基于弹性波CT技术的混凝土质量评价方法及其应用

刘 强，封忠意，郑子腾

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.青岛市地铁四号线有限公司，山东 青岛 266500）

引言

现阶段，对混凝土质量评价应用较为广泛的无损检测技术手段有超声波法、超声回弹法、冲击回波法等。超声波无损检测法具有检测精度高、可操作性强等优点，对尺寸较大的构件进行检测时，需要预埋声测管或钻孔辅助，因此该法使用有所限制。超声-回弹综合法结合了回弹法与超声波法的优势，通过混凝土内部声速和表面刚度相结合推算混凝土实际强度，精度高、可靠性强，但检测探查的深度有限、操作较为繁琐[1]。冲击回波法是近年新兴技术手段，主要应用于仅有一个检测面的混凝土构件，可以准确判定出已知厚度构件内部缺陷的位置和尺寸，当构件厚度较大或厚度不规则时，检测结果判定往往较困难[2]。

弹性波CT技术，通过人为激发产生弹性波穿过被测构件所产生的数据，利用射线追踪算法、最佳路径算法等基于“走时成像原理”的计算方法，由计算机反演出剖面的二维信息，最终以颜色标度图的方式呈现被测构件的内部特征。该技术采用低频弹性波为激发源，搭配加速传感器，具有能量传导距离远、频率集中受杂波影响小等优势，对于大型混凝土结构检测具有更好的可操作性。

1 技术原理

弹性波在穿透介质时，波速的快慢与介质的完整性、密度、弹性模量、剪切模量有关。介质密度越大、强度越高、完整性越好则弹性波传导速度越快、衰减越小；反之，介质破碎疏松、强度较低则弹性波传导波速低、衰减快。经过国内诸多学者系统的实践研究，弹性波传播的波速与介质抗压强度呈幂指数关系[3-4]，因此，波速可作为混凝土强度和缺陷评价的重要指标。在实际检测过程中，混凝土的弹性波速与混凝土粗骨料、钢筋数量都有着密切的关系，若条件允许，开展试验前应对现场的结构进行波速的校准，对检测结果存在疑问的应采取钻心法进行验证。

弹性波CT技术的测试媒介为弹性波测线，通过检测过程中对逐测点进行扫描，收集各个位置、角度上的弹性波特征信息，利用波传导特征结合计算机进行反演，识别结构内部缺陷。现阶段应用较多的反演方式为BPT法，即拟投影法（Back Projection Technique）。BPT法是将被测剖面划分成有限个网格，并将各测线的平均波速分配至每个网格中，由此将速度函数转化为投影数据，再通过计算机反演建立CT断层扫描图像[5]。根据弹性波CT技术的原理可看出，测线布置的密度越大，BPT法划分出的网格越多，CT法检测分辨率也就越高。

2 工程实例

2.1 工程概况

某铁路工程大桥连续梁0#块存在局部脱空、离析等缺陷，最大缺陷部位延伸约2 m，宽度1～28 cm，为研究构件内部缺损情况及混凝土密实程度，对该0#块开展弹性波CT扫描。此0#块位于河堤，采用C60泵送混凝土，检测时施工龄期为90 d。

2.2 检测方案

经过现场踏勘，对0#块左右腹板进行弹性波CT检测，于腹板布置4.4 m×14 m检测剖面，见图1，测点布置于板端头厚度中心，剖面下底面距离端头底约0.5 m，每个测面的两端均布置有12个测点，间隔0.4 m左右，构成12条水平测线与132条倾斜测线。

图1 腹板弹性波CT测线

2.3 结果分析

累计采集288条测线，生成二维波速分布图三幅，以红色、黄色为高波速区，代表混凝土浇筑质量较好；绿色为中等波速区；蓝色为低波速区，代表混凝土浇筑质量相对差。检测现场选取龄期相近的完好构件进行了多次波速标定，经测试，完好构件的平均波速均大于4.2 km/s，由此建立该批次混凝土质量初步评定标准，见表1。

右侧腹板共7处明显缺陷区域，见图2，占构件总面积的6.6%，推测为不密实、裂缝等缺陷。构件中部可见呈现条带状分布的低波速区，构件左下存在面积较大的低波速区。左侧腹板共8处明显缺陷区域，见图3，占构件总面积的11.5%，推定为不密实、裂缝等缺陷。构件中部可见呈现条带状分布的低波速区，构件左下存在面积较大的低波速区。

表1 波速-缺陷评价

图2 右腹板二维波速分部

图3 左腹板二维波速分部

2.4 检测结果验证

根据检测结果，对明显缺陷区域进行排查，右侧腹板中部条带状低波速区可见明显施工缝，并存在蜂窝、麻面缺陷，见图4。左下方低波速区为蜂窝、麻面较为集中的区域，将其表面凿除后，发现混凝土表面至外层钢筋之间混凝土松散，骨料集中，松散层深度3～10 cm，凿除后可见钢筋内混凝土相对密实，未见贯穿裂缝，见图5。

图4 右侧腹板明显的施工缝

图5 施工缝位置凿除后

左侧腹板中部条带状低波速区可见严重的漏浆、离析缺陷，且缺陷深度较大、延伸较长，见图6。为避免结构取芯验证产生不可逆损伤，选取50 mm直径钻头，破除表面混凝土至钢筋后钻取芯样，针对低波速区域采集芯样9个（外侧面5个，内侧面4个），外侧面芯样均存在不同程度的孔洞、蜂窝缺陷，见图7，部分芯样骨料分布不均匀；内侧面所取芯样均较为密实。

图6 左侧腹板漏浆、离析缺陷

图7 低波速区外侧面芯样

3 结语

（1）局部区域混凝土外侧面至钢筋埋深处，存在离析缺陷，钢筋埋深以内混凝土相对密实，认为系施工过程中振捣不足引起的缺陷。（2）存在明显的施工冷缝，冷缝两侧混凝土存在明显色差，其中一侧混凝土表面存在大量蜂窝、麻面，混凝土内部有较多的孔洞，混凝土强度有待进一步验证。（3）左侧腹板中部漏浆、离析严重，虽未发现贯穿裂缝，但该处混凝土波速低、缺陷延伸较远，对构件性能影响较大。

针对大体积混凝土结构的缺陷探查工作，弹性波CT技术不仅能够迅速有效地发现结构薄弱环节，准确地进行定位，而且能够针对不同尺寸、类型构件灵活布线，确保探测效果，适用性强。