1、预应力管道压浆密实度的质量控制与检测技术研究,杭州市交通工程质量安全监督局上海市建筑科学研究院施工技术研究所2010-5,一、预应力孔道压浆密实度病害实例二、目前施工中病害的成因分析三、预应力孔道压浆质量无损检测技术四、课题的最终研究成果,一、预应力孔道压浆密实度病害实例,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,国内外预应力孔道灌浆病害调研实例 在法国至1996年，法国预应力公路桥梁3984座，研究表明早期桥梁技术人员由于相信混凝土受压下无渗水问题，防水措施差，1960年以前预应力管道不灌浆或只灌沙子。法国研究认为：早期建设的桥梁相信混凝土受压后无渗水问题，因此防护草率，可能导致锚固体系
2、腐蚀的原因：锚端不密封 、管道质量（原为沥青牛皮纸后在1950年改为金属管）、无排水措施等。 英国于1948年开始采用后张工法，之后的10年内发生了一些耐久性问题，建于1958年的Lincolnshire的一座人行天桥（后因故拆除），发现灌浆不密实，引起预应力钢束腐蚀严重。1970年发现Trunk路上（建于1961年）某桥超过一半的预应力管中有水汽，16%为流动水。 1985年发生了Ynys-y-Gwas桥塌桥事故，调查表明24根纵向预应力管道中，18根灌浆密实，4根有大空隙，2根为全空。14根横向预应力管道中，8根灌浆密实，3根有大空隙，3根为全空。其主要原因就是预应力管道压浆不饱满，预应力
3、筋锈蚀、断裂，导致了严重的桥梁跨塌事故。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,国内外预应力孔道灌浆病害调研实例,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,1996年8月竣工,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,从拆下的砼连续梁断面上看到：50%以上的预应力管道无浆或压浆不满,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,砼连续刚构桥箱梁底板的预应力管道经吹气检查，底板预应力管道51%没有水泥浆，内有水等杂物被高压空气压出。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,对某跨度达到330m的钢混连续刚构桥的进行了质量抽查，文
4、献表明“各墩悬臂施工到第7、8节段的时候,为检验预应力孔道灌浆的效果和积累长孔道灌浆经验,在各悬臂随机开凿几处已经灌浆的纵、横向预应力孔道进行观察。纵向预应力孔道的开凿位置均在隔着中间0号块且离0号块不远的相互对称的地方;横向预应力孔道的位置在两个端部离端头20 cm处及中间部位。结果发现每个纵向预应力孔道的检查处均未充满水泥浆,最大空隙达到3.5 cm高,明显露出几股正在生锈的钢铰线。小的间隙也接近1 cm,水泥浆刚刚盖过钢铰线;横向预应力孔道检查处中间的点比较密实饱满,相当理想,但两个端头的点也不饱满密实,越靠端头孔道留空程度越高。锚头附近几乎没有水泥浆,而且在多处孔道内还残留有水,四根钢
5、铰线直接暴露在孔道内的空气和水分中。总体灌浆效果很不理想。”,二、目前施工中病害的成因分析,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,1.压浆材料性能指标 目前国内多数后张预应力桥梁工程采用普通水泥浆进行孔道压浆，课题组对国内外压浆施工规范进行了调研。 国外自2001年起根据耐久性要求更新其相应的规范和指南要求，本课题主要参考规范有：欧洲ETAG013（2002）、美国后张预应力手册第六版(2006)、日本预应力压浆施工指南（2006）。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,预应力管道压浆
6、饱满度的综合无损检测技术的研究,（1）国内外除在压浆料强度方面的要求差异不大。在初凝时间、流动性、泌水率、膨胀率、体积变化率、抗渗性、总氯离子含量的方面要求差异大。国内交通和建筑系统规范中的性能指标较低，铁道的TB/T 3192-2008 铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件有了较大提高。 （2）分析国内外在压浆料性能指标上的差异可以发现规范的一些误区。在流动度方面过于苛刻，导致水灰比很难减小。我国多数规范中，仅要求用于压浆的水泥浆，3h后泌水率2 , 24h后，泌水应能够被水泥浆完全自我吸收。当压浆长度比较长、管道落差较大时，必然出现泌水集中现象，导致大的空隙，另外施工人员为了便于压浆，
7、在施工过程中擅自增大水泥浆水灰比造成的。管道中的泌水未采取有效措施及时排出，残留在管道中。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,（3）压浆料性能指标整体提高是十分必要的，它是提高预应力压浆质量最重要的要素。在国外，对于预应力压浆料划分很细致，如日本针对竖向、纵向、横向预应力都有不同的压浆料相对应。普通的纯水泥浆压浆料难以满足压浆质量的要求。 （4）试验检测方法: 国内公路压浆料现场试验目前主要是抗压强度和流动度两项指标，前者主要考虑压浆料与结构整体协同工作的要求，后者是为了控制施工中的可灌性，这些检测与压浆密实程度不发生直接联系。此外在压浆料的型式检验中，泌水率、膨胀率两项指标，没有
8、考虑因预应力筋而发生的毛细泌水现象。 毛细泌水现象就是浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象。浆体对于钢绞线是侵润的，所以在预应力管道内钢束间隙产生毛细作用，沿钢束间隙升高，形成泌水。 在国外一般认为，倾斜管试验和插筋泌水试验能控制该方面性能。该方法与目前国内一些较大工程中采用制作实体工艺模型试验来检验压浆质量方法相比，有成本低、定量性强的特点，值得大力推广。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,2.2 管道成孔材料性能指标和检测 预应力管道压浆质量问题实际上与成孔质量和压浆质量有关系，相对而言，工程中更轻视成孔质量问题，这个问题目前最突出的因素是波纹管产品质量失控
9、和现场保护较差。预应力波纹管质量长期以来是非强制检测项目，多数工程未进行产品检验，导致一些波纹管生产单位在卷制金属波纹管钢带质量上和塑料波纹管的颗粒及厚度上做文章，上海建科院检测站曾受委托对某市绕城高架工程使用的近十个厂家的波纹管进行抽检，合格率仅15%。分析主要原因：,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,（1）在塑料波纹管方面：国内单位多采用聚乙稀塑料做全规格波纹管，而国外在大规格内径波纹管采用强度、弹性模量和耐热更好的聚丙稀塑料。为降低塑料颗粒用量，波纹管壁厚普遍低于规范要求。波纹的形状和波高对于波纹管的环刚度指标影响也较大，一些生产厂家在该方面未能引起重视。 （2）在金属波纹管
10、方面：长期以来对产品无认证要求，很多单位自行卷制，采用的钢带质量和在现场保管措施不利，导致现场波纹管锈蚀漏浆，严重时导致预应力筋无法穿入，一般情况导致压浆工艺无法正常实施，这些问题均由于是隐蔽工程，质量验收困难。 （3）波纹管检测问题：目前检测执行的标准为预应力混凝土用塑料波纹管JT/T529-2004, 预应力混凝土用金属塑料波纹管JG225-2007。其中规定的检测项目如下表，常规的压力试验设备很难同时满足两规范中对2、3项目的检测要求。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,波纹管检测项目一览表,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,2.3.真空压浆的问题首先采用真空泵抽
11、吸管道中的空气，使管道真空度达到-0.1MPa左右（至少不低于-0.06MPa），然后将水泥浆压入到管道中，从而减少气体影响，提高管道压浆的饱满度，对预应力筋形成密实的保护层，达到耐久的防护目的。第一步，压浆浆体流动前端的假想图，在管内由于混凝土先流造成残留空气。第二个步，在压浆进行中是正压的情况下，比如说，上升到一个大气压时，真空泥浆残留空气体积会缩小到步骤一的1/10。第三步，封闭排出口最终加压，和加压是反比例关系，残留空气会更小。最后，养护时，在残留空气在高度压缩状态下，浆液硬化，可有效减小残留空气造成的缺陷。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,真空压浆施工的作用是减少管道气
12、体引起的空隙，并不能消除浆体原有的泌水问题。课题组对国内外真空压浆施工研究成果进行调研，认识到：（1）真空压浆可以改善压浆质量，其核心是真空度的保证程度，需要在施工时严格检测其真空度实际参数。（2）单纯依靠真空压浆工艺难以解决压浆料性能自身的问题，压浆料性能的提高是保证压浆密实的最主要因素。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,2.4 出浆孔与排气孔、封锚问题部分出浆管设计错误，未开在管道的最高点，当浆体溢出误认为压浆完成，同时由于出浆孔淤塞导致残留空气排出不畅。排气措施是非真空压浆十分重要的技术措施，排气孔设置位置不规范，没有根据相应的结构和预应力束形进行设计，造成管道“窝气” 。
13、在课题报告4中将有针对性的规范排气管位置和措施。预应力锚头是高应力部位，防护要求高，目前一般对封锚材料要求抗渗不高，很难达到设计锚头防护体系的要求，封锚材料开裂后，直接导致锚头锈蚀。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,2.5高速搅拌制浆目前工程中常规采用低速搅拌机（转速在100转/分钟左右）,有关研究表明采用高速搅拌机（转速在1000转/分钟以上），能较大幅度提高浆体质量。上海建科预应力公司和东南大学等单位研究均证明,采用高速搅浆机拌制的水泥浆体的流动度、泌水率、强度、膨胀率指标, 均好于慢速搅拌机拌制的水泥浆。在日本等国家推荐的制浆机转速也均在 1000转/分钟以上。但是也应该认
14、识到，单纯通过高速制浆技术将普通纯水泥浆提高到无收缩无泌水高性能压浆料的性能是不现实的。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,2.6管道压浆的工程管理问题现场施工监管一般认为压浆过程十分重要但是缺乏监管的手段，参考美国、欧洲和日本有关规范的做法结合国内实情，可以从以下几个方面进行改进。（1）对压浆过程进行数字化管理，对压浆流量、流速、压力、水灰比指标进行定量监测。（2）对压浆人员进行专业化培训，将压浆设计提高到专项施工组织设计的高度。（3）对于压浆过程制订严格现场试验检测频度要求。,三、预应力孔道压浆质量无损检测技术,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,自上世纪九十年代以来
15、预应力管道灌浆密实度的检测技术始终是研究热点，根据我们课题组的多年跟踪国外相关科研成果表明该领域的无损检测技术主要有：冲击回波法、探地雷达法、内窥技术、宽带超声方法、射线等。 对于普通混凝土内部的裂缝及空洞等缺陷时，在日本最常用的方法是X线法、冲击回波法、超声波及电磁波法。对于需要捕捉到预应力管道内的残留空气及灌浆堵塞引起未填充部位形成的空洞，用这些无损检测方法可能就能很简单进行未填充部分的确认。但是，预应力索被钢筋所包围，而且浆料已经存在于已形成的波纹管内，检测比较困难。所以，为了确认PC泥浆的填充状况，要求必须使用要求更高的探测技术。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,(1)
16、X线法,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,(2)中子法中子法是将要检查的预应力构件和中子放射源,测量透过混凝土中子量的测定方法,当中子透过时会冲击混凝土中的氧,作为热中子发生散射,而减少的原理。如果管内空隙大,透过量就大进行判断，该方法测定时间较短,约1分种,测定本身虽然简单,但是受钢筋及管内空隙内残留水份的影响较大,判断较困难。有报告说,对灌浆的二次填充确认比较有效。法国桥梁研究单位使用中子摄影法检测预应力关键密实度检测同时可以作为修补工作时波纹管定位用。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,（3)弹性波法冲击回波法IE测试基本原理：如图1所示。用一个小锤或冲击器作为激
17、振源在混凝土表面冲击来产生压缩波，然后用放置在冲击器附近的接收传感器接收反射回来的压缩波。经过分析后来计算混凝土的厚度、探测内部的孔洞、裂隙、剥离等缺陷。对于无缺陷的平板、路面，冲击回波试验中就会得到一个其底面的反射波，这样在已知压缩波的波速时，就可以计算厚度了。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,检测信号处理的研究 实际工程检测中发现，无法得到上述的理想状态下的信号，经过反复测试，对照国外同类研究的文献，认识逐步到： (1)对单点信号处理是检测好坏的关键 (2)采用FFT处理有其局限性 截
18、断所带来的能量泄漏影响谱估计精度 ,当发生泄漏时,主瓣内的能量就泄漏到旁瓣内,这样弱信号的主瓣就很容易被强信号的旁瓣所淹没或歪曲,造成谱的模糊与失真。 (3)程序的滤波、根据回波信号的脉冲位置和频谱特征重新选择合适的时间窗和滤波频带是也直接影响冲击回波结果。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,冲击弹性传播速度检测管道压浆密实度的构件试验研究,试验结果表明：等效波速能很好的反映管充填程度，伴随灌浆的不密实，等效波速降低。对同一构件，频谱分析能很好的分辨出灌浆密实与否，但是构件厚度比较薄，需要高频率的激励技术装置。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,预应力管道压浆饱满度的综
19、合无损检测技术的研究,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,试验时，在每处测试五次，取五次的平均值作为最终值，实测结果表明：每处反复五次的试验数据结果，重复率超过90%，说明该体系即使在人工敲击时，测试数据可重复性较好。两次试验的结果表明，在无管道和填充密实的管道测试部位，数据的两次偏差最大为0.4%，而在未灌浆和灌浆一半测试部位，两次偏差上升到最大1.4%。三个孔道等效声速依次递减，初步试验表明，采用等效声速法使自动识别预应力孔道灌浆成为可能，需要进一步试验验证这些成果。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（4)内窥方法内窥镜是一种常见的医学和工业上检查和诊断管道的器械，
20、它实质上是一个光学成像系统，是人眼睛的延伸，可以观察到人眼睛看不到的内部。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（5)宽带超声方法（一种新型的超声探测方法）,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,（6)多阵列雷达方法探地雷达Ground Penetrating Radar（GPR）是利用高频电磁波反射探测目的体及地质现象的物探方法，它通过天线向地下发射高频电磁波，经目的体反射，为另一天线所接收，并以脉冲反射波的波形形式记录，经处理得到二维雷达图像。区别于普通单个发射装置单个接收装置的探地雷达，采用多发射装置或多个接收装置的为多阵列雷达。这种检测方式最终得到的是三维图像，与单发
21、单收探测装置相比，大大降低了钢筋对探测效果的影响。甚至，还能在多角度收集到来自某一点的数据，从而提高了精度，还能捕捉到来自倾斜面(约40度)反射波，故能获得内部损伤的形状和位置等更详细的信息。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,二模拟试件的试验首先制作了2.5mX1mX0.35m四个试件，布置了93的塑料波纹管，一部分孔内插入12根钢绞线后灌浆，部分在纯空管内进行灌浆，在不同的管内分别模拟了不同的填充率。最后进行了检测。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,在第二东名高速公路朝比奈川桥进行了预应力孔道灌浆检测，朝比奈川桥是一座总长655米，七跨连续钢构桥，该结构同时采用了
22、体外和体内预应力体系，实桥检测针对其中的一段翼板进行试验研究。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,试件试验结果表明：(1)灰浆填充率对检测结果所产生的影响 根据实测的结果能确认：对于填充率为0%95%的试样，其管道内的空隙会产生反射波。但是，对于填充率为95%的试样，反射波较弱，此外，填充率为0%（空管）的波纹管，所反射的电平也较弱。关于管道内钢绞线的反射，产生的反射波可以忽略不计。(2) 管道深度对检测结果的的影响 由于管道设置深度的不同，其产生的影响也有很大的差已。设置深度越浅，就越容易根据图像捕捉到填充不足的特定部位；另一方面，浅部管道由于填充率导致的反射波差异很小。 (3)
23、 钢筋对检测结果的影响 根据对空管的检测结果，能确认钢筋对检测结果影响十分显著。一般认为，钢筋的间隔较宽，能提高了捕捉管道弯曲面所产生反射波的比例。对其他填充率的管道也一样，钢筋的间隔放宽，就能捕捉更多的反射波，空隙的图像也更趋明确。 (4) 空管产生的反射波下降的原因 探地雷达装置能够利用电磁波的特性，来捕捉管道内的灰浆填充不足而产生的“空隙”所产生的反射波(包括波纹管表面的反射波、波纹管内灰浆面的反射波)，从而确定灰浆填充不足部位的特定信息，并确认填充比例。因此，检测数据取决于其反射面积，填充率不同，反射波就会产生差异，形成不同的图像。因此推断，管道内没有填充灰浆，填充率为0%时，根据装置
24、的性能，只能捕捉到套管表面的倾斜角度为40度的切线范围内所产生的反射波。,预应力管道压浆饱满度的综合无损检测技术的研究,灌浆检测结果汇总表,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（7)填充感应探测法,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,科研成果：（1）国内外后张法预应力管道压浆工艺、管道压浆质量病害调研。a.对国内外后张法预应力管道压浆工艺进行调研，对可能导致压浆病害的施工因素如压浆材料配合比控制、压浆机真空度、排气管设置、管道选型等进行系统总结。梳理质量控制点以供后期研究解决方案。b.利用国内外近年对桥梁拆除中的检查资料，分析预应力管道压浆缺陷的成因、部位等，预应力筋腐蚀情
25、况。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,科研成果：（2）研究预应力管道压浆料性能指标和检测方法。a. 系统调研欧洲、美国、日本对压浆料性能指标要求和性能试验规程。b. 提出适合我国预应力管道压浆料性能指标要求和试验检测技术并加以实践。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（3）预应力管道压浆施工技术要点及施工工艺参数监控技术研究a. 调研美国、日本预应力管道压浆施工工法，结合我国施工工艺，编制公路桥梁预应力管道压浆施工指南和工法。b. 研究预应力管道压浆施工参数监控技术，并研制监控设备。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量
26、的研究,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（3）预应力管道压浆施工技术要点及施工工艺参数监控技术研究a. 调研美国、日本预应力管道压浆施工工法，结合我国施工工艺，编制公路桥梁预应力管道压浆施工指南和工法。b. 研究预应力管道压浆施工参数监控技术，并研制监控设备。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（3）预应力管道压浆施工技术要点及施工工艺参数监控技术研究a. 调研美国、日本预应力管道压浆施工工法，结合我国施工工艺，编制公路桥梁预应力管道压浆施工指南和工法。b. 研究预应力管道压浆施工参数监控技术，并研制监控设备。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（4）基于
27、内窥技术的管道压浆质量检测技术的研究a. 完成内窥镜选型，优化内窥检测点位置设计。 b. 研发预应力波纹管内窥检测接头，实践管道压浆检测技术研发了内窥镜检测预应力管道压浆饱满度的方法，设计了埋设接头和整套埋设工艺，该方法是最直观反映压浆质量的检测手段，在工程实践中应用充分表明了该方法的实用性。,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,图5-6 较好的灌浆效果,图5-7 浆体松散离析,图5-8 离析浆体,图5-9 爆孔后出浆,应用无损检测技术评测预应力孔道灌浆质量的研究,（5）冲击回波法管道压浆质量检测技术研究引入了MEM解析（最大熵）的频谱分析方法，并结合信号平滑和滤波技术对扫描式冲击回波仪器进行了软件的二次开发，在自动判别方面作了进一步的发展。在研究中提出“效波速法”这一检测参数发展检测技术。等效波速对未压浆管道识别灵敏，对于管道压浆缺陷的定性也有一定的识别能力。,谢谢！,
