预应力混凝土梁孔道灌浆密实度无损检测技术的研究及应用

梁 波，何文政（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）



预应力混凝土梁孔道灌浆密实度无损检测技术的研究及应用

梁 波，何文政
（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

预应力混凝土梁孔道灌浆密实度是影响公路桥梁质量问题的主要因素之一。采用无损检测技术，以冲击弹性波为检测媒介，通过多种检测方法分别对预应力梁孔道进行定性测试，同时提出一套更加严谨的灌浆质量评判标准，如判定不合格，再根据定性测试的结果对有缺陷的孔道进行定位测试，从而确定孔道缺陷位置及缺陷类型。文章依托义乌至武义公路工程，运用无损检测的方法对该工程中所用的预应力梁进行了孔道灌浆密实度检测，测试结果能够较为准确地反映孔道灌浆密实情况及缺陷位置，并能基本判别出缺陷的类型。

预应力混凝土梁；无损检测；灌浆密实度；定性检测；定位检测

近年来，随着公路桥梁工程建设的蓬勃发展，预应力混凝土梁被广泛运用到桥梁建设的项目中，而预应力孔道灌浆是后张法预应力混凝土结构的一道非常关键的工序，重要性显著［1-2］。如果预应力孔道压浆不密实，使得预应力筋和周围混凝土之间没有很好的结合，使得共同抵抗外界荷载的协调能力差，另一方面，尚未排除的水和空气使得预应力钢绞线材料容易发生腐蚀，造成有效预应力降低，严重时在外界荷载作用下钢绞线可能会发生断裂，从而直接影响到预应力的效率和预应力钢绞线的使用寿命，进而影响桥梁的耐久性和安全性［3-4］。因此，孔道灌浆的质量问题被我国交通部列为公路桥梁建设中的十大质量通病之一。

1　概述

无损检测技术相对于一般标准试块破坏检测具有明显的优势和特点，比如操作简单快捷；检测时不会产生构件破坏；能较为客观地测出混凝土的强度与质量等；随着新技术、新材料和新工艺的不断快速更新发展，对无损检测技术也提出了更高的要求［5］。

长期以来，国内外众多专家学者对预应力梁的无损检测技术开展了大量的研究及开发，形成了多种无损检测的方法，按测试所采用的媒介来区分，分为基于电磁波的检测方法（如电磁雷达），基于超声波的检测方法及基于冲击弹性波的检测方法。通过众多工程经验与理论分析得知，电磁雷达法受钢筋的影响较大、适用范围窄、对缺陷不敏感、测试精度低［6-7］，基于超声波的检测方法作业性差，效率较低实用性低［8-9］；而基于冲击弹性波的检测方法目前被认为是“最有前途的”检测方法［10］。然而前人在对孔道灌浆密实度检测时仅采用某一种检测方法来进行判定，得出的结果精确度较低，本文以义乌至武义公路工程（义乌段）为研究背景，以冲击弹性波为检测媒介，结合国内外多种检测方法，综合检测结果，提出了一套较为精确的，能够更加准确评判孔道灌浆密实度质量的方法，并在此项目中进行了实施运用

2　检测方法及原理

基于冲击弹性波的检测方法是借助弹性波的传播和反射特性，对预应力梁灌浆孔道进行定性和定位检测。定性测试效率高，测试时间较短，但是难以判断缺陷的位置和类型，而定位测试精度较高，能对缺陷类型和位置进行确定，但是测试时间长，效率相对较低，因此在实际检测过程中可以分类别分方法对预应力梁进行检测，即如果定性检测合格则认为孔道灌浆密实度符合要求，检测到此为止，对于一些定性检测不合格的预应力孔道，若要找出缺陷位置及确定缺陷类型的梁需再使用定位检测。此方法仅适用于锚头未封闭的梁。

2.1定性测试

定性检测是通过对露在两端表面的锚头或者钢绞线进行激振和拾振，分别在锚头两端固定一个传感器，用激振导向器尖端部分紧贴钢绞线端面中心部位，然后敲打激振导向器，分别记录下预应力梁两端的测试数据，从而对压浆密实度的情况进行分析［11］。在一次测试过程中，可以同时完成对3种方法的测试（PLEA、FLPV、PFTF）的测试，通过测试结果间的相互印证提高测试精度，测试示意图如图1所示。

图1　灌浆密实度的定性检测

2.1.1全长衰减法（FLEA）

在锚索的一端激振产生的信号传递到锚索另一端时，在传递过程中会发生能量的衰减即是全长衰减法的原理。一般而言，灌浆越密实，混凝土与钢绞线结合性较好，振动能量在混凝土中逸散越快，其衰减也就越大，振幅比越小；反之，若孔道灌浆密实度较低，存在局部空洞或缺陷则能量在传播过程中逸散的会较少，衰减小，振幅较大。因此，用能量比（即接收信号与激发信号的振幅比）来反映灌浆密实度，能量比越小越密实，填充密实情况如图2所示。

图2　全长衰减测试示意图

2.1.2全长波速法（FLPV）

全长波速法是通过测试弹性波经过锚索的传播时间，并结合锚索的距离计算出弹性波经过锚索的波速（通常测试P波波速）。一般情况下波速与灌浆密实度有一定的相关性，即随着灌浆密实度的增加，波速逐渐减小，当灌浆密实度达到100%时，测试的锚索的P波波速接近混凝土中的P波波速，当未灌浆时，测试的锚索P波波速越接近锚索的P波波速，以此方法来判断孔道灌浆密实度情况［12］，测试波速与灌浆密实度的关系如图3所示。

图3　全长波速法测试示意图

另一方面，基于等效模量法，灌浆密实度Sr与测试波速V的关系可表示为：

式中：As为孔道中钢绞线的面积；A为孔道面积；Vs为钢绞线中弹性波波速，Vs取5.01 km/s；Vg为灌浆料中弹性波波速；ρs为钢绞线的密度，可取7 800 kg/m3；ρg为灌浆料的密度，可取2 400 kg/m3，ζ为修正系数，反映孔道壁以及周围混凝土的影响，可通过孔道灌浆饱满的实测波速Vf来标定，如下：

式（2）带入式（1）得：

由式（3）可知，只要测出Vf和Vg，即可以得出灌浆密实度，另外，当Vg＞Vf时，ζ取1。

2.1.3传递函数法（PFTF）

传递函数法是指用激振锤在预应力梁的一端进行激振，如果在另一端存在不密实情况，就会在接收端产生高频振荡，通过对比接受信号与激发信号相关部分的频率变化，可以判定锚头两端附近的缺陷情况，如图4所示。当激振端附近钢绞线存在不密实现象时，激振端的传感器拾取的振动信号的频率也会增加，另外，若钢绞线未充分张拉，或者未灌浆部分过长时，其自振频率反而可能会降低，因此实际测试结果应结合张力测试的结果综合判断。

图4　传递函数法示意图

2.1.4定性检测灌浆质量判断标准

为了将定性检测的结果定量化，引入灌浆指数If，定义当灌浆饱满时，If=1，而当孔道完全未灌浆时，If=0，对于上述3种方法得到的灌浆指数值相应地可以表示为IEA、IPV、ITF，此时综合灌浆指数可以表示为：

从式（4）可以看出，式中的每个检测的数值对最后结果都有较大的影响，如果测得的某种检测方法的灌浆指数值较低，综合灌浆指数的值也会相应地有较大变化。通过工程实践与理论分析得知，当综合灌浆指数大于0.95时，表示孔道灌浆质量较好，而灌浆指数低于0.85时表明孔道灌浆质量较差，若要找出预应力梁孔道缺陷位置及缺陷类型，则需进一步进行定位检测。

2.2定位检测

在检测过程中，如果发现预应力梁孔道灌浆出现不合格，则需要进行缺陷定位并确定缺陷类型，从而用适合的方法对缺陷进行修补。定位测试是在定性测试的基础上进行的，即沿着预应力孔道位置依次进行激振测试，根据弹性波的反射特性来找出预应力梁孔道缺陷的位置坐标，标出孔道缺陷位置，操作方法如图5所示。当激振到预应力孔道缺陷的位置，激振的弹性波会在缺陷处产生较多的反射，从而导致弹性波从梁底部反射回信号接收器所用的时间比压浆饱满的时候反射回来的时间要长。另外，当激振信号产生的结构自由振动的半波长与缺陷的埋深接近时，缺陷反射与自由振动可以产生共振现象，使得自由振动的半波长趋近于缺陷埋深。因此IE法不仅可以检测出缺陷的位置，还可以推断出灌浆缺陷的类型及规模大小。

图5　灌浆密实度定位检测

为了对定位测试的结果进行评判，这里引入灌浆率指数D，令灌浆饱满时D =1，完全未灌时D =0，孔道压浆质量健全时权重为1，松散性权重为0.5，上部小空洞权重为0.5，大空洞权重为0，灌浆率可表示为：

式中：NJ为健全测点数；NS为松散性测点数；NX为上部小空洞测点数；ND为大空洞测点数；M为总测点数。

一般情况下当D＞0.95时，孔道灌浆质量为优，0.9＜D＜0.95为良，D＜0.9时应考虑对其进行处理，处理缺陷时可依据缺陷类型进行判断，缺陷类型示意图如图6所示。图6（a）表示孔道灌浆饱满，没有任何缺陷，为健全型；图6（b）是由于灌浆材料的强度和刚度较低，从而导致混凝土灌入时显得较为松散，但是这种情况仍然保持着混凝土结构的连续性，与钢绞线仍然保持着协调抵抗变形的功能，仍然对预应力筋起到保护作用，为松散型；图6（c）和6（d）为空洞型的状态，这种情况容易侵入空气和水或者尚有未排除的空气和水，为最不利状态，根据空洞的规模大小，不利程度也有所不同，空洞越大越为不利。判断出孔道缺陷及位置后，对于空洞位置可采用钻孔灌浆的方法进行密实处理。

图6　缺陷类型示意图

3　工程实例

义乌至武义公路工程（义乌段）起点位于义乌市佛堂镇田心村附近，全长为22.966 km。项目组对K0+000～K22+966段工程内的预应力梁运用预应力混凝土梁多功能检测仪（SPC-MATS），采用抽查的方式进行孔道灌浆密实度检测，其中，在对YW-1标的雅西大桥，编号为2-4#的中梁的检查中，对定性测试和定位测试的方法进行了验证。中梁立面图如图7所示，随机选取预应力梁中的两个孔道即N3和N4孔道分别运用定性测试和定位测试的方法对其预应力梁孔道灌浆密实度进行检测，定性检测的结果如表1所示，从表中灌浆质量的结果可以看出N3和N4孔道的灌浆质量符合要求，但是N3和N4孔道的灌浆密实度都未达到灌浆质量较好的情况，为了验证定性测试的结果，项目组又对N3和N4孔道进行了定位测试。

表1　预应力梁定性检测结果

测试过程中以梁中部为起点定义为“0”，向左为“-”，向右为“+”，N3和N4的测试情况及结果如图8所示，通过定位测试最终确定N3孔道中在2.5 m 和-3.5 m处分别有0.4 m和0.1 m的区域不密实，缺陷类型属于松散型，其他区域均属正常；对于N4孔道，在其孔道1 m处约0.2 m区域出现了不密实现象，缺陷类型属于松散性，其他区域均属正常。针对N3 和N4孔道灌浆的缺陷位置，分别采用钻孔穿丝的方法得到了验证，并在钻孔处对孔道进行灌浆，对缺陷处进行了处理。从中可以得知即使灌浆密实度符合要求，孔道内部也可能存在一定的缺陷，因此施工过程中应尽可能地保证更高品质的灌浆质量。

图8　孔道检测结果

4　结论

本文运用无损检测技术对预应力梁孔道灌浆密实度情况进行了研究及应用，采用以冲击弹性波为检测媒介，综合了多种检测方法对预应力梁孔道灌浆情况进行测定及综合评判，可以得到以下结论：

（1）预应力梁的孔道灌浆密实度问题是公路桥梁建设中的十大通病之一，灌浆不饱满将直接影响桥梁结构的安全性和耐久性。本文提出了以冲击弹性波为检测媒介，综合多种检测方法并将其结果定量化，形成一套更加精确的孔道灌浆质量评判标准，使得检测结果更加精确，更加合理。

（2）对于锚头未封闭的预应力梁纵向孔道灌浆密实度的测试方法分为定性测试和定位测试，定性测试的结果包括了全长衰减法、全长波速法、传递函数法3种测试的结果，综合测试的结果较为精确，且测试效率高，但是难以判断缺陷的位置和类型。而定位测试虽然测试精度高，不仅能找出缺陷位置还能确定缺陷类型确定修补方案，但是测试时间长，效率相对较低，因此在实地测试时应将两种测试方法相结合，提高测试效率。

（3）运用定性和定位测试对义乌至武义公路工程中某预应力梁进行灌浆密实度无损检测，经测试，定性检测和定位检测相结合的检测技术，基本能够检测出预应力灌浆的密实情况和预应力孔道的缺陷位置，并基本判断出缺陷的类型，并能够较好地达到测试精度和效率的平衡。

（4）即使灌浆密实度测试结果符合要求，孔道内部也可能存在一定的缺陷，而人员因素和技术水平是造成孔道灌浆密实度质量问题的关键因素，因此在施工期间应加强施工现场的管理，严格把控灌浆质量，提高灌浆技术。

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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，江苏南京人，工程师，主要从事公路桥梁检测工作。

（2016-01-06）