CN101093199B

CN101093199B - 预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法

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Publication number: CN101093199B
Application number: CN2006100855645A
Authority: CN
Inventors: 安琳; 戴建民; 陈宁; 郑亚明; 李淑娥
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: CN101093199A

Abstract

本发明涉及一种射线探伤的检测方法，是一种预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，采用X射线进行检测，它包括如下检测步骤：(1)设置透照参数；(2)胶片布置；(3)透照成像；(4)判读测定空洞；步骤(1)中混凝土透照参数的管电压为160千伏～300千伏，曝光量为5毫安·分～200毫安·分，X射线源与胶片的距离为600毫米～1000毫米；步骤(3)中，X射线透照灌浆空洞时的照相灵敏度以像质计中直径最小的金属丝清晰可见为基准，底片的黑度值为1.0-3.0；述步骤(4)中，辨出波纹管的轮廓线后找出波纹管内最亮的白色条带，确定钢绞线的位置，然后根据底片的黑度来判断灌浆空洞的位置。

Description

预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种射线探伤的检测方法，具体的说是一种预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法。

背景技术

从上世纪九十年代初至今的十多年间，大规模交通基础设施的建设使我国的桥梁事业有了迅猛的发展，与此同时，大量已建桥梁和新建桥梁的运营管理、养护管理、维修加固等方面的问题也逐渐突显出来。我国的桥梁工程进入了建设和养护并重的阶段。预应力混凝土结构是跨径大于20米的桥梁的主要型式，而后张预应力技术更是在大中跨径桥梁结构中被广泛应用。预应力筋是预应力混凝土结构受载的关键部位，预应力筋通过灌浆材料与预埋的波纹管及周围混凝土粘结为一个整体。混凝土保护层、波纹管和灌浆材料对预应力筋起着层层保护作用，能有效阻挡外界空气、水和腐蚀性物质的侵蚀。但同时，预应力筋与普通钢筋相比对腐蚀更为敏感，在高应力状态和腐蚀性物质侵蚀下易发生突然的脆断，无任何征兆，对结构自身和人身安全的危害极大。在预应力混凝土桥梁建成时和运营养护过程中，定期检查预应力筋的状况是正确评价结构性能、决策结构维修加固的重要依据。灌浆空洞是导致预应力筋锈蚀或锈断的主要原因，因此，及早发现灌浆空洞对保障预应力筋的健全性和结构的耐久性至关重要。

后张法施工的预应力混凝土结构中，管道压浆是确保预应力筋与混凝土粘结而共同工作，防止预应力筋受空气、水和其它腐蚀性物质侵入而锈蚀的关键。由于泌水和残留空气的存在，使得压浆管道的入口、出口、曲线管道的上凸段和排气孔附近容易出现大片空洞，给预应力筋的腐蚀甚至锈断埋下隐患。管道压浆工艺是预应力施工中的一道隐蔽工程，灌浆前，管道外的混凝土已浇注完毕并达到规定的强度要求。在给预留管道中压注水泥浆体过程中，当有较多较稠的浆体从出口溢出后即认为压浆饱满并封口。管道内浆体硬化后是否有空洞存在，至今仍无有效的检测方法。目前，用于混凝土的无损检测技术主要有超声波法、电磁波法和射线法等三类。将它们用于灌浆空洞的检测有以下一些问题：①超声波法的原理是从混凝土表面发射超声波，从接受到的波形和波速中判断混凝土的质量。由于灌浆空洞位于混凝土中波纹管内，而非直接处于混凝土中，因此反射波受到多个界面的综合影响，很难从中明确判定空洞的情况。②电磁波法的原理是从混凝土表面发射电磁波，从具有不同电磁特性的反射波中预测混凝土质量。由于金属波纹管和管外钢筋的影响，该法无法用于检测灌浆空洞。③射线法的原理是用X射线或γ射线透照混凝土，穿过混凝土中钢筋或空洞后的射线强度与穿过混凝土本身后的射线强度不同，可以从底片上的黑度差判断混凝土的质量。由于混凝土、管道(金属波纹管或PVC波纹管)、预应力筋和水泥浆体等不同材料的性质，用于钢结构和素混凝土的各项透照参数和方法不能直接用于预应力混凝土结构灌浆空洞的检测中。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法存在的不足，提出一种能对预应力混凝土结构中灌浆空洞透照出高灵敏度的底片，从而明确判断灌浆空洞的位置和大小的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，采用X射线进行检测，它包括如下检测步骤：(1)设置透照参数；(2)胶片布置；(3)透照成像；(4)判读测定空洞；步骤(1)中混凝土透照参数的管电压为160KV～300KV，曝光量为5mA*min～200mA*min，X射线源与胶片的距离为600mm～1000mm；在步骤(3)中，X射线透照灌浆空洞时的照相灵敏度以像质计中直径最小的金属丝清晰可见为基准，底片的黑度值为1.0-3.0；步骤(4)中，a.首先辨出波纹管的轮廓线；b.找出波纹管内最亮的白色条带，确定钢绞线的位置，沿白色条带纵向检查有无锈断处；c.将管内钢绞线以外部分的黑度与波纹管外的混凝土本体黑度对比，若钢绞线以外部位的黑度大于管外混凝土本体黑度，则说明灌浆不饱满或存在灌浆空洞；若两者黑度相近，则说明灌浆饱满；在黑度有效范围内，若波纹管内的一部分黑度大于另一部分黑度，则黑度较深部分存在灌浆空洞。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，其中步骤(4)中，金属波纹管的轮廓为白色的旋转肋纹理线，波纹管轮廓为黑色的一块块半月形凸起部分；

前述的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，其中步骤(2)中，胶片选用工业用AGFA非增感型胶片，所述铅箔增感屏置于胶片两侧，所述补偿板位于胶片侧的混凝土表面，像质计布置在有效透照区内灵敏度预计最差处的胶片边缘部位。

前述的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，其中像质计为丝质像质计。

本发明的优点为：采用本发明的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，利用X射线进行无损探伤，从底片的黑度差可分析和判断空洞的位置和大小，能准确地发现混凝土内波纹管中灌浆空洞的位置，为工程管理、养护提供可靠的科学依据，以便及早和排除预应力筋锈蚀或锈断这一隐患，具有重大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1所示为本发明的步骤流程图；

图2为实施例一的混凝土试件结构示意图；

图3为图2的I-I截面图；

图4为图2的II-II截面图；

图5为实施例二后张预应力混凝土T梁的预应力钢束布置图；

图6为图5的I-I截面图；

图7为图5的II-II截面图；

图8为A1的X射线透照照片；

图9为A2的X射线透照照片；

图10为A3的X射线透照照片；

图11为A4的X射线透照照片；

图12为A5的X射线透照照片；

图13为实施例二的灌浆空洞示意图；

具体实施方式

X射线具有穿透金属或其他物质的能力，它们在透过物体时，射线的一部分与被透照物体的原子或分子中的电子作用而耗散能量(被吸收)，没有发生作用的射线则直接透过物体。射线与原子或电子发生作用的概率与被透照物质的原子或分子中的电子密度有关，由原子序数较大的原子构成的物质能吸收较多的射线，不易穿透。当透照物体由不同物质组成时，射线被物体吸收的比例因物质材性不同而不同，以混凝土为例，穿过混凝土中钢筋或空洞与穿过混凝土本体的射线强度不同，存在一个强度差。X射线不仅可以穿透物体，而且有可以使胶片感光、让荧光物质发光的性质。因此，透照物体后射线强度差将从底片上的黑度差反映。

为了获得预应力结构混凝土中波纹管内灌浆空洞的成像，并取得较高的照相灵敏度，必须对影响灵敏度的各项技术性能指标进行分析和选择，它们包括射线源、管电压和曝光量、焦距、胶片和增感屏、暗室处理等。灵敏度的确定是采用底片黑度范围值和像质计来控制。

管电压和曝光量的选择

国内结构探伤中常用的低能量X射线便携机管电压最大值为300kV，管电流为5mA，通过改变管电压和曝光时间来改变射线能量，可以透照不同厚度的混凝土。曝光试验数据表明，管电压在300kV，曝光量200mA·分，混凝土透照厚度达400mm。混凝土透照参数根据混凝土的厚度等效系数和钢材的透照参数换算求得，即用钢材的厚度除以等效系数0.2求得可透照的混凝土厚度，其他透照参数可根据灵敏度做适度调整。

用管电压300kV，管电流5mA的X射线机进行透照时，变化曝光时间：从1分钟至40分钟，可以穿透100mm至400mm的混凝土，穿透后的射线能量使底片黑度值在1.0～2.0之间。若要透照400mm以上的混凝土应选用管电压更高的X射线源或选用γ射线源。

焦距范围的确定

焦距是指射线源至胶片之间的距离。焦距增大，射线达到胶片的能量减小，但可以减小几何不清晰度；焦距减小，则反之。在照相中，应针对X射线机焦点的大小和被检混凝土厚度计算出符合几何不清晰度要求的最小焦距。几何不清晰度的计算公式为：

U_{g} = \frac{dT}{F - T}

计算焦距最小值的公式为：

F_{\min} = T [1 + \frac{d}{U_{g}}] - - - (2.15)

式中：F-焦距，即射线源至胶片的距离；

F_min——焦距最小值；

d——射线源焦点尺寸；

T——物体的透照厚度；

U_g——几何不清晰度。

对厚度在100mm～400mm的混凝土，我们选择600mm～1000mm之间。

胶片、增感屏、补偿板、像质计的布置

X射线探伤胶片是在片基两面涂有较厚的乳剂层，以便吸收更多的射线能量。工业射线照相中使用的胶片分为增感型胶片和非增感型胶片，本发明采用的是非增感型胶片，并与金属增感屏一起使用，以增加胶片感光速度，减少射线透照时间，金属增感屏采用铅箔增感屏。暗室处理的药片配方和程序采用自动化操作。对于透照中的散射线，采用铅板遮蔽。补偿板位于胶片侧的混凝土表面，补偿板用以同一胶片处有不同的混凝土厚度的情况，避免混凝土厚度差引起底片黑度差而带来的分析误差。像质计布置在有效透照区内灵敏度预计最差的部位。

照相灵敏度

X射线透照灌浆空洞时的灵敏度以像质计中直径最小的金属丝(φ2.5mm)可以清晰可见为准，底片黑度值在1.0～2.0之间，在这样的灵敏度下可保证用肉眼在底片观察灯下清晰看出灌浆与未灌浆部位的黑度差别。底片的黑度差包括：波纹管与其它部分的黑度差、钢绞线与其它部分的黑度差；波纹管内灌浆部分与管外混凝土的黑度差；波纹管内灌浆部分与空洞的黑度差以及空洞与管外混凝土的黑度差等。

对应不同的混凝土厚度，可选用相应的管电压、透照时间(曝光量)、焦距，以获得到规定范围内的底片黑度值(1.0~2.0)。混凝土材料与钢材的厚度等效系数约为0.2，即透照10mm厚度混凝土时需要的射线能量相当于透照2mm厚度钢材时需要的射线能量。在实际的检测中，有了混凝土的厚度等效系数，可以根据所用设备提供的钢材曝光曲线，利用该等效系数求出混凝土的曝光参数。X射线透照100mm~400mm厚混凝土时的焦距范围在600mm～1000mm。在胶片的上下底面应加入增感屏，用以增加感光程度，遮蔽散乱射线。

利用X射线透照混凝土中金属铁皮圆(扁)波纹管和PVC圆(扁)波纹管中预应力筋束以及空洞的可行性和有效性，对比了PVC波纹管和金属铁皮波纹管底片上成像的不同特征，铁皮波纹管轮廓为旋转细肋，PVC波纹管轮廓为半月形的凸起。铁片波纹管与PVC波纹管内浆体和空洞缺陷成像无明显差异。

X射线透照灌浆空洞时的灵敏度以像质计中直径最小的金属丝(φ2.5mm)可以清晰可见为准，在这样的灵敏度下均可用肉眼在底片观察灯下清晰看出灌浆与未灌浆部位的黑度差别。

X射线透照技术可以有效地检测到金属铁皮圆(扁)波纹管和PVC圆(扁)波纹管的轮廓、管内预应力束(包括断裂钢绞线)和灌浆空洞的情况。铁皮波纹管轮廓为旋转细肋，PVC波纹管轮廓为半月形的凸起。铁片波纹管与PVC波纹管内浆体和空洞缺陷成像无明显差异。在大量底片分析总结之上，提出了利用X射线判别波纹管内灌浆空洞和钢绞线断丝的方法：

a.首先辨出波纹管的轮廓线。金属铁片波纹管的轮廓为白色的旋转肋纹理线，PVC波纹管轮廓为黑色的一块块半月形凸起部分；

b.找出波纹管内最亮的白色条带，确定钢绞线的位置，仔细沿条带纵向检查有无锈断处。

c.将管内钢绞线以外部分的黑度与波纹管外的混凝土本体黑度对比，若钢绞线以外部位的黑度大于管外混凝土本体黑度，则说明灌浆不饱满或存在灌浆空洞；若两者黑度相近，则说明灌浆饱满。在黑度有效范围内，若波纹管内的一部分黑度大于另一部分黑度，则黑度较深部分极有可能存在灌浆空洞。

利用本发明的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法来检测预应力混凝土结构灌浆空洞时，可按下述详细的实施步骤进行，其步骤流程图如图1所示。

实施例一

本例为100mm×200mm×600mm的混凝土试件1，如图2所示，图2中点划线左边为50％灌浆段，点划线右边为100％灌浆段，混凝土试件1所灌浆为水泥浆3，图3为图2的I-I截面图，图4为图2的II-II截面图，截面正中分别放置内径为70mm的PVC波纹管2或金属波纹管。PVC波纹管2中放置一束钢绞线4(共7根)，钢绞线4一端为成捆处于PVC波纹管2正中心，另一端紧密贴于PVC波纹管2一侧。

检测中选用钢结构探伤中常用的低能量X射线便携机，输出电压在160KV～300KV，管电流固定值为5mA。用需透照的混凝土厚度100mm乘以混凝土的厚度等效系数0.2得出钢材的透照厚度20mm，然后从射线机上给出的钢材透照参数(曝光曲线)中查得20mm厚钢材的透照参数：管电压为160KV，曝光量为10mA*min，焦距为60mm。用这些参数对混凝土试件进行初步透照。

胶片选用AGFA C7工业用X射线胶片(100FW)，与铅箔增感屏一并使用(铅箔增感屏布置在胶片两侧，放入胶片盒中)。X射线透照方向沿100mm方向，垂直于混凝土的表面，即图2中I-I截面和II-II截面的上表面。胶片盒紧贴在相对的混凝土表面，即图2中I-I截面和II-II截面的下表面。最小丝径为2.5mm的丝质像质计布置在有效透照区内灵敏度预计最差的部位，即边缘部位。

透照过程需采取安全措施防护辐射，须由专业的射线技术人员进行操作。射线机在工作5分钟后应休息5分钟，避免热量过大而损伤机器。

胶片冲洗采用HQ-430XT型X射线胶片冲洗机，显影液温度28℃，烘干温度50℃，冲洗时间20分钟。冲洗出的底片中，像质计清晰可辨，所在位置的黑度值为2.0，可认为照相质量达到了灵敏度的要求。

根据底片的黑度差，PVC波纹管2内灌浆空洞和钢绞线断丝的判别方法为：

a.首先辨出PVC波纹管2的轮廓线。铁片波纹管的轮廓为白色的旋转肋纹理线，PVC波纹管2轮廓为黑色的一块块半月形凸起部分；

b.找出PVC波纹管2内最亮的白色条带，确定钢绞线4的位置，仔细沿条带纵向检查有无锈断处。

c.将PVC波纹管2内除钢绞线4以外空隙部分的黑度与PVC波纹管2外的混凝土本体黑度对比，若空隙部位的黑度大于管外混凝土本体黑度，则说明灌浆不饱满或存在灌浆空洞；若两者黑度相近，则说明灌浆饱满。在黑度有效范围内，若PVC波纹管2内的一部分黑度大于另一部分黑度，则黑度较深部分极有可能存在灌浆空洞。

实施例二

某大桥引桥为预应力混凝土T梁5，T梁5翼板宽2.1m，梁高1.65m，腹板宽0.18m，马蹄宽0.40m。引桥的后张预应力混凝土T梁5的预应力钢束布置如图5，图6为图5的I-I截面图，图7为图5的II-II截面图，钢束N1、N2、N3、N4的布置如图6与图7中所示，钢束N1、N2、N3、N4穿过端部锚块6。

灌浆材料注入波纹管后，由于泌水和残留空气的存在，容易出现空洞的部位是压浆口段、曲线管道的上凸段和排气孔附近。因此，透照范围选择了T梁5支点与1/4跨之间。透照试验以钢束N2为对象，从T梁5的1/4跨度横隔板处开始依次往主梁桥台支点方向推进。根据射线胶片的尺寸(400mm×300mm)，拟定了5个X射线透照位置，编号为A1、A2、A3、A4、A5。

T形梁从支点到1/4跨度这一梁段的腹板厚度呈线性变化，从180mm变化到400mm，每一张胶片左右侧的腹板厚度均不同，为了避免因混凝土厚度差引起的底片黑度差而干扰底片的分析，在较薄的腹板上需贴铅板作为补偿板，补偿板紧贴在胶片侧的混凝土表面。实施X射线透照试验透照参数如表1所示：

表1

编号	焦距(mm)	管电压(kV)	曝光量(mA·min)
				A1	700	290	75

A2	700	290	75
				A3	700	270	50
A4	700	290	50
				A5	700	290	75

射线机垂直于梁体表面，按照透照参数(表1)进行透照。胶片冲洗采用HQ-430XT型X射线胶片冲洗机，显影液温度28℃，烘干温度50℃，冲洗时间20分钟。冲洗出的底片中，像质计清晰可辨，所在位置的黑度值为2.0，可认为照相质量达到了灵敏度的要求。在A1、A2、A3、A4、A5位置处进行X射线透照后，X射线透照照片如图8、图9、图10、图11、图12所示。

从底片A1、A2中可以清晰辨认出梁体中的各组成要素：普通钢筋、波纹管、钢绞线等。从底片A3中可清晰看出：钢绞线紧靠在波纹管的上侧，在钢绞线下侧与波纹管之间的部分中，左右两侧黑度差别明显，右侧的黑度与梁体相当，左侧的黑度则明显大于梁体。可以判断A3位置处波纹管中存在灌浆空洞，空洞位于钢绞线的下边，灌浆体在波纹管内呈一水平面。

从底片A4可以清晰地看到：钢绞线沿纵向分布在波纹管的上部，波纹管下部的黑度都明显大于梁体的黑度。这说明A4位置处整段波纹管中灌浆全空。

底片A5与A4类似，波纹管中钢绞线的下部整段的黑度都大于梁体的黑度。这说明A5位置处整段波纹管中灌浆全空。

综合底片A1～A5的分析可以得出：波纹管内的灌浆在距支点约4m左右开始向支点方向全部是空洞，如图13中灌浆未饱满处所示。

本发明实现了对厚度最大至400mm的混凝土内波纹管中灌浆空洞的X射线无损检测。在大量室内试验透照研究的基础上，首次获得了透照混凝土内波纹管中灌浆空洞的各项曝光参数、混凝土的厚度等效参数，并对实桥进行了X射线无损探伤试验，准确地发现了空洞的位置。该灌浆空洞的X射线检测技术将为工程管理、养护提供可靠的科学依据，以便及早和排除预应力钢筋锈蚀或锈断这一隐患，具有重大的经济效益和社会效益。对于厚度超过400mm的混凝土，可以用γ-射线或高能量的X射线机进行透照，透照方向和曝光参数应根据构件内预应力管道的布置情况做调整。

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围内。

Claims

1.一种预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，采用X射线进行检测，它包括如下检测步骤：(1)设置透照参数；(2)胶片布置；(3)透照成像；(4)判读测定空洞；其特征在于：所述步骤(1)中，混凝土透照参数的管电压为160千伏～300千伏，曝光量为5毫安·分～200毫安·分；所述步骤(2)中，X射线源与胶片的距离为600毫米～1000毫米；在步骤(3)中，X射线透照灌浆空洞时的照相灵敏度以像质计中直径最小的金属丝清晰可见为基准，底片的黑度值为1.0-3.0；所述步骤(4)中，a.首先辨出波纹管的轮廓线；b.找出波纹管内最亮的白色条带，确定钢绞线的位置，沿白色条带纵向检查有无锈断处；c.将波纹管内钢绞线以外部分的黑度与波纹管外的混凝土本体黑度对比，若钢绞线以外部位的黑度大于波纹管外混凝土本体黑度，则说明灌浆不饱满或存在灌浆空洞；若两者黑度相近，则说明灌浆饱满；在黑度有效范围内，若波纹管内的一部分黑度大于另一部分黑度，则黑度较深部分的存在灌浆空洞。

2.如权利要求1所述的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，金属波纹管的轮廓为白色的旋转肋纹理线，PVC波纹管轮廓为黑色的一块块半月形凸起部分；

3.如权利要求1所述的预应力混凝土结构灌浆空洞的无损检测方法，其特征在于：像质计为丝质像质计。