冲击回波法在预应力管道压浆质量无损检测中的运用

钟杰 魏冠华

摘 要：在预应力混凝土梁的制作中，混凝土结构的安全性和可靠性取决于孔道压浆的质量，本文列举了五种常用的检测方法：钻芯取样、超声波、探地雷达、X光和弹性波冲击回波法。论述弹性波冲击回波法的定性检测和定位测试，并给出注浆密实性的评价标准，据此认为基于冲击弹性波的一系列技术是可行和有发展前途的方法。

关键词：预应力管道;检测方法;注浆饱满度;全长哀减法;全长波速法;传递函数法;定位测试

0 引言

后张法预应力混凝土结构跨越能力大、极限承载能力高，广泛应用于桥梁建设。但是如果压浆方法不当、管道堵塞、水泥浆质量不佳等，会导致管道压浆不密实、管道内钢绞线锈蚀，威胁结构的安全性和耐久性。因此在土木工程领域中预应力管道压浆质量检测是一个极其重要的研究课题。

国内外工程中频频出现的由于压浆不密实的情况而致使的悲剧让我们深刻认识到孔道压浆密实的重要性。就像英国Ynys GWA大桥和美国康涅狄格州的 Bissell大桥：前者修建于一九五三年，在一九八五年十二月突然坍塌，这座桥梁仅仅使用了三十二年，后来据运输与道路研究实验室（TRRL）的调查发现预应力波纹管内的灌浆明显不密实，从而导致预应力钢筋被氯化物和水和氧气等腐蚀，钢筋束面积减小到不能承受外荷载使得桥梁就发生倒塌;后者建于一九五七年，在一九九二年的常规质量检查中发现部分预应力钢绞线已经发生严重锈蚀，孔道灌浆不密实所引起的桥梁的安全程度下降。

预应力管道灌浆是桥梁施工过程中的“生命线”工序。虽然预应力管道灌浆的施工规则控制着管道灌浆质量，但是实际操作过程中发现严格按照施工规则也并不能保证管道能被水泥浆完全灌充密实。因此需要采用先进的检测技术对预应力结构的管道整体灌浆质量进行检测，据此客观评价结构的质量。

1 弹性波以外的检测方法

对预应力管道内压浆的质量进行检测评估是很困难的，预应力系统设计上没有设置检查孔，预应力管道压浆成了一项隐蔽工程。国内外所采用的检测方法主要是冲击回波、钻芯取样、超声波、x光Γ射线、探地雷达这些方法。详情如下。

1.1 钻芯检测法

钻芯检测是通过空心薄壁钻头机械抽检从混凝土结构中钻取芯样，以一定比例检测混凝土内部缺陷的方法。这种方法会造成一定的结构损伤，工作量大的同时效率低，费用还较高。所以，钻芯检测法一般只在用后面几种无损检测法发现异常后，做进一步的判断使用。

1.2 超声波法

超声波检测法是常用的无损检测法，发射器连续发射超声波脉冲在混凝土中传播，换能器接收信号，超声波信号转化为电信号，经超声仪将电信号放大显示在示波屏上的方法。超声波检测预应力混凝土管道壓浆质量的基本原理和检测混凝土内部普通缺陷的基本原理是一样的，但是导致超声波法在预应力管道压浆质量检测领域的发展受到限制是因为超声波法容易受到钢筋、波纹管以及测试面等方面影响。

1.3 x光、Γ射线法

Γ射线、x光都具有较强的穿透性和直线性。当x光或Γ射线照射密度越高物体时，射线的强度越弱。分别通过发送和接收梁端和板端的信号拍片来测试灌浆密度，照片的光照水平可以测试出孔道的灌浆密度。这两种方法的检测设备比较大，检测成本高，存在一定的风险（放射性）。一般采用x射线法作为验证方法，根据预应力管道各部位灌浆的实际情况，对灌浆进行验证和判断。构件厚度要求不大于80 cm，并有两个相对的检测面。

1.4 探地雷达法

探地雷达法的工作原理是利用发射器向混凝土定向发射1 GHz 以上的高频脉冲电磁波，电磁波经存在相对介电常数差异的目标体或界面反射后返回后由天线接收。分析返回波信号判断目标的形态和结构。

2 基于弹性波的方法

2.1 冲击弹性波定性检测法

2.1.1 工作原理

通过不同尺寸的振动锤激发，产生冲击弹性波，作为一种应力波，能量大而集中，可以穿透10 m左右的混凝土。利用外露的预应力钢束两端分别进行激振和接收信号，通过分析信号传播过程中能量、波速和频率等参数的变化，定性判定预应力孔道整体注浆饱满度的方法，检测前需先测定梁体混凝土的波速等特征。冲击弹性波的定性检测方法有全长衰减法、全长波速法和传递函数法。

（1）全长衰减法。全长衰减法（FLEA）是利用能量传播过程中的衰减特性来评判预应力孔道灌浆、锚杆灌浆、锚索灌浆质量的方法。灌浆越密实能量衰减就越大，同时振幅比就越小。灌浆密度越低能量衰减就越小，同时振幅比就越大。因此，通过精密地测试能量的衰减判断出灌浆质量。

（2）全长波速法。全长波速法（FLPV）是利用波的传播特性，计算冲击弹性波波动信号穿过整个预应力灌浆孔道的平均波速值，判断出灌浆饱满度的一种方法。整体孔道灌浆密度越高，波速传播的平均波速值就接近混凝土波速;孔道整体灌浆密度越低，传播过程中的波速值就接近股线波速，检测结果用全长波速法的局部灌浆指数IPV定量表示。

（3）传递函数法。冲击弹性波在传播过程中的频率变化判断出预应力孔道端部注浆密度。采用传递函数法和分项灌浆指数ITF对试验结果进行了定量表达。

（4）冲击弹性波。定性检测结果以综合注浆指数If来量化表达：

If ：综合注浆的数值;

IEA：全长衰减法分项注浆的数值;

IPV：全长波速法分项注浆的数值;

ITF：传递函数法分项注浆的数值。

2.2 冲击回波定位检测法

2.2.1 工作原理

对于预应力管道内部压浆质量的检测，冲击回波定位检测法既原理简单，又检测方便。自上世纪八十年代提出冲击回波定位检测技术以来，已经经历了二十多年的研究和实践，验证出冲击回波技术是一种全方位的检测技术。

冲击回波定位检测法是利用小钢球或者小锤轻敲混凝土表面产生的低频应力波在导入到混凝土结构内部之后，低频应力波就会被缺陷或构件的界面反射回来。 应力波就会在由构件和内部缺陷所构成的多重界面之间来回反射，引起结构的瞬态共振状态，这个共振频率能在频谱图中被明显辨别出来，可以很明确的确定混凝土内部缺陷的深度和混凝土构件的厚度，判断出内部压浆的质量。

在一九八四年的国际现场混凝土无损检测会议中，加拿大学者马尔霍查把冲击回波定位检测发法列为“最有发展前途的现场检测方法之一”，那是因为冲击回波定位检测法只需单面检测，测试过程非常简单快捷，又克服了超声波法两面布设传感器的弱点，同时冲击回波法的检测结果又能准确反映出测点处混凝土内部的质量情况。

如图所示，冲击回波检测法预应力预留孔压浆质量的一般原理。

在无预应力管混凝土板和灌浆混凝土板以及未灌满浆混凝土板的三种状态下冲击回波信号所表现出不同的特征。

（1）无预应力管道部分。这与采用冲击回波法测试混凝土的板厚原理完全一样，如图1（a）所示。共振频率FT是一与混凝土应力波波速（Vp）和板厚T有关的量：FT=as·Vp/（2T）， as是截面形状系数。

（2）孔道灌浆完满、填充密实。如图1（b）所示，当孔道内灌浆密实的时候，一部分应力波通过管道到达底板后反射回来，应力波的传播路程是两倍板厚;另一部分应力波就在水泥浆/预应力筋界面被反射回测试面， 此时的应力波反射就需要按照混凝土/钢界面来考虑。板的厚度响应与无预应力管道的厚度响应相同，但由于后张预应力筋的存在，板的频率幅值较大，公式：F钢=as·Vp/（4d）。

（3）孔道灌浆填充不密实。如图1（c）所示，孔道内部分灌浆的时候，管道上部有空洞的存在，此时的冲击回波响应与未灌浆孔道的响应类似。管道反射频率和板厚频率的变化会随着管道内空洞位置的变化而变化。管道未灌浆情况下的板厚度频率部分灌浆情况下的板厚频率小。波纹管反射峰的频率约为波纹管的两倍：F钢移=as·Vp/（2d）。

3 结束语

（1）在各种预应力管道灌浆质量检测方法中，都有各自的优势与劣势，需要结合实际情况综合考虑。而基于冲击弹性波的方法检测预应力管道灌浆质量具有广阔的应用前景。

（2）在非均勻的混凝土介质中，冲击回波检测法与传统的超声波检测法相比的时候，最大的特点是冲击产生的应力波是低频波，有较长的波长可以保证穿透力强传播而不会发生较大散射。

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