彈性波CT技術(shù)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中的應(yīng)用

郭秀芹，楊 森，張遠(yuǎn)軍

(1.山東公路技師學(xué)院，濟(jì)南 250104；2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都 610045)

彈性波CT技術(shù)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中的應(yīng)用

郭秀芹1，楊 森2，張遠(yuǎn)軍2

(1.山東公路技師學(xué)院，濟(jì)南 250104；2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都 610045)

混凝土結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)建設(shè)中無處不見，而大體積混凝土往往作為重要結(jié)構(gòu)部件存在，其施工難度、水化熱難以控制等，使其質(zhì)量難以保證，因此，進(jìn)行必要的檢測(cè)就顯得十分重要。彈性波作為低頻波，被認(rèn)為是非常適合大體積混凝土檢測(cè)的媒介。彈性波CT技術(shù)是彈性波應(yīng)用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)的典型代表。由CT檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，分析工程CT技術(shù)與醫(yī)學(xué)CT的區(qū)別，進(jìn)而分析彈性波CT的基本檢測(cè)原理及解析方法，結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用，證明工程CT對(duì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力，并從技術(shù)上分析，實(shí)現(xiàn)工程CT三維成像的可能。

沖擊彈性波；彈性波CT；大體積混凝土；無損檢測(cè)

引 言

在施工過程中，混凝土內(nèi)部很容易形成蜂窩、不密實(shí)、離析甚至空洞等缺陷[1]，尤其是大體積的混凝土結(jié)構(gòu)(比如橋墩)更容易出現(xiàn)這樣的問題。因此采取有效的檢測(cè)方法對(duì)這些缺陷進(jìn)行查明，并及時(shí)處理，就顯得尤為重要[2-4]。然而諸如超聲波、電磁波等由于頻率高、能量小、衰減快[5-6]等特征，使其測(cè)試范圍很有限，不能應(yīng)用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)。沖擊彈性波頻率低、能量強(qiáng)且集中[7]的是應(yīng)用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)的有效媒介。

彈性波層析掃描(CT)技術(shù)就是基于沖擊彈性波發(fā)展起來的一種新的無損檢測(cè)方法[8]。該方法主要是根據(jù)彈性波在被測(cè)結(jié)構(gòu)中的傳播速度與其物理力學(xué)參數(shù)有較好的相關(guān)性，利用被測(cè)結(jié)構(gòu)中的彈性波速，結(jié)合CT技術(shù)進(jìn)行反演成像，以圖形的方式反映測(cè)試斷面中的內(nèi)部特征，從而達(dá)到質(zhì)量檢測(cè)的目的。目前，其應(yīng)用領(lǐng)域包括工程地質(zhì)勘探[9]、混凝土結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測(cè)等方面。

作為新的工程檢測(cè)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力如何，同為“CT”，工程CT能否實(shí)現(xiàn)像醫(yī)學(xué)CT那樣的三維成像。帶著這樣的疑問，從CT檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)出發(fā)，分析工程CT技術(shù)與醫(yī)學(xué)CT的區(qū)別，進(jìn)而分析彈性波CT的基本檢測(cè)原理及解析方法，結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用，證明工程CT的對(duì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力，并從理論技術(shù)上分析，實(shí)現(xiàn)工程CT三維成像不再遙遠(yuǎn)。

1 CT理論基礎(chǔ)

CT的理論基礎(chǔ)在于投影定理，圖1為目的函f(x,y)及其投影波形g(s,θ)的概念圖。目的函數(shù)可認(rèn)為是x-y平面上某一物理量的分布，如X-CT可認(rèn)為是組織對(duì)X射線的吸收(阻射率)，彈性波波速CT可認(rèn)為是某一區(qū)域的波速(或者其倒數(shù)波慢)。

投影波形g(s,θ)可表示為：

(1)

考慮到L=xcosθ+ysinθ，以及對(duì)象外側(cè)并不影響g(s,θ)的值，因此可以將積分范圍擴(kuò)張到-∞～+∞，因而有：

g(s,θ)=??-∞→+∞f(x,y)δ(xcosθ+ysinθ-s)dxdy

(2)

其中δ為的德爾塔函數(shù)，表示僅在L=s時(shí)有非零值。

對(duì)g(s,θ)進(jìn)行傅利葉變換，有：

(3)

其中，ks表示s方向的波線，考慮到δ(xcosθ+ysinθ-s)的傅里葉變換為e-iks(xcosθ+ysinθ)，有：

Gθ(ks)=??-∞→+∞f(x,y)e-iks(xcosθ+ysinθ)dxdy

(4)

ks在x和y軸的投影為kx=kscosθ和ky=kssinθ，因此，式(4)又可以改寫為：

Gθ(ks)=??-∞→+∞f(x,y)e-i(kxx+kyy)dxdy

(5)

另一方面，目的函數(shù)f(x,y)的空間傅里葉變換F(kx,ky)則可以表示為：

F(kx,ky)=??-∞→+∞f(x,y)e-i(kxx+kyy)dxdy

(6)

即

F(kx,ky)=Gθ(s)

(7)

因此，將所有的(s,θ)的g(s,θ)采集后，按照波線s進(jìn)行傅里葉變換后，即可求出F(kx,ky)，再利用2維傅里葉逆變換，即可求出目的函數(shù)f(x,y)。

2 彈性波層析掃描(CT)技術(shù)

2.1 彈性波CT與超聲波CT的區(qū)別

X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(簡(jiǎn)稱X-CT)是工程無損檢測(cè)CT的基礎(chǔ)，它是一種利用數(shù)位幾何處理后重建的三維放射線醫(yī)學(xué)影像。該技術(shù)主要通過單一軸面的X射線旋轉(zhuǎn)照射人體，由于不同的組織對(duì)X射線的吸收能力(或稱阻射率)不同，可以用電腦的三維技術(shù)反演并重建出斷層面影像。將斷層影像層層堆棧，即可形成立體影像。

而在工業(yè)、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，超聲波、沖擊彈性波常被用作檢測(cè)媒介[10-11]，但與X射線相比，超聲波或者彈性波的直進(jìn)性差，信號(hào)接收的穩(wěn)定性也差[12]。因此，在超聲波、彈性波CT中，雖然也可以用其衰減特性(與X射線類似)，但更多地采用其波速特性，這是與X-CT的最大的區(qū)別。

但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于激振以及受信結(jié)構(gòu)上存在差異，超聲波CT和沖擊彈性波CT之間也存在一些差別，主要體現(xiàn)在以下：

(1)頻率、能量：超聲波主要是通過壓電晶體在短時(shí)間內(nèi)伸縮產(chǎn)生短的脈沖[13]，因此，超聲波的頻率較高(一般20 kHz～250 kHz)、能量相對(duì)較小[14]。而沖擊彈性波一般是通過激振錘進(jìn)行激振產(chǎn)生，其能量遠(yuǎn)大于超聲波，頻率較低。根據(jù)呂小彬等人的研究[12]，如采用直徑為5 cm的D50鋼質(zhì)圓形激振錘在0.6 m高度落到C50混凝土上，其產(chǎn)生的沖擊彈性波的頻率為5.48 kHz。

(2)受信信號(hào)的頻率特性：超聲波的探頭在保持高靈敏度的同時(shí)，其頻率響應(yīng)特性一般較差，不利于頻率分析和振幅分析；而沖擊彈性波測(cè)試一般采用加速度傳感器，傳感器在各種固定方式下，其頻響曲線都有較長(zhǎng)平坦部分，有利于頻譜分析和能量分析。

如上所述，超聲波的頻率高、能量小，因此其在傳播過程中衰減非常快，而且高頻波容易受到測(cè)試結(jié)構(gòu)內(nèi)其他波的影響，測(cè)試范圍受到限制；但沖擊彈性波的能量大且集中，頻率相對(duì)較低不易受其他雜波的影響[15]，因此，對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的測(cè)試，相比超聲波而言，用沖擊彈性波CT進(jìn)行測(cè)試顯得更合適、合理[16]。

2.2 彈性波CT的解析方法

彈性波CT技術(shù)的測(cè)試媒介即測(cè)線源為彈性波(主要是P波)，測(cè)試時(shí)，通過對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，在測(cè)試過程中混凝土結(jié)構(gòu)存在軟弱區(qū)域或者缺陷時(shí)，則在該區(qū)域中傳播的彈性波波速會(huì)降低，即彈性波在該區(qū)域的波速和正?；炷羺^(qū)域的傳播速度存在差異。因此，通過傳播時(shí)間的拾取和計(jì)算機(jī)層析技術(shù)反算測(cè)試區(qū)域的波速，即可檢測(cè)出結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷。

令波線的數(shù)目為N，單元的數(shù)目為M。如圖2所示，將測(cè)試對(duì)象分成若干小塊(網(wǎng)格)，目的是求出每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的波速。

圖2 測(cè)試對(duì)象的CT斷層掃描示意圖

BPT法的目的就是將各波線的平均速度分配到各個(gè)網(wǎng)格中。該方法的原理是依據(jù)“走時(shí)成像原理”將速度函數(shù)信號(hào)作為投影數(shù)據(jù)，在有網(wǎng)格計(jì)算的數(shù)學(xué)模型下，利用同時(shí)迭代重建技術(shù)(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique：SIRT)和約束最小二乘類算法(Iterative Least Square Technique：ILST)等反演算法求解方程以計(jì)算速度的分布，即實(shí)現(xiàn)CT斷層掃描成像[17]。若測(cè)試區(qū)域內(nèi)有空洞或軟弱不密實(shí)區(qū)等缺陷，則彈性波的傳播時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)，通過測(cè)線的距離反演的速度會(huì)降低。不經(jīng)過缺陷測(cè)線的速度幾乎不變。測(cè)線越多，CT解析精度和分辨率越高。實(shí)際工程可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇適量測(cè)線條數(shù)即可。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 特大橋橋墩檢測(cè)

某特大橋的某一在建6#橋墩在承臺(tái)上已澆筑高度達(dá)3 m、寬度10 m、整體厚度2.7 m，強(qiáng)度等級(jí)C50。因其在拆除混凝土模板后，在橋墩墩身下部的混凝土表面出現(xiàn)大面積的蜂窩區(qū)域(疑為振搗不密實(shí)造成)，為其質(zhì)量考慮，特做全面檢測(cè)。

3.1.1 測(cè)試方法及技術(shù)

6#橋墩已澆筑區(qū)域?qū)儆阡摻钶^密的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，且具備采用沖擊彈性波層析掃描(CT)技術(shù)檢測(cè)的條件，因此，本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用沖擊彈性波層析掃描(CT)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)主要針對(duì)墩面距承臺(tái)面0.6～2.4 m高的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，由下至上共布置12個(gè)水平斷面(水平斷面編號(hào)A-L)，每個(gè)斷面間距0.2 m；其中斷面A-斷面H共計(jì)8個(gè)斷面中各斷面測(cè)試寬度均為8.4 m，橫向分成上、中、下三部分(圖3)。斷面I-斷面L共計(jì)4個(gè)斷面中各斷面測(cè)試寬度為4.2 m(只測(cè)試中下游區(qū)域)(圖4)。

圖3 斷面A-G測(cè)點(diǎn)(測(cè)線)示意圖

圖4 斷面I-L測(cè)點(diǎn)(測(cè)線)示意圖

激振側(cè)和接收側(cè)各布置數(shù)量相同的測(cè)點(diǎn)，每條斷面詳細(xì)布點(diǎn)情況見表1和圖5。

表1 測(cè)點(diǎn)布置一覽表

圖5 檢測(cè)整體布點(diǎn)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)利用SCE-MATS混凝土多功能無損測(cè)試儀進(jìn)行CT數(shù)據(jù)采集，再利用SCE-MATS分析軟件進(jìn)行反演計(jì)算并繪制各交叉測(cè)點(diǎn)速度變化的等值線圖像。

3.1.2 彈性波CT檢測(cè)結(jié)果

由于我國(guó)目前還沒有制定相關(guān)測(cè)試混凝土彈性波(P波)速度的規(guī)范，所以一般借鑒美國(guó)ASTM試驗(yàn)方法。目前工程界仍廣泛地使用Leslie和Cheeseman于1949年提出的彈性波(P波)波速檢測(cè)混凝土質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[18](表2)。

表2 常用彈性波(P波)波速評(píng)定混凝土質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)

該評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)一般只用于定性判斷混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣，因?yàn)閷?duì)于不同情況下的混凝土，其P波波速和強(qiáng)度之間的關(guān)系是不同的，影響因素包括骨料、配比、齡期、鋼筋的數(shù)量和走向等。但對(duì)于同一種混凝土，它作為一條總的比較性評(píng)價(jià)原則還是可行的。同時(shí)，本次測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)利用與橋墩混凝土同配比(混凝土強(qiáng)度50 MPa)的4組標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊進(jìn)行彈性波波速測(cè)定，測(cè)試結(jié)果顯示波速達(dá)到4350 m/s。因此，本次測(cè)試?yán)脧椥圆≒波波速是否超過4350 m/s來定性的評(píng)價(jià)橋墩混凝土質(zhì)量情況。

對(duì)橋墩進(jìn)行12個(gè)水平斷面檢測(cè)，并通過彈性波CT的解析方法進(jìn)行分析，可獲得各斷面內(nèi)部各測(cè)線區(qū)域、節(jié)點(diǎn)上混凝土的彈性波波速度分布等值線圖，即CT檢測(cè)結(jié)果圖。本次檢測(cè)結(jié)果顯示，在12個(gè)CT檢測(cè)斷面中只有6個(gè)斷面(斷面B-G)的所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)、測(cè)線區(qū)域的彈性波波速的最小值超過了4350 m/s，因此，根據(jù)上述評(píng)定方法，評(píng)定這些測(cè)試斷面內(nèi)部混凝土較為密實(shí)；但整體波速分布不均，部分區(qū)域存在較高的波速(紅色區(qū)域)，疑為骨料相對(duì)較為集中的區(qū)域，故混凝土澆筑均勻性一般(圖6)。

圖6 混凝土密實(shí)區(qū)域測(cè)試結(jié)果等值線圖

另外，仍有6個(gè)斷面(斷面A、斷面H-斷面L)部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)有彈性波波速明顯低于4350 m/s的低速區(qū)，尤其是斷面B-斷面G的下游部分更為集中，因此，判定這些區(qū)域?yàn)榛炷敛幻軐?shí)區(qū)域，且這些斷面的混凝土澆筑均勻性一般(圖7)。

圖7 混凝土存在缺陷區(qū)域測(cè)試結(jié)果等值線圖

3.1.3 檢測(cè)結(jié)論

(1)6#橋墩墩身檢測(cè)布置的12個(gè)彈性波CT水平斷面中，斷面A、斷面H-、斷面L的6個(gè)斷面內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)明顯低速區(qū)，最低波速均超過4350 m/s，故判斷這些斷面內(nèi)的混凝土密實(shí)性較好，但混凝土均勻性一般。

(2)6#橋墩墩底部實(shí)體段布置斷面B-G 6個(gè)CT斷面的表層局部區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的彈性波低速區(qū)，表明這些區(qū)域的混凝土質(zhì)量存在不密實(shí)的情況，且混凝土均勻性一般。

施工方根據(jù)本次檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行了橋墩混凝土修復(fù)。在砸除不密實(shí)區(qū)域及修復(fù)過程中，發(fā)現(xiàn)報(bào)告中的不密實(shí)區(qū)域，正好為蜂窩比較集中的位置，確實(shí)存在混凝土不密實(shí)現(xiàn)象；且發(fā)現(xiàn)除了報(bào)告中顯示的不密實(shí)區(qū)域外墩身內(nèi)部混凝土質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)其他不密實(shí)區(qū)域，其檢測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較為一致，這充分體現(xiàn)了彈性波CT檢測(cè)大體積混凝土質(zhì)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 定子基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)

3.2.1 測(cè)試方法及技術(shù)

某電站在甩負(fù)荷試驗(yàn)中由于機(jī)組設(shè)備出現(xiàn)事故，導(dǎo)致1#、2#機(jī)組定子基礎(chǔ)等部位的混凝土受到破壞，在進(jìn)行修復(fù)之前，首先應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)查清混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件等的實(shí)際損傷情況，以便確定修復(fù)處理的混凝土范圍及處理方案。該基礎(chǔ)呈圓筒狀混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25，該部位混凝土結(jié)構(gòu)直徑為4.05 m，高約1.7 m，內(nèi)壁為1 cm厚鋼板，且內(nèi)部鋼筋十分密集。對(duì)于該種厚度大、鋼筋密集的測(cè)試結(jié)構(gòu)無法利用其他常規(guī)無損檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，因此，本次檢測(cè)利用頻率低、能量大的沖擊彈性波CT技術(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示，在高度1.7 m區(qū)域內(nèi)共布置8個(gè)測(cè)試斷面，每斷面間距0.2 m。

圖8 測(cè)點(diǎn)俯視圖

3.2.2 彈性波CT檢測(cè)結(jié)果及結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)完畢，測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)借鑒美國(guó)ASTM試驗(yàn)方法，在8個(gè)測(cè)試斷面中，部分?jǐn)嗝嬷写嬖趶椥圆ǖ退賲^(qū)(低于3600 m/s)，表明這些區(qū)域的混凝土質(zhì)量相對(duì)較差(圖9)。這為電站后期維護(hù)、安全評(píng)估提供了科學(xué)依據(jù)。

圖9 “牛腿”測(cè)試結(jié)果圖

4 彈性波CT檢測(cè)技術(shù)展望

目前，利用沖擊彈性波CT檢測(cè)，其測(cè)試結(jié)果一般是斷面水平結(jié)果，即采用二維顯示，這對(duì)結(jié)構(gòu)整體結(jié)果的顯示不直觀。因此，利用沖擊彈性波CT檢測(cè)技術(shù)和電腦的三維技術(shù)反演并重建斷面測(cè)試影像，使其形成立體圖像，如根據(jù)此方式將上述兩個(gè)應(yīng)用案例的測(cè)試斷面進(jìn)行彈性波三維顯示，則結(jié)果將更加直觀(圖10、圖11)，屆時(shí)大體積混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)技術(shù)將得到更廣的應(yīng)用。

5 結(jié)束語

通過應(yīng)用實(shí)踐表明，一方面彈性波CT技術(shù)是一種適用性非常強(qiáng)的能可靠、準(zhǔn)確反映被測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量的快速檢測(cè)技術(shù)手段，其檢測(cè)理論簡(jiǎn)單明了、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、適用范圍廣，尤其是針對(duì)其他方法不能檢測(cè)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，彈性波CT技術(shù)具有極大的優(yōu)勢(shì)。另一方面無論測(cè)試結(jié)構(gòu)是矩形、圓形或者其他形狀，均可采用彈性波CT法進(jìn)行檢測(cè)，彈性波CT技術(shù)具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力。

圖10 6#橋墩混凝土澆筑質(zhì)量結(jié)果三維展望圖

圖11 “牛腿”測(cè)試結(jié)果三維展望圖

彈性波CT技術(shù)目前以平面成像為主，將大量平面成像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，反演等，實(shí)現(xiàn)工程CT三維可視化將不再遙遠(yuǎn)，將會(huì)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)。

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Elastic Wave CT Technology in Mass Concrete Structure Application of Nondestructive Testing

GUOXiuqin1,YANGSen2,ZHANGYuanjun2

(1.Shandong Highway Engineering Institute, Jinan 250104, China；2.Sichuan Central Inspection Technology Inc., Chengdu 610045, China)

Concrete structures are ubiquitous in infrastructure, and mass concrete tends to exist as an important structural component. However, the construction is difficult and the hydration heat is difficult to control, making its quality is difficult to guarantee. Therefore, it is necessary to carry out the necessary tests. Elastic waves as low frequency waves are considered to be very suitable for medium mass concrete testing. Elastic wave CT technique is a typical representative of elastic wave applied to mass concrete structure testing. The difference between engineering CT technology and medical CT is analyzed from the theoretical basis of CT detection technology, then the elastic wave CT basic detection principle and analytical method are analyzed. Combined with practical application, the adaptability of engineering CT to the structure is proven, and possibility to achieve three-dimensional CT imaging is analyzed from the technical analysis.

impact elastic wave; elastic wave computerized tomo-graphy(CT); mass concrete; nondestructive testing

2017-05-16

郭秀芹(1966-)，女，山東德州人，副教授，主要從事公路試驗(yàn)檢測(cè)、安全生產(chǎn)與管理技術(shù)方面的研究，(E-mail)qkfbzy201610@163.com

1673-1549(2017)04-0058-06

10.11863/j.suse.2017.04.11

TB115

A