彈性波CT 技術在橋梁混凝土結構無損檢測中的應用

袁 蒙

（中設設計集團股份有限公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

常用的混凝土無損檢測方法主要有超聲波法、回彈法、沖擊回波法等，其中回彈法是操作相對比較簡單且速度較快的一種檢測方法，因此較為廣泛應用。但是由于一些混凝土結構的內外質量不一致會導致檢測結果精度不足，所以研究人員通過將超聲法和回彈法進行了結合，創造了彈性波層析成像技術，在原有的基礎上進一步提高了檢測精度。

1 彈性波CT 技術簡介

彈性波CT 技術是一種以沖擊彈性波為基礎的新型無損檢測技術，該技術很好的利用了相關的物理力學原理，在沖擊彈性波的基礎上將無損檢測技術進行了優化和改進。彈性波CT 技術能夠根據被檢測對象的彈性波速度以及相關的物理力學參數，結合CT 技術進行物理結構成像，最終將層析面的內部結構情況以圖像的方式直觀、完整的反映出來，這樣就可以很好的達到對混凝土結構進行無損檢測的目的。在檢測過程中，檢測人員需要通過合理的部署檢測點，構成完整、清晰的層析面，這樣就可以有效的避開被檢測混凝土構架的體積和形狀對檢測結果的影響。

2 彈性波CT 混凝土檢測

2.1 檢測原理

彈性波CT 技術與生活中常見的醫學CT 技術具有許多類似的地方，該技術主要是利用彈性波能夠穿透混凝土結構，在返回的過程中會產生能量的衰減，并以此為基礎來確定工程構件內部的結構情況。具體而言，彈性波在混凝土構件中的穿透與運動過程所表現出的速度快慢，用混凝土構件自身的密度、彈性模量、剪切模量等都具有非常密切的聯系。當被檢測物體的密度較大、強度較高時，其各項模量指數相對較大，彈性波在這種介質中運動時會產生較高的波速，同時降低能量的衰減；而在一些破碎的混凝土結構中，彈性波所表現出的波速會相對較低，在這個過程中能量衰減也會逐漸增大，因此混凝土結構檢測工作人員就可以依據波速和能量衰減的變化判斷混凝土的強度和密度等狀況，進而可以進行比較準確的缺陷評價。

由于彈性波CT 技術主要是運用了波速與混凝土抗壓強度之間的關系作為檢測依據，因此許多研究人員在開發該技術項目時，對混凝土的抗壓強度和彈性波所表現出來的波速進行了一系列深入的研究，最終得出的研究結果是混凝土抗壓強度與波速之間呈現出了冪指數關系。其中，混凝土抗壓強度與縱波速的回歸關系為：

由于不同地區建設工程的混凝土施工技術會產生很大的區別，尤其在對骨料、砂等基礎材料的運用方面會存在著一定差異，因此最終得到的混凝土結構在密度和強度等數據方面會產生不同的結果。因此，公式中的冪指數待定常數的數值也會根據實際情況而有所變化，在檢測過程中檢測人員最好提前對標準的混凝土結構進行檢測，并將得到的波速檢測結果作為以后工作中的參考標準，這樣再遇到檢測問題時就能夠根據參考標準進行進一步的綜合評定。

2.2 混凝土質量評價

2.2.1 波速

由于彈性波在不同的混凝土部位中會產生不同的波速，因此檢測人員在以聲波的速度作為評價混凝土內部結構質量與密度等各項參數的參考依據時，還需要考慮到波速本身的分布參數性，因此需要先選定幾項統計參數作為最終進行混凝土質量評價的參考指標。目前最新的研究結果表明，該技術在實際運用過程中可以將以下4 個參數作為評價的定量指標，進而能夠準確的檢測出不同部位產生的波速所代表的結構指數，這4 個參數分別為混凝土的平均波速Va、波速離散度Vs、合格面積比Rs 以及最大缺陷尺度Asl。

在該式中，Vj 為CT 剖面內單元節點位置的波速；M 為剖面內單元節點總數；σ為均方差。

通常情況下，彈性波CT 技術都是以剖面內的平均波速是否達到了一定標準來判斷該混凝土結構是否符合設計的要求，強度和密度是否達到了工程建設的標準；而檢測結果的離散度，則被用來判斷混凝土的質量是否均勻，結構分布是否平衡；研究人員將合格面積比Rs 定義為強度達到設計標準的面積與Af 檢測剖面面積的比值，一般情況下將80%作為面積比率的合格標準；而最大缺陷尺度參數Asl 則是疏松混凝土低于設計強度85%的面積，這些疏松混凝土分布面積過大時，會在一定程度上降低橋梁承載力的最大值，因此相對而言疏松混凝土分布面積越小時，橋梁能夠承載的重量也就越大。通常將一平方米設定為最大缺陷面積，當最大缺陷尺度小于該數值時，我們就可以認為被檢測結構不符合建設標準。

2.2.2 鋼筋影響分析

鋼筋是混凝土中必不可少的結構之一，但是當進行混凝土結構檢測時，鋼筋分布比較密集的區域會對檢測波速產生一定的影響，一般情況下波速V 都會大于彈性波在純混凝土中的傳播速度Vc，因此研究人員會通過利用指定的公式對波速的變化進行修正，以此來消除鋼筋對監測結果的影響。該公式為：

在這個公式中，ɑ為鋼筋在混凝土中所占的體積比，這項數值可以根據鋼筋構造圖的投影得到；Vst 為鋼筋波速，通常取5.7km/s。

2.2.3 混凝土齡期的影響

混凝土的齡期對于內部結構的強度和密度都會產生很大的影響，同時還會在一定程度上降低在混凝土結構中運行的波速，這樣會給混凝土質量檢測工作帶來很大的困難，影響最終檢測結果的準確性。因此檢測人員在采取彈性波CT 技術進行混凝土質量檢測時，首先需要確保該混凝土結構已經達到了齡期，然后再進行相關的檢測工序，這樣才能進一步確保檢測結果符合工程建設的標準。

3 工程應用

3.1 測點分布

在對連續橋梁的混凝土結構進行質量檢測時，如果沒有事先進行聲測管等輔助檢測設備的埋設，那么在檢測過程中就會受到混凝土體積的影響，導致常規的無損檢測方法不能準確的測量出混凝土的質量。因此針對這種情況，需要在每個混凝土檢測試塊中布置三個檢測剖面，這三個剖面與混凝土檢測試塊的底部距離應分別保持為10cm、40cm 和70cm。

3.2 射線分布

以激發點和檢波點射線的起點和終點，進而要讓射線覆蓋整個檢測區域，這樣就可以通過射線密度和正交性來判斷計算結果是否準確，只有射線密度和正交性比較均勻的區域才符合工程建設的標準。

4 結束語

彈性波CT 技術對于反映混凝土的質量和均勻程度發揮了非常重要的作用，檢測人員在對這項技術進行應用時，需要合理的布置測點，這樣才能夠得到更加直觀且分辨率較高的圖像，從而才能降低被測構件體積與形狀對檢測結果的影響，獲得準確程度更高的無損檢測結果。