弹性波CT技术在桥梁混凝土结构无损检测中的应用

2019-03-14李少鹏合肥工大工程试验检测有限责任公司安徽合肥230009

安徽建筑 2019年10期

李少鹏（合肥工大工程试验检测有限责任公司，安徽合肥 230009）

0 前言

无损检测技术是在保证混凝土结构完整的基础上，对混凝土结构展开的性能检测，最常使用超声波、雷达法以及回弹法等，由于回弹方法在操作上方便快捷，在无损检测中经常使用。弹性波CT技术由于只能测试构件表面强度，检测精度受到的影响相对较多，且混凝土内外质量存在差异，要对检测结果展开分析，才能确定结果真实性。因此，研究弹性CT技术的应用，对于混凝土结构检测具有重要意义，有助于提高无损检测效果，提高检测结果真实性。

1 弹性波CT技术的优势和特点

无损检测CT技术建立在X射线扫描成像的基础上，经过几何处理后建立放射线影像。弹性波和超声波类似，都是通过提供影像信息，表达检测结果。尤其在工业领域中，两种技术经常用于比较X射线，超声波和弹性波都不具备较强的直进性和稳定性，利用此性质，根据衰减性进行检测。

对混凝土缺陷展开检测也经常使用超声波方法，声速作为评价指标的综合性指标，根据检测人员工作经验可以确定缺陷的准确位置，但是进行大面积检测时，还需要预埋声测管。弹性波是最近几年发展起来的检测方法，只有一个检测面时，也能完成测量工作[1]。弹性波主要通过激振锤激振形成，形成能量较大，且频率较低。使用5cm直径的钢质圆锤从0.6cm高度落下，冲击波频率可以达到5.48Hz。弹性波测试经常使用加速度的传感器，由于传感器具备固定方式，方便展开频谱和能量分析。由于弹性波能量较大，频率较低，不容易受到杂波带来的影响。因此在桥梁混凝土监测中适合使用弹性波进行测试，测试结果更加合理。

对于大体积混凝土检测，由于测距长且信号减弱，容易造成检测数据失真。弹性波检测技术可以通过反演弹性波速，通过图像展示方式表现检测对象的特征，从而获得混凝土结构的特点。弹性波CT技术可以对混凝土均匀性、密实性以及强度进行直观反馈，通过对测点进行合理布置，可以有效展开无损检测，提供较为精准的检测结果。

2 弹性波CT技术在桥梁混凝土结构无损检测中的应用

2.1 检测原理

使用弹性波CT技术展开混凝土检测，和医学上CT技术检测原理一致，都是使用弹性波通过穿透介质，观测弹性波能量衰减的情况，形成结构检测图像。穿透介质受到穿透速度、弹性模量、介质密度的影响，如果介质的强度高、密度大，衰减量相对较小，如果结构疏松、强度低，衰减量较大[2]。国内外有研究表明，波速和抗压强度具有一定指数关系，并受到材料和方法的影响。

2.2 混凝土结构评价

弹性波速度可以用于考量混凝土浇筑质量，混凝土波速属于分布参数，由于不同位置有不同的波速，需要选择统计参数当做混凝土结构评价。根据实际应用和研究结果，选择四个参数当作评价指标，分别是波速离散度、平均波速、缺陷尺度以及合格面积比。弹性波CT剖面波速达到或者超过设计强度，代表混凝土强度满足设计标准。如果离散度未超过9%，代表混凝土有着质量均匀。

2.3 影响因素

2.3.1 钢筋影响

弹性波在混凝土中的波速受到分布钢筋的影响，钢筋越密集的区域，波速会比纯混凝土的波速高。使用波速修正规避钢筋带来的影响。

2.3.2 混凝土龄期影响

如果混凝土龄期不足，波速和强度都会有所下降，无法达到预定标准，难以做出准确判定。要使用弹性波CT技术，要求混凝土结构达到一定的龄期。

2.4 解析方法

该项技术使用弹性波作为主要测试媒介，测试过程中，经过逐点扫描被检测区域，如果检测区域混凝土是软弱区域和缺陷区域，区域内传播弹性波存在一定差异。设定传播时间，测试计算机波速，可以测量出结构缺陷。如果利用傅里叶变换进行波速计算，需要经过大量计算。改用拟投影方法，设定单元数为M，波线数为N，可以计算出网格波速。该方法是将波线平均速度在网格中分配，分配原理依据走时成像原理以函数信号为数据，借助迭代重建技术和最小二乘法等求解分布速度，从而完成CT成像。如果测试区域存在松散和空洞缺陷，传播弹性波会出现增长，会造成侧线距离反演速率有所下降。侧线越多，得到的CT解析精准度也就越高，分辨率也就越高。根据工程情况选择合适的侧线条数。

2.5 具体应用

2.5.1 检测应用

以某桥梁工程为例，该桥梁一个桥墩已经浇筑3m高，整体厚度可达2.7m，且混凝土强度等级为C50。拆除混凝土模板后，桥墩下部混凝土出现蜂窝区域，多是有属于不密实振捣造成的，要展开全面检测。桥墩浇筑区域作为钢筋密集混凝土结构，具备弹性波CT技术应用条件。因此选择弹性波CT技术作为检测技术，在墩面距离承台面0.6m～2.4m高度位置展开仔细检测，从下到上设置12个水平方向断面，断面保持0.2m间距，对前8个断面的测试确定宽度平均为8.4m，横向可以分成三个部分，对后四个断面测试，宽度为4.2m。使用多功能无损测试仪器采集CT数据，使用分析软件展开反演计算，绘制交叉点速度等值线图像。

2.5.2 检测结果

目前我国未建立弹性波测试速度规范，还要借鉴美国的测试标准，评定测试质量。弹性波波速超过4500m/s时，混凝土结构质量良好；弹性波波速处于3600～4500m/s时，混凝土结构质量较好；弹性波波速处于3000～3600m/s时，混凝土结构质量一般，可能存在一定问题；弹性波波速处于2100～3000m/s时，混凝土结构质量较差；弹性波波速未超过2100m/s时，混凝土结构质量存在严重问题，需要采取措施立即处理。

该标准只适合判断混凝土质量情况，由于混凝土情况多样，波速和强度之间也存在多种关系，评价一种混凝土，可以作为参考[3]。测试现场使用混凝土同等配比，对试块进行弹性波测试，测试结果表明波速可以达到4350m/s，表明该混凝土结构处于较好状态。

经过对断面检测，使用解析方法得到波速等值线图像。其中第三个到第八个测试桥墩的测试节点和区域波速最小值超过4350m/s。根据该标准评定，断面混凝土结构较紧实，但是由于波速分布不均匀，波速差距较大，代表混凝土结构均匀度一般。此外，第一、二个、第九个到第十二个桥墩弹性波波速存在低速区，低速区是混凝土结构的不紧实区，且结构均匀性一般。

2.5.3 检测结论

桥墩墩身检测弹性波水平断面，其中第一个、第十个和第十二个存在明显的低速区，最低波速未达4000m/s，代表这三个桥墩紧密度较好，且混凝土结构的均匀性较低。对此次检测结果，对桥墩混凝土展开修复，将严重不紧实区域凿除掉，正好是蜂窝区域，存在混凝土不紧实的情况。其他部位密实度良好，和检测结果相吻合。