冲击回波法检测混凝土管道灌浆质量的影响因素分析

李星渔 柴文浩 杨雅勋

（1.阿拉善盟交通运输局，内蒙古阿拉善 200092；2.长安大学公路学院，西安 710064）

对于预应力混凝土结构，预应力管道的灌浆质量直接影响预应力桥梁的承载力和耐久性。若灌浆不密实，会导致梁体内部的预应力钢筋发生腐蚀，甚至造成桥梁垮塌［1-2］。因此，需要对预应力桥梁的灌浆质量进行检测。常用的检测方法为钻芯取样法、冲击回波法、回弹法、超声波法、地质雷达法、声波散射法、内窥镜法、红外热成像法等［3］。

冲击回波法（Impact-echo Method）是由美国康奈尔大学提出的一种无损检测方法，用于检测混凝土质量［4］。随后，冲击回波法被用于检测混凝土板的内部缺陷，混凝土杆结构和面板的缺陷，混凝土中钢筋的腐蚀损伤等［5-7］。在预应力管道灌浆质量检测方面，文献［8-10］采用冲击回波法对预应力管道内部混凝土的灌浆质量做了评估。文献［11］探究了板厚度以及影响范围对测试结果的影响。文献［12］采用数值模拟方法研究了激发点与接收点的距离对冲击回波法的影响。

本文采用数值模拟的方法对影响冲击回波法检测结果的主要因素（预应力钢筋位置、测试断面、缺陷程度、管道材质）进行分析，通过现场试验对其影响规律进行验证。

1 冲击回波法

冲击回波法是一种利用瞬态应力波在介质中的传播特性对混凝土进行检测的方法。在冲击回波测试过程中，使用钢球或锤子敲击混凝土表面会产生低频应力波（纵波、横波和表面波）。表面波沿表面传播，而纵波和横波会传播到结构内部。当纵波遇到缺陷或边界时会被反射、折射或衍射，导致混凝土表面产生瞬态共振，利用提前放置在撞击点附近的传感器接受该共振信号，再通过采集设备保存下来可进行相关分析。 采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）将该时域信号转换成频域信号，得到缺陷深度和构件厚度有关的峰值频率。其检测原理见图1。

图1 冲击回波法检测原理

文献［13-14］表明：采用冲击回波法测试时，由于不同材料的波阻抗系数不同，导致其反射频率的计算公式不同。混凝土板的厚度频率f可由式（1）确定；混凝土中有钢筋时，钢筋的反射频率Fs可由式（2）确定。

式中：αs为截面的形状系数，板状结构取0.96；D为混凝土板的厚度，计算缺陷深度时，D为缺陷顶部至混凝土表面的距离；d为钢筋的埋置深度；Vp为传波在介质中的传播速度，计算式为

式中：E为材料的弹性模量；ν为材料的泊松比；β为材料密度。

在检测预应力管道内部灌浆质量时，混凝土板中无预应力管道、灌满浆管道及部分灌满浆管道试件采集到的冲击回波信号会显示不同的特征［15］，见图2。

图2 不同管道的响应谱

2 有限元分析

2.1 模拟工况

为研究预应力钢筋位置、测试断面、缺陷程度、管道材质对检测结果的影响规律，设置以下工况（表1）：①在管道顶部和管道底部布置预应力钢筋，对应工况1—工况4；②测试断面主要包括顶（底）板、腹板，顶（底）板工况对应工况5—工况8，腹板工况对应于工况9—工况10；③通过不同的灌浆程度模拟管道内不同程度的缺陷，设置全空、1/3灌浆、2/3灌浆、完全灌浆4 种情况，对应工况5—工况8；④设置金属波纹管、塑料波纹管2种管道，对应工况5—工况8。

表1 模拟工况

2.2 模型参数

采用ABAQUS 建立含有预应力管道的混凝土板模型，尺寸为0.8 m×0.4 m×0.3 m。预应力管道位于混凝土板的正中心，直径为80 mm。金属波纹管和塑料波纹管厚度分别为2，3 mm。预应力钢筋直径为40 mm。材料参数见表2。

表2 材料参数

2.3 模拟流程

采用C3D8 实体单元模拟混凝土、波纹管、钢筋，波纹管和钢筋，混凝土采用绑定约束；侧面边界设置为无反射吸收边界（图3）；总计算时长3 ms。冲击荷载简化为一个正弦形的简谐力。t时刻的冲击荷载F为

式中：Fmax为荷载峰值，取30 N；tc为冲击荷载的持续时长，取30 μs。

图3 部分工况的模型

2.4 模拟结果分析

通过有限元数值模拟典型工况得到对应的时域信号，在MATLAB 中采用快速傅里叶变换得到频域信号并绘制成频谱图，见图4。

将所有工况频谱图中的峰值进行统计，并根据式（1）和式（2）计算混凝土板厚度频率、缺陷深度频率、钢筋反射频率，结果见表3与表4。

由表3和表4可知：

图4 部分工况塑料波纹管频谱

表3 频率及偏移率

表4 钢筋反射频率及偏移率

1）对于工况1—工况4，当管道灌浆存在缺陷时，随着管道缺陷程度的逐渐增加，板厚频率向低频发生偏移。当把预应力钢筋布置在管道顶部（工况1 和工况3）时，可以得到钢筋的反射频率，且与理论值接近。当上部出现缺陷（工况2）的情况下，没有测到任何预应力钢筋的反射频率信号，但可以检测到缺陷的频率信号，说明预应力钢筋不影响缺陷频率信号的检测。此外，工况4 中没有检测到预应力钢筋的反射频率信号，原因是预应力钢筋的反射频率信号与板厚频率信号接近，二者相互重叠导致无法显示钢筋反射频率的峰值。

2）对于工况5-1—工况8-2，随着缺陷程度的减小，偏移率减小，板厚频率逐渐接近密实处的理论计算值，且板厚偏移率与缺陷程度成正相关的关系，说明板厚频率可以作为判断预应力管道是否存在缺陷的依据。金属波纹管对应的缺陷深度频率误差小于塑料波纹管，说明金属波纹管对测试结果影响较小，实际工程中可作为压浆管道。

3）对于工况6-2、工况7-2 和工况9、工况10，在同等条件、相同的缺陷程度情况下，顶（底）板工况的板厚偏移率大于腹板工况，说明在测试过程中腹板工况误差更大。原因是腹板工况中管道的缺陷主要位于管道顶部，而测点在腹板侧部，缺陷的横向尺寸比顶（底）板小，测试误差大。

3 现场试验

3.1 试件制备

在实验室内制作3块C40等级的混凝土试件对数值结果进行验证。试件尺寸分别为：800 mm×1 000 mm×300 mm，1 600 mm×1 000 mm×300 mm，每个混凝土试件包含4 个预应力直径为80 mm 的管道，管道中心距离混凝土试件表面为11 cm（图5）。试件1 中布置直径为8 mm 的纵向钢筋，相邻钢筋间隔为50 mm，共计38 根。采用16 mm 的普通钢筋代替预应力钢筋。为模拟桥梁腹板的预应力管道缺陷情况，在制造缺陷时将试件3旋转90°。

图5 试件尺寸（单位：cm）

3.2 测试过程

选取每个管道纵向轴线对应的混凝土板表面作为管道测试线，纵向每隔10 cm布置1个测点，不考虑边缘与空气接触的点以及金属波纹管和塑料波纹管交汇处，试件1和试件3每个管道有7个测点（参见图5（a）），试件2 每个管道有14 个测点，测试点与冲击点的距离为3 cm。测点编号原则是每个测点对应1 个测点系列，如测点1包括4个管道相同位置的测点。

测试过程中先用砂纸将混凝土板表面磨平，采用四川升拓公司生产的预应力混凝土梁多功能检测仪对每个试件进行波速标定，并对每个管道进行冲击回波测试，记录其测试数据。

3.3 测试结果分析

试件1—试件3 的波速标定结果分别为3 989.5，3 998.3，4 000.2 m/s。对试件1进行测试，统计板厚频率与缺陷深度频率并计算出每个测点对应的偏移率，见图6。可知，工况1 与工况2 的板厚偏移率在4%～6%，工况3 与工况4 的板厚偏移率在15%～18%，说明当管道内部存在缺陷时板厚偏移率明显增大。工况3与工况4 的缺陷深度频率偏移率大部分在4%～7%，满足工程精度需要，说明冲击回波法可用于缺陷深度定位。

图6 试件1偏移率

工况1钢筋反射频率及偏移率见表5。可知，钢筋反射频率集中在8 972～9 372 Hz，与现场理论值（由现场标定波速度计算而得到）8 814 Hz 相比，误差在1.79%～6.33%。工况2—工况4 未检测到钢筋反射频率信号，原因是：工况2 的钢筋位于管道顶部，在数值模拟时，采用绑定约束模拟钢筋和波纹管的约束，但是现场制作时钢筋没有与管道壁严密接触，无法检测到钢筋反射频率；工况3 存在空洞缺陷无法检测到信号；工况4钢筋反射频率与混凝土板厚频率接近，其信号被板厚频率信号淹没，但不影响管道缺陷深度频率的检测。

表5 工况1钢筋反射频率及偏移率

在试件2 中，仅选取测点3、测点4（金属波纹管测点）与测点9、测点10（塑料波纹管测点）的结果（分别对应工况5—工况8）进行分析，见图7。可知，随着缺陷程度的增大，板厚频率逐渐减小；测点3、测点4比测点9、测点10 更接近现场理论值6 381 Hz，说明金属波纹管对板厚测试结果的影响小。另外，测点3、测点4和测点9、测点10与缺陷深度频率现场理论值17 264 Hz相比，金属波纹管的误差率约为4.4%，塑料波纹管的误差率约为7.3%，说明金属波纹管的测试结果较好。

图7 试件2频率

选取试件3 第 2，3 个管道中测点 3 与测点 4（分别对应工况9和工况10）的结果进行分析，见表6。

表6 测点3和测点4结果

由表6可知，随着缺陷程度的增加，板厚频率向低偏移，其实测值略小于图7 中的对应值。缺陷深度的偏移率约为10%，比工况6 和工况7 的偏移率（7.3%）大，说明在腹板工况下识别缺陷的难易程度远大于顶（底）板工况，在现场测试中测试断面对缺陷检测结果有影响。

4 结论

1）采用冲击回波法可以对混凝土管道内部缺陷进行识别以及初步定位；当混凝土内部有缺陷时，缺陷程度越大，板厚频率越向低频偏移，缺陷程度和板厚偏移率成正相关的关系。

2）预应力管道材料对测试结果有明显影响，金属波纹管比塑料波纹管测试结果更精确。

3）普通钢筋布置较少时，对测试结果无明显影响；密实混凝土中预应力钢筋会出现对应的钢筋反射频率，但该频率与缺陷深度频率相差较大，对内部缺陷的检测无影响。

4）测试断面对结果有影响，与顶（底）板工况相比，腹板工况测试难度大，且误差较大。