浅析预应力孔道灌浆质量无损检测技术

张春红

(国家铁路局装备技术中心,北京 100036)

0 引言

近年来,为了适应交通运输能力日益增长的需求,国内建造了许多大跨度预应力桥梁。在后张预应力混凝土技术中使用高强度材料可以使结构更轻,从而大大提高桥梁的跨越能力。预应力孔道顶部的上弯曲部分、两边的下弯管底部和锚固端附近是易出现灌浆缺陷,这些缺陷的存在会使预应力筋与梁的整体作用缺失,并且造成预应力筋锈蚀,导致预应力减小,严重时整个桥梁失稳[1]。

目前,超声波法因其很强的适用性,已成为主流的无损检测方法,桥梁构件中钢筋、波纹管等金属材料对超声波的影响导致其无法应用于预应力孔道灌浆的无损检测中。冲击回波法则是使用机械冲击所产生的低频应力波,以小钢球或小铁锤对混凝土结构表面进行冲击,分析通过混凝土结构内部的反射波来判断混凝土中的缺陷或部件的厚度[2],对于预应力孔道灌浆质量的无损检测有着更好的适用性。

本文将开展模型构件模拟试验,模拟实际工程中预应力孔道中灌浆容易出现的质量情况,以冲击回波法对其进行检测,比对数据,得出最优检测模式。综合分析检测结果,以冲击回波法对预应力孔道灌浆质量进行有效性评价。

1 冲击回波法检测的基本原理

冲击回波法检测的基本原理是以弹性波在混凝土内部传播为基础,弹性波的激发由钢质小锤在砼结构表面激振所产生,携带有混凝土结构内部信息的弹性波会在缺陷界面处进行反射,灌浆质量缺陷的有无和类型就依据反射经时来推定。反射波的时域信号由设备的传感器接收,将时域信号通过速傅里叶变换转变为频域信号,依此得到混凝土结构的厚度及内部质量情况[3],具体见图(1-1)。

图1-1 冲击回波法测试原理图

2 模型模拟试验及数据分析

实际桥梁中,孔道灌浆的缺陷主要有：

(1)灌浆不及时、压浆不饱满；

(2)水泥浆的硬化收缩导致的水泥浆与预应力孔道壁分离；

(3)硬化后的水泥浆体强度不足。

这些缺陷体现在模拟的缺陷中比较复杂,结合研究的总体目标,确定模拟三种灌浆情况：灌浆密实情况、灌浆半空情况以及未灌浆情况[4]。

2.1 检测仪器

采用四川升拓的预应力混凝土多功能检测仪,它由主机、前置放大器、激振导向器、加速度传感器、电荷电缆以及电缆组成,如图(2-1)。激振导向器即是指激振锤,有直径分别为6mm、17mm、30mm和50mm激振锤,用于激发波动信号。该仪器最大的特点为稳定性,可以大大地提高预应力梁的质量保证度。冲击弹性波为整个技术体系的测试媒介,其测试精度和效率达到实际工程要求,选为试验设备。

图2-1 SPC-MATS预应力结构多功能检测仪

2.2 模型试验构件制作

2.2.1 缺陷设计

为了在获得更多检测数据与预设缺陷情况的比对结果,将预应力孔道分为三个部分[5]：第一段灌浆1/2和无灌浆；第二段为泡沫块制作的缺陷,设定具体位置绑扎在预应力束上,并灌浆；第三段满灌；分别灌注后固定于定位预应力束上,具体如下图(2-2)。

图2-2 试验梁缺陷设置图

2.2.2 模型构件设计

模型构件制作基于实际工程,混凝土设计强度C50,共制作4个梁板模型,完全按照预应力梁板制作标准进行预制,其尺寸见表(2-1)。

表2-1 试验模型尺寸对应表

2.3 模型试验构件检测

2.3.1 测点布置与波速标定

模型试验构件的预应力孔道为水平布设,将测试面平整,沿孔道走向进行测线布置,选取测试走向如图(2-3)所示。图中在两个管道中间的标识为波速标定走向,在已知厚度混凝土结构部位获得标定声速,得到厚度频率,将用于与测试频率进行对比。

在实际工程中,孔道走向依据施工图纸确定,准确的孔道走向将直接影响冲击弹性波法的检测准确性。

图2-3 测线布置走向图

2.3.2 检测方案

(1)变检测间距测试

检测间距即为相邻两测点之间的距离,研究中选用5cm、10cm两种检测间距,塑料孔道构件的上管测试增加2.5cm检测间距,以比较不同测试间距对检测结果的影响。

(2)变测试面测试

对同一个构件的不同测试面(图2-4中A、B面)分别进行检测,以比较对立检测面对检测结果的影响。

图2-4 测试位置示意图

(3)变激震锤直径测试

每个孔道检测均采用两种激振锤(17mm、30mm)进行检测,塑料孔道构件上孔道增加50mm直径的激震锤测试,以比较不同激震锤对检测结果的影响。

(4)变采集次数测试

对相同检测孔道进行两次检测,以比较多次检测对检测结果的影响。

2.3.3 检测结果

模型试验共筑模型构件4个,进行对比测试29组,将检测结果中得到的缺陷位置与预设缺陷位置比对后统计,所得结果如下表(2-2)。这里对准确进行定义：准确是指所得结果反映的缺陷尺寸及位置与预设缺陷情况偏差均小于20%,反之定义为不准确结果。

表2-2 各测试结果准确率统计表

由上表可以得到以下结论：

(1)相同孔道材质下,以5cm为测试间距所获的结果比10cm测试间距更加准确。

(2)金属孔道的检测结果准确率高于塑料材质孔道。

(3)采用大直径钢锤进行测试,结果准确率与其他直径钢锤基本相同。

(4)同一测试面进行两组检测,检测结果前后基本一致,仪器稳定性满足要求。

3 结论

(1)对试验模型构件检测和数据分析得到以下经验：将检测测试间距控制在5～10cm,检测结果更精确；激振锤的选取按构件厚度选取足够直径钢球；对于测试结果精度要求高或采用塑料材质预应力孔道的可加密测试间距至2.5cm,同时,如果有两个满足测试条件的工作面时,可两个测试面均进行检测,综合评定检测构件。

(2)冲击回波法工程试用性强,检测所需环境简单,只需确定好预应力孔道位置便可开始进行检测,现场数据采集方便快捷,分析结果稳定性高,适合推广使用。

[1]林同炎,Ned H. Burns.预应力混凝土结构设计.路湛沁,黄棠,马誉美.第一版.北京:中国铁道出版社,1983∶1-23．

[2]罗骐先,傅翔,宋人心.冲击反射法检测混凝土内部缺陷与厚度[J].混凝土,1991,(5)．

[3]刘洋希.基于冲击回波法的预应力管道压浆质量检测[D].湖南大学,2013∶26-86．

[4]邹春江,陈征宙,董平等.箱梁中冲击回波主频影响因素研究及应用[J].振动与冲击,2010,29(7):126-131．

[5]王锋,张峰.超声波检测预应力波纹管孔道压浆质量的试验研究[J].筑路机械与施工机械化,2015,(2)．