预应力混凝土结构孔道灌浆密实性无损检测技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 05 日 作者简介：李文博（1990），男，汉族，甘肃定西人，硕士研究生，甘肃省交通科学研究院集团有限公司，公路桥梁隧道检测。-187-预应力混凝土结构孔道灌浆密实性无损检测技术研究 李文博 张 军 甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730070 摘要：摘要：基于后张法施工的预应力钢筋混凝土梁中，孔道灌浆密实性的质量保证及其重要。为了降低结构的劣化和承载力，造成安全隐患和倒塌等恶性事件带来的巨大经济损失。本文采用冲击弹性波作为测试媒介，通过定性和定位测试两种手段对孔道密实性进行分析，提出灌浆质量评价方法，结合实际项目进行分析验证。该体系主要依托无损测试技术，具有检测效率高、可靠性好、对结构无损伤等优点，大幅增强预应力梁的质量保证性。整个技术体系采用预应力混凝土梁多功能检测仪进行，测试准确率和效率达到工程要求，这在国内外上百余座桥梁结构中得到广泛应用，取得预期成效。关键词：关键词：预应力孔道；密实性；无损检测；灌浆缺陷；质量评价 中图分类号：中图分类号：U446.2 0 引言 随着我国交通设施建设事业的快速发展，预应力混凝土结构由于其显著的经济技术优势在桥梁结构中占据了重要的地位。预应力钢束能在桥梁工程中发挥长期作用，达到设计目标，孔道灌浆质量优劣是影响的重要因素之一。预应力孔道灌浆目的主要有两个：一是清除孔道里的水分和空气，预防钢束被腐蚀，保证构件耐久性；二是经过灌浆料使钢束与周围混凝土形成一整体，改善应力分布和提高构件承载力1。灌浆不密实时导致水分和空气等介质进入造成钢束材料锈蚀，有效预应力降低，严重情况下钢束将会发生断裂。此外，灌浆质量好坏还会影响混凝土应力集中，进而造成梁体原来的受力状态，危及整体桥梁的安全性和使用性。从预应力结构发展至今，孔道灌浆缺陷问题真正引起交通行业和国内外专家学者的高度重视，其中典型的有修建于 1953 年英国威尔士的 Ynys-y-Gwas 桥坍塌事件2。英国汉普郡的 Bickton Meadows 人行天桥、比利时的 Melle Bridge 桥、意大利的 Saint Stefano桥以及美国的 Lowes Motor Speedway 人行天桥等都发生过严重事故3。在 2001 年 11 月，位于四川宜宾金沙江的拱桥由于吊杆严重腐蚀造成部分桥面坍塌4。其原因均在于预应力钢束发生腐蚀导致桥梁的安全度下降。截至目前，对预应力孔道灌浆质量检测方法主要分为两种，一种钻芯法，一种无损法，通常用钻芯法对无损检测结果进行有关验证5。徐东丰等6通过现有无损检测手段进行总结分析引入冲击弹性波定位检测法，结合人工智能辅助验证提高检测精度、降低人员负担。张嘉中等7从检测原理、范围出发，研究分析了孔道缺陷判别标准，提炼出灌浆缺陷定位技术和质量检测评定流程图。张全升等8研究比较了压浆质量检测的几种无损检测方法，指出了各种方法的特点和应用范围。魏连雨等9采用初/复检相集成的方法，使得各种检测方法的优点互为补充，快捷高效地得出灌浆质量的评价。王德光等10通过采用试验与数模相集成的方法，研究了预应力孔道灌浆缺陷大小和位置对预应力混凝土梁抗弯性能的作用。魏永高等11采取全长波速法、探地雷达法等无损检测技术对预应力混凝土梁孔道的压浆质量进行综合研究，得出将两者结合起来的检测结果更加准确可靠。卢江波12采取理论分析、数值模拟及相关试验研究对冲击回波法和超声波层析成像法在预应力孔道注浆质量检测领域的应用效果及有关影响因素进行了系统研究。陈芳平13通过结合国内外发展趋势，基于无损检测思路以及弹性波属性在介质中传播机理，纳入预应力孔道等因素的依附关系，利用已有设备进行数据采集和信号处理，形成一套较为可行的预应力孔道灌浆质量的评价标准。1 钢束腐蚀机理 钢束腐蚀是一种电化学腐蚀过程，必须有水分和氧气的参与，而预应力孔道灌浆不密实形成孔道里残留水分、空气或气水混合物，在一定条件下会发生钢束腐蚀，进而导致有效预应力降低。中国科技期刊数据库 工业 A-188-1.1 冻胀作用 孔道中自由水分子在低温冻胀后，沿孔道壁方向出现裂缝，此裂缝无法恢复，如果自由水分子不能排除在外，将会导致原来裂缝发展愈大，发展的裂缝增加了本身混凝土的渗透性，使钢筋发生锈胀；另一方面钢束腐蚀后，腐蚀残存物体积会膨胀，进而又加重顺筋裂缝的发展。同时，铁锈膨胀还会引起混凝土开裂，从而导致水分和空气的进入，进一步加剧钢束锈蚀。1.2 离子侵入 钢束无固化灌浆料包裹物，直接与孔道中水分结合，发生着电化学反应。当孔道里水分的 PH 值小于 4，由于氯离子会从裂缝部位渗入孔道内，抵达钢筋表面，并吸附在了局部钝化膜处时，这使得该处的 PH 值急剧下降，打破钢束表面的那层钝化膜，引起钢束腐蚀。氯离子打破钝化膜，使得钢束表面露出铁基体，与完整钝化膜间形成电位差，将大范围钝化膜区块为大阴极，铁基体区块为小阳极构成腐蚀电池。腐蚀电池反应的结果将会在钢束表面出现腐蚀坑，使钢束在受拉状态下产生应力不均匀，引起应力集中现象，可能导致钢束早期断裂。2 灌浆不密实分级 结合国外学者经验与叶见曙、张峰提出的灌浆密实度分级标准14，依据对预应力筋的危害程度，可将灌浆密实度分为以下 4 级，如表 1，图 1 为孔道存在着不同级别的灌浆质量取样照片。其中，C 级和 D 级对钢束的危害性最大，而 A、B 级对钢束的腐蚀程度虽小，但会对应力传递和分布产生一定影响。A 级 B 级 C 级 D1 级 D2 级 中国科技期刊数据库 工业 A-189-D3 级 图 1 灌浆密实度分级 表 1 波纹管灌浆密实度分级标准 级别 危害程度 A 注浆饱满或上部有小蜂窝状气泡、浆体收缩等 B 波纹管上部有空隙，与钢绞线不接触 C 波纹管上部有空隙，与钢绞线相接触 D D1 波纹管上部无砂浆，处于大半空状态 D2 波纹管上部无砂浆，处于接近全空状态 D3 波纹管上部无砂浆，处于全空状态 3 测试方法和原理 3.1 定性测试 利用梁体两端部外伸的锚索，一端发射激振信号，另一端接收传播信号。通过分析该信号在路径传播过程之中的强弱、频率、波速等参数的变化，可以定性判断出该孔道内的灌浆效果。该测试方法检测效率较高，大多应用在孔道未灌浆、堵塞等实质性灌浆事故的检测中。图 2 灌浆密实度的定性测试 3.1.1 全长衰减法 通过一端激振另一端受信测试发现预应力孔道灌浆质量较好，能量在传递过程中耗散就越多，衰减大、振幅比小；反之预应力孔道灌浆质量较弱，能量在传递过程中耗散就越少，衰减小、振幅比大。当灌浆不密实时，钢束周围缺乏约束就会发生自由振动，受信信号初次振动部分频率较高；反之钢束周围存在灌浆材料约束不易发生自由振动，受信信号初次振动部分频率较低，详情见图 3。图 3 全长衰减法测试 3.1.2 全长波速法 通过检测不同弹性波需要经过锚索的时间，并结合锚索的实际长度，能够推算出经过该锚索的传播波速，分析波速转变来精确反应孔道内灌浆密实性的基本情况。同一测试条件下波速与孔道灌浆密实度间有着关联性，灌浆密实度增强，则波速逐渐降低，当孔道灌浆密实度达到 100%时，检测钢束的 P 波波速接近于混凝土中的 P 波波速，见图 4。图 4 全长波速法测试 这种测试技术起初是在2001年由日本学者镰田敏郎教授提出，虽然出现着理论分析不周到的诸多问题，但其作为检测较直观的手段，特别是在灌浆密实度极低的情形下，仍存在着必要的应用价值。因此，基于该项测试技术对理论进行了深入研究。基于等效模量法，灌浆密实度 Sr与测试波速 V 之间的关系可表示为：22sssr22sggA V-VS=A-AV-V (1)其中：As、A孔道中钢绞线的面积和孔道的面积；中国科技期刊数据库 工业 A-190-Vs、Vg钢绞线和灌浆料中弹性波的波速。Vs取5.01km/s，Vg则应通过试块加以测试；s、g钢绞线和灌浆料的密度，可取7800kg/m3和 2400kg/m3；修正系数，反映孔道壁以及周围混凝土的影响，可通过灌浆密实孔道（Sr=1）的实测波速 Vf来标定。22sssf22sgfgA V-V=A-AV-V (2)将(2)式代入到(1)式，得到：2222sfgr2222sfgV-VV-VS=V-VV-V (3)因此，只需要测试出 Vf和 Vg，即可较容易得到灌浆密实度。此外，当 VgVf时，取 1。在此，利用一种全面典型参数进行计算，假设 Vg分别取 4.30km/s、4.45km/s（取 1），Vf分别取4.35km/s、4.40km/s。从图 5 可以看出，灌浆密实度在 040%时，测试波速明显降低，当灌浆密实度超过40%以后，测试波速的改变非常缓慢。图 5 全长波速法计算示例 3.1.3 传递函数法 图 6 传递函数法测试 通常在孔道钢束的一端上激振另一端接收时，如果端头附近存在着灌浆不密实情况，会使振动频率发生改变。经过比较接收信号与激振信号有关部分频率变化量，能够判别出锚头两端附近的灌浆缺陷情况，见图 6。受到张拉的钢绞线，其第一阶自振频率 f1可以由下式(4)确定：11f=T 2L (4)其中，L参与振动的钢绞线长度；T钢绞线的张力；参与振动的钢绞线+灌浆体的线密度。在张拉力不变的情况下，灌浆缺陷对自振频率的影响可归纳在表 2 中。表 2 灌浆缺陷对传递函数法的影响 指标 缺陷截面积 缺陷长度 自振 频率 变化趋势 增加 降低 变化幅度 大 小 由此可见，当缺陷截面积增大时，自振频率增加；当缺陷长度增大时，自振频率再降低，灌浆缺陷截面积、长度对自振频率的影响截然不同。因此，通过测试获得频率发生显著变化，说明在端头附近缺陷存在的可能性较大。同时，由于在外露钢束上激振和授信，其振动有效范围较小，缺陷长度的影响也相对变小。3.1.4 波形特征对比法 在孔道端部存在灌浆不密实区域时，接收到的波形最先为钢束传播的信号，紧接着是周围混凝土传播的信号，两者间存在着一定的时间差，时间差为：不密实较密实密实0。另一方面，孔道端部在灌浆密实状态下，两者产生信号极为相似，很难分辨，见图 7。(a)不密实 (b)较密实 (c)密实 图 7 端头附近灌浆密实度波形特征对比法测试 3.2 定位测试 基于沿着孔道轴线处，采用逐点扫描方式进行信号的激振与接收。通过分析激振信号从波纹管以及对面梁侧反射信号的有无、强弱、传播时间等特征，从而判断检测点下方孔道内部缺陷的有无及特性。该测试方法精度高、分辨率强、应用面广，见图 8。中国科技期刊数据库 工业 A-191-图 8 灌浆密实度的定位测试 3.2.1 等效波速法 经过实践证实，等效波速法是目前应用最多最普遍有效的方法，该方法主要包括两部分，即：（1）当灌浆孔道出现缺陷时，弹性波波形线（或部分）传播距离延伸，时间增加；（2）选用基于相关经验分析为基础的频谱分析法可有效的呈现该时间的变化。基于上述两点，即使预应力孔道的灌浆缺陷仅为局部缺陷，或是测点不在缺陷的正上方也可以很好的适用，见图 9。(a)局部缺陷 (b)测点偏移 (c)最短路线 (d)最长路线 图 9 冲击回波等效波速法测试 将处于梁体中央的全空管，在其中心投影点激振，其中从另一侧反射回来的最长和最短传播路径分别按公式（5）和式（6）计算。最长路径：maxL=2H+-2 D (5)最短路径：22minL=H+H+D (6)其中：H梁体厚度；D金属波纹管直径。若不考虑管道材质作用，则在典型情况下，全空管造成的等效波速滞后比率见表 3。对于局部灌浆缺陷（如半空），测试方向造成的影响较大。若从上下两方向上检测，半空状态下的反应与全空状态相同。而从水平方向上检测，则半空状态缺陷作用的等效波速滞后性小于全空状态。表 3 典型条件下全空管造成的等效波速滞后比率 径厚比D/H 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 最大滞后/%5.40 10.25 14.62 18.59 22.20 25.51 最小滞后/%0.25 0.98 2.15 3.71 5.57 7.67 平均滞后/%2.82 5.61 8.39 11.15 13.89 16.59 3.2.2 共振偏移法 基于普通预应力混凝土梁柱（C50），通过相关资料查阅，便知不同型号的激振锤拾取的弹性波自振周期见表 4。表 4 典型条件下弹性波的自振周期 激振锤 D6 D10 D17 D30 D50 自振周期/ms 0.021 0.034 0.058 0.103 0.172 反射深度/m 0.041 0.069 0.117 0.206 0.344 注：D 为激振锤直径，以 mm 计。因此，在孔道上方测试的自振周期与灌浆密实位置或在混凝土中测试的自振周期有所不同，且其对应的波形反射深度与孔道埋深较近时，说明孔道灌浆有缺陷，产生自振频谱偏移（见图 10）。当待测物体厚度较厚，难以选用等效波速法时，可选取共振偏移法。其中，激振锤的选配及其关键，应选择与孔道埋深相匹配的激振锤，使激发的弹性波频率与孔道反射频率相近但不完全一致，对应的检测效果最为理想。(a)灌浆密实 (b)灌浆缺陷 图 10 冲击回波共振偏移法测试原理 中国科技期刊数据库 工业 A-192-3.3 定位测试中缺陷识别的定量化 在等效波速法中，精细明确反射时间对于检测的分辨率有着至关重要的意义。通常采用测点灌浆密实度指数值和SPS值来反映测点位置的灌浆质量。（1）值 当=1 时，表示为密实，此时 Sv1.02；当=0.5时，表示为半空或小规模缺陷，此时1.02Sv0.98；当=0 时，表示为全空或大规模缺陷，此时 Sv0.98；其中，vrVsdS=V V Vsd、Vr灌浆密实部位和测试部位的反射波速；V反射速度基准比率，即缺陷处反射速度VV与密实部位反射速度 Vsd的比值，即VVsd=VV。对于大多数桥梁梁板，反射速度基准比率V可参考表 5 进行取值。表 5 反射速度基准比率的取值 管道类型 测试方向 管径壁厚比 V 铁皮 竖直 0.3 0.90 0.3 0.92 水平 0.3 0.92 0.3 0.94 PVC 竖直 0.3 0.88 0.3 0.90 水平 0.3 0.90 0.3 0.92（2）PSG和SPS指标 考虑到反射波速 Vr不仅受到灌浆密实状态的作用，还与混凝土等级、管道材质、埋深、壁厚、弹性波波长以及缺陷类型、大小等因素有关。因此，引入PSG及累积PSG指标（SPS指标）。第 i 点的PSG值为：i+1isdi+1iiSsdSV-VVV-V HPSG=HV (7)其中，Vi、Vi+1第 i 和 i+1 测点得到的反射波速；S第 i 和 i+1 测点间的距离；H第 i 和 i+1 测点间构件的设计厚度。考虑到初始点的波速对PSG值的影响很大，此时定义起始点的PSG值为：1sd1sdSV-VHPSG=V (8)另一方面，第 n 点的SPS值为其前面各点PSG值的累积，即：nnii=1SPS=PSG (9)采用SPS值和PSG值能够更突显缺陷，降低其他无关因素的影响。综合值，能较准确判断出缺陷的部位和类型。对于某种灌浆缺陷，SPS值和PSG值的反应关系图见图 11 所示。图 11 PSG、SPS值和灌浆缺陷的关系 3.4 缺陷类型及规模识别 实践证明，不同种类和不同规模的缺陷对结构耐久性和安全性的作用是不同的。（1）稀疏型缺陷对结构耐久性和安全性的作用相对较小，当缺陷部位材质强度降低明显，对钢束的保护能力严重劣化时，其对结构的不利作用接近于空洞型缺陷。（2）当空洞型缺陷与钢束相接触时，对孔道内钢束的腐蚀作用将迅速增加。（3）当空洞型缺陷类似全空时，不仅会严重影响钢束的耐久性，而且对结构整体性和安全性都会产生不利影响。因此，将空洞型缺陷是否与钢束相接触，以及是否类似全空状态作为缺陷的分级标准。对于普通的预应力孔道灌浆施工，钢束的横截面积约为孔道的 30%左右。考虑到形状影响，在钢束居中状态下，钢束与管道壁间的距离约为管道内径的 0.2 倍左右，即 1.41.8cm。该范围的缺陷，对于两侧方向上定位测试，刚好能被识别；而对于上下方向上定位测试，由于缺陷大多位于孔道的上方，其投影宽度约为孔道内径的 0.8倍时容易被识别。3.5 管道材质影响 在交通领域中，预应力孔道成型主要采用两类，即铁皮和 PVC 波纹管。由于 PVC 管与混凝土间的粘结性能等方面低于铁皮管15，因其施工便捷而得到广泛使用。由于阻抗的产生，两类波纹管对弹性波的反射中国科技期刊数据库 工业 A-193-有所不同，从而对灌浆缺陷测试有一定作用。根据弹性波的反射原理，机械阻抗R=VA，决定着反射信号强弱和相位。铁皮管壁、PVC 管壁、混凝土及空洞缺陷的阻抗大小顺序为：RaRcRpRd。因此，铁皮管对弹性波产生逆向效应，PVC 管和空洞缺陷则产生正向效应。由于管壁很薄，铁皮管的反射效应和空洞缺陷处的相互抵消，而 PVC 管与空洞缺陷处的反射效应相互叠加，详细见图 12 及表 6 所示。图 12 铁皮波纹管反射原理 表 6 波纹管材质对缺陷识别的影响 波纹管 材质 波纹管位置反射信号 缺陷时梁底 反射时间 管壁 空洞缺陷 整体反射 PVC 微弱正向 正向 正向增强 延后 铁皮 微弱反向 正向 正向减弱 延后 4 灌浆质量评价 通过对10余个交通工程项目进行现浇梁及预制梁的灌浆质量测试分析，并结合已有的灌浆质量评价方式进行总结出预应力孔道灌浆质量的评价方法主要有两种（表 7），统计分析了部分现浇梁及预制梁孔道灌浆密实度指数分布见图 13，明显看出现浇梁的灌浆质量普遍较差。（1）利用综合定性灌浆指数 If 当 If0.80 时，有较明显的灌浆质量缺陷；当 If0.80 时，无明显的灌浆质量缺陷。（2）利用定位测试中缺陷的比例，即灌浆密实度指数 Nii=11D=100%N 其中，N定位测试点数；测点的灌浆状态，即良好为 1；小规模空洞或松散型空洞为 0.5；大规模空洞为 0。图 13 灌浆密实度指数分布图 表 7 孔道灌浆密实度评价方法及比较 评价方法 综合定性灌浆指数 If 灌浆密实度指数 D 指标 If0.80，有灌浆事故或大规模缺陷；If0.80，无灌浆事故或大规模缺陷 D0.95 为良好(I类)；0.90D0.95 为较好(II 类)；D0.90 为较差(III类)优点 测试快捷 物理意义鲜明 缺点 物理意义不鲜明；在 0.80.95 间的数值多，对灌浆密实度的判别较迟钝 测试耗时较长；若仅测试孔道部分长度，则代表性不强 5 实例验证 对甘肃某公路工程项目指定梁体进行孔道灌浆密实度定性检测，使用预应力孔道灌浆密实度仪对指定的部分预制箱梁（设计长度为 25m）进行孔道灌浆检测，并对有缺陷孔道进行开孔验证，通过测试分析得出有缺陷和灌浆密实管道的等值线图见图 14。为了确定敲击方式对检测结果的影响，现场定性检测时，分别敲击了锚具和附近钢绞线，传感器放置位置为钢绞线位置，得到敲击不同部位处的各孔道测试参数变化趋势中国科技期刊数据库 工业 A-194-图见图 15。(a)密实管道 (b)缺陷管道 图 14 检测等值线图 经过对现场测试及各孔道测试参数变化结果表明：1）两种敲击方式（敲击钢绞线及敲击锚具），腹板及底板钢束的波速指标、孔道受信频率指标变化趋势基本一致，但修正振幅比指标差异较大；2）结合部分验证结果的定位缺陷长度分析，修正振幅比指标，敲击锚具的方式更优于敲击钢绞线，且与定位缺陷长度具有很强的相关性；3）对灌浆事故的左幅 62-2 梁板的 N-1 孔道的验证，定性检测可以很好的反映。(a)波速指标 (b)振幅比值 (c)CH0 敲击 CH1 方向受信频率 (d)CH1 敲击 CH0 方向受信频率 图 15 敲击不同部位各孔道参数变化 参考文献 1Corven J,Moreton A.Post-tensioning tendon installation and grouting manualJ.Federal Highway Administration,2013(1):2-16.2Woodward RJ,Williams FW.Collapse of Ynys-y-Gwas bridge,West GlamorganJ.ICEProceedings,1988(84).3Proverbio E,Bonaccorsi LM.Failure of prestressing steel induced by crevice corrosion in prestressed concrete structures/9th Int.Conf.on Durability of Building Materials and Components 中国科技期刊数据库 工业 A-195-(Victoria,Australia:Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization-Division of Building,ConstructionJ.and 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