冲击回波法孔道压浆密实度检测技术的应用

李 杰

(广东交科检测有限公司，广州 510550)

0 引言

在张拉预应力筋后进行的孔道压浆作业，是后张法预应力施工的关键工序。通过压浆，可使孔道内的预应力筋与混凝土结构形成整体从而协同受力，同时也避免了外界空气和水对预应力筋的侵蚀，因此其施工质量亦关系着桥梁结构的使用安全和使用寿命。确保波纹管内浆体的密实饱满，是压浆施工质量控制的关键之一。2015年《广东省交通运输厅印发关于进一步加强广东省公路桥梁预应力工程质量管理的指导意见的通知》规定了对预应力孔道压浆质量的检测要求以来，各在建高速公路项目都逐步开展孔道压浆密实度检测工作。本文通过梳理近年来多个项目的检测实践经验，结合相关比对验证试验的情况，对孔道压浆密实度检测工作在测试方法、现场操作、结果评价等方面的要点进行整理和分析，以供有关技术人员参考。

1 冲击回波法测试原理

冲击回波法压浆密实度检测技术，是现阶段在工程实体检测项目中应用最为广泛与成熟的无损测试方法。该方法的基本原理可理解为：采用钢球敲击的方式产生瞬态低频且具有较长波长的冲击弹性波，在非匀质的混凝土中能顺利传播。冲击弹性波在测试结构内部不断反射或绕射，同时通过传感器接收敲击点附近的信号，并将仪器接收到的反射波(P波)根据不同介质的阻抗差异作时域/频域分析，再结合所测试结构的尺寸等，综合分析判定预应力孔道压浆的密实度情况。其测试判断原理如图1所示。

图1 冲击回波法测试原理

2 压浆密实度现场检测要点

对钢筋混凝土结构物而言，内部存在着气孔、微裂缝、局部强度发展不一致等情况，同时其结构尺寸及表面状况也是变化的，不是匀质的。冲击回波法利用弹性波在不同介质中传播速度及路径等差异的特点，现场检测采用单点测试并沿孔道布置的方式逐点测试得到一组信号，然后综合分析各信号来判断孔道内浆料是否饱满，必然受到所测试混凝土结构物本身特性带来的影响。因此，在工程实际检测过程中，需考虑上述影响因素，结合不同的测试方式，更好地利用冲击回波法得出可靠的检测结果。

2.1 测点的布置

根据现场逐点测试的特点，准确定位出孔道位置是前提条件；其次，合理的测点间距也是关键。以预制箱梁为例，其孔道布置形式简单，波纹管在钢筋骨架绑扎时，已根据设计坐标，通过定位钢筋的固定，基本上可以实现梁体浇筑完成后，管道位置不会产生较大偏差。结合现场检测经验，测点布置可参考下列方法进行：

(1)孔道的定位。可根据设计图纸所给坐标，先将具有坐标位置的节点描画出来，然后采用弹墨线的方式将各节点连接，就可实现对孔道位置进行准确定位。

(2)测点间距。应根据检测需要及孔道布置形式，在梁端弯起段、结构渐变段等易出现压浆不密实的区域加密布置测点。测试起点宜距孔道端部或锚具后方10cm左右，以减少边界效应带来的影响；测点间距宜采用10cm，以保证测试的准确性和效率。

图2 测点布置示例

2.2 激振锤的选择

混凝土内部含有许多小缺陷，如微裂缝、气泡等，其大小一般只有几厘米或更小。若波长小于5cm(频率在80kHz以上)，混凝土内部固有的不均匀性会让弹性波散射，从而限制了其穿透能力。因此，在实际冲击回波测试中，钢球的最小有用直径大约为3.5mm，所产生的有效应力波波长就能在5cm以上，弹性波就能像穿透匀质介质一样穿透带小缺陷的混凝土。然而，直径太大的小钢球也是不行的，太大的钢球冲击产生的波长就会超过被测缺陷的横向尺寸，以致于探测不到缺陷的存在。总体而言，钢球冲击混凝土表面所激发的有用波长通常为5cm～80cm，这个波长范围最适于检测预应力孔道中的缺陷。相关研究表明，结合所测对象尺寸可选取相应直径的激振锤(表1)。

表1 激振锤直径的选取

2.3 测试过程中的注意事项

准确定位孔道及测点位置和选取适用直径的激振锤后，可进行具体的测试工作。在测试操作过程中，还应注意下列事项:

(1)传感器应紧贴测点位置，不晃动。若测点表明有蜂窝麻面的情况，应避开该位置，平移至最近的光滑位置。

(2)激振锤敲击的力度应尽量保证均匀一致，同时以接收到信号的幅值在2～5db为宜。

(3)敲击点应在距传感器约3～5cm范围内，同时敲击点应落在孔道中心线上。

(4)波速标定点应选在无孔道穿过的等厚段位置，宜在梁体的多个位置(如梁端、跨中、不同腹板)进行波速标定。

(5)经初步分析判断后，对有疑问的区域，应进行复测确认。可采取加密测点及沿孔道横截面方向测试等方式，进一步核查。

(6)应重点关注孔道弯起段高点位置，必要时应在易发生压浆不密实的区域进行钻孔内窥，辅助判定。

2.4 数据分析

现有仪器设备通常是以冲击回波法为基本原理，采用傅立叶变换FFT和最大熵法MEM，推算所采集信号频谱，并经仪器转换成容易理解的测试厚度信息，结果图的横轴为所测试结构物厚度方向，竖轴为测试点行进方向。通过与结构物实际尺寸(设计尺寸)以及信号规律等进行比对分析，若孔道内部存在缺陷，则在结果图相应测点位置的信号就会存在相对正常厚度有“提前”(提前反射情况)或“滞后”(发生了绕射)的情况。

3 实体梁段检测及压浆施工常见问题

3.1 实体梁段检测

对检测方法及检测设备而言，其检测结果具备良好的准确性和稳定性是关键。为验证采用冲击回波法的预应力孔道压浆密实度质量检测仪(LT-PCGT)的检测效果，在某实体箱梁(被切成梁段)进行了验证工作。共检测2个试验梁段的孔道，各试验梁结构尺寸见表2。

表2 梁段结构尺寸 (单位：m)

1#梁段状况及对应的测试结果图如图3～图6所示。

图3 1#梁段

图4 第1次测试结果

图5 第2次测试结果

图6 第3次测试结果

分析1#梁段的测试结果图可知：测试起点表征“厚度信息”约为24cm；沿测试方向110cm左右“厚度信息”约为17cm，反射信号图谱连续。结合分析原则及结构物尺寸，可判定该孔道压浆饱满。检测结果与实际情况一致，3次检测的结果判定一致。

2#梁段状况及对应的测试结果如图7～图10所示。

图7 2#梁段(“田子格”测试)

图8 第1次测试结果

图9 第2次测试结果

图10 第3次测试结果

分析2#梁端“田字格”测试结果图可知：信号图在1#、5#、9#、10#测点位置的信号存在滞后情况，即弹性波在该位置发生了绕射，表征出来的“厚度信息”比正常厚度偏厚，判定这些测点位置存在缺陷。检测结果与实际情况一致，3次检测的结果判定一致。

通过上述两种情况的检测结果表明：采用冲击回波法检测仪器进行实体梁压浆密实度的检测，具有良好的准确性和稳定性。

3.2 压浆施工常见问题

通过对各项目压浆施工及质量状况的系统分析，发现压浆质量受到材料、设备、施工过程及施工环境等影响，主要体现在:

(1)原材料。目前市场上的压浆材料品牌众多，质量良莠不齐，监管难度大；同时现场压浆材料常受潮或超出保质期，从而影响孔道压浆的施工质量。

(2)压浆设备。设备使用过程中常出现维修保养不足，未按要求及时对压力、称量系统等传感器进行标定，压浆设备不稳定。

(3)排气孔的孔位未按要求设置或偏差过大，未设在孔道的最高点，容易导致浆液从出浆口流出时压浆人员误以为孔道内浆液已满。

(4)排气孔内的异物未及时清理，压浆时残留在孔道内的空气无法排出，导致压浆不饱满。

(5)孔道连接及端头未密封。管道连接不紧密，钢绞线切割后外露长度过长，且密封不严实，易导致压浆过程中压力损失或端头漏浆。

4 结语

冲击回波法压浆密实度检测技术在工程应用中表现出了良好的适用性，为压浆施工质量的控制提供了检测手段。但在使用过程中，也存在如对现浇结构，通常存在多排孔道的情况，只能对距测试面最近孔道进行有效的检测评价；测试过程中，拾取信号质量受人工敲击力度、作用点的影响等，需进一步完善，以更好地满足工程质量控制的需要。