基于彈性波CT 的大體積混凝土檢測應用

王戰(zhàn)軍

（上海同濟檢測技術有限公司，上海市 200092）

0 引言

現(xiàn)代土木工程如橋梁工程、高層及大型設備基礎、水利大壩等時常涉及到大體積混凝土，因其體積大且結構復雜，施工工藝及養(yǎng)護過程中極易出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此項目實施過程中檢測工作始終貫穿于施工控制、病害診斷及加固評價等各個環(huán)節(jié)。

混凝土檢測方法自20 世紀30 年代以來，得到了迅猛的發(fā)展[1]。目前已有二十多種可行的方法，且已逐步形成完整的技術體系，例如回彈法、超聲法、沖擊回波法、雷達法、紅外成像法、鉆芯法等[2]。這類傳統(tǒng)檢測方法通常以單測點為基礎，采用抽樣方式進行檢測，一般無法得到對混凝土內(nèi)部大截面進行整體評判的直接數(shù)據(jù)。而彈性波CT 技術（彈性波層析成像技術）則不然，該方法利用彈性波速度與其物理力學參數(shù)的相關性[3]，在不損傷“檢測對象”的情況下，利用檢測剖面上的彈性波速，結合CT 技術進行反演成像，以“圖像”的方式完整地反映層析面上的內(nèi)部結構特征，以實現(xiàn)質(zhì)量檢測的目的[4-7]。

綜上，彈性波CT 在滿足射線密度、射線正交性等要求的前提下[8]，可一次性重構大體積混凝土截面波速平面分布，具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀等特點，已被越來越廣泛地應用于大體積混凝土強度、空洞、不密實區(qū)等結構缺陷檢測。

1 工程概況

某橋梁附屬構筑物主要由南、北兩側現(xiàn)澆邊墻構成，墻厚2.0 m，長度分別為45 m 及49 m。因澆筑過程失誤，拆模后發(fā)現(xiàn)南、北兩側邊墻高度1.8 m 以下存在多處蜂窩麻面等表觀病害，為查明混凝土內(nèi)部澆筑質(zhì)量，決定選用彈性波CT 對邊墻進行檢測，并通過墻體內(nèi)部波速分布評價為設計提供修復建議。

2 彈性波CT 工作原理

2.1 檢測原理

彈性波CT 的工作原理與醫(yī)學CT 類似。醫(yī)學CT是利用X 射線穿透人體，通過射線強度衰減的觀測對人體組織成像。彈性波CT 是利用聲波穿透混凝土介質(zhì)，通過聲波走時和能量衰減的觀測對工程結構成像。在彈性波CT 檢測中，從發(fā)射點到接受點，聲波能量沿半徑等于1/4 波長的高斯射線束傳播。

波速作為混凝土質(zhì)量評價的定量指標是建立在理論研究和大量的實驗數(shù)據(jù)基礎之上的。研究和實驗結果證明混凝土抗壓強度與波速正相關，但是不同地區(qū)對應關系的參數(shù)有所差異，這主要是受骨料及養(yǎng)護環(huán)境的影響。同等抗壓強度的以卵石為骨料的混凝土，比灰?guī)r碎石骨料的高得多。因此在使用彈性波CT波速作混凝土質(zhì)量評價時，要參考當?shù)貥藴蕵悠凡ㄋ俚臏y試結果。

彈性波在穿越混凝土時，其速度快慢與混凝土的密實度、彈性模量、剪切模量有關。密度大、強度高的混凝土其模量大，波速高、衰減小；破碎疏松的混凝土波速低、衰減大。如果混凝土存在缺陷或損傷，波速將表現(xiàn)為低速異常。

實際檢測過程中，首先通過逐點敲擊獲取大量的首波走時數(shù)據(jù)，然后通過求解大型矩陣方程來獲取測試區(qū)域速度剖面圖像，根據(jù)速度剖面圖像可以直觀準確地判定隱患大小分布。

2.2 測線布置及網(wǎng)格設計

2.2.1 坐標設計

依據(jù)現(xiàn)場踏勘及設計圖紙，對南北側墻建立統(tǒng)一坐標系，并根據(jù)坐標系統(tǒng)布設檢測剖面（邊墻長度方向設定為X 坐標，厚度方向設定為Y 坐標），坐標系統(tǒng)設計見圖1。

圖1 彈性波CT 坐標系統(tǒng)設計圖

2.2.2 檢測布置

單剖面圍繞墻體采用“L”型布設，激發(fā)及接收點距均為0.5 m，通過射線對疊加形成墻體一定高度橫截面檢測的目，南北邊墻現(xiàn)場采集布置方式見圖2、圖3，現(xiàn)場檢測見圖4。

圖2 北側墻彈性波CT 測區(qū)現(xiàn)場布置圖

圖3 南側墻彈性波CT 測區(qū)現(xiàn)場布置圖

圖4 彈性波CT 現(xiàn)場檢測示意圖

3 檢測效果

3.1 彈性波CT 檢測結果解譯

由于彈性波速度與混凝土內(nèi)部質(zhì)量具有直接相關性，彈性波CT 反演成果圖中代表低速的顏色區(qū)域一般對應質(zhì)量不佳或存在缺陷[9]。解譯成果圖中藍色表示高波速，黃、綠色次之，紅色為低波速，色標給出了顏色與波速的對應關系。

3.1.1 北側墻檢測結果

北側墻完成CT 剖面3 條，分別對應墻高0.5 m、墻高0.9 m 及墻高1.3 m，成果見圖5。

圖5 北側墻彈性波CT 波速等值線成果圖（單位：m/s）

各剖面平均波速統(tǒng)計見表1。

表1 北側墻剖面平均波速統(tǒng)計表 單位：m/s

由圖5 可知：三剖面波速整體均勻性稍差，低波速異常[10]位于0.5m 高度剖面39～42 m 及45～47 m處，0.9 m 高度剖面13～15 m、31～32 m 及39～46 m處，1.3 m 高度剖面12～15 m、30～32 m 及39～47 m處，異常區(qū)域吻合度較高，隨墻體高度方向連貫性較好，推測為混凝土澆筑缺陷所致。

3.1.2 南側墻檢測結果

南側墻完成CT 剖面2 條，分別對應墻高0.7 m及墻高1.3 m，成果見圖6。

圖6 南側墻彈性波CT 波速等值線成果圖（單位：m/s）

各剖面平均波速統(tǒng)計見表2。

表2 南側墻剖面平均波速統(tǒng)計表 單位：m/s

由圖6 可知：兩剖面波速整體均勻性稍差，其中剖面自西向東24～28 m 處因模板未拆除，呈現(xiàn)局部反演相對低速區(qū)域[10]。1.3 m 高度剖面37～45 m 處墻體淺表混凝土約0.4 m 厚度范圍應力波波速偏低，推測為混凝土澆筑缺陷所致。

3.2 結果驗證

北側墻40～45 m 異常區(qū)域進行剔鑿，直至混凝土完好，剔鑿面積約為1.72 m2，鑿除深度25～160 mm，見圖7。

圖7 北側墻異常區(qū)域（40～45 m）剔鑿效果

南側墻36～42 m 異常區(qū)域進行剔鑿，直至混凝土完好，剔鑿面積約為1.80 m2，鑿除深度25～140 mm，見圖8。

圖8 南側墻異常區(qū)域（36～42 m）剔鑿效果

本次彈性波CT 測試與表面離析缺陷一致，經(jīng)超聲法檢測波速異常位置高度契合，異常區(qū)域剔鑿修復后經(jīng)超聲法復測不存在波速異常。

4 其他工程應用

某城際鐵路19# 墩設計寬度為10.8 m，厚度為4.5 m，采用C35 混凝土建筑，拆模后發(fā)現(xiàn)局部存在蜂窩麻面，為對墩身澆筑質(zhì)量進行診斷，采用彈性波CT 及超聲法進行綜合檢測，見圖9。

圖9 某城際鐵路19# 墩現(xiàn)場施工情況

彈性波CT 分別于墩身距地面0.3 m 高度及0.8 m高度布設水平測試剖面，檢波器間距為0.5 m，炮點間距為0.5 m。單個剖面測試數(shù)據(jù)2048 個，射線正交性和射線密度滿足要求。

由圖10 可知：0.8 m 高度剖面平均波速為3 580 m/s，0.3 m 高度剖面平均波速為3 593 m/s，墩身波速總體呈現(xiàn)兩側大中間小特征，但并無局部異常，表明橋墩內(nèi)部無明顯缺陷。依據(jù)以往工程經(jīng)驗，剖面中部2.8～7.8 m 段（對應橋墩4.5 m 等厚度段）波速相對偏低，隨后于墩身中部2.8～7.8m 段布設超聲測區(qū)，網(wǎng)格間距為0.2 m，分別布置在距地面0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m 及1.0 m 高度處，測點共計130 個。超聲檢測結果統(tǒng)計見表3。

圖10 彈性波CT 測試剖面成果圖（單位：m/s）

表3 墩身超聲參數(shù)統(tǒng)計表

超聲測區(qū)對應區(qū)域波速均勻，混凝土內(nèi)部密實[11]。考慮到養(yǎng)護期為20 d，推測橋墩芯部混凝土齡期未到引起混凝土強度尚未達到設計強度。

5 結語

該文通過彈性波CT 在大體積混凝土檢測中的項目應用，并結合超聲法等驗證手段，得出以下結論：

（1）經(jīng)多次項目實際應用，證明了彈性波CT 檢測大體積混凝土可行性，有效彌補了傳統(tǒng)混凝土檢測方法的不足之處，可供類似工程參考。

（2）彈性波CT 可一次性重構大體積混凝土截面波速平面分布，經(jīng)反演后可以直觀判定截面混凝土病害分布，具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀、結構適用性強等特點。