王鋒　張峰

摘 要：針對應(yīng)用超聲波檢測預(yù)應(yīng)力波紋管孔道壓漿質(zhì)量的問題，通過人為對波紋管孔道設(shè)置缺陷，在波紋管孔道全空、1/4密實、1/2密實、3/4密實、完全密實并埋入混凝土板中的各種情況下，再使用超聲波檢測。試驗結(jié)果證明：超聲波法可有效評價預(yù)應(yīng)力波紋管孔道的壓漿質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力波紋管；壓漿質(zhì)量；超聲波檢測；首波聲時

中圖分類號：U446.1 文獻標(biāo)志碼：B

0 引 言

近年來，橋梁建設(shè)得到了突飛猛進的發(fā)展，不同類型的橋梁工程紛紛涌現(xiàn)。由于預(yù)應(yīng)力混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有抗裂性好、剛度大、節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)安全及質(zhì)量可靠等優(yōu)點，而逐漸被人們重視并應(yīng)用到各種大型建筑中[1]。預(yù)應(yīng)力鋼筋作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在結(jié)構(gòu)承載方面發(fā)揮著巨大的作用，其中預(yù)留孔道的壓漿質(zhì)量對于保證預(yù)應(yīng)力效果、增強結(jié)構(gòu)耐久性等有重要意義。工程設(shè)計中要求預(yù)應(yīng)力束管道內(nèi)必須壓滿砂漿，以防止水分侵入而銹蝕鋼筋；但在實際工作操作中，由于壓漿方法不當(dāng)導(dǎo)致管道堵塞、壓漿不密實等情況時有發(fā)生。針對此類問題，前蘇聯(lián)的弗格瓦羅首次將超聲波檢測與回彈檢測一起運用，來檢測混凝土的密實度和強度，開辟了綜合檢測的新途徑。自20世紀(jì)70年代開始，中國多次組織力量合作攻關(guān)，在無損檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用方面不斷創(chuàng)新，使得超聲波缺陷檢測技術(shù)得以規(guī)范化。鑒于超聲波首波聲時參數(shù)受外界環(huán)境影響較小，因此在混凝土缺陷測定中可以將其作為主要的判斷依據(jù)[2]。本文將研究以超聲波首波聲時作為主要檢測手段，對混凝土缺陷進行準(zhǔn)確定量的評估。

1 超聲波檢測原理

混凝土是非均質(zhì)的彈粘塑性材料，它對超生脈沖波的吸收、散射衰減較大，其中高頻成分更易衰減，而且混凝土聲速會在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，不可能事先設(shè)置一個判斷缺陷的指標(biāo)。因此，用于混凝土檢測的超聲法，系指采用帶波形顯示功能的超聲波檢測儀和頻率為20～250 kHz的聲波換能器，測量超聲脈沖波在混凝土中的傳播速度（簡稱聲速）、首波波幅（簡稱波幅）、接收信號波形及主頻率（簡稱主頻）等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及其變化，判斷混凝土中的缺陷情況。

利用超聲脈沖波檢測混凝土缺陷依據(jù)的是以下原理[3]。

（1） 超聲脈沖波在混凝土中遇到缺陷時會產(chǎn)生繞射，可根據(jù)聲時及聲程的變化、波幅變化，判別和計算缺陷的性質(zhì)和大小。

（2） 超聲脈沖波在缺陷界面產(chǎn)生散射和反射，到達接收換能器的聲波能量（波幅）顯著減小，可根據(jù)波幅變化的程度判斷缺陷的性質(zhì)和大小。

（3） 超聲脈沖波通過缺陷時，部分聲波的路徑和相位會產(chǎn)生變化，不同路徑或不同相位的聲波疊加后，會造成接受信號波形畸變。

（4） 超聲脈沖波中各頻率成分在缺陷截面衰減程度不同，接受信號的頻率程度不同，可根據(jù)接收信號主頻或頻率譜的變化分析判別缺陷情況。

超聲波法是由發(fā)射換能器在預(yù)留孔道位置的混凝土表面施加瞬時聲波能量，產(chǎn)生的聲波有縱波、橫波和表面波三種波形，這些波在混凝土內(nèi)部進行傳播，在缺陷處發(fā)生明顯繞射現(xiàn)象[3-4]。在固體彈性介質(zhì)中，縱波波速（CL）最大，橫波波速（CS）次之，表面波波速（CR）最小。對于一般材料而言，CL≈2CS，CR≈09CS。考慮到質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致，故主要研究縱波的傳播效應(yīng)。本文采用了超聲波檢測方法中的對測法作為檢測手段，通過縮小采樣間隔，可以較為準(zhǔn)確地確定出首波聲時的具體時間，進一步尋找首波聲時與板厚、缺陷之間的關(guān)系。檢測流程如圖 1所示。

圖1 超聲波對測法檢測流程

超聲波首波聲時法可以用于波紋管孔道中缺陷大小的判定。通過超聲波在混凝土中的傳播速度V和超聲波在混凝土中的傳播路徑D，得到首波聲時公式

t=1/f=D/V（1）

式中：V為超聲波在混凝土中的傳播速度；D為超聲波傳播路徑；t為首波聲時；f為通過傅里葉變換得到的波的共振頻率。

首波聲時檢測原理依據(jù)公式（1）中不同缺陷程度下的首波聲時t，對波紋管缺陷進行定量評估。其中，波紋管缺陷越大，超聲波的繞射現(xiàn)象越明顯，傳播路徑D也就

越大。超聲波在金屬管道內(nèi)的傳播速度是其在混凝土中傳播速度的13倍，考慮到金屬波紋管壁厚較薄，該影響可以忽略不計[5]。

2 預(yù)應(yīng)力孔道超聲波響應(yīng)

超聲波在混凝土內(nèi)部經(jīng)過均質(zhì)混凝土、壓漿密實孔道、壓漿未密實孔道、未壓漿孔道后，由接收器采集到不同的首波聲時信號[6]。

2.1 均質(zhì)混凝土

無波紋管孔道的混凝土超聲波響應(yīng)與測量混凝土板厚的原理相同，超聲波由安置在混凝土構(gòu)件一側(cè)的發(fā)射換能器發(fā)射，沿直線傳播并抵達對側(cè)面，由傳感器接收。此時，首波聲時t1的計算公式為

t1=1/f1=D1/V

式中：D1為均質(zhì)混凝土構(gòu)件的板厚；f1為響應(yīng)頻率。

2.2 壓漿密實孔道

考慮到金屬波紋管對首波聲時的影響非常小，超聲波經(jīng)過壓漿密實的波紋管孔道與無波紋管孔道混凝土中的傳播原理相同。此時，首波聲時t2的計算公式為

t2=1/f2=D2/V

式中：D2為壓漿密實孔道混凝土構(gòu)件的板厚；f2為響應(yīng)頻率。

2.3 壓漿未密實孔道

當(dāng)超聲波經(jīng)過壓漿未密實孔道時，超聲波會產(chǎn)生明顯的繞射現(xiàn)象，傳播路徑D大于板厚。圖2可以清楚地顯示出，混凝土缺陷越大，傳播路徑D越大。此時，首波聲時

t3的計算公式為

t3=1/f3=D3/V

式中：D3為壓漿未密實孔道的混凝土構(gòu)件的厚度；f3為響應(yīng)頻率。

圖2 超聲波檢測縱斷面

2.4 未壓漿孔道

未壓漿孔道超聲波響應(yīng)與壓漿未密實孔道類似：傳播路徑比壓漿未密實孔道還要長，其首波聲時t4>t2，響應(yīng)頻率f4

3 模型試驗

3.1 檢測儀器

檢測儀器為北京智博聯(lián)科技有限公司的ZBL-U520非金屬超聲檢測儀，如圖3所示。該儀器是一款便攜式超聲波測試產(chǎn)品，采樣周期為005～400

發(fā)射頻率為50 kHz，在無缺陷混凝土中對測穿透距離可達10 m，電火花震源單次激勵穿透距離大于50 m。其自帶的數(shù)據(jù)分析軟件可進行數(shù)據(jù)處理、顯示及從PC上打印，可發(fā)現(xiàn)諸如孔洞、裂縫、蜂窩等內(nèi)部缺陷，還可下載波形數(shù)據(jù)及測試結(jié)果到PC上，進行全面的厚度/缺陷分析。

圖3 ZBL-U520非金屬超聲檢測儀

3.2 模型試件制作

模型試驗使用的混凝土標(biāo)號為C50，配有少量的Φ16 mm構(gòu)造鋼筋和波紋管定位鋼筋，波紋管布置距混凝土試件上下界面相等[7]，設(shè)計板厚分別為25、40 cm的兩種混凝土構(gòu)件，如圖4、5所示。試件尺寸及參數(shù)如表1所示。

人為對波紋管孔道設(shè)置缺陷，將一根完整的金屬波紋管截為70 cm（保證有效檢測長度為50 cm）。在澆注混凝土前，采用人工灌漿至完全密實、3/4密實、1/2密實、1/4密實和全空。先將波紋管一端封住，豎向灌注砂漿至相應(yīng)密實程度，然后將波紋管另一端封住并水平放置養(yǎng)護，待砂漿初凝后將兩端封口拆除，并用套管將不同缺陷的波紋管拼接成一根。

沿混凝土試件橫向等距布置3根內(nèi)徑為5 cm的金屬波紋管，選用Φ16 mm鋼筋彎成U形作為波紋管的固定鋼筋，縱向每隔20 cm布置一個。波紋管混凝土板模型俯視、縱向截面剖切如圖6、7所示。

圖6 混凝土板模型俯視

圖7 混凝土板模型截面剖切

3.3 測點布置與參數(shù)設(shè)置

在混凝土板表面對應(yīng)預(yù)應(yīng)力波紋管埋設(shè)的位置，沿波紋管長度方向每隔1 cm均勻標(biāo)注測點，共計11個測點。用砂紙將作業(yè)表面打磨平整，并在測點處均勻涂抹一定量的耦合劑。每個測點測試3次并對異常測點進行復(fù)測。

使用與混凝土板同期制作、強度相同的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊進行混凝土應(yīng)力波波速標(biāo)定。現(xiàn)場測得波速Vp約為4 000 m·s-1，采樣間隔為0.4

換能發(fā)射器發(fā)射頻率為50 kHz。

3.4 檢測結(jié)果

現(xiàn)階段使用超聲波首波聲時法檢測預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量沒有國家規(guī)范，一般以首波聲時作為主要的評判依據(jù)[8-10]。對波紋管孔道完全密實、3/4密實、1/2密實、1/4密實、全空等5類不同測點位置進行現(xiàn)場測試如表3所示，得出的檢測結(jié)果如下。

（1） 波紋管孔道完全密實。

如圖8所示，該處測點時譜響應(yīng)信號顯示：板厚25 cm的混凝土試件首波聲時t=64.4

?，F(xiàn)場測得的超聲波聲速Vp約為4 000 m·s-1，按照公式（1）計算得到深度分別為2576、3936 cm，與實際混凝土板厚（256、435 cm）基本相符。

圖8 混凝土試件時域聲時響應(yīng)

（2） 波紋管孔道未填充密實。分別對25、40 cm厚的混凝土構(gòu)件不同密實度11個測點的測試平均值進行圖譜分析，如圖9～11所示。

從時譜曲線可以看出，首波聲時在同一板厚、不同密實度以及不同板厚、同一密實度兩種情況下，均有著較為明顯的變化規(guī)律。針對此特點，在同一板厚前提下，分別對從不同密實度的11個測點取得的數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計，取其平均值，并進行圖譜分析，

表2 25 cm試件各測點首波聲時值

4 結(jié) 語

（1） 首波聲時法中的首波聲時與聲通路有著較為緊密的聯(lián)系，能夠形成特定的時譜曲線。

（2） 超聲波經(jīng)均質(zhì)混凝土、壓漿密實孔道、壓漿未密實孔道、未壓漿孔道后會產(chǎn)生不同的首波聲時響應(yīng)規(guī)律。

（3） 超聲波首波聲時法檢測在25 cm和40 cm兩種板厚的混凝土構(gòu)件中，有著類似的首波聲時規(guī)律。

（4） 通過人為對波紋管孔道設(shè)置缺陷，進行現(xiàn)場模擬超聲波首波聲時檢測，驗證了首波聲時理論分析和該測試方法的可靠性，表明首波聲時法可以有效地檢測波紋管孔道的壓漿質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint