X射線數(shù)字成像技術(shù)在預(yù)應(yīng)力索灌漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

張林文，朱 妍，朱 毅

(1.上海同濟(jì)檢測技術(shù)有限公司，上海 200441；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司,上海 200030)

由于長期受車輛交變荷載和溫度變化影響，城市內(nèi)軌道交通的輕軌和高架路均存在不同程度的損傷。為了保障基礎(chǔ)設(shè)施的安全，對重要的結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行無損檢測，是后期軌道交通維保的重要環(huán)節(jié)。軌道交通的混凝土梁大部分采用后張預(yù)應(yīng)力法處理，混凝土梁中預(yù)應(yīng)力索孔道的灌漿密實(shí)性對于預(yù)應(yīng)力保持及預(yù)應(yīng)力索的耐久性有很大的影響。

目前，預(yù)應(yīng)力孔道注漿密實(shí)性檢測方法主要分為兩類，一類是傳統(tǒng)的鉆孔內(nèi)窺鏡法，該方法屬于局部破損檢測方法，具有直觀且可靠性高的特點(diǎn)，但其會對預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的損傷，因此一般只用于無損檢測方法的結(jié)果驗(yàn)證[1-2]；另一類方法為無損檢測方法，主要有沖擊彈性波法、雷達(dá)法、超聲波成像法[3-4]、X射線法、紅外熱成像法和沖擊回波法，以上方法在使用條件、檢測精度、便利性等方面還存在各自的局限性[5]。文章重點(diǎn)開展了X射線數(shù)字成像法檢測預(yù)應(yīng)力索孔道注漿密實(shí)性的試驗(yàn)研究，并通過試驗(yàn)梁的開鑿驗(yàn)證，說明了該方法的有效性和可靠性。

1 預(yù)應(yīng)力孔道注漿主要問題分析

預(yù)應(yīng)力孔道注漿缺陷的成因主要有兩個(gè)方面，一方面是孔道注漿工藝的問題，另一方面是注漿材料的問題。灌漿缺陷的主要類型有：預(yù)應(yīng)力孔道完全沒有注漿料；預(yù)應(yīng)力管道只有部分灌漿，其余部分沒有灌漿；預(yù)應(yīng)力管道沒有完全包裹預(yù)應(yīng)力索；預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)注漿不飽滿存在液態(tài)水；預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)漿液部分不飽滿，注漿與管道之間存在微小縫隙[4]。

2 數(shù)字X射線檢測基本原理

數(shù)字X射線檢測原理為：X射線通過被檢測工件時(shí)，部分射線被工件吸收和散射后被數(shù)字平板探測器接收，探測器發(fā)生光電效應(yīng)激發(fā)產(chǎn)生電子，電子經(jīng)過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換并放大后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最終通過數(shù)字圖像的形式進(jìn)行呈現(xiàn)[6]?；炷翗?gòu)件X射線數(shù)字成像檢測布置如圖1所示。該成像方式的優(yōu)勢為直接將接收的X射線轉(zhuǎn)化為圖像，減少了普通膠片多次轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的圖像模糊現(xiàn)象，可在同樣的透照電壓條件下大幅縮短透照時(shí)間，有利于現(xiàn)場快速檢測和滿足輻射安全要求。

圖1 混凝土構(gòu)件X射線數(shù)字成像檢測布置示意

3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)對象為預(yù)應(yīng)力索孔道試驗(yàn)梁(見圖2)，試驗(yàn)梁的整體尺寸為10 m×1.2 m×0.22 m(長×寬×高)，預(yù)應(yīng)力索孔道為塑料波紋管和金屬波紋管，波紋管外徑為77 mm，內(nèi)徑為70 mm，內(nèi)穿7根直徑為15.2 mm的鋼絞線。

圖2 試驗(yàn)梁外觀

試驗(yàn)梁采用C50的細(xì)石混凝土澆筑，鋼筋均勻分布于試驗(yàn)梁兩側(cè)，根據(jù)設(shè)計(jì)的位置確定波紋管中心位置在試驗(yàn)梁的兩個(gè)側(cè)面，兩側(cè)分別布置X射線機(jī)和平板探測器，保證X射線的中心與平板探測器中心點(diǎn)的連線穿過波紋管中心。

試驗(yàn)采用3005型X射線機(jī)，其管電壓為300 kV，管電流為5 mA，采用輻射角為40°的定向輻射窗口。平板探測器型號為CareVision 1500P，尺寸為434 mm×355 mm(長×寬)，像素矩陣為2 816×2 304，像素間距為154 μm。

選擇焦距時(shí)主要考慮幾何不清晰度和一次透照區(qū)，其中幾何不清晰度主要限制了最小焦距，一次透照區(qū)根據(jù)對比度來確定[7]。射線實(shí)時(shí)成像一般采用放大透照布置，得到的缺陷圖像會產(chǎn)生一定程度的放大，其幾何不清晰度Ug為

Ug=df(M-1)

式中：df為射線源的焦點(diǎn)尺寸；M為放大系數(shù)。

由于混凝土材料為不均勻的混合性材料，其對射線的散射較嚴(yán)重，所以為保證整體成像質(zhì)量，幾何不清晰度應(yīng)不大于0.5 mm，根據(jù)上述計(jì)算公式，透照厚度為220 mm，射線機(jī)焦點(diǎn)直徑為1 mm，得到其焦距大于660 mm，為兼顧一次透照區(qū)域范圍，試驗(yàn)采用700 mm的焦距。經(jīng)多次實(shí)際檢測，最終確定采用285 kV的管電壓，透照時(shí)間為18 s。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)梁的X射線數(shù)字成像檢測結(jié)果如圖3所示，1#孔道為金屬波紋管，2#孔道為塑料波紋管，3#孔道為塑料波紋管，4#孔道為金屬波紋管，每次透照均在平板探測器側(cè)布置像質(zhì)計(jì)。

圖3 試驗(yàn)梁的X射線數(shù)字成像檢測結(jié)果

圖3中(a)和(b)為缺陷處的成像結(jié)果，(c)和(d)為同一水平位置孔道的成像結(jié)果，數(shù)字成像結(jié)果可清晰識別像質(zhì)計(jì)的5號絲[7]。從圖3可以明確看到金屬波紋管的位置，金屬波紋管實(shí)際壁厚約為0.3 mm，波紋高度約為2～3 mm；塑料波紋管的波紋高度約為4～5 mm，壁厚約為2 mm；且可明顯看到對應(yīng)波紋管的邊界位置。金屬波紋管吸收的射線能量大于混凝土吸收的射線能量，成像結(jié)果中金屬波紋管邊界為一條黑色的細(xì)線；塑料波紋管吸收的射線能量小于混凝土吸收的射線能量，其在成像結(jié)果中為白色的波紋線。由于金屬波紋管對射線能量衰減較大，透照范圍內(nèi)可識別金屬波紋管的波紋特性。

預(yù)應(yīng)力索孔道在注漿飽滿狀態(tài)下，其壓漿料強(qiáng)度略高于普通混凝土的，在同樣的透照厚度下，其吸收射線能量較大，正常飽滿狀態(tài)下，透照方向上無預(yù)應(yīng)力索區(qū)域透過的能量較混凝土本體透過的能量更小，成像結(jié)果顯示為預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)空隙處比混凝土處更白一些。因此，為判斷預(yù)應(yīng)力索孔道內(nèi)是否存在空洞，需對以上圖像進(jìn)行歸一化處理，保證每次處理后，混凝土本體(不含鋼筋位置)的灰度保持一致，然后再根據(jù)歸一化后對應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行對比。透照區(qū)域內(nèi)若存在孔道內(nèi)空洞，其透照厚度差異約為30%，整體成像灰度值低于本體的60%以上。

為驗(yàn)證1#孔道和2#孔道對應(yīng)的透照結(jié)果與實(shí)際情況是否符合，采用局部破損法，直接從試驗(yàn)梁一側(cè)打開預(yù)應(yīng)力索孔道，依據(jù)實(shí)際局部破損驗(yàn)證結(jié)果(見圖4)，可見數(shù)字X射線檢測結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖4 試驗(yàn)梁局部破損法驗(yàn)證

5 結(jié)語

數(shù)字X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)和普通X射線膠片法比較，其清晰度略低，但易實(shí)現(xiàn)較高的對比度。由于探測器的靈敏度較高，盡管透照后的射線能量較低，預(yù)應(yīng)力索孔道位置及預(yù)應(yīng)力索位置仍可較清晰成像，將普通膠片檢測需要的曝光量減少至原來的1/15，大大減少了對環(huán)境的輻射影響，而且數(shù)字射線能夠現(xiàn)場實(shí)時(shí)成像，可隨時(shí)調(diào)整檢測參數(shù)和布點(diǎn)位置，極大地提高了檢測效率。