彈性波CT技術在橋梁混凝土結構無損檢測中的應用

李少鵬 （合肥工大工程試驗檢測有限責任公司，安徽 合肥 230009）

0 前言

無損檢測技術是在保證混凝土結構完整的基礎上，對混凝土結構展開的性能檢測，最常使用超聲波、雷達法以及回彈法等，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技術由于只能測試構件表面強度，檢測精度受到的影響相對較多，且混凝土內外質量存在差異，要對檢測結果展開分析，才能確定結果真實性。因此，研究彈性CT技術的應用，對于混凝土結構檢測具有重要意義，有助于提高無損檢測效果，提高檢測結果真實性。

1 彈性波CT技術的優(yōu)勢和特點

無損檢測CT技術建立在X射線掃描成像的基礎上，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，表達檢測結果。尤其在工業(yè)領域中，兩種技術經(jīng)常用于比較X射線，超聲波和彈性波都不具備較強的直進性和穩(wěn)定性，利用此性質，根據(jù)衰減性進行檢測。

對混凝土缺陷展開檢測也經(jīng)常使用超聲波方法，聲速作為評價指標的綜合性指標，根據(jù)檢測人員工作經(jīng)驗可以確定缺陷的準確位置，但是進行大面積檢測時，還需要預埋聲測管。彈性波是最近幾年發(fā)展起來的檢測方法，只有一個檢測面時，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直徑的鋼質圓錘從0.6cm高度落下，沖擊波頻率可以達到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行測試，測試結果更加合理。

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，從而獲得混凝土結構的特點。彈性波CT技術可以對混凝土均勻性、密實性以及強度進行直觀反饋，通過對測點進行合理布置，可以有效展開無損檢測，提供較為精準的檢測結果。

2 彈性波CT技術在橋梁混凝土結構無損檢測中的應用

2.1 檢測原理

使用彈性波CT技術展開混凝土檢測，和醫(yī)學上CT技術檢測原理一致，都是使用彈性波通過穿透介質，觀測彈性波能量衰減的情況，形成結構檢測圖像。穿透介質受到穿透速度、彈性模量、介質密度的影響，如果介質的強度高、密度大，衰減量相對較小，如果結構疏松、強度低，衰減量較大[2]。國內外有研究表明，波速和抗壓強度具有一定指數(shù)關系，并受到材料和方法的影響。

2.2 混凝土結構評價

彈性波速度可以用于考量混凝土澆筑質量，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)計參數(shù)當做混凝土結構評價。根據(jù)實際應用和研究結果，選擇四個參數(shù)當作評價指標，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剖面波速達到或者超過設計強度，代表混凝土強度滿足設計標準。如果離散度未超過9%，代表混凝土有著質量均勻。

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，波速和強度都會有所下降，無法達到預定標準，難以做出準確判定。要使用彈性波CT技術，要求混凝土結構達到一定的齡期。

2.4 解析方法

該項技術使用彈性波作為主要測試媒介，測試過程中，經(jīng)過逐點掃描被檢測區(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)域內傳播彈性波存在一定差異。設定傳播時間，測試計算機波速，可以測量出結構缺陷。如果利用傅里葉變換進行波速計算，需要經(jīng)過大量計算。改用擬投影方法，設定單元數(shù)為M，波線數(shù)為N，可以計算出網(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)走時成像原理以函數(shù)信號為數(shù)據(jù)，借助迭代重建技術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，會造成側線距離反演速率有所下降。側線越多，得到的CT解析精準度也就越高，分辨率也就越高。根據(jù)工程情況選擇合適的側線條數(shù)。

2.5 具體應用

2.5.1 檢測應用

以某橋梁工程為例，該橋梁一個橋墩已經(jīng)澆筑3m高，整體厚度可達2.7m，且混凝土強度等級為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構，具備彈性波CT技術應用條件。因此選擇彈性波CT技術作為檢測技術，在墩面距離承臺面0.6m～2.4m高度位置展開仔細檢測，從下到上設置12個水平方向斷面，斷面保持0.2m間距，對前8個斷面的測試確定寬度平均為8.4m，橫向可以分成三個部分，對后四個斷面測試，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算，繪制交叉點速度等值線圖像。

2.5.2 檢測結果

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準，評定測試質量。彈性波波速超過4500m/s時，混凝土結構質量良好；彈性波波速處于3600～4500m/s時，混凝土結構質量較好；彈性波波速處于3000～3600m/s時，混凝土結構質量一般，可能存在一定問題；彈性波波速處于2100～3000m/s時，混凝土結構質量較差；彈性波波速未超過2100m/s時，混凝土結構質量存在嚴重問題，需要采取措施立即處理。

該標準只適合判斷混凝土質量情況，由于混凝土情況多樣，波速和強度之間也存在多種關系，評價一種混凝土，可以作為參考[3]。測試現(xiàn)場使用混凝土同等配比，對試塊進行彈性波測試，測試結果表明波速可以達到4350m/s，表明該混凝土結構處于較好狀態(tài)。

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

2.5.3 檢測結論

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

2.6 未來發(fā)展

目前使用彈性波CT技術展開檢測，檢測結果就是斷面水平質量，使用二維方式進行顯示，無法直觀顯示結構整體結果。使用彈性波CT檢測技術和三維技術對波速反演，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構質量，讓彈性波CT技術得到更廣泛的使用。

3 結論

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，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，具有廣闊的應用空間。在橋梁工程中，還要注意結合3D成像技術，形成立體圖像，推動無損檢測的進步，保證橋梁工程的安全性。