可實現(xiàn)1 cm的最小采樣點間隔，5 cm的最小空間分辨率以及0.35 ℃的溫度測量精度。在檢測時，將DFOS中傳感光纖通過跳線與數(shù)據(jù)采集儀相連，形成光信號回路；DFOS中的加熱絲與調(diào)壓器連接，用于設定合適的功率對DFOS進行加熱。為了DFOS能夠充分傳熱，獲取傳熱穩(wěn)定時的溫度數(shù)據(jù)，將加熱時間設定為1 200 s，加熱功率設定為15 W/m。設定DFOS數(shù)據(jù)采集儀的采樣間隔為5 cm，空間分辨率為10 cm，采集加熱升溫及后續(xù)降溫過程中DFOS的溫度數(shù)據(jù)。

3 試驗結果及分析

3.1 壓漿缺陷的識別方法及其定位分析

由理論分析可知，加熱情況下，壓漿缺陷與壓漿密實位置有明顯的溫度差異，若能夠測量管道內(nèi)部全段的溫度分布情況，便可以將壓漿缺陷進行識別。試驗中設定DFOS的測點采樣間隔為5 cm、空間分辨率為10 cm，即每個測點覆蓋了左右各5 cm的測量范圍，空間分辨率大于采樣間隔，便實現(xiàn)了連續(xù)的分布式溫度測量。所以在管道內(nèi)任意位置存在壓漿缺陷，均會在DFOS的相應位置產(chǎn)生溫度異常(圖4)。由圖4可知：在加熱前(0 s)，DFOS上各測點溫度基本保持一致，表明在常溫下空氣與水泥漿體的溫度差異并不明顯，此時不能將壓漿缺陷進行識別。加熱之后，DFOS所有測點溫度開始上升，并且在DFOS溫度分布曲線上產(chǎn)生4個明顯的溫度峰，與圖3中設置的4個壓漿缺陷相對應。所以，通過識別DFOS上的溫度峰可以快速將預應力管道中的壓漿缺陷檢測出來。

圖4 DFOS溫度分布曲線

由圖4可知:加熱后壓漿缺陷位置的溫度明顯高于其他位置，并且距離壓漿缺陷中心最近測點的溫度高于相鄰其他測點，將該測點稱為定位測點。而定位測點體現(xiàn)在DFOS溫度分布曲線上即為溫度峰的頂點，因此可以將溫度峰頂點的位置認為是壓漿缺陷的縱向位置，從而將壓漿缺陷進行定位。但是，定位測點與壓漿缺陷的中心位置可能并不重合，兩者位置存在一定偏差，即為定位誤差。試驗中設定測點采樣間隔為5 cm，即壓漿缺陷中心距定位測點最大距離為2.5 cm，因此該試驗中壓漿缺陷的最大定位誤差為±2.5 cm。圖4中溫度峰頂點的縱向位置分別為51.3、107.8、164.2和220.7 cm，與表1中設定的壓漿缺陷縱向位置相比，定位偏差分別為-1.2、0.3、1.7、3.2 cm，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，是因為試驗中需要布置壓漿缺陷，因此實際所用DFOS的長度略大于圖3中所設計的尺寸，便形成定位偏差累計逐漸增大的情況。但是，前3個缺陷的定位偏差仍在最大定位誤差±2.5 cm范圍之內(nèi)，說明該定位誤差具有較高的可靠性。

3.2 溫升與壓漿密實度的關系分析

選取壓漿密實位置和1#～4#壓漿缺陷位置(壓漿密實度分別為100%、86.5%、67.9%、50%和32.1%)的測點作為特征點，分析其在加熱800 s后溫度達到穩(wěn)定時的溫升與壓漿密實度之間的關系,結果如圖5所示。

圖5 溫升與壓漿密實度的關系示意圖

由圖5可知：當壓漿密實度為100%時，預應力管道中全部為水泥漿體，其熱擴散系數(shù)較小，因此溫升僅為12.27 ℃；當壓漿密實度為86.5%時，管道中存在空氣，而空氣的熱擴散系數(shù)遠高于水泥漿體，因此溫升達到37.09 ℃；當壓漿密實度為67.9%時，空氣所占比例增大，溫升繼續(xù)增長到46.13 ℃；而當壓漿密實度降為50%和32.1%時，溫升分別為46.48、46.49 ℃，基本不再增長。所以，當管道內(nèi)的壓漿缺陷較小時，溫升可以用于壓漿密實度的評估，溫升越大，壓漿密實度越??；當管道內(nèi)壓漿缺陷較大時，溫升趨于穩(wěn)定，不再適用于壓漿密實度的評估。而溫升所能評估的壓漿缺陷大小的界限，在試驗結果中無法得知，因此通過數(shù)值模擬的方式，設置更多壓漿缺陷工況，對溫升評估壓漿密實度的能力進一步研究。

4 數(shù)值模擬

為了驗證物理試驗所得結論的可靠性，以及分析溫升所能評估壓漿缺陷尺寸的界限，建立三維數(shù)值模型進行對比分析。在此模型中，混凝土、水泥漿體等的形態(tài)為固體，壓漿缺陷(空氣)的形態(tài)為流體，并且需要對模型進行熱傳導分析，同時涉及到流、固、熱多物理場的耦合分析，因此研究中選用適合多物理場建模仿真的COMSOL Multiphysics軟件，并且采用其熱傳遞模塊對模型進行瞬態(tài)熱分析求解。

4.1 三維有限元數(shù)值模型

借助COMSOL Multiphysics自帶建模工具建立三維數(shù)值模型，在物理試驗中壓漿缺陷工況基礎上增加4個不同尺寸的壓漿缺陷，如圖6所示。將壓漿缺陷的材料設定為軟件內(nèi)置材料庫中的氣體材料Air，混凝土、水泥漿體等通過手動輸入其常用熱學參數(shù)的方式賦予材質屬性。設定模型整體初始溫度以及外界環(huán)境溫度均為10 ℃，模型外表面與外界空氣產(chǎn)生熱對流換熱，對流系數(shù)為5 W/(m2·℃)。因壓漿缺陷空腔封閉，且體積較小，所以將流體的流態(tài)設定為可壓縮層流，并且考慮其受到重力的影響。將DFOS設置為熱源，前1 200 s加熱功率選用15 W/m，后800 s加熱功率為0，即前1 200 s為加熱升溫階段，后800 s為冷卻降溫階段。采用自由劃分網(wǎng)格的方式，將三維模型劃分網(wǎng)格，并將壓漿缺陷部位(流體)進行細化處理，如圖7所示。設定總求解時間為2 000 s，步長為25 s，對三維模型進行熱傳遞的瞬態(tài)非線性求解。

圖6 數(shù)值模擬壓漿缺陷工況示意圖

圖7 三維模型網(wǎng)格劃分

4.2 數(shù)值模擬結果分析

圖8為將數(shù)值模擬所得各壓漿密實度工況的溫升與物理試驗對比結果。由圖8可以看出：當壓漿密實度分別為100%、86.5%、67.9%、50%和32.1%時，對應的溫升差為3.92、-2.39、1.68、2.07和2.36 ℃，吻合度較高，說明物理試驗中所得結論是可靠的。

圖8 物理試驗與數(shù)值模擬對比分析

圖9為數(shù)值模擬溫升與壓漿密實度的關系圖。由圖9可知：隨著壓漿密實度的降低，溫升逐漸增長，當密實度降為84.3%時，溫升為42.58 ℃，而當密實度繼續(xù)降為67.9%時，溫升為44.45 ℃，僅增長1.87 ℃。因此可以得出結論：當壓漿密實度為84.3%以上時，溫升可以用于壓漿密實度的評估，溫升越大，壓漿密實度越??；而當管道壓漿密實度小于84.3%時，溫升趨于穩(wěn)定，與壓漿密實度關系則不太明顯。而在實際工程中，對壓漿缺陷檢測所關注的結果有兩個：① 判斷預應力管道中是否存在壓漿缺陷；② 預應力筋是否暴露在壓漿缺陷內(nèi)部，從而導致其易銹蝕。因此，一般只需要定性評估較小壓漿缺陷的規(guī)模，判斷其是否與預應力筋相接觸，而對于已經(jīng)覆蓋到預應力筋的較大壓漿缺陷規(guī)模則不太關注。而圖6顯示，當壓漿密實度為84.3%時，壓漿缺陷已經(jīng)覆蓋到預應力筋的上部，所以基于DFOS的預應力管道壓漿缺陷的檢測方法可以有效判斷預應力筋是否處于易銹蝕環(huán)境中，能夠滿足實際工程中壓漿缺陷檢測的應用要求。

圖9 數(shù)值模擬溫升與壓漿密實度的關系示意圖

5 結語

根據(jù)對預應力管道內(nèi)壓漿缺陷的熱學分析，設計一款具有主動加熱功能的DFOS，提出一種基于分布式測溫技術的預應力管道壓漿缺陷檢測方法，并采用物理試驗和數(shù)值模擬的方式驗證該檢測方法的有效性。研究表明：該檢測方法僅需要在預應力筋上部布設DFOS，與預應力結構的施工工藝無縫銜接，便于工程應用。DFOS可以準確獲取加熱過程中預應力管道內(nèi)部的溫度分布情況，對壓漿缺陷導致的溫度異常較為敏感，通過檢測DFOS上溫度異常測點，可實現(xiàn)壓漿缺陷的識別和定位。當管道壓漿密實度為84.3%以上時，可采用溫升對壓漿密實度進行定性評估，溫升越大，壓漿密實度越小。物理試驗表明該方法可同時對預應力管道內(nèi)的多個壓漿缺陷進行有效識別，并且對于結構中多根預應力管道均為獨立的檢測，不會出現(xiàn)管道間互相影響的情況，有效避免了點式方法檢測效率低、對檢測環(huán)境要求高、容易漏檢的局限性。