橋梁聲波CT在混凝土橋梁梁板檢測中的應用與研究

張曉東

(河北益合交通檢測技術有限公司)

隨著時代的進步，交通事業在蓬勃的發展，高速公路的建設也在不斷的完善，在高速公路上涌現出了大量大型、重型車輛，這些加速了高速公路橋梁的老化，表現出破損嚴重、承載能力下降。我國現有存在病害的橋梁近萬座，每年新增病害橋梁近千座，這些橋梁絕大多數都是預應力混凝土橋梁，需要檢測與評價混凝土的密實性、強度、缺陷、孔隙空洞、預應力、預應力管道注漿密實度、鋼筋銹蝕等內部結構狀態，正確地診斷分析橋梁病害的原因、部位，以便采取合理的加固處治措施。目前國內現有的舊橋混凝土質量檢測方法主要有回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法和后裝拔出法。以上幾種檢測手段，都不能很好地反映混凝土的整體質量，特別是不能反映混凝土澆筑的不均勻性情況，而在混凝土澆筑不均勻的地方容易形成應力集中，加大對橋梁的破壞。傳統的外觀檢測技術已經不能滿足混凝土結構內部病害診斷的需求，急需發展高分辨的、直觀的、反映結構內部狀態的地質雷達、聲波CT、超聲成像等工程物探高技術。

計算機斷層成像(Computed Tomography，簡稱CT)技術最早用于無線電天文學方面，隨著計算機技術的不斷發展，CT 技術在過去幾十年里得到飛速地發展，現在已經被廣泛應用于工業無損檢測、安全檢查及工程勘察等領域。

混凝土波速CT 技術 原理與地震CT 原理幾乎一致，都是利用彈性波的性質進行反演，工程檢測中地震波的頻率范圍1～1 000 Hz 左右，使用的頻率越高，檢測的分辨率也越高，但相應有效穿透深度越小。混凝土波速CT 的物理基礎為聲波穿透混凝土介質時，其速度快慢與混凝土介質的彈性模量、密度等有關，密度大、強度高的混凝土結構模量大，波速高，走時短;密度小、強度低的混凝土結構模量小，波速低，走時長。完整密實強度高的混凝土對聲波能量的吸收弱，聲波在傳播中能量損耗小;不密實、強度低、有缺陷的混凝土對聲波的吸收強，聲波在傳播中能量損耗大。混凝土介質的彈性模量、強度與波速的對應關系，是利用波速描述混凝土強度分布的物理基礎。

使用聲波穿透混凝土結構，通過聲波走時與能量衰減的測量，對混凝土結構進行聲波波速成像。根據聲波速度與混凝土結構介質的彈性模量正相關關系，波速的變化能夠反映混凝土強度的變化，波速圖像可以可靠地反映出混凝土構件內部各部分的均勻性、密實性、缺陷區、缺陷程度及其分布。混凝土的聲波速度可以作為評價混凝土抗壓強度與密實度的定量指標。可用于在建橋梁的質量控制和運行橋梁的病害診斷，檢測的分辨率可達分米級。能夠確定低強度的部位、范圍、程度，為病害整治和施工質量控制、工藝改進提供依據。

為了研究聲波CT 技術在梁板檢測中的應用及可靠性，我們澆筑了不同強度、存在缺陷的兩片驗梁板，通過對兩實驗梁板檢測結果與設計缺陷進行對比來驗 證聲波CT 技術對梁板檢測的可靠性。兩片驗梁板都按10 m ×1.5 m ×0.35 m 進行澆筑，內用直徑8 mm、20 mm 鋼筋，在澆筑過程中都人為的設計了不同的缺陷。不同強度實驗梁板是指用C30、C40、C50三種不同強度的混凝土按標號3 m 左右一段進行澆筑，斷面之間不留施工縫，澆筑成一個整體，外露3 面均為光面。缺陷實驗梁板是指在澆筑過程中人為的利用泡沫塑料板、木板、空心波紋管和磚塊在某幾個位置制造缺陷然后澆筑而成的梁板。

現場觀測的儀器使用同度SRS64 多功能超聲波探測儀;采樣參數:采樣率為5 微秒，采樣長度為k;檢波器采用壓電陶瓷換能器，參數:10 Hz～15 kHz;聲源采用錘擊。

現場觀測系統布置:檢波器沿梁板長邊一側布置，檢波器42 只，1～37 道間隔為25 cm，37～42 間隔為20 cm。激發點沿梁板其他邊布置，間距25 cm，共有51 個激發點，獲得2 142 條射線。

現場觀測系統布置圖

聲波CT 資料的處理包括觀測坐標編輯、走時數據讀取、射線追蹤、波速反演、CT 成 像等過程。經過對51 個地震記錄2142 道資料的處理，完成了2 個CT 剖面。

混凝土的聲波速度可以作為評價混凝土抗壓強度與密實度的定量指標。波速高的地方，混凝土密度大、強度高;波速低的地方，混凝土密度小、強度低。通過利用BCT 處理軟件對數據進行處理、重建成像，得到兩片實驗梁板的聲波CT剖面波速分布圖。下面分別是兩片梁板預案設計圖和檢測結果對比。

圖1 不同強度實驗板預案設計圖

圖2 不同強度實驗板CT 剖面速度分布圖

圖3 缺陷實驗板預案設計圖

圖4 缺陷實驗板CT 剖面速度分布圖

圖1、圖2 分別是不同強度實驗板的預案設計圖和聲波CT 方法檢測結果圖，從聲波CT 方法檢測結果圖中可以看出，整個圖幅主要由三種不同的色塊構成，根據色標圖例可以清楚地看出圖幅左邊3 m 左右波速最高，然后是圖幅右邊3 m 左右，波速較高，最后是中間3 m 左右，波速比較低。根據預案設計圖我們知道圖幅左邊3 m 左右是由C50型混凝土澆筑的，波速最高，中間3 m 左右是由C30型混凝土澆筑的，波速較低，而右邊3 m 左右是由C40型混凝土澆筑的，波速較高。通過對比可以看出聲波CT 方法檢測結果與實際是相符的。

圖3、圖4 分別是缺陷實驗板的預案設計圖和聲波CT方法檢測結果圖，從缺陷實驗板CT 剖面速度分布圖可以看出，在圖幅中出現了3 個比較大的低速塊，以圖幅左下角為坐標原點，他們分別位于圖幅的坐下角1.7 m、圖幅中間底邊4 m 和圖幅右上頂邊9 m 位置，根據缺陷實驗板預案設計圖我們可以看到在這三處位置分別有20cm ×20cm泡沫板、30 cm×30 cm 泡沫板和60 cm×9 cm×5 cm 木板。在缺陷實驗板預案設計圖中我們還可以看到有三處設計的缺陷在檢測結果中并沒有反映出來，通過分析我認為:對于10 cm×10 cm泡沫板，觀測系統布置中檢波器、激發點間距都為25 cm，計算時網格也采用0.25 m ×0.25 m，相對異常體體積檢測結果分辨率過大，不能分辨出異常體;對于64 cm 長的空心波紋管，直徑16 cm，他的橫截面積比較小，射線大部分都是繞過外側壁傳播，且速度高，而穿過波紋管里面的射線條數很少，因此在檢測中未能分辨出;對于右下角的磚塊，體積較小，但磚塊的波速較高，相對于低標號的混凝土在波速上他有時表現出高速，在該檢測結果中雖然在圖幅右下角位置色彩顏色較深，波速表現為高速，但不能判定為是由磚塊引起的。

通過預案設計圖與檢測結果進行對比可以看出，用聲波CT 方法得到的波速剖面圖能 夠清晰、準確地反映出梁板澆筑均勻性、混凝土強度分布及缺陷情況。通過實例對比分析，聲波穿透混凝土介質時，其速度快慢確實與混凝土強度有關，聲 波波速對混凝土澆筑的均勻性、密實度反映比較敏感，密度大、強度高的區域，波速高;密度小、強度低的區域，波速低。用聲波CT 方法得到的梁板波速分布圖，通過像素、色譜、立體網絡綜合展示，能夠清晰、準確地反映出梁板澆筑均勻性、混凝土強度分布及缺陷情況。說明聲波CT 層析成像技術能夠檢測出混凝土梁板整體質量澆筑情況，是一種行之有效的快速、無損檢測手段。在聲波CT 技術中，檢測結果的分辨率是與觀測系統的布置緊密相關的，檢波器、激發點布置越密，檢測結果的分辨率越大;反之亦然。因此說該方法不僅能夠全面直觀地再現混凝土質量的精細結構，實現面積測量，而且通過合理優化設計觀測系統和準確拾取聲波走時，可達到高精度和高分辨率精細探測。