孔道压浆密实度测试方法.docx
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孔道压浆密实度测试方法
灌浆密实度的现状及解决方法
前言
在我们日趋发展欣欣向荣的今天，土木建筑结构的质量已经成为和我们生命、财产安全的保障，从道铁隧的质量，到边坡、大坝、桥梁等，无所不和我们的安全息息相关。
所以，工程质量检测必不可少。
现在，我们主要讲解一下预应力边坡、桥梁等孔道压浆饱满度的测试意义和技术现状和针对灌浆密实度的问题而研发生产的产品孔道灌浆密实度质量检测仪的测试原理。
在后张法预应力混凝土梁的制作中，孔道灌浆的密实度的质量保证是非常重要的。
否则，会加速结构的劣化和降低结构承载力，严重时甚至造成安全隐患和垮桥等恶性事故，造成巨大的社会经济的损失。
我们升拓公司历时10余年，与国内外相关机构合作开发了一整套针对这两项关键问题的解决方案和技术体系。
该体系基于无损检测技术，具有测试效率高、可靠性好、对结构无损伤等特点，可以大大地提高预应力梁的质量保证度。
该技术体系的检测内容主要包括：
1）孔道灌浆密实度；
2）混凝土浇筑质量（构件、试件的强度及刚度）；
3）锚固应力；
4）尺寸及内部缺陷。
整个技术体系采用冲击弹性波作为测试媒介，并集成到一套测试设备中预应力混凝土梁多功能检测仪。
其测试精度和效率达到工程要求，已在国内外上百个桥梁工程中得到了实际应用。
测试的意义和技术现状
灌浆不密实的危害与分级
预应力钢绞线要在桥梁使用过程中确保长期发挥作用，达到设计要求，孔道压浆的质量效果是重要的影响因素之一。
如果压浆不密实，水和空气的进入使得处于高度张拉状态的钢绞线材料易发生腐蚀，造成有效预应力降低。
严重时，钢绞线会发生断裂，从而极大地影响桥梁的耐久性、安全性。
此外，压浆质量缺陷还会导致混凝土应力集中，进而改变梁体的设计受力状态，从而影响桥梁的承载力和使用寿命。
该问题的最早显现于英国。
建于1953年Ynys-Gwas桥梁于1985年突然倒塌，建于1957年的美国康涅狄格州的Bissell大桥于1992年炸毁重建。
其原因均在于预应力钢筋锈蚀导致桥的安全度下降。
结合国外经验与叶见曙、张峰（2004）提出的灌浆密实度的分级标准，我们建议将灌浆密实度分为如下4级：
A级：
注浆饱满或波纹管上部有小蜂窝状气泡，与钢绞线不接触；
B级：
波纹管上部有空隙，与钢绞线不接触；
C级：
波纹管上部有空隙，与钢绞线相接触；
D级：
波纹管上部无砂浆，与钢绞线相接触并严重缺少砂浆。
D级又可细分为D1、D2和D3级，分别对应于大半空、接近全空和全空；
A级B级C级
D1级D2级D3级
照片灌浆密实度分级
其中，C级和D级对钢绞线的危害很大。
灌浆密实度的调查
1）成桥调查（沪宁高速改建）
根据东南大学交通学院桥梁与隧道研究所（2004）提出的报告，对沪宁高速公路扩建工程中锡澄运河大桥、新兴塘大桥、北兴塘大桥和锡北运河大桥结合拆除对灌浆密实度进行了实体验证。
这4座桥均为三跨预应力混凝土连续箱梁桥，主孔跨径为（50～65）m，一般都是在1995年～1996年竣工，采用在支架上现浇混凝土、节段悬臂现浇混凝土施工方法建造。
照片2左：
锡北运河大桥拆除右：
锡澄运河大桥箱梁拆除
调查结果如下表所示。
可以看出，在总数8000多个调查点中：
（1）完全密实的比例仅有39%，而全空（未灌浆）的则高达13%；
（2）对钢绞线锈蚀有严重影响的C、D级占调查总数的39%，与密实的比例相同。
表1灌浆密实度纵向孔道灌浆密实度调查一览表
桥名
调查总数
密实
A级
1/5空
B级
2/5空
C级
3/5～4/5D1-D2级
全空
D3级
锡澄运河大桥
3117
42%
15%
9%
19%
15%
北兴塘大桥
3689
40%
28%
13%
10%
9%
锡北运河大桥
1519
29%
25%
15%
14%
17%
合计
8325
39%
23%
12%
14%
13%
照片3灌浆不密实或未灌浆，钢筋锈蚀严重
2）预应力梁场检测
即使在最近，采用新的灌浆工艺和灌浆材料，在很多时候仍然无法保证灌浆质量。
某国外公路工程T梁（28～36米）采用最新的工艺和专用灌浆料施工。
其灌浆饱满度试验使用铱192射线源照射穿透20cm厚腹板混凝土，底片尺寸30×40，共21张，距梁端5米左右。
总共发现了灌浆缺陷C级有5，D级有16处，约占全部拍摄的一半左右。
空洞
空洞
钢绞线
钢绞线
照片4灌浆不密实（D级）射线照片
检测技术现状
长期以来，研究人员开发了多种方法。
按测试所采用的媒介来分，大致可以分为：
1）基于放射线（X光、伽马射线、铱192等）的检测方法；
2）基于电磁波的检测方法（如电磁雷达）；
3）基于超声波的检测方法；
4）基于冲击弹性波的检测方法
一般来说，基于放射线的检测技术精度较高，但测试设备复杂，检测成本高，难以大范围检测。
电磁雷达则受钢筋影响大，对缺陷不敏感、测试精度低，同时也无法测试金属波纹管内的灌浆密实度。
超声波法和冲击弹性波法尽管从理论上能够检测灌浆密实度，但迄今为止尚无简捷可靠的、实用化的针对灌浆密实度的无损检测技术和设备。
我们开发的灌浆密实度测试方案综合了国内外以及我们研发的多种技术，其最大的特点在于既可以快速定性测试，也能够对有问题的管道进行缺陷定位，从而达到了测试效率和精度的最优化。
检测要求
我国早在1991年的“公路桥梁养护管理工作制度”（交通部工程管理司）中即规定，在“特殊检查项目”中，要求“③预应力钢筋现状及灌浆管道状况、空隙情况调查；”（第二十四条）。
最近，随着检测技术的进步，对灌浆密实度的检测已被提到议事日程。
2012年6月，陕西省交通运输厅在“陕西省公路建设工程质量工作指导意见”中明确指出，“67.4后张法预应力混凝土必须……,孔道压浆后须经有资质和检测经验的单位进行压浆效果检测，检测频率可按预制梁数量的1%进行抽检，现浇梁、刚构悬浇梁段按波纹管总数的1%进行抽检。
”
2013年以来，浙江省、甘肃省、重庆市等多地均开展了预应力施工质量专项检查工作，其中，灌浆密实度成为重要的检查专项。
孔道灌浆密实度质量检测仪的测试原理
公司针对灌浆密不密实的情况研发生产了检测孔道灌浆密实度质量的无损检测仪-孔道灌浆密实度质量检测仪。
该设备不仅多项技术获得了国家发明专利，而且是目前国内唯一可以检测灌浆密实度质量的仪器。
设备的只要元器件从美日等国家进口，耐久性强，测试准确。
下面就是关于孔道灌浆密实度质量检测仪的测试原理：
为了准确测试纵向预应力梁管道（双端锚头露出）的灌浆缺陷，同时兼顾测试效率，因此我们采用了基于冲击弹性波的多种方法进行测试。
具体请参考下表。
灌浆密实度测试项目一览表
方法
测试方案
备注
定性测试
全长衰减法（FLEA）
在锚索两端上激振与受信（参考图1）
对预应力孔道全体进行定性测试。
全长波速法（FLPV）
传递函数法（PFTF）
确定锚头附近（约0.5～2m）范围内有无缺陷
波形特征对比法
定位类型测试
冲击回波等效波速法（IEEA）
在每个管道上沿间距为0.2m进行测试，孔道正上方激振。
（参考2）
定位测试，确定缺陷的具体位置
a、定性测试
利用锚索两端露出的钢绞线进行测试，测试效率高。
由于空洞等缺陷通常发生在孔道的上方，因此通常只需测试最上方的钢绞线即可。
在一次测试过程中，可同时完成上述四种方法（FLEA、FLPV、PFTF、LAEA）的测试，完成一个孔道的测试时间在5分钟内。
图1定性测试示意图
b、定位测试
沿着管道的上方或侧方，以扫描的形式连续测试（激振和受信），通过反射信号的特性测试管道内灌浆的状况。
图2灌浆密实度的定位测试
c、定性测试原理和方法
1）全体灌浆性能
采用全长衰减法（FLEA）和全长波速法（FLPV）进行测试。
（1）全长衰减法（FLEA）
如果孔道灌浆密实度较高，能量在传播过程中逸散的越多，衰减大，振幅比小。
反之，若孔道灌浆密实度较低，则能量在传播过程逸散较少，衰减小、振幅比大。
因此，通过精密地测试能量的衰减，既可以推测灌浆质量。
我们研发的双方向激振技术（已取得国家发明专利，专利号：
ZL200510021851.5）可以大幅提高能量衰减的测试精度，从而奠定了全长衰减法的基础。
（2）全长波速法（FLPV）
通过测试弹性波经过锚索的传播时间，并结合锚索的距离计算出弹性波经过锚索的波速。
通过波速的变化来判断预应力管道灌浆密实度情况。
一般情况下波速与灌浆密实度有相关性，随着灌浆密实度测增加波速是逐渐减小，当灌浆密实度达到100%时，测试的锚索的P波波速接近混凝土中的P波波速。
2）端部灌浆性能
主要采用传递函数法（PFTF）和波形特征对比法测试。
（1）传递函数法（PFTF）
在预应力梁的一端激振，如果接收端存在不密实情况，会在接收端产生高频振荡。
因此，通过对比接收信号与激发信号相关部分的频率变化，可以判定锚头两端附近的缺陷情况。
此外，该方法测试的区域（锚头附近的钢绞线），恰恰是定位测试（IEEV）法较为困难的测试区域。
传递函数法的测试概念
当然，在激振端附近的钢绞线也存在灌浆不密实现象时，激振端的传感器拾取的振动信号的频率也会增加。
（2）波形特征对比法
在预应力孔道端部存在不密实区域时，接受到弹性波首先为经钢绞线传来的信号，然后接收到经周围混凝土传来的信号，两者之间有一定的时间差。
另一方面，端部灌浆密实时，两者信号较为接近，不易分辨。
3）定量化分析（灌浆指数）
上述各定性测试方法各有特色，尽管测试原理不同，但测试方法完全一样。
因此，根据一次的测试数据可以同时得到3种方法的测试结果。
表2-2-2灌浆密实度定性测试方法比较
方法
优点
缺点
全长衰减法（FLEA）
测试原理明确、对灌浆缺陷较为敏感
测试结果离散性较大，影响因素多
全长波速法（FLPV）
测试结果较为稳定，适合测试大范围缺陷
测试原理不严密，对缺陷较为钝感
传递函数法（PFTF）
能够测试锚头附近的灌浆缺陷，解析方便
测试范围较小
为了定性测试的结果定量化，我们引入了综合灌浆指数If。
当灌浆饱满时If=1，而完全未灌时If=0。
因此，上述各方法可得到相应的灌浆指数IEA，IPV和ITF。
同时，综合灌浆指数可以定义为：
只要某一项的灌浆指数较低，综合灌浆指数就会有较明显的反映。
通常，灌浆指数大于0.95一般意味着灌浆质量较好，而灌浆指数低于0.80则表明灌浆质量较差。
此外，灌浆指数是根据基准值而自动计算的，因此，基准值的选定是非常重要的。
不同形式的锚具、梁的形式以及孔道的位置都会对基准值产生影响，所用在条件许可时，进行相应的标定或通过大量的测试并结合数理统计的方法确定基准值是非常理想的。
灌浆指数的基准值
方法
项目
全灌浆时值
无灌浆时值
全长波速法
波速（km/s）
混凝土实测波速注-2
5.01注-4
全长衰减法
能量比
0.02
0.20
传递函数法
频率比（Fr/Fs）
1.00
3.00
激振频率注-3（KHz）
2.0
4.0
d、定位测试原理和方法
1）定位测试（改良冲击回波等效波速法：
IEEV）的基本原理
根据在波纹管位置反射信号的有无以及梁底端的反射时间的长短，即可判定灌浆缺陷的有无和类型。
当管道灌浆存在缺陷时，有：
（1）激振的弹性波在缺陷处会产生反射；
（2）激振的弹性波从梁对面反射回来所用的时间比灌浆密实的地方长。
因此，等效波速（2倍梁厚/梁对面反射来回的时间）就显得更慢。
2）定位测试（IEEV）的特点
（1）IEEV法测试精度高，但相对速度较慢；
（2）测试精度与壁厚/孔径比（D/Φ）有关，D/Φ越小，测试精度越高；
（3）当边界条件复杂（拐角处）或测试面有斜角（如底部有马蹄时），测试精度会受较大的影响。
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