基于超聲波相控陣CT掃描技術(shù)的套筒灌漿飽滿度檢測研究*

楊 軍，吳建良,，卞德存，童小龍

(1.廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣東 廣州 510520；2.廣東省裝配式地下結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510520；3.湖南理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

0 引言

套筒灌漿連接是裝配式建筑節(jié)點連接的主要形式，套筒內(nèi)灌漿飽滿度是裝配式建筑節(jié)點檢測重點關(guān)注的問題[1-2]。套筒灌漿飽滿度檢測目前最直觀可靠的方法是X射線檢測，X射線穿透能力強，穿透混凝土、空氣與鋼材時衰減幅度差異較大，根據(jù)成像灰度能夠有效判斷套筒內(nèi)的灌漿情況[3-4]。但X射線對人體具有輻射作用，現(xiàn)場需采取嚴(yán)格的安全防范措施，實際使用不方便。此外，檢測對象形狀不規(guī)則時難以進行X射線成像。

超聲波相控陣成像法操作便利，設(shè)備尺寸小，能夠適應(yīng)相對狹小的操作空間，是較先進的混凝土缺陷檢測方法。Shokouhi等[5]使用多探頭超聲波檢測系統(tǒng)對內(nèi)置不同缺陷的鋼筋混凝土板進行檢測，發(fā)現(xiàn)使用多陣列超聲探頭可檢測出小至30cm2的分層缺陷，也可直接檢測和表征深層分層缺陷。Wiggenhauser等[6]研制了用于檢測混凝土結(jié)構(gòu)的大孔徑超聲系統(tǒng)，并將其用于探測厚度>2m的混凝土結(jié)構(gòu)，檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)可清晰接收4m厚墻體的墻背回波。Tseng等[7]對比了全聚焦法和相控陣技術(shù)成像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)低信噪比情況下相控陣技術(shù)更適用于混凝土結(jié)構(gòu)中特定深度的小缺陷檢測，在高信噪比情況下，全聚焦法檢測效果更優(yōu)，適用于混凝土結(jié)構(gòu)中較大的缺陷檢測。Schickert等[8]研究了基于合成孔徑聚焦技術(shù)的混凝土缺陷超聲波檢測方法，針對一維、二維、三維空間提出不同的重建算法和實現(xiàn)方法，并通過現(xiàn)場試驗與傳統(tǒng)A，B掃描技術(shù)進行對比驗證。鮑曉宇[9]闡述了相控陣超聲波檢測系統(tǒng)中各項關(guān)鍵技術(shù)原理及其實現(xiàn)方法，研制了16通道相控陣超聲波檢測試驗系統(tǒng)。黃靚[10]基于混凝土超聲波層析成像理論基礎(chǔ)、反演算法、反演策略、不完全射線反演和反演圖像處理方法等，對混凝土超聲波探傷技術(shù)進行了較深入的研究。謝春等[11]將快速掃描算法用于超聲波層析成像理論模型計算，通過現(xiàn)場實測證實該方法具有與傳統(tǒng)最小走時射線追蹤層析成像方法相當(dāng)?shù)挠嬎憔?，且計算效率大幅度提升?/p>

本文將超聲波相控陣CT掃描技術(shù)用于混凝土預(yù)制構(gòu)件套筒灌漿質(zhì)量檢測，提出基于形態(tài)學(xué)操作的圖像增強算法，對獲取的圖像進行膨脹、腐蝕操作，以提高套筒灌漿飽滿度檢測成像質(zhì)量。為檢驗本研究方法的可行性，設(shè)計并制作了大比例尺鋼筋混凝土預(yù)制剪力墻模型試件，其內(nèi)部設(shè)置不同灌漿缺陷的套筒，采用超聲波相控陣設(shè)備進行檢測，并與X射線檢測結(jié)果進行對比。結(jié)合實際工程，將本研究方法用于檢測和分析裝配式建筑預(yù)制柱套筒灌漿飽滿度，并驗證實際應(yīng)用效果。

1 圖像增強算法

超聲波是穿透性強的高頻聲波，能夠穿透常見的水泥、混凝土材料，遇到材質(zhì)差別的界面時，將發(fā)生透射、反射等。當(dāng)混凝土內(nèi)部存在多種材料界面時，超聲波傳播會發(fā)生多次反射，直至能量全部消耗。為增加超聲波在混凝土內(nèi)部的傳播距離，超聲波相控陣技術(shù)進行多批次超聲波發(fā)射與接收，通過合成孔徑聚焦技術(shù)將較微弱的反射信號進行疊加增強，提高有效檢測深度。

目前國內(nèi)常用的MIRA A1040型超聲波相控陣檢測儀如圖1所示，當(dāng)采用該設(shè)備時，通過合成孔徑聚焦的圖像中有效信息多為孤立點，難為混凝土內(nèi)部缺陷診斷提供直觀有用的信息。

圖1 超聲波相控陣檢測儀

為增強圖像中的有效信息，本文引入圖像形態(tài)學(xué)方法進行超聲波成像處理，基本操作包括膨脹、腐蝕。膨脹操作是在結(jié)構(gòu)元素確定的鄰域塊中選取圖像值與結(jié)構(gòu)元素值之和的最大值，可增加高亮度像素點周圍的亮度。在超聲波檢測圖像中，高亮度像素點通常對應(yīng)鋼筋、孔洞等，高亮度像素點分布密度較小時，膨脹操作可將成團但不連續(xù)的高亮度點連接成片。腐蝕是膨脹的逆操作，可避免膨脹擴大過程對周圍區(qū)域產(chǎn)生影響。腐蝕操作是在結(jié)構(gòu)元素確定的范圍中，選取圖像值與結(jié)構(gòu)元素值差值的最小值。腐蝕操作后數(shù)值較大的像素點會被周圍數(shù)值較小的圖元取代，操作結(jié)果與結(jié)構(gòu)圖元大小和數(shù)值有關(guān)。膨脹圖元尺寸越大，強反射區(qū)域面積越大。因此，需采取膨脹+腐蝕的方式抑制有效信息的過度膨脹。

2 可行性驗證

為驗證超聲波相控陣CT掃描圖像增強算法有效性，同時開展預(yù)制構(gòu)件室內(nèi)模型試驗與現(xiàn)場檢測驗證。

2.1 室內(nèi)模型試驗

在實驗室內(nèi)對預(yù)埋套筒預(yù)制剪力墻構(gòu)件進行超聲波相控陣CT掃描，設(shè)備采用MIRA A1040型超聲波相控陣檢測儀，檢測頻率為40kHz，單次檢測可覆蓋構(gòu)件表面20cm×10cm的區(qū)域。檢測前需清理表面水泥殘渣，并對混凝土超聲波波速進行標(biāo)定(可通過已知構(gòu)件密度、厚度測定結(jié)果進行標(biāo)定)。檢測時，儀器對中刻度線與檢測網(wǎng)格中心定位線重合。

構(gòu)件內(nèi)部預(yù)埋金屬套筒，按梅花形布置，由左至右編號依次為1～10，如圖2所示。剪力墻厚20cm，長1.84m，高50cm，混凝土強度等級為C25。在構(gòu)件下部按梅花形布置10個全灌漿套筒(長170mm，直徑42 mm)，人工控制灌漿程度，模擬灌漿缺陷。灌漿口與出漿口均位于剪力墻正面，出漿口通過PVC管引至墻面。剪力墻通過套筒內(nèi)部插入的鋼筋與底座連接。

圖2 金屬套筒布置示意

由于剪力墻內(nèi)置鋼筋較密，套筒安裝時實際位置與設(shè)計圖紙存在一定偏差，為便于超聲波檢測圖像解析和對比驗證，現(xiàn)場采用X射線照射剪力墻正面，進行套筒與鋼筋定位，使套筒成像出現(xiàn)在檢測圖像中央?yún)^(qū)域。掃描前，根據(jù)實際套筒位置均勻劃分待測區(qū)域網(wǎng)格，網(wǎng)格水平方向長200mm，豎直方向長100mm，自上而下劃分為3排，分別對應(yīng)套筒上部、中部、下部，分別在各網(wǎng)格內(nèi)進行超聲波相控陣CT掃描成像。

受超聲波設(shè)備檢測面積限制，分別對套筒上部、中部和下部區(qū)域進行掃描，以獲得套筒區(qū)域不同高度超聲波檢測圖像。套筒4超聲波相控陣CT掃描圖像增強處理前、后與X射線圖像分別如圖3～5所示。由圖3，4可知，在縱向像素約350px處出現(xiàn)剪力墻墻背回波信號，回波信號存在較小范圍的過渡區(qū)，當(dāng)鋼筋較密集時墻背回波信號強度明顯減弱。由圖5可知，套筒4灌漿飽滿。

圖3 套筒4超聲波相控陣CT掃描圖像(圖像增強處理前)

套筒10超聲波相控陣CT掃描圖像增強處理前、后與X射線圖像分別如圖6～8所示。由圖6，7可知，在縱向像素約350px處出現(xiàn)剪力墻墻背回波信號，且回波信號存在較大范圍的過渡區(qū)。由圖8可知，套筒10處于尚未灌漿狀態(tài)。

圖6 套筒10超聲波相控陣CT掃描圖像(圖像增強處理前)

圖7 套筒10超聲波相控陣CT掃描圖像(圖像增強處理后)

圖8 套筒10 X射線圖像

對比套筒4，10超聲波檢測圖像可知，已灌漿套筒回波信號存在較小范圍的過渡區(qū)。當(dāng)預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部鋼筋分布密集時，超聲波檢測圖像可見較大范圍的過渡區(qū)。對灌漿飽滿套筒4和灌漿欠飽滿套筒10上部成像區(qū)斷面像素亮度曲線變化進行對比，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，灌漿欠飽滿套筒邊緣亮度變化較緩，體現(xiàn)在套筒內(nèi)部存在1個較弱的邊界反射面。

圖9 成像區(qū)斷面像素亮度曲線

超聲波檢測圖像中，低亮度點表示該區(qū)域材質(zhì)均勻，高亮度點表示存在強反射界面，多為鋼筋、孔洞。

2.2 現(xiàn)場檢測驗證

某圖書館新館工程主體為5層框架結(jié)構(gòu)，預(yù)制柱采用裝配式技術(shù)建造，其幾何尺寸與灌漿套筒位置如圖10所示。柱斷面尺寸為800mm×800mm，共設(shè)置12個灌漿套筒，套筒長300mm，直徑55mm，套筒中心距柱外表面57.5mm(凈距約30mm)，套筒上部與鋼筋進行螺紋連接，下部采用灌漿連接。

圖10 預(yù)制柱幾何尺寸與灌漿套筒位置

將單根預(yù)制柱側(cè)面超聲波相控陣CT掃描區(qū)域自上而下劃分為3排，共12個分區(qū)(每個分區(qū)尺寸為200mm×100mm)，如圖11所示。

圖11 預(yù)制柱側(cè)面檢測區(qū)域劃分

灌漿前、后分別對預(yù)制柱進行超聲波檢測，第2排分區(qū)檢測結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，灌漿前、后超聲波檢測圖像特征變化明顯，灌漿前圖像存在1/3～1/4范圍的超聲波強反射區(qū)，難以區(qū)分套筒位置，這是因為灌漿前預(yù)制柱內(nèi)部存在大量未灌滿的空腔，空氣、固體界面阻抗差異大，產(chǎn)生了強烈超聲反射回波。灌漿完成后，強反射區(qū)面積明顯減小，可根據(jù)超聲波檢測圖像大致判別套筒位置，由于套筒距檢測面距離較近，存在超聲回波現(xiàn)象，回波區(qū)域反射波強度較均勻，過渡區(qū)范圍較小，未見內(nèi)部空腔反射信號特征，表明套筒灌漿密實、飽滿。

圖12 第2排分區(qū)檢測結(jié)果(圖像增強處理后)

3 結(jié)語

套筒灌漿連接是廣泛應(yīng)用的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件連接方法，套筒灌漿飽滿度直接影響裝配式結(jié)構(gòu)承載力與耐久性，是裝配式建筑施工質(zhì)量檢測的重要內(nèi)容。本文將超聲波相控陣CT掃描技術(shù)用于混凝土預(yù)制構(gòu)件套筒灌漿質(zhì)量檢測，提出基于形態(tài)學(xué)方法的圖像增強算法，可對超聲波相控陣CT掃描圖像進行優(yōu)化處理。室內(nèi)模型試驗與現(xiàn)場檢測驗證結(jié)果表明本方法合理、可行、有效。

1)基于膨脹、腐蝕操作進行圖像形態(tài)學(xué)處理，可有效識別預(yù)制構(gòu)件套筒灌漿區(qū)域超聲波相控陣CT掃描圖像特征，便于直觀判斷套筒灌漿飽滿度。

2)結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋、預(yù)埋構(gòu)件會產(chǎn)生較顯著的反射信號。

3)套筒距超聲波檢測點越遠，成像質(zhì)量越差。

4)構(gòu)件灌漿前存在較多孔洞，導(dǎo)致超聲波相控陣CT掃描圖像上存在較多強反射信號，套筒超聲回波特征難以識別，不易區(qū)分套筒位置。灌漿后提高了整體波速，套筒超聲回波特征較明顯，易于區(qū)分套筒位置。

5)灌漿飽滿的套筒超聲波檢測圖像顯示出周圍界限清晰的強回波信號區(qū)域。未灌漿的套筒強回波信號區(qū)域界限模糊，且存在較大范圍的過渡區(qū)。