Assessment of Void Volume in Post-tensioning ducts

The post-tension (PT) system has been used for many years in the construction of reinforced concrete bridges. In this system, the structural integrity of post-tensioned cables is critical. To protect the steel strands, a cementitious material is injected into the sheaths after tensioning the cables. The possible presence of voids, combined with the ingress of moisture and, in the worst cases, chlorides, allows corrosion of steel strands. This corrosion has a particularly damaging effect on the structural integrity of the bridge beams, also due to the high state of stress of the cables. The condition of the post-tension system must therefore be monitored to ensure public safety. After locating the voids by non-destructive tests, validated by endoscopic inspections, their volume must be measured to quantify their incidence and design restoration interventions. This research investigates two different techniques for measuring the volume of voids. The first, based on the realization of the vacuum in the investigated sheath, follows the normal practice in repair interventions and is currently used by Anas. The principles of this technique are discussed, the formulation for the processing of experimental data is demonstrated and the sources of error are thoroughly investigated. The main source of error is related to the frequent presence of leaks, mainly due to the inevitable imperfect sealing of the measuring tube to the inspected duct, with a rapid loss of the vacuum produced. This can lead to significant measurement errors that significantly affect results. In the second approach which is an innovative technique developed within this thesis and based on a positive displacement pump capable of both vacuuming and pressurizing the air cyclically. This allows a balancing of losses, which can be quantified by comparing the response in terms of pressure at different frequencies of the cycle. The problem of balancing losses is of a certain complexity, given their possible nonlinearity as a function of pressure. In the linear case, symmetric pressure cycles (sinusoidal or with a triangular wave) would lead to a stationarity of the average amount of air in the system and amplitudes in terms of volumes. In this case, the volume peaks will depend on the cycle speed, and it is relatively simple to quantify the volume of the vacuum investigated and the magnitude of the losses. However, analyses of the type of flow affected by significant losses suggest that the most likely flow regime is turbulent viscous, characterized by some degree of nonlinearity. It is therefore preferable to implement stationary cycles in terms of volume and monitor the resulting pressures, after an interval of stabilization of the amount of gas in the system. The work concludes with the design of a possible solution for the implementation of the method, considering the operational needs related to field activities.

Il sistema della post-tensione (PT) è stato utilizzato per molti anni nella costruzione di ponti in calcestruzzo armato. In questo sistema, l'integrità strutturale dei cavi post-tesi è fondamentale. Per proteggere i trefoli di acciaio, un materiale cementizio viene iniettato nelle guaine dopo il tensionamento dei cavi. L'eventuale presenza di vuoti, combinata con l'ingresso di umidità e, nei casi peggiori, di cloruri, consente la corrosione dei trefoli di acciaio. Questa corrosione ha un effetto particolarmente dannoso sull'integrità strutturale delle travi da ponte, complice anche l'elevato stato di sollecitazione dei cavi. Le condizioni del sistema di post-tensione devono pertanto essere monitorate per garantire la sicurezza pubblica. Dopo aver localizzato i vuoti mediante prove non distruttive, validate mediante ispezioni endoscopiche, il loro volume deve essere misurato per quantificarne l'incidenza e progettare gli interventi di ripristino. Questa ricerca indaga due diverse tecniche di misurazione del volume dei vuoti. La prima, basata sulla realizzazione del vuoto nella guaina indagata, ricalca la normale prassi negli interventi di riparazione ed è attualmente utilizzata da Anas. Di questa tecnica vengono discussi i principi, dimostrata la formulazione per l'elaborazione dei dati sperimentali e indagate a fondo le fonti di errore. La principale fonte di errore è legata alla frequente presenza di perdite, principalmente a causa dell'inevitabile imperfetta sigillatura del tubo di misura al condotto ispezionato, con una rapida perdita del vuoto prodotto. Ciò può comportare notevoli errori di misurazione che influiscono significativamente sui risultati. Nel secondo approccio è una tecnica innovativa sviluppata nell'ambito di questa tesi e basata su una pompa volumetrica capace sia di aspirare sia di pressurizzare l'aria ciclicamente. Questo permette un bilanciamento delle perdite, che possono essere quantificate confrontando la risposta in termini di pressione a diverse frequenze del ciclo. Il problema del bilanciamento delle perdite è di una certa complessità, considerata la loro possibile non linearità in funzione della pressione. Nel caso lineare, cicli simmetrici di pressione (sinusoidali o con un'onda triangolare) porterebbero ad una stazionarietà della quantità media di aria nel sistema e delle ampiezze in termini di volumi. In tal caso, i picchi di volume dipenderanno dalla velocità del ciclo ed è relativamente semplice quantificare il volume del vuoto indagato e l'entità delle perdite. Tuttavia, le analisi sulla tipologia di flusso coinvolta da perdite significative suggeriscono che il regime di flusso più probabile sia quello turbolento viscoso, caratterizzato da un certo grado di non linearità. Diventa quindi preferibile implementare dei cicli stazionari in termini di volume e monitorare le conseguenti pressioni, dopo un intervallo di stabilizzazione della quantità di gas nel sistema. Il lavoro si conclude con la progettazione di una possibile soluzione per l'implementazione del metodo, tenuto conto delle esigenze operative legate alle attività sul campo.