1、桥梁预应力管道注浆密实度无损检测技术与仪器研究及应用桥梁预应力管道注浆密实度无损检测技术与仪器研究及应用打开地球之门 探索未知奥秘桥梁预应力管道注浆密实度无损检测技术与仪器研究及应用龙士国1、2，柯玉军3，邓志举1，李印11、湘潭大学材料科学与工程学院2、湘潭天鸿检测科技有限公司3、云南航天工程物探检测股份有限公司摘要：本文针对我国桥梁预应力管道注浆密实度无损检测的需求特征，提出了用预应力管道中钢绞线固结 波速快速分级评价注浆密实度和梁板侧面声波反射散射扫描精确定位注浆缺陷的无损检测技术。用有限元 系统定量研究了钢绞线固结波速和梁板侧面声波反射散射特征，并结合大尺度实际模型研究提出了对应的 检
2、测技术标准。研制开发了适用于工程应用的一体化、自动化和便携式的“TH402型管道注浆密实度无损 检测仪”，在我国多条高速公路的桥梁建设中得到成功应用。 关键词：预应力管道注浆密实度，无损检测，TH402型管道注浆密实度无损检测仪1弓f言预应力混凝土桥梁是指在桥梁混凝土构件承受使用荷载前，预先对受拉区的混凝土施加压力后的混凝 土桥梁。后张法是预应力混凝土构件施加预应力的常用方法，即先浇筑构件混凝土，并在其中预留孔道， 待混凝土达到要求强度后，进行穿束、张拉、锚固，最后在预留孔道内压注高强水泥浆的方法。孔道注浆 是指在预应力筋张拉、锚固后，用压浆机将高强水泥浆注入预留孔道。孔道注浆的目的有三个，一
3、是保护 预应力筋不致锈蚀；二是使预应力筋束与混凝土粘结成为整体，从而减少预应力损失；三是提高构件的整 体抗弯刚度。后张法预应力混凝土结构孔道注浆常见的质量缺陷有三种，一是水泥浆泌水率过大，在孔道内形成空 腔，水分容易渗入，导致孔道内预应力钢筋发生锈蚀。二是注浆过程不连续，孔道压浆不密实，有害物质 容易渗入管道内引起预应力钢筋产生锈蚀。三是漏浆，使注浆压力达不到规定要求，孔道注浆将不密实。桥梁预应力管道存在注浆质量缺陷时会出现锚头应力集中和随时间推移引起预应力损失，且会改变梁 体的设计受力状态，从而影响桥梁的使用寿命。加强桥梁预应力管道注浆施工质量的过程控制，消除工程 质量隐患，对确保桥梁的设计
4、使用寿命具有重要意义。为了加强对施工质量的过程控制，确保施工质量达 到设计要求的质量标准，通过无损检测的方式来对预应力管道注浆质量进行检测，如发现注浆质量缺陷及 时采取补救措施，达到消除质量隐患，确保桥梁工程质量，因此预应力管道的注浆质量无损检测技术具有重要的意义。国内外相继开展了一些研究，提出了不少检测方法。例如冲击回波法、超声波成像法、表面波频谱成 像法、探地雷达法、电磁波(雷达)、x光、射线法、能量衰减法和超声相阵法等方法。目前，我国工程建 设领域中预应力结构建设量大、建设工期紧，对预应力孔道灌浆密实度检测提出了新的要求，既要求较高 的检测速度，又要求高的检测精度以便对注浆有问题的预应力
5、孔道进行及时处理。2预应力管道注浆质量检测技术理论研究202打开地球之门 探索未知奥秘21预应力管道注浆质量检测方案根据我国工程建设的实际需求，我们提出了具有如下功能的预应力管道注浆质量无损检测技术(1)预 应力管道注浆质量快速整体评价技术；(2)预应力管道注浆不密实位置精确确定技术。211预应力管道注浆质量快速整体评价方法 用声波透射法在预应力孔道两端快速确定钢绞线的固结波速，根据钢绞线的固结波速与注浆体质量的相关性得到预应力孑L道注浆等级。检测方法如图1所示。所谓固结波速，就是从钢筋杆顶端传来的激发应力波经过钢筋杆体与混凝土注浆段的应力波波速。理 论推导及实验表明固结波速和应力波单纯在钢筋
6、杆中的传播波速与应力波单纯在混凝土中的传播波速均不相同，其大小是介于两者之间的一个数值，通过固结波速的大小可以反应钢筋混凝土包护结构注浆质量的 情况。212预应力管道注浆不密实位置精确确定方法在预应力孔道侧面用声波散射扫描式方法确定注浆不密实区域的位置，预应力孔道侧面声波扫描测试 方法如图2所示，其测试步骤如下：(1)在梁板侧面画出孔道位置测线，根据测试精度要求，在测线上以5cm或者10cm间距作上标记，一 般为“+”记号。(2)连接仪器，测试示意图如图2所示。 (3)在每个标记上进行测试分析处理。203打开地球之门 探索未知奥秘22钢绞线固结声波传播特征研究 研究应力波在不同注浆体类型和注浆
7、体直径的钢筋混凝土包护结构中的传播特性，是帮助我们对更为准确的使用应力波法检测预应力结构注浆质量具有帮助作用。但是，应力波在预应力结构中的传播是一个 复杂过程，基体混凝土边界、注浆体边界、基体中设置各种固定箍筋、预制管道等均会影响应力波的传播。 有限元模拟方法为研究预应力结构应力波传播特性提供可能，其方法简单，结果可靠，更重要的是能提取 分析出应力波在研究对象中的传播参数，将其图像显示出。为了研究注浆缺陷对预应力结构中应力波传播 的影响，建立了注浆完全脱空的模型，如图3所示。图3注浆缺陷的预应力结构模型模型由基体、注浆体及钢筋组成，L代表基体总长度，1代表注浆缺陷长度，H代表基体总高度，D代
8、表注浆体直径。每一组模型中的注浆缺陷长度1从015m递增至15m，即注浆缺陷长度1占模型总长度L 的比例从5递增至50。注浆体和集体类型选取标号为C50型号的混凝土砂浆，注浆体直径D取值200ram， 基体厚度H取值1m。在建立的钢筋混凝土包护结构模型中忽略了基体钢筋骨架的影响，并将基体和注浆体 视为各向同性的均一材料。图4所示是应力波在042ms和054ms时刻后的传播云图，可以发现，应力波在传播042ms时刻时， 不同长度的注浆缺陷尺寸对应力波传播干扰情况也不同。当注浆缺陷尺寸越长时，应力波扩散被阻碍的越 明显，但是应力波传播能量仍主要集中在位于中心位置的钢筋处，且注浆缺陷尺寸越长，应力波
9、主波包传打开地球之门 探索未知奥秘播越快。在传播042ms时刻后，应力波传播通过注浆缺陷，其传播能量因注浆缺陷而衰减比较明显，通过 比较在同一时刻下应力波不同组模型中传播云图比较可以发现，应力波波包顶端位置随着注浆缺陷长度的 增加而传播的更靠前，意味着应力波在各模型中的固结波速随着注浆缺陷长度的增加而增大。t=O 42ms t=O 54ms图4 042ms、054ms时刻下应力波传播云图23粱板侧面扫描声波散射特征研究在预应力孔道侧面用声波散射扫描式方法确定管注浆不密实区域位置的测试示意图如图5所示。预应 力管道注浆不密实区域的声波散射信号是典型的非稳态过程，声波散射信号是构件内部结构散射的总
10、合， 包含丰富的信息。我们采用瞬时非稳态信号变换，进行灌浆不密实区域散射信号定向识别，把声波散射的 时间、能量、频率等重要信息相结合进行分析，是传统的处理技术和理念是无法实现的，能够更有效的检测出预应力管道注浆不密实区域的位置。打开地球之门 探索未知奥秘(a) (b)图5(a)注浆密实区域声波传播示意图，(b)注浆不密实区域声波传播示意图建立如图6所示的二维梁板侧面声波测试模型，图7是在梁板侧面激发声波，不同注浆结构中的典型波场。图8是不同注浆结构中所得到的时域和频域结果。图6二维梁板侧面声波测试模型：(a)模型图：(b)网格划分图图7不同孔道注浆结构中的典型波场 图8不同孔道注浆结构中的时域
11、和频域结果图9是经过小波变换和傅里叶变换及相关信号处理得到的不同注浆结构的声纹。根据大量的有限元模 拟及相关文献的研究分析，我们发现预应力孔道注浆声纹与其注浆状况有密切关联，因此提出通过预应力206打开地球之门 探索未知奥秘孔道注浆声纹来判别预应力孔道注浆质量。图9不同注浆结构的声纹3预应力管道注浆质量检测仪器研制预应力管道注浆密实度检测仪由仪器主机、固结波速测试换能器和孔道侧面扫描声波换能器组成，仪 器整体功能模块框架结构如图10所示。预应力孔道灌浆密实度检测仪主机由仪器硬件和仪器软件两大部分 组成，主机硬件包括4通道高速高精度数据采集模块、声波发射与控制模块、数字编码测试位置自动记录 模块
12、组成、电源模块和计算机系统五个模块。仪器软件部分包括仪器参数控制模块、数据记录显示模块、 数据处理模块和结果图像化模块。仪器整体照片如图11所示。l爱应力，L蘑毒囊毫塞度撞矗搜l藩：瓣蒸罐IIlll，#赫赫喝o巳戡出曲-一 一*H目目#gg_；缓-锋t t艏tI嚣怒l I嚣盔l： tl I羽tl擅_l f珊-_一l-_一l !J 1_j网同!i I一l I冀r；由由打开地球之门 探索未知奥秘中间20一段空浆。BL1为注浆全部密实，标准注浆质量钢筋混凝土包护结构，B-L2为中间5两段空浆， BL3为中间5三段空浆，BL4为中间5四段空浆。对于A模型用来标定注浆密实度，其中为便于对比分析，缺陷全部
13、分布在梁体中间，只是缺陷长度不 一样，分别为1m，2m，3m，4m，缺陷的设计目的是为测试并标定注浆密实度，对于B模型，为模拟实际情 况而设，设计了多种类型的缺陷，缺陷大小分别为两段、三段、四段缺陷，分布在梁端与梁中之间，四根 波纹管的总的空浆率是相同的，均设计为较小值5。模型的制作过程如图13所示。(a) (b)图12钢绞线固结波速评价注浆密实度标定模型示意图，(a)A模型示意图，(b)B模型示意图图13实验模型制作过程不同注浆密实度下固结波速实测数据与有限元模拟数据对比见图14所示，由图可知，当注浆密实度一 定时，固结波速在该注浆密实度对应值下小范围波动，其数值模拟结果与试验测试结果定性吻
14、合。95注浆 密实度不同缺浆段数的试验模型固结波速测试结果在4300ms，对应的数值模拟固结波速在4450ms，其数值模拟结果比试验测试稍大，是因为试验模型混凝土包护的是钢绞线，而模拟是用的钢筋材料，其钢绞线 的弹性模量在195GPa左右，而钢筋弹性模量在210GPa，这就解释了固结波速的模拟结果比试验测试稍大。208打开地球之门 探索未知奥秘由此可见，一定的注浆密实度对应一定的固结波速，缺浆段数对固结波速影响不大，可以通过固结波速这 一参数定量化标定相应注浆质量的钢筋混凝土包护结构。综合数值模拟和实验测试结果，得到整体注浆质 量快速无损评价标准，见表1所示。图14注浆密实度实验测试结果与模拟
15、结果对比表1钢绞线固结波速评价注浆密实度检测技术标准42梁板侧面扫描缺陷定位检测技术标准的建立 图15是模型所设计的预应力孔道注浆缺陷布置示意图。制作的模型尺寸为长、厚和高分别为lOm、05m、1m，原料为拌合站购买的C50强度等级的混凝土。钢筋布置参照实际施工，模型梁横截面顶部和底部各布 置5根钢筋，间距为9cm；竖向6根钢筋，间距为lOcm；在波纹管位置配有固定筋，确保波纹管呈直线状 态；箍筋间距为lOcm。内设一根波纹管，位置为梁横截面中心处，波纹管内径为69mm，壁厚3mm，长度为 lOm。模型制作过程如图16所示。lO图15梁板侧面扫描缺陷定位标定模型结构示意图打开地球之门 探索未知
16、奥秘一i瑟图16模型制作过程通过理论与实际模型研究，得到侧面声波散射扫描检测的判断标准，如表2所示。表2侧面声波散射扫描检测质量判断标准质量分类 测点位置波形特征 测点位置注浆状况波形衰减规律明显，散射和反射波不明显波、无I 密实概率至95明显高频信号。波形衰减规律欠明显，散射和反射波欠明显，有II 密实概率9095微弱高频信号。波形衰减规律较明显，散射和反射波较明显，有I 密实概率8590较多高频信号。形衰减规律不明显，散射和反射波明显，有明显IV 密实概率堇85高频信号。5预应力管道注浆质量检测仪的工程应用使用本文研制开发的预应力管道注浆质量无损检测技术及仪器于2011年11月对某预制箱梁
17、进行检测， 并对检测出有缺陷的位置处进行钻孔验证，结果如图17所示，验证结果表明本文技术与仪器满足工程检测 要求。210打开地球之门 探索未知奥秘例17预应力管道注浆密实度现场检测典型验证结果6总结本文对预应力管道注浆质量无损检测技术从具体结构的弹性波有限元模拟，仪器的研制开发和检测技术标准进行了系统的研究。所研制的“TH402型管道注浆密实度无损检测仪”在我国多条高速公路的桥梁 建设中得到成功应用。致谢；本文得到湖南省科技厅项目资助，在模拟及实验测试方面得到湘潭大学、湖南省交通科学研究院、中咨公路养护检测技术有限公司等单位的领导、工程师及研究生的帮助。 参考文献1】李爱群，缪长青，桥梁结构健
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