超声波检测预应力波纹管孔道压浆质量的试验研究

王锋　张峰

摘 要：针对应用超声波检测预应力波纹管孔道压浆质量的问题，通过人为对波纹管孔道设置缺陷，在波纹管孔道全空、1/4密实、1/2密实、3/4密实、完全密实并埋入混凝土板中的各种情况下，再使用超声波检测。试验结果证明：超声波法可有效评价预应力波纹管孔道的压浆质量。

关键词：预应力波纹管；压浆质量；超声波检测；首波声时

中图分类号：U446.1 文献标志码：B

0 引 言

近年来，桥梁建设得到了突飞猛进的发展，不同类型的桥梁工程纷纷涌现。由于预应力混凝土与钢筋混凝土结构相比，具有抗裂性好、刚度大、节省材料、结构安全及质量可靠等优点，而逐渐被人们重视并应用到各种大型建筑中[1]。预应力钢筋作为预应力混凝土结构的重要组成部分，在结构承载方面发挥着巨大的作用，其中预留孔道的压浆质量对于保证预应力效果、增强结构耐久性等有重要意义。工程设计中要求预应力束管道内必须压满砂浆，以防止水分侵入而锈蚀钢筋；但在实际工作操作中，由于压浆方法不当导致管道堵塞、压浆不密实等情况时有发生。针对此类问题，前苏联的弗格瓦罗首次将超声波检测与回弹检测一起运用，来检测混凝土的密实度和强度，开辟了综合检测的新途径。自20世纪70年代开始，中国多次组织力量合作攻关，在无损检测技术的研究和应用方面不断创新，使得超声波缺陷检测技术得以规范化。鉴于超声波首波声时参数受外界环境影响较小，因此在混凝土缺陷测定中可以将其作为主要的判断依据[2]。本文将研究以超声波首波声时作为主要检测手段，对混凝土缺陷进行准确定量的评估。

1 超声波检测原理

混凝土是非均质的弹粘塑性材料，它对超生脉冲波的吸收、散射衰减较大，其中高频成分更易衰减，而且混凝土声速会在相当大的范围内变化，不可能事先设置一个判断缺陷的指标。因此，用于混凝土检测的超声法，系指采用带波形显示功能的超声波检测仪和频率为20～250 kHz的声波换能器，测量超声脉冲波在混凝土中的传播速度（简称声速）、首波波幅（简称波幅）、接收信号波形及主频率（简称主频）等声学参数，并根据这些参数及其变化，判断混凝土中的缺陷情况。

利用超声脉冲波检测混凝土缺陷依据的是以下原理[3]。

（1） 超声脉冲波在混凝土中遇到缺陷时会产生绕射，可根据声时及声程的变化、波幅变化，判别和计算缺陷的性质和大小。

（2） 超声脉冲波在缺陷界面产生散射和反射，到达接收换能器的声波能量（波幅）显著减小，可根据波幅变化的程度判断缺陷的性质和大小。

（3） 超声脉冲波通过缺陷时，部分声波的路径和相位会产生变化，不同路径或不同相位的声波叠加后，会造成接受信号波形畸变。

（4） 超声脉冲波中各频率成分在缺陷截面衰减程度不同，接受信号的频率程度不同，可根据接收信号主频或频率谱的变化分析判别缺陷情况。

超声波法是由发射换能器在预留孔道位置的混凝土表面施加瞬时声波能量，产生的声波有纵波、横波和表面波三种波形，这些波在混凝土内部进行传播，在缺陷处发生明显绕射现象[3-4]。在固体弹性介质中，纵波波速（CL）最大，横波波速（CS）次之，表面波波速（CR）最小。对于一般材料而言，CL≈2CS，CR≈09CS。考虑到质点的振动方向与波的传播方向一致，故主要研究纵波的传播效应。本文采用了超声波检测方法中的对测法作为检测手段，通过缩小采样间隔，可以较为准确地确定出首波声时的具体时间，进一步寻找首波声时与板厚、缺陷之间的关系。检测流程如图 1所示。

图1 超声波对测法检测流程

超声波首波声时法可以用于波纹管孔道中缺陷大小的判定。通过超声波在混凝土中的传播速度V和超声波在混凝土中的传播路径D，得到首波声时公式

t=1/f=D/V（1）

式中：V为超声波在混凝土中的传播速度；D为超声波传播路径；t为首波声时；f为通过傅里叶变换得到的波的共振频率。

首波声时检测原理依据公式（1）中不同缺陷程度下的首波声时t，对波纹管缺陷进行定量评估。其中，波纹管缺陷越大，超声波的绕射现象越明显，传播路径D也就

越大。超声波在金属管道内的传播速度是其在混凝土中传播速度的13倍，考虑到金属波纹管壁厚较薄，该影响可以忽略不计[5]。

2 预应力孔道超声波响应

超声波在混凝土内部经过均质混凝土、压浆密实孔道、压浆未密实孔道、未压浆孔道后，由接收器采集到不同的首波声时信号[6]。

2.1 均质混凝土

无波纹管孔道的混凝土超声波响应与测量混凝土板厚的原理相同，超声波由安置在混凝土构件一侧的发射换能器发射，沿直线传播并抵达对侧面，由传感器接收。此时，首波声时t1的计算公式为

t1=1/f1=D1/V

式中：D1为均质混凝土构件的板厚；f1为响应频率。

2.2 压浆密实孔道

考虑到金属波纹管对首波声时的影响非常小，超声波经过压浆密实的波纹管孔道与无波纹管孔道混凝土中的传播原理相同。此时，首波声时t2的计算公式为

t2=1/f2=D2/V

式中：D2为压浆密实孔道混凝土构件的板厚；f2为响应频率。

2.3 压浆未密实孔道

当超声波经过压浆未密实孔道时，超声波会产生明显的绕射现象，传播路径D大于板厚。图2可以清楚地显示出，混凝土缺陷越大，传播路径D越大。此时，首波声时

t3的计算公式为

t3=1/f3=D3/V

式中：D3为压浆未密实孔道的混凝土构件的厚度；f3为响应频率。

图2 超声波检测纵断面

2.4 未压浆孔道

未压浆孔道超声波响应与压浆未密实孔道类似：传播路径比压浆未密实孔道还要长，其首波声时t4>t2，响应频率f4

3 模型试验

3.1 检测仪器

检测仪器为北京智博联科技有限公司的ZBL-U520非金属超声检测仪，如图3所示。该仪器是一款便携式超声波测试产品，采样周期为005～400

发射频率为50 kHz，在无缺陷混凝土中对测穿透距离可达10 m，电火花震源单次激励穿透距离大于50 m。其自带的数据分析软件可进行数据处理、显示及从PC上打印，可发现诸如孔洞、裂缝、蜂窝等内部缺陷，还可下载波形数据及测试结果到PC上，进行全面的厚度/缺陷分析。

图3 ZBL-U520非金属超声检测仪

3.2 模型试件制作

模型试验使用的混凝土标号为C50，配有少量的Φ16 mm构造钢筋和波纹管定位钢筋，波纹管布置距混凝土试件上下界面相等[7]，设计板厚分别为25、40 cm的两种混凝土构件，如图4、5所示。试件尺寸及参数如表1所示。

人为对波纹管孔道设置缺陷，将一根完整的金属波纹管截为70 cm（保证有效检测长度为50 cm）。在浇注混凝土前，采用人工灌浆至完全密实、3/4密实、1/2密实、1/4密实和全空。先将波纹管一端封住，竖向灌注砂浆至相应密实程度，然后将波纹管另一端封住并水平放置养护，待砂浆初凝后将两端封口拆除，并用套管将不同缺陷的波纹管拼接成一根。

沿混凝土试件横向等距布置3根内径为5 cm的金属波纹管，选用Φ16 mm钢筋弯成U形作为波纹管的固定钢筋，纵向每隔20 cm布置一个。波纹管混凝土板模型俯视、纵向截面剖切如图6、7所示。

图6 混凝土板模型俯视

图7 混凝土板模型截面剖切

3.3 测点布置与参数设置

在混凝土板表面对应预应力波纹管埋设的位置，沿波纹管长度方向每隔1 cm均匀标注测点，共计11个测点。用砂纸将作业表面打磨平整，并在测点处均匀涂抹一定量的耦合剂。每个测点测试3次并对异常测点进行复测。

使用与混凝土板同期制作、强度相同的混凝土标准试块进行混凝土应力波波速标定。现场测得波速Vp约为4 000 m·s-1，采样间隔为0.4

换能发射器发射频率为50 kHz。

3.4 检测结果

现阶段使用超声波首波声时法检测预应力孔道压浆质量没有国家规范，一般以首波声时作为主要的评判依据[8-10]。对波纹管孔道完全密实、3/4密实、1/2密实、1/4密实、全空等5类不同测点位置进行现场测试如表3所示，得出的检测结果如下。

（1） 波纹管孔道完全密实。

如图8所示，该处测点时谱响应信号显示：板厚25 cm的混凝土试件首波声时t=64.4

。现场测得的超声波声速Vp约为4 000 m·s-1，按照公式（1）计算得到深度分别为2576、3936 cm，与实际混凝土板厚（256、435 cm）基本相符。

图8 混凝土试件时域声时响应

（2） 波纹管孔道未填充密实。分别对25、40 cm厚的混凝土构件不同密实度11个测点的测试平均值进行图谱分析，如图9～11所示。

从时谱曲线可以看出，首波声时在同一板厚、不同密实度以及不同板厚、同一密实度两种情况下，均有着较为明显的变化规律。针对此特点，在同一板厚前提下，分别对从不同密实度的11个测点取得的数据进行数理统计，取其平均值，并进行图谱分析，

表2 25 cm试件各测点首波声时值

4 结 语

（1） 首波声时法中的首波声时与声通路有着较为紧密的联系，能够形成特定的时谱曲线。

（2） 超声波经均质混凝土、压浆密实孔道、压浆未密实孔道、未压浆孔道后会产生不同的首波声时响应规律。

（3） 超声波首波声时法检测在25 cm和40 cm两种板厚的混凝土构件中，有着类似的首波声时规律。

（4） 通过人为对波纹管孔道设置缺陷，进行现场模拟超声波首波声时检测，验证了首波声时理论分析和该测试方法的可靠性，表明首波声时法可以有效地检测波纹管孔道的压浆质量。

参考文献：

[1] 姜 盼.超声波检测预应力梁孔道压浆质量的试验研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2012：3-7.

[2] 周先雁，肖云风.用超声波法和冲击回波法检测钢管混凝土质量的研究[J].中南林学院学报，2006，26（6）：44-48

[3] 林维正.土木工程质量无损检测技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[4] 黄政宇，纪学灵，黄 靓.超声波检测混凝土缺陷成像的定性分析法[J].湖南大学学报：自然科学版，2008，35（8）：5-8.

[5] 杨天春，易伟建，鲁光银，等.预应力T梁束管道压浆质量的无损检测试验研究[J].振动工程学报，2006，19（3）：411-415.

[6] 杨 忠，梁俊辉，张升彪，等.超声成像法在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用[J].公路工程，2012，37（5）：168-171.

[7] 王 伟，水中和，王桂明，等.冲击回波法检测波纹管灌浆质量的研究及工程实践[J].混凝土，2010（5）：134-137.

[8] 杨春东.时频分析技术在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用[J].四川建筑科学研究，2012，38（4）：329-333.

[9] 马永光，刘良玉，王璋奇，等.超声波无损检测的计算机模拟[J].华北电力大学学报，2002（3）：98-101.

[10] 丁 辉，张 俊，张益成，等.超声检查声场计算模型的建立于仿真软件的开发[J].无损检测，2009，31（8）：614-618.

[责任编辑：杜卫华]endprint