基于彈性波CT技術的混凝土質量評價方法及其應用

劉 強，封忠意，鄭子騰

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.青島市地鐵四號線有限公司，山東 青島 266500）

引言

現階段，對混凝土質量評價應用較為廣泛的無損檢測技術手段有超聲波法、超聲回彈法、沖擊回波法等。超聲波無損檢測法具有檢測精度高、可操作性強等優點，對尺寸較大的構件進行檢測時，需要預埋聲測管或鉆孔輔助，因此該法使用有所限制。超聲-回彈綜合法結合了回彈法與超聲波法的優勢，通過混凝土內部聲速和表面剛度相結合推算混凝土實際強度，精度高、可靠性強，但檢測探查的深度有限、操作較為繁瑣[1]。沖擊回波法是近年新興技術手段，主要應用于僅有一個檢測面的混凝土構件，可以準確判定出已知厚度構件內部缺陷的位置和尺寸，當構件厚度較大或厚度不規則時，檢測結果判定往往較困難[2]。

彈性波CT技術，通過人為激發產生彈性波穿過被測構件所產生的數據，利用射線追蹤算法、最佳路徑算法等基于“走時成像原理”的計算方法，由計算機反演出剖面的二維信息，最終以顏色標度圖的方式呈現被測構件的內部特征。該技術采用低頻彈性波為激發源，搭配加速傳感器，具有能量傳導距離遠、頻率集中受雜波影響小等優勢，對于大型混凝土結構檢測具有更好的可操作性。

1 技術原理

彈性波在穿透介質時，波速的快慢與介質的完整性、密度、彈性模量、剪切模量有關。介質密度越大、強度越高、完整性越好則彈性波傳導速度越快、衰減越小；反之，介質破碎疏松、強度較低則彈性波傳導波速低、衰減快。經過國內諸多學者系統的實踐研究，彈性波傳播的波速與介質抗壓強度呈冪指數關系[3-4]，因此，波速可作為混凝土強度和缺陷評價的重要指標。在實際檢測過程中，混凝土的彈性波速與混凝土粗骨料、鋼筋數量都有著密切的關系，若條件允許，開展試驗前應對現場的結構進行波速的校準，對檢測結果存在疑問的應采取鉆心法進行驗證。

彈性波CT技術的測試媒介為彈性波測線，通過檢測過程中對逐測點進行掃描，收集各個位置、角度上的彈性波特征信息，利用波傳導特征結合計算機進行反演，識別結構內部缺陷。現階段應用較多的反演方式為BPT法，即擬投影法（Back Projection Technique）。BPT法是將被測剖面劃分成有限個網格，并將各測線的平均波速分配至每個網格中，由此將速度函數轉化為投影數據，再通過計算機反演建立CT斷層掃描圖像[5]。根據彈性波CT技術的原理可看出，測線布置的密度越大，BPT法劃分出的網格越多，CT法檢測分辨率也就越高。

2 工程實例

2.1 工程概況

某鐵路工程大橋連續梁0#塊存在局部脫空、離析等缺陷，最大缺陷部位延伸約2 m，寬度1～28 cm，為研究構件內部缺損情況及混凝土密實程度，對該0#塊開展彈性波CT掃描。此0#塊位于河堤，采用C60泵送混凝土，檢測時施工齡期為90 d。

2.2 檢測方案

經過現場踏勘，對0#塊左右腹板進行彈性波CT檢測，于腹板布置4.4 m×14 m檢測剖面，見圖1，測點布置于板端頭厚度中心，剖面下底面距離端頭底約0.5 m，每個測面的兩端均布置有12個測點，間隔0.4 m左右，構成12條水平測線與132條傾斜測線。

圖1 腹板彈性波CT測線

2.3 結果分析

累計采集288條測線，生成二維波速分布圖三幅，以紅色、黃色為高波速區，代表混凝土澆筑質量較好；綠色為中等波速區；藍色為低波速區，代表混凝土澆筑質量相對差。檢測現場選取齡期相近的完好構件進行了多次波速標定，經測試，完好構件的平均波速均大于4.2 km/s，由此建立該批次混凝土質量初步評定標準，見表1。

右側腹板共7處明顯缺陷區域，見圖2，占構件總面積的6.6%，推測為不密實、裂縫等缺陷。構件中部可見呈現條帶狀分布的低波速區，構件左下存在面積較大的低波速區。左側腹板共8處明顯缺陷區域，見圖3，占構件總面積的11.5%，推定為不密實、裂縫等缺陷。構件中部可見呈現條帶狀分布的低波速區，構件左下存在面積較大的低波速區。

表1 波速-缺陷評價

圖2 右腹板二維波速分部

圖3 左腹板二維波速分部

2.4 檢測結果驗證

根據檢測結果，對明顯缺陷區域進行排查，右側腹板中部條帶狀低波速區可見明顯施工縫，并存在蜂窩、麻面缺陷，見圖4。左下方低波速區為蜂窩、麻面較為集中的區域，將其表面鑿除后，發現混凝土表面至外層鋼筋之間混凝土松散，骨料集中，松散層深度3～10 cm，鑿除后可見鋼筋內混凝土相對密實，未見貫穿裂縫，見圖5。

圖4 右側腹板明顯的施工縫

圖5 施工縫位置鑿除后

左側腹板中部條帶狀低波速區可見嚴重的漏漿、離析缺陷，且缺陷深度較大、延伸較長，見圖6。為避免結構取芯驗證產生不可逆損傷，選取50 mm直徑鉆頭，破除表面混凝土至鋼筋后鉆取芯樣，針對低波速區域采集芯樣9個（外側面5個，內側面4個），外側面芯樣均存在不同程度的孔洞、蜂窩缺陷，見圖7，部分芯樣骨料分布不均勻；內側面所取芯樣均較為密實。

圖6 左側腹板漏漿、離析缺陷

圖7 低波速區外側面芯樣

3 結語

（1）局部區域混凝土外側面至鋼筋埋深處，存在離析缺陷，鋼筋埋深以內混凝土相對密實，認為系施工過程中振搗不足引起的缺陷。（2）存在明顯的施工冷縫，冷縫兩側混凝土存在明顯色差，其中一側混凝土表面存在大量蜂窩、麻面，混凝土內部有較多的孔洞，混凝土強度有待進一步驗證。（3）左側腹板中部漏漿、離析嚴重，雖未發現貫穿裂縫，但該處混凝土波速低、缺陷延伸較遠，對構件性能影響較大。

針對大體積混凝土結構的缺陷探查工作，彈性波CT技術不僅能夠迅速有效地發現結構薄弱環節，準確地進行定位，而且能夠針對不同尺寸、類型構件靈活布線，確保探測效果，適用性強。