超声成像法在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用汇总

1、第37卷，第5期2012年10月公路工程 HighwayEngineeringVol . 37, No. 50ct., 2012超声成像法在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用杨沙 410083)摘要超声检测是混凝土无损检测技术中的一个重要方法，当预应力管道中存在注浆不密实的区域时，可1121忠，梁俊辉，张升彪，刘礼明，张丹(1.湖南省衡桂高速公路建设开发有限公司，湖南衡阳421001; 2.湖南致力工程检测技术有限公司，湖南长以根据混凝土中超声波的传播速度、频率、波形、振幅等参数，进行缺陷的定性 识别；然后再利用测量数据进行合成孔径聚焦成像(SAFT)，对缺陷的位置及 大小进行定量判断。关键词

2、桥梁；预应力管道；注浆缺陷；超声波；合成聚焦成像+中图分类号U445. 71文献标识码A 文章编号1674 0610 (2012) 050168 04Ultraso ni cImagi ngMethodsforGrouti ngFaultsI nv estigatio nofPost-te nsio nedC on creteStructuresYANGZhong1，LIANGJunhui1，ZHANGShengbiao2, LIULiming1，ZHANGDan1(1. HunanHeng-guiExpresswayConstructionandDevelopmentCo Ltd .，Hen

3、 gya ng, Hu nan421001Chi na； 2. Hunan zhilitesti ngtech nologyCo.，Ltd， Cha ngshq Hu nan410083,Chi na)AbstractUltrasonictestingisanimportantmethodofconcretenondestructivetestingtechnology Wh en the no tde nseregi oni sprese nted in thepre-stressedpipes thedefectscouldbequalitativelyide n-tifiedbasedo

4、 ntheparameterssuchasthepropagati ono ftheveloc,yfreque ncy, waveform,amplitudeandsoon Usingthesyntheticfocustechnologytogettheimagesofthemeasureddat as, andthenthelo-cationandthesizeofthedefectscouldbequantitativelydeterminedKeywords bridge； pre-stressedte ndon ducts grout in gfaults; Ultras onic；

5、syn theticfocustech-no logy0前言在预应力混凝土结构中，预应力管道注浆的作用主要有以下2方面：确保预应力筋与混凝土粘结而保证共同工作；防止预 应力筋受空气、水和其它腐蚀性物质侵入而锈蚀。为了确保预应力的效 并且避免水分浸入致使果及混凝土结构的耐久性， 钢束锈蚀，必须保证预应力管道中压满饱满。但由于压浆工艺和某些人为因素（由于存在泌 使压浆管道的入口、出口、曲线管道水和残留空气， 的上凸段和排气孔附近容易出现大片空洞），预应力管道通常注浆不饱满，从而 造成预应力钢绞线腐蚀，大大削弱了混凝土结构构件的承载能力及持久 甚至引起结构失效或性。严重影响其结构可靠性，收稿日期20

6、12 0810 作者简介杨y-Gwas大桥、BicktonMeadows垮塌。如欧洲的 Ynys-Bissell大桥。据统计，大 桥、由于注浆不密实导致预应力管道内钢绞线锈蚀，预应力提前丧失，可造成桥 对梁实际寿命缩短至设计寿命的十分之一。因此， 预应力管道注浆质量的检测成了目前国内外混凝土无损检测行业研究的重点。文献资料检索表明，目前，国内外关于混凝土管 主要道注浆无损检测技术及装备研究的并不深入， 是一些传统的检测方法，例如红外热成像、射线成像、地质雷达、超声波、冲击 回波法等方法应用到混凝土内部缺陷的无损检测上来，其研究应用现状与存在主 要问题如下： 红外热成像检测技术。2008年，徐维

7、超用有限元数值模拟研究了金 忠（1969），男，湖南岳阳人，高级工程师，目前主要从事公路工程试验检测 工作。第5期杨忠，等：超声成像法在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用169属、塑料波纹管注浆饱满度及有空洞时预应力梁的并用不同的热源对多个预应力试件进温度场特征， 行了物理模拟，指出用热成像法检测波纹管注浆饱 满度是可行的，并建议采用红外线发射器做热源能1对构件均匀加热。 2000年梅林用转换函数分析法对热影像进行析。2003年傅翔通过模拟试验及大量工程应用利用冲击回波法进行测试预应力预留 孔灌浆证实，10质量是可行的，但对某些探测范围、孔径较小等密实11性缺陷情况还有待进一步深入研究。200

8、6年R. Muldoon对冲击回波数据同时在 时间域和频率域进行处理分析，提取出更为丰富的信息，提高了探测精度用有限 元法证明了最大熵值法的准确性，并将最大熵法（ MEM）用于分析冲击回波数 据，成功的探测12到塑料波纹管内的预留空洞。2010年邹春江等人探讨了不同注浆饱满度的主频响 应规律以及无浆孔道的判断依据，并通过大量试验证明，利用冲击回波主频可以 成功地判断箱梁预应力孔道的注浆是否13饱满。超声波检测技术。1998年BarbaraJ. JaegeyMary研究出一套专门用于波纹管内空洞检测的超声检测 仪，取得了一定效果。指出用超声脉冲回波技术检测锚索内空洞是可行的，并通 过试验成功检测

9、到金属波纹管内的注浆空洞。2004年李颖通过试样研究证明用超声探测预应力梁内部缺陷是可行的。通过工 程实测证14成功地检测到塑料波纹管内的预留空洞，通过处理， 试验结果证明，在最大对比度图像到后半最大对比2 度图像附近才是最佳检测缺陷面积大小的时间。2008年Pollock和Dupuis利用不同的箱梁模型，采用不同热源及不同检测方式研究了波纹管中3空洞的温度响应特征。 射线成像检测技术。2006年，在混凝土内空洞的X射线透照原理的安林展开了 大量的室内透照试验，提出了波基础上，纹管内灌浆空洞的透照方法及技术，根据该方法判与梁体局部解剖结果一明的灌 浆空洞大小和位置，致。2008年安琳提出了在判

10、别金属波纹管和 PVC波纹管（包括圆形和扁形两种 形式）内灌浆空洞及4预应力筋束断丝时的方法及步骤。2010年H . K. Chai,通过实验验证，指出 Gamma射线成像对于预应力梁注浆 空洞及锚索锈蚀程度检尝试用Gamma射线来确定锚索的测是非常有用的，锈蚀程度，并确定锚索的数量及波纹管内空洞的大3 小。 地质雷达检测技术。2002年H . Zhan, K. Belli将地质雷达应用于预应力梁的 空洞检测，并指出雷达天线垂直于波纹管走向时的探测效果是最佳的6明，用超声波检测混凝土预留孔道的灌浆情况是有并指出波幅值对空隙的反映很敏感，它可以作效的，15为判断分析孔道灌浆密实性的重要依据。20

11、06年杨天春等人采用超声波透射法，并结合神经网络技术，成功对T梁的压浆质量进行了试验16性检测研究，预测到钢束管道内的压浆质量。2010年张东风等人利用超声波透射法，结合高斯函数为核函数的支持向量机模式识别技术，对预应力T梁束孔管道的压浆质量进行无损检测，并对检测数据进行自动缺陷识别，研究结果证明采用 支持向17量机算法识别结果准确、可靠。综上所述，目前，这些方法在探测预应力桥梁管 道内空洞方面，射线法较为昂贵且对人体有害，在检测时需要确保一定的安全范 围，且穿透能力有限，因而应用相对较少；红外热成像技术可用于波纹管注但在 应用时，要浆监测及水泥浆硬化后的空洞检测， 注意对被测物体进行整体恒温

12、或局部瞬时加温处理，并且检测时间及过程要求也比较严格，检测的深度也很有限，精度低，无法 广泛使用；冲击回波法是最具有发展潜力的检测方法，但是存在效率低，分辨低 的问题，且对塑料波纹管灌浆质量的检测有难度，且缺陷判定依据也需进一步深 入研究；因为电磁波受到金属波纹管屏蔽作用，导致地质雷达也只能用于塑料波 纹管的注浆质量检测，另外，纵横分布的钢。2005 年 Y. Tin key研究了雷达极化特性对塑料波纹管中空洞的检测的 用1. 5GHz天线成功检测出塑料波纹管内的影响，。2009年 RaniHAMROUCHE 指出用地8 质雷达可以检测到塑料波纹管内的空洞。注浆空洞 冲击回波检测技术。20世纪

13、80年代，在国际上掀起了对冲击反射法 (ImpactEchoMethod)的研究浪潮，在众多探测混凝土内部缺陷方法之中，该方 法一度被认为是当前最有发展前途的方法之一。2008年，姚华开展了利用扫描式 冲击回波法来检测后张预应力管道内缺陷的模型试验研究，在频率域对冲击反射 回波进行分析研究，取得了突破性进展，使该法进入实用阶9段。2010年MasahikoYamada通过试验证明用SIBIE法可以较准确的识别未注浆 波纹管，并指出加速度传感器和激光测震仪都可以用于SIBIE分7170公路工程37卷筋对雷达信号产生强烈的干扰，检测效果也有待进一步验证；超声无损检测技术 虽能显示波纹管的位置，但对

14、管道内压浆情况无法明显显示，精度较差，效率极 低，也需进一步深入研究。在这些方法中，超声波法是最有发展潜力的检测方 法，超声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好；超声波传播能量大，对 各种材料的穿透力较强；超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的 应用提供了丰富的信息。作者利用自己研发的桥梁预应力管道注浆超声检测仪 器，在衡桂高速公路上进行了大量的检测工作，圈定的注浆不密实的区域，经开 窗、钻孔等破坏性检验，基本都得到了验证。图1超声波反射波法检测原理Ultras on icreflectedwavemethoddetecttheory1超声波检测原理Figure1超声检测反射方法

15、是超声检测方法中最基本的 超声波在从一种介质向另一种方法。正如所知道， 一种介质中传播的时候，在通过声阻抗不同的结构 界面时会发生较强的反射，超声波在注浆管道里传播发生散射，衍射，折射等现 象，若预应力管道内存在孔隙、空洞、不密实等缺陷时会使接收到的超声波波形 发生畸变。通过对接收到的波形数据进行振 相位、速度等方面的分析，可以定性判断缺陷的幅、 有无；通过致力科技自主研发的反演软件进行二维或三维成像，可准确定位缺陷 位置和判定缺陷大小形态。反射法是在试件的一侧发射和接收声波信号，可以用一个兼有收发功能的换能 器，也可以分别用接两个换能器发射和接收。当试件中没有缺陷时，收到的就只 有上表面反射

16、波A和下表面反射波L两个信号；当试件中存在缺陷时，除了观测 到在上表面回波A和下表面反射波L之外，还会出现来自缺陷的反射波信号 D， 如图1所示。缺陷反射波的幅值的大小，由缺陷的反射面积和方向角的大小决 定，由此即可分析出缺陷的性质。由于缺陷发射了部分的超声能量，使底面反射 波幅值减小。若混凝土并使用恰当的传感器，利用这种试件的材质较好， 方法能够观测到很小的缺陷反射波信号，灵敏度很高。体中心为参考点，依次向两边布置测线。每条测线的测量数据均可进行二维SAFT成像，用所有测线的数据可以进行三维 SAFT成 像卜41圧 an图2检测测线布置示意图Figure2Thedetectio nsurve

17、yli nediagram测量仪器为致力科技自主研发的预应力桥梁管G1),道注浆质量检测仪(BQT-该仪器采用低频超声阵列检测预应力桥梁管道 注浆缺陷。在测试过程中，所有的换能器依次作为震源，每次都是一个换能器发射，所有换能器接收。 其原理如图3所示nu-0：；：；：:检波陆阵列预应力压浆孔殖o图3孔道压浆质量检测工作原理示意图Figure3Ductgrouti ngqualitytest in gworksdiagram2桥梁预应力压浆管道超声检测方法3工程检测实例在进行桥梁预应力压浆管道的检测时，要沿垂直于压浆管道的方向进行超声波测 试，测线间距一般选择为1030cm，测线布置如图2所示。

18、以梁某梁场由于压浆工艺不完善和施工过程控制不严格，导致预应力压浆管道端口处压浆不密实。为了检测压浆孔道内部不密实的 程度，首先根据施工第5期杨忠，等：超声成像法在桥梁预应力管道注浆质量检测中的应用171图纸标出波纹管的走向，然后沿着垂直波纹管走向利用SAFT进行了检测。根据现场采集到的数据，成像方法，得到了如图4所示的结果HX)和屮511 册I5Q 200250艮度r mm5 H. K. Chai, D. G. Aggelis, S. Molokai , Y. Single-sideaccess tomographyforevaluati ngin teriordefectofc on cre

19、te J. Con struc-tionandBuildingMaterials , 24 (2010) 2411 2418.6 H. Zhan, K. Belli , S. WadiaFascisticandC. Rappport. Effective nessof2DFDTDGroundPenetratingRadarModelingfor. BridgeDeckDeteriorationEv aluatedby3DFDTD Z 7Y. Tinkey, L . D. Olson,H . Wiggenhauser. ConcreteBridgesandOtherStructures Mate

20、rialityEvaluation . 2005. DoyleJ. Webb, NeilL . Anderson, TimNewtonSteveCardimonaZ . Bridgescour： Applicationofgroundpenetratingradar. 8RaniHAMROUCHE , GilesKLYSZ , Jean-PierreBALAYSSAC . Numericalmodelingofground-penetratingradar (GPR) fortheinvestigate nofjointingdefectsinbrickmasonrystructures. N

21、DT-CE 09 Non- DestructiveTestinginCivilEngineeringNantes Z, France, June30th-July3rd, 2009. 9姚华.扫描式冲击回波法检测后张预应力管道内缺陷的模D.重庆：重庆交通大学，2008.型试验研究10 MagsaysayOHTSU, MasahikoYAMADAandYokoNAKAI . I-den tificatio nofun groupedte ndon duct in pres-stressedc on creteQ9N on-DestructiveTestinginCivilEngi-bySIBIE

22、 . NDTCEZ. France, 2009. neeringNantes11 傅翔，宋人心，王五平，等.冲击回波法检测预应力预留孔健，王智丰.桥梁箱梁孔道灌浆质量检测中冲击J.施工技术，2003, 32 (11): 37 38.灌浆质量图4注浆不密实区域成像结果Figure4Thegrouti ngno tde nseareaimagi ngresults图4中波纹管内部(黑色圈出部分)出现了明显的连续强反射，反射振幅较大， 且有多次反射。推测该部分注浆不密实，可能含少量积水。经过现场 在波纹管内部存在一个长约5cm，高约开窗验证，1cm的注浆不密实区域，其中存在少量积水，在打钻过程中有水

23、流出。4结论12 周先雁，栾82.超声波是工程中检测混凝土内部不密实区和空洞较常用的一种方法，在桥梁预应力压浆管道注浆质量检测方面具有速度快、准 确率高等优势。利用合成孔径聚焦成像的方法，可以对梁体进行三维成像，能够 对预应力管道中存在的注浆缺陷进行准确的判读，为施工质量评价和后续处理工 作提供科学的依据。参考文献I 徐维超.超声红外热波无损检测技术应用于裂纹检测的研究D.北京：首都师范学，2008. 2梅70.3 DavidG. PollockKennethJ. DuouisBenjaminLacourKarIR. Olsen. DetectionofVoidsinPrestressedConcreteBridgesusingTher-rd717 1， De- malImagingandGround-PenetratingRadarZ . wa-cember2008.4 安 琳，郑亚明.后张预应力混凝土结构灌浆空洞X射线无损.公路交通科技，2008, 25 (1): 92- 97.检测的试验研究J林，陈自强，王裕文，等.脉冲加热红外热成像无损检测的2000, 34 (1): 66-有