彈性波CT技術(shù)在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用

李少鵬 （合肥工大工程試驗(yàn)檢測有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009）

0 前言

無損檢測技術(shù)是在保證混凝土結(jié)構(gòu)完整的基礎(chǔ)上，對混凝土結(jié)構(gòu)展開的性能檢測，最常使用超聲波、雷達(dá)法以及回彈法等，由于回彈方法在操作上方便快捷，在無損檢測中經(jīng)常使用。彈性波CT技術(shù)由于只能測試構(gòu)件表面強(qiáng)度，檢測精度受到的影響相對較多，且混凝土內(nèi)外質(zhì)量存在差異，要對檢測結(jié)果展開分析，才能確定結(jié)果真實(shí)性。因此，研究彈性CT技術(shù)的應(yīng)用，對于混凝土結(jié)構(gòu)檢測具有重要意義，有助于提高無損檢測效果，提高檢測結(jié)果真實(shí)性。

1 彈性波CT技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)

無損檢測CT技術(shù)建立在X射線掃描成像的基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾何處理后建立放射線影像。彈性波和超聲波類似，都是通過提供影像信息，表達(dá)檢測結(jié)果。尤其在工業(yè)領(lǐng)域中，兩種技術(shù)經(jīng)常用于比較X射線，超聲波和彈性波都不具備較強(qiáng)的直進(jìn)性和穩(wěn)定性，利用此性質(zhì)，根據(jù)衰減性進(jìn)行檢測。

對混凝土缺陷展開檢測也經(jīng)常使用超聲波方法，聲速作為評價(jià)指標(biāo)的綜合性指標(biāo)，根據(jù)檢測人員工作經(jīng)驗(yàn)可以確定缺陷的準(zhǔn)確位置，但是進(jìn)行大面積檢測時(shí)，還需要預(yù)埋聲測管。彈性波是最近幾年發(fā)展起來的檢測方法，只有一個(gè)檢測面時(shí)，也能完成測量工作[1]。彈性波主要通過激振錘激振形成，形成能量較大，且頻率較低。使用5cm直徑的鋼質(zhì)圓錘從0.6cm高度落下，沖擊波頻率可以達(dá)到5.48Hz。彈性波測試經(jīng)常使用加速度的傳感器，由于傳感器具備固定方式，方便展開頻譜和能量分析。由于彈性波能量較大，頻率較低，不容易受到雜波帶來的影響。因此在橋梁混凝土監(jiān)測中適合使用彈性波進(jìn)行測試，測試結(jié)果更加合理。

對于大體積混凝土檢測，由于測距長且信號減弱，容易造成檢測數(shù)據(jù)失真。彈性波檢測技術(shù)可以通過反演彈性波速，通過圖像展示方式表現(xiàn)檢測對象的特征，從而獲得混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。彈性波CT技術(shù)可以對混凝土均勻性、密實(shí)性以及強(qiáng)度進(jìn)行直觀反饋，通過對測點(diǎn)進(jìn)行合理布置，可以有效展開無損檢測，提供較為精準(zhǔn)的檢測結(jié)果。

2 彈性波CT技術(shù)在橋梁混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用

2.1 檢測原理

使用彈性波CT技術(shù)展開混凝土檢測，和醫(yī)學(xué)上CT技術(shù)檢測原理一致，都是使用彈性波通過穿透介質(zhì)，觀測彈性波能量衰減的情況，形成結(jié)構(gòu)檢測圖像。穿透介質(zhì)受到穿透速度、彈性模量、介質(zhì)密度的影響，如果介質(zhì)的強(qiáng)度高、密度大，衰減量相對較小，如果結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低，衰減量較大[2]。國內(nèi)外有研究表明，波速和抗壓強(qiáng)度具有一定指數(shù)關(guān)系，并受到材料和方法的影響。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)評價(jià)

彈性波速度可以用于考量混凝土澆筑質(zhì)量，混凝土波速屬于分布參數(shù)，由于不同位置有不同的波速，需要選擇統(tǒng)計(jì)參數(shù)當(dāng)做混凝土結(jié)構(gòu)評價(jià)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和研究結(jié)果，選擇四個(gè)參數(shù)當(dāng)作評價(jià)指標(biāo)，分別是波速離散度、平均波速、缺陷尺度以及合格面積比。彈性波CT剖面波速達(dá)到或者超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，代表混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如果離散度未超過9%，代表混凝土有著質(zhì)量均勻。

2.3 影響因素

2.3.1 鋼筋影響

彈性波在混凝土中的波速受到分布鋼筋的影響，鋼筋越密集的區(qū)域，波速會比純混凝土的波速高。使用波速修正規(guī)避鋼筋帶來的影響。

2.3.2 混凝土齡期影響

如果混凝土齡期不足，波速和強(qiáng)度都會有所下降，無法達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，難以做出準(zhǔn)確判定。要使用彈性波CT技術(shù)，要求混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到一定的齡期。

2.4 解析方法

該項(xiàng)技術(shù)使用彈性波作為主要測試媒介，測試過程中，經(jīng)過逐點(diǎn)掃描被檢測區(qū)域，如果檢測區(qū)域混凝土是軟弱區(qū)域和缺陷區(qū)域，區(qū)域內(nèi)傳播彈性波存在一定差異。設(shè)定傳播時(shí)間，測試計(jì)算機(jī)波速，可以測量出結(jié)構(gòu)缺陷。如果利用傅里葉變換進(jìn)行波速計(jì)算，需要經(jīng)過大量計(jì)算。改用擬投影方法，設(shè)定單元數(shù)為M，波線數(shù)為N，可以計(jì)算出網(wǎng)格波速。該方法是將波線平均速度在網(wǎng)格中分配，分配原理依據(jù)走時(shí)成像原理以函數(shù)信號為數(shù)據(jù)，借助迭代重建技術(shù)和最小二乘法等求解分布速度，從而完成CT成像。如果測試區(qū)域存在松散和空洞缺陷，傳播彈性波會出現(xiàn)增長，會造成側(cè)線距離反演速率有所下降。側(cè)線越多，得到的CT解析精準(zhǔn)度也就越高，分辨率也就越高。根據(jù)工程情況選擇合適的側(cè)線條數(shù)。

2.5 具體應(yīng)用

2.5.1 檢測應(yīng)用

以某橋梁工程為例，該橋梁一個(gè)橋墩已經(jīng)澆筑3m高，整體厚度可達(dá)2.7m，且混凝土強(qiáng)度等級為C50。拆除混凝土模板后，橋墩下部混凝土出現(xiàn)蜂窩區(qū)域，多是有屬于不密實(shí)振搗造成的，要展開全面檢測。橋墩澆筑區(qū)域作為鋼筋密集混凝土結(jié)構(gòu)，具備彈性波CT技術(shù)應(yīng)用條件。因此選擇彈性波CT技術(shù)作為檢測技術(shù)，在墩面距離承臺面0.6m～2.4m高度位置展開仔細(xì)檢測，從下到上設(shè)置12個(gè)水平方向斷面，斷面保持0.2m間距，對前8個(gè)斷面的測試確定寬度平均為8.4m，橫向可以分成三個(gè)部分，對后四個(gè)斷面測試，寬度為4.2m。使用多功能無損測試儀器采集CT數(shù)據(jù)，使用分析軟件展開反演計(jì)算，繪制交叉點(diǎn)速度等值線圖像。

2.5.2 檢測結(jié)果

目前我國未建立彈性波測試速度規(guī)范，還要借鑒美國的測試標(biāo)準(zhǔn)，評定測試質(zhì)量。彈性波波速超過4500m/s時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好；彈性波波速處于3600～4500m/s時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好；彈性波波速處于3000～3600m/s時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量一般，可能存在一定問題；彈性波波速處于2100～3000m/s時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量較差；彈性波波速未超過2100m/s時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量存在嚴(yán)重問題，需要采取措施立即處理。

該標(biāo)準(zhǔn)只適合判斷混凝土質(zhì)量情況，由于混凝土情況多樣，波速和強(qiáng)度之間也存在多種關(guān)系，評價(jià)一種混凝土，可以作為參考[3]。測試現(xiàn)場使用混凝土同等配比，對試塊進(jìn)行彈性波測試，測試結(jié)果表明波速可以達(dá)到4350m/s，表明該混凝土結(jié)構(gòu)處于較好狀態(tài)。

經(jīng)過對斷面檢測，使用解析方法得到波速等值線圖像。其中第三個(gè)到第八個(gè)測試橋墩的測試節(jié)點(diǎn)和區(qū)域波速最小值超過4350m/s。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)評定，斷面混凝土結(jié)構(gòu)較緊實(shí)，但是由于波速分布不均勻，波速差距較大，代表混凝土結(jié)構(gòu)均勻度一般。此外，第一、二個(gè)、第九個(gè)到第十二個(gè)橋墩彈性波波速存在低速區(qū)，低速區(qū)是混凝土結(jié)構(gòu)的不緊實(shí)區(qū)，且結(jié)構(gòu)均勻性一般。

2.5.3 檢測結(jié)論

橋墩墩身檢測彈性波水平斷面，其中第一個(gè)、第十個(gè)和第十二個(gè)存在明顯的低速區(qū)，最低波速未達(dá)4000m/s，代表這三個(gè)橋墩緊密度較好，且混凝土結(jié)構(gòu)的均勻性較低。對此次檢測結(jié)果，對橋墩混凝土展開修復(fù)，將嚴(yán)重不緊實(shí)區(qū)域鑿除掉，正好是蜂窩區(qū)域，存在混凝土不緊實(shí)的情況。其他部位密實(shí)度良好，和檢測結(jié)果相吻合。

2.6 未來發(fā)展

目前使用彈性波CT技術(shù)展開檢測，檢測結(jié)果就是斷面水平質(zhì)量，使用二維方式進(jìn)行顯示，無法直觀顯示結(jié)構(gòu)整體結(jié)果。使用彈性波CT檢測技術(shù)和三維技術(shù)對波速反演，形成斷面檢測影響，成為立體圖像。立體圖像可以更加直觀的顯示橋梁混凝土的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，讓彈性波CT技術(shù)得到更廣泛的使用。

3 結(jié)論

綜上所述，在橋梁工程無損檢測中經(jīng)常使用彈性波CT技術(shù)，由于其良好的可視化效果，可以提供直觀、高分辨率的檢測圖像，具有廣闊的應(yīng)用空間。在橋梁工程中，還要注意結(jié)合3D成像技術(shù)，形成立體圖像，推動無損檢測的進(jìn)步，保證橋梁工程的安全性。