冲击回波法检测预应力孔道注浆质量的研究

■熊尽柯 ■中铁二十四局集团贵溪桥梁厂有限公司，江西 贵溪 335400

在多数工程中，混凝土结构都处于非保护状态下，因此混凝土结构受到来自自然环境、使用环境以及材料内部因素的损耗，其材料会随着时间推移逐渐老化，进而将影响整个结构的性能，这是一个必然的发展结果。对于预应力混凝土桥梁，这种现象主要表现在混凝土的材性降低、腐蚀预应力束，进而造成有效预应力的损失和普通钢筋的锈蚀，预应力及普通钢筋力学性能一但锈蚀，预应力束及普通钢筋与混凝土的粘结强度必然降低，将导致结构裂缝的出现与开展。这些因素的存在，对桥梁的耐久性和力学性能都会产生十分重大的影响，严重时将直接出现工程事故。

在预应力桥梁结构中，黏结预应力混凝土的所有优势都是建立在预应力筋与混凝土黏结完好的基础之上的［1］，所以保证孔道内部质量是保证预应力结构力学性能的主要质量控制部分。怎样检测预应力管道内混凝土的缺陷是保证预应力筋与混凝土黏结完好的重要手段，是确保后张法预应力混凝土桥梁顺利发展的关键内容。对我国桥梁的建设和发展以及检测有重大意义。

1 冲击弹性波法检测原理

1.1 冲击弹性波的激发

冲击回波法作为一种新式检测方法，其基本原理是用不同直径的的钢球冲击混凝土表面引起瞬态的应力波。这里不同直径的钢球决定了弹性波的冲击能量，能量与球径的关系如式(1)所示。

式中D 是钢珠直径，h 是冲击高度。由于h 一般在10cm～20cm［1］，所以可以直接将上式简化成式(2)。

所产生的冲击波频率和振幅分别如式(3)和(4)获得。

式中fmax是最大频率;

式中λ 为波长;CP为P 波波速(由现场测得)，C50 混凝土一般值为4000m/s。

1.2 冲击弹性波的传播与接收

应力波作为一种击振波，含有纵波、横波和表面波。而纵波的传播特点是冲击回波法对混凝土结构进行无损检测的基本原理，纵波在激振产生的波中波速最大，在介质表面引起的位移比剪切波大，其传播速度与介质的容变弹性有关。当弹性波从材料1 垂直入射到材料2 时，波速受材料和波阻抗及界面形式影响，即弹性波遇到截面变化或材质变化情况下时，其反映为一种与截面和材质相关的一种抗性，我们称为波阻抗［2］。垂直入射的反射系数R 由(5)式给出:

其中Z1、Z2 表示材料1 和材料2 的波阻抗，由此可知，当弹性波由混凝土入射到空气界面时，由于空气阻抗远小于混凝土，即R≈1，表明弹性波基本全部反射，产生一反射波，反射波传回混凝土表面，并被贴合在激振点附近的压电式加速度传感器接收，转换成电信号，经放大后存储于计算机中。因为纵波为信号中的主要部分，因此厚度频率的幅值峰在频谱图中可以清晰读取。依据弹性波速度和回波频率，利用公式(6)计算得到混凝土厚度或缺陷位置。

是形状系数，对板或墙取0.96［3］，对于梁和柱该值更小，根据厚度和宽度的比值来确定。

混凝土与钢材或其他硬质材料之间界面的反射形式不同。其厚度响应与无预应力管道部分相对应，但由于预应力束的存在，会出现一个较高的频率幅值，大小可按公式(7)计算。

d 为钢束距冲击面的深度。

2 试验部分

2.1 前期试验

试验将获得两组数据，分别为实体模型已知数据、有限元模拟试验数据。前期试验采用冲击弹性波检测混凝土板内部缺陷与回波响应频率相关性的试验已经完成［5］，获得弹性波在混凝土内部不同工况下的回波频谱响应，此次试验将研究管道内部压浆质量与弹性波回波频率的相关性。

2.2 试验模型

2.2.1 实体模型

建立长宽均为0.5m，厚度为0.35m 的板6 块，板内搁置120mm 的管道，管道材质分别为金属和塑料，金属管道壁厚1mm，塑料管道壁厚为2mm。管内预应力束钢绞线将并排捆绑在一起，共四根(为与有限元模拟工况相同)，宽度为35mm(17.5mm×2)，并位于孔道底部，如图1 所示。孔道内注浆情况分别为密实注浆、部分注浆和空管。

图1 试验板尺寸图

实体模型的检测将使用基于冲击弹性波原理的多功能预应力孔道注浆质量检测仪。在对孔道注浆检测前，在非孔道位置进行声速标定，获得该批次混凝土的声速CP为均值为3860m/s，将此数据作为反算基础数值［4］。后对已经达到28d 龄期的模型，分别在顶板和底板进行检测，这里只取注浆密实孔道数据作为对比数据，故只列出该组结果，反射数据如下表3 所示:

表3 实体梁检测结果

2.2.2 有限元模型

建模使用软件ANSYS/LS-DYNA，采用SOLID164 单元，假设冲击弹性波检测板结构内部缺陷时，结构响应处于线弹性状态［7］。实际工程中，预应力混凝土梁强度等级一般大于C50，故取混凝土弹性模量为34GPa，泊松比0.2，密度为2400kg/m3，Cp 为4000m/s，冲击采用17mm钢锤，由式2 得冲击时间曰为80us。钢束位置、尺寸与实体相同。如图1 所示，在顶部和底部来模拟梁顶板和底板两种不同部位的检测情况。孔道内注浆情况分别为满灌、部分注浆和空管。

忽略管壁厚，钢束位于预应力管道上部时，钢束距测试面距离为0.115m;钢束位于预应力管道下部时，钢束距测试面距离为0.2m。

2.3 试验结果

由于已知板厚及内部注浆情况已知，可以获得以下数据:

由公式6 可以算出注浆密实孔道对应板厚频率fT为:

由公式7 可以计算出注浆密实孔道钢束反射频率fs为:

2.3.1 注浆密实孔道数据

由图2 和图3 可以读出首波峰值，分别为5.673kHz、5.428kHz。与接近，可以判定以上两个数据为板厚频率。另外两个波峰频率为8.443kHz 和8.512kHz，对应孔道钢绞线埋深频率。

由图4 和图5 可以看到板厚频率比较清晰与很接近，可以判定为板厚频率;但无法识别钢束的反射频率，主要由于这是在顶板冲击工况下，钢束的反射频率与过于接近，产生重叠，无法读出频谱值。

2.3.2 部分注浆孔道数据

由图6 和图7 可以看出，首波峰值为3.871kHz 和3.653kHz 虽然较板厚响应频率减少，但仍可认为是板厚响应频率，因为此工况是在预应力孔道部分注浆时测定的，应力波需要绕行空洞进行反射，所用时间加长，反射频率值相应变小。再由图1 可以了解，此时敲击产生的弹性波经过孔道先发生的是混凝土/金属界面反射，同样的从图6 和图7 的二波峰值分别为8.642kHz 和7.947kHz，此时与满灌时的钢束反射基本相同［8］。

由图8 和图9 可以读出首波峰值为3.653kHz 和3.476kHz，板厚频率基本没有变化，原理与地板冲击基本相同。而二波峰值却接近变化为前面的两倍。这是由于钢束位于孔道的下半部，其上孔道部分为空气，如应力波传递至此界面需要经过混凝土/空气界面，基本全反射，所以此二波峰实为孔道表面到内部空气面的反射，应由公式6 计算，为:

2.3.2 全空孔道数据

图10 全空孔道反射路径图

全空孔道发生两种反射如图10 所示，路径1，所得频值可以理解为向低频移动的板厚频率;路径2，所得频值可以理解为孔道深度，都将偏离密实注浆工况的频谱图值，但不含有孔道内部钢束的反射信息。

3 结论与展望

在结构表面敲击后产生的应力波在混凝土内部不同界面间发生透射或者反射，形成不同的回波频谱数据，冲击弹性波检测预应力结构中孔道注浆质量的关键是就是读取冲击后的回波响应。当内部出现缺陷，将导致板厚和钢束反射的明显变化，并且在经过分析实体模型和有限元模拟数据后，更加明确相对于无注浆质量问题的孔道，有缺陷的孔道回波响应将出现异动，即数据偏移［6］，在今后的试验中，为了能更好的使用冲击弹性波法检测预应力结构孔道注浆质量情况，必然需要更多的模拟验证试验来确定偏移规律，从而总结一套合理的判定标准来应用于实际工程中。

［1］王智丰，周先雁，晏班夫，等.冲击回波法检测预应力束孔管道压浆质量［J］.振动与冲击，2009，28(1).

［2］孙其臣.冲击弹性波技术在水工混凝土结构无损检测中的应用研究［D］.北京:中国水利水电科学研究院，2013.

［3］宁建国，黄新，曲华，等.冲击回波法检测混凝土结构［J］.中国矿业大学学报，2004(06).

［4］吕小彬，吴佳晔，等.冲击回波测试混凝土试件弹性波波速研究［J］.中国水利水电科学研究院.2015(03).

［5］熊尽柯，郭亮.冲击回波法对混凝土预制箱梁梁板厚度及缺陷检测技术的应用［J］.2015(12).

［6］郭佳.基于冲击回波法与支持向量机的预应力管道压浆质量评定［D］.长沙:湖南大学，2014.

［7］ANSYS/LS-DYNA 中国技术支持中心.ANSYS/LS-DYNA 算法基础和使用方法.北京:北京理工大学出版社，1999，1-53.

［8］傅翔，宋人心，王五平，等.冲击回波法检测预应力预留孔注浆质量［J］.施工技术，2003，32(11).