弹性波CT 技术在铁路桥梁零号块无损检测中的应用

2021-01-05孙巍，罗强，易翠

江西建材 2020年12期

孙巍，罗强，易翠

江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西南昌 330001

0 引言

近十年来，铁路基础设施建设迅猛发展，以挂篮法为主的现浇连续梁施工占据了铁路现浇梁施工相当大的比重。在挂篮法中，零号块底板混凝土浇筑因钢筋密集，结构尺寸大使得浇筑质量的控制成为了难点。传统混凝土缺陷检测之一的地质雷达法因钢筋屏蔽影响在零号块底板混凝土检测上寸步难行，超声波法也因散射效应明显，衰减快很难穿透大体积混凝土。近年来，冲击弹性波以激振频率低、激振能量大且集中成为了混凝土大尺寸结构缺陷检测的有效方法。

弹性波层析扫描(CT)技术就是基于冲击弹性波发展起来的一种新的无损检测方法。该方法根据混凝土中弹性波传播速度与混凝土密实程度的相关性，通过采集传播时间获得弹性波在混凝土结构中的传播速度，结合CT 技术进行反演成像，以二维成像的方式反映混凝土检测断面中的内部特征，从而达到质量检测的目的。

本文以作者参与的某在建高铁线路零号块底板混凝土浇筑质量监督抽检为实例，对弹性波CT 的应用效果进行分析评价，展示了弹性波CT 技术的高效、无损、高分辨率等特点。

1 工程概况

该条高铁是“八纵八横”高速铁路主通道之一“沿海通道”的重要组成部分，位于江苏境内，正线全长156.686km，共6 个施工标段，跨公路、跨河的现浇连续梁数量众多，现浇连续梁零号块底板施工质量引人关注。本人有幸参与了该线桥梁工程实体检测监督抽检工作，利用弹性波CT 方法对零号块底板混凝土浇筑质量进行现场检测。本文拟介绍弹性波CT 方法在该次零号块底板混凝土浇筑质量检测的应用和效果。

2 弹性波CT 的解析方法

冲击弹性波在混凝土结构中产生的P 波是弹性波CT 技术主要测试媒介，每个激振点可以形成多条P 波射线，当P 波射线遇到混凝土结构的缺陷时，P 波波速就会降低，通过提取P波首波的达到时刻，利用计算机层析技术反算测试区域的波速，即可检测出结构内部缺陷。

由投影函数反演目标函数最常见的近似方法是拟投影法(简称 BPT 法)，BPF 法的原理是依据“走时成像原理”将速度函数作为投影数据，利用同时迭代重建技术和约束最小二乘类算法等反演算法求解方程以计算速度的分布，即实现CT 断层扫描成像。若测试断面存在空洞、不密实等异常区域，则P 波传播时间会增加，两点距离不变反演的速度会降低。射线越多，CT 解析精度和分辨率越。

3 应用实例

3.1 零号块抽检概况

按监督站要求，在每个施工标段选取一个龄期超过56d 的零号块进行底板混凝土浇筑质量的无损检测。首先，施工单位提供零号块浇筑台账，监督站按远离高压线，方便检测工作开展的原则选取一个符合龄期要求的零号块。其次，检测单位根据零号块结构特点按检测方案对配合人员进行检测准备工作交底。因为从断面选择到测点布置再到数据采集和解析，整个过程基本一致，故本文以具有典型性特征的某标段动车走行线特大桥跨沪陕高速连续梁72#墩零号块为例进行详细说明。

3.2 断面选择及测点布置

动车走行线特大桥跨沪陕高速连续梁72#墩零号块混凝土设计标号为C55，浇筑时间是2019 年05 月22 日，零号块底板厚度为1.56m，两个平行鼓包距离为8.4m，鼓包顺桥方向长度（两斜面倒角之间距离）为3.3m。该底板为钢筋密集型大体积混凝土结构。

根据零号块结构受力情况及弹性波CT 检测特点，在零号块混凝土底板厚度范围内选取三个断面为检测面，从下往上分别为1-1 断面，2-2 断面，3-3 断面，其中1-1 断面距离底板外侧10cm，每个断面间距10cm。每个检测面与底板在桥梁纵向形成两条测线，其中实际检测长度3.2m，测线上共设置9 个弹性波波速检测点，测点间距为40cm。CT 扫描检测方向从大里程到小里程，左侧为激震位置，右侧为接收位置。测点布置见表1，断面布置示意图见图1。

表1 测点布置一览表

图1 零号块底板断面布置示意图

3.3 测试技术及方法

本次检测所采用的设备是由四川升拓检测技术有限责任公司研发生产的“SCE-MATS-S 型混凝土多功能无损检测仪”。该设备设有2 个接收通道，最大采集频率500kHz，最大采集点数20000 个，分辨率为16Bit，浮点插值补偿至24 位，最小采样间隔2μs。该设备具有比较均衡的性能，能够充分满足冲击弹性波的各种测试要求。

图2 是测点布置及射线扫描示意图，激振点设置在下面的水平方向实线上，从左向右依次是F1～F9，接收点设置在上面的水平方向实线上，从左向右依次是J1～J9。实际检测时，接收点不动，激振点移动方式采集数据。即首先把接收探头放到J1点不动，激振锤在F1～F9 点上依次激振，形成第一组9 条射线。再把接收探头依次放到J2～J9 位置，接收探头每放一个位置，激振锤在F1～F9 点上依次激振一遍。这样在该检测断面上共形成81 条射线，每条射线产生2 个波形（时域波形图见图3），共产生162 个波形。

图2 弹性波CT 射线扫描示意图

图3 弹性波CT 射线时域波形图

3.4 数据解析

由图3 可以看出，每条射线产生两个原始波形，CH0 为激振信号通道，CH1 位接收信号通道，信号起跳点明显，没有杂波和串信情况，在波形图上容易拾取首波时刻。根据波形图拾取的射线首波时刻反演该段波速，在该检测断面最终形成波速等值线图。下面就该零号块所选取的三个断面波速等值线图进行具体说明。

3.4.1 1-1 断面

图4 1-1 断面波速等值线图

1-1断面平均波速为4.45km/s，最高波速为5.04km/s，最低波速为3.96km/s。从平均波速看此断面混凝土较为密实，整体浇筑质量较好，基本符合C55 的混凝土强度等级要求。从波速分布来看，在4.35～4.65km/s区域占比为69.8%，其他存在近30%的区域在此波分布范围以外，说明此断面混凝土均匀性一般。从最高波速来看，波速超过了5km/s，说明骨料这次特别集中，反映出混凝土均匀性一般。从最低波速看，波速低于4km/s，与平均波速相比，波速差超过10%，可以认为该区域为低波速异常区域。从等值线图可以看到，该低波速区集中在X方向（1～1.3m），Y 方向（0～1.4m）的区域内，同时我们也注意到以这块低波速区为基础，波速低于4.15km/s的蓝色区域基本贯穿8.4m的两个测试鼓包。这个现象引起了我们的兴趣，经与施工方确认，该区域为横向预应力孔道位置。预应力孔道注浆料强度为M50，零号块混凝土强度为C55，可以看出两种材料的绝对强度、密实性以及龄期对弹性波波速存在一定程度的影响。

3.4.2 2-2 断面

图5 2-2 断面波速等值线图

2-2断面平均波速为4.47km/s，最高波速为4.98km/s，最低波速为4.16km/s。从平均波速看此断面混凝土较为密实，整体浇筑质量较好，基本符合C55 的混凝土强度等级要求。从波速分布来看，在4.35～4.65km/s区域占比为76.4%，其他存在近25%的区域在此波分布范围以外，说明此断面混凝土均匀性一般。最低波速为4.16km/s，可以看出该断面无孔洞或蜂窝状区域存在，也不存在不密实区域。

3.4.3 3-3 断面

图6 3-3 断面波速等值线图

3-3 断面平均波速为4.47km/s，最高波速为4.75km/s，最低波速为4.03km/s。从平均波速看此断面混凝土较为密实，整体浇筑质量较好，基本符合C55 的混凝土强度等级要求。从波速分布来看，在4.35～4.65km/s 区域占比为88.3%，说明此断面混凝土均匀性较好。最低波速为4.03km/s，可以看出该断面不会存在明显的孔洞或蜂窝状区域，最低波速区域位于X 方向（1～1.3m），Y 方向（0～1.68m）。

3.4.4 综述

综合对比上述三个断面等值线图，在X 方向（1～1.3m），Y方向（0～1.4m）形成的区域范围内均存在波速较低情况，说明在该零号块底板30cm 的测试高度范围存在一个具有一定延伸长度的低速体。这个低速体位于弹性波CT 检测的激振面，我们再次回到检测现场，对该区域进行了锤击，从声音上很难发现与其他区域混凝土的差异。与施工方沟通，得知该位置因横向预应力施工，进行过局部凿除，后已补强。这才让我们豁然开朗！由此可以看出弹性波CT 技术在探查混凝土差异的有效性。