基于弹性波CT 的大体积混凝土检测应用

2021-08-15王战军

城市道桥与防洪 2021年7期

王战军

（上海同济检测技术有限公司，上海市 200092）

0 引言

现代土木工程如桥梁工程、高层及大型设备基础、水利大坝等时常涉及到大体积混凝土，因其体积大且结构复杂，施工工艺及养护过程中极易出现质量问题，因此项目实施过程中检测工作始终贯穿于施工控制、病害诊断及加固评价等各个环节。

混凝土检测方法自20 世纪30 年代以来，得到了迅猛的发展[1]。目前已有二十多种可行的方法，且已逐步形成完整的技术体系，例如回弹法、超声法、冲击回波法、雷达法、红外成像法、钻芯法等[2]。这类传统检测方法通常以单测点为基础，采用抽样方式进行检测，一般无法得到对混凝土内部大截面进行整体评判的直接数据。而弹性波CT 技术（弹性波层析成像技术）则不然，该方法利用弹性波速度与其物理力学参数的相关性[3]，在不损伤“检测对象”的情况下，利用检测剖面上的弹性波速，结合CT 技术进行反演成像，以“图像”的方式完整地反映层析面上的内部结构特征，以实现质量检测的目的[4-7]。

综上，弹性波CT 在满足射线密度、射线正交性等要求的前提下[8]，可一次性重构大体积混凝土截面波速平面分布，具有分辨率高、可靠性好、图像直观等特点，已被越来越广泛地应用于大体积混凝土强度、空洞、不密实区等结构缺陷检测。

1 工程概况

某桥梁附属构筑物主要由南、北两侧现浇边墙构成，墙厚2.0 m，长度分别为45 m 及49 m。因浇筑过程失误，拆模后发现南、北两侧边墙高度1.8 m 以下存在多处蜂窝麻面等表观病害，为查明混凝土内部浇筑质量，决定选用弹性波CT 对边墙进行检测，并通过墙体内部波速分布评价为设计提供修复建议。

2 弹性波CT 工作原理

2.1 检测原理

弹性波CT 的工作原理与医学CT 类似。医学CT是利用X 射线穿透人体，通过射线强度衰减的观测对人体组织成像。弹性波CT 是利用声波穿透混凝土介质，通过声波走时和能量衰减的观测对工程结构成像。在弹性波CT 检测中，从发射点到接受点，声波能量沿半径等于1/4 波长的高斯射线束传播。

波速作为混凝土质量评价的定量指标是建立在理论研究和大量的实验数据基础之上的。研究和实验结果证明混凝土抗压强度与波速正相关，但是不同地区对应关系的参数有所差异，这主要是受骨料及养护环境的影响。同等抗压强度的以卵石为骨料的混凝土，比灰岩碎石骨料的高得多。因此在使用弹性波CT波速作混凝土质量评价时，要参考当地标准样品波速的测试结果。

弹性波在穿越混凝土时，其速度快慢与混凝土的密实度、弹性模量、剪切模量有关。密度大、强度高的混凝土其模量大，波速高、衰减小；破碎疏松的混凝土波速低、衰减大。如果混凝土存在缺陷或损伤，波速将表现为低速异常。

实际检测过程中，首先通过逐点敲击获取大量的首波走时数据，然后通过求解大型矩阵方程来获取测试区域速度剖面图像，根据速度剖面图像可以直观准确地判定隐患大小分布。

2.2 测线布置及网格设计

2.2.1 坐标设计

依据现场踏勘及设计图纸，对南北侧墙建立统一坐标系，并根据坐标系统布设检测剖面（边墙长度方向设定为X 坐标，厚度方向设定为Y 坐标），坐标系统设计见图1。

图1 弹性波CT 坐标系统设计图

2.2.2 检测布置

单剖面围绕墙体采用“L”型布设，激发及接收点距均为0.5 m，通过射线对叠加形成墙体一定高度横截面检测的目，南北边墙现场采集布置方式见图2、图3，现场检测见图4。

图2 北侧墙弹性波CT 测区现场布置图

图3 南侧墙弹性波CT 测区现场布置图

图4 弹性波CT 现场检测示意图

3 检测效果

3.1 弹性波CT 检测结果解译

由于弹性波速度与混凝土内部质量具有直接相关性，弹性波CT 反演成果图中代表低速的颜色区域一般对应质量不佳或存在缺陷[9]。解译成果图中蓝色表示高波速，黄、绿色次之，红色为低波速，色标给出了颜色与波速的对应关系。

3.1.1 北侧墙检测结果

北侧墙完成CT 剖面3 条，分别对应墙高0.5 m、墙高0.9 m 及墙高1.3 m，成果见图5。

图5 北侧墙弹性波CT 波速等值线成果图（单位：m/s）

各剖面平均波速统计见表1。

表1 北侧墙剖面平均波速统计表单位：m/s

由图5 可知：三剖面波速整体均匀性稍差，低波速异常[10]位于0.5m 高度剖面39～42 m 及45～47 m处，0.9 m 高度剖面13～15 m、31～32 m 及39～46 m处，1.3 m 高度剖面12～15 m、30～32 m 及39～47 m处，异常区域吻合度较高，随墙体高度方向连贯性较好，推测为混凝土浇筑缺陷所致。

3.1.2 南侧墙检测结果

南侧墙完成CT 剖面2 条，分别对应墙高0.7 m及墙高1.3 m，成果见图6。

图6 南侧墙弹性波CT 波速等值线成果图（单位：m/s）

各剖面平均波速统计见表2。

表2 南侧墙剖面平均波速统计表单位：m/s

由图6 可知：两剖面波速整体均匀性稍差，其中剖面自西向东24～28 m 处因模板未拆除，呈现局部反演相对低速区域[10]。1.3 m 高度剖面37～45 m 处墙体浅表混凝土约0.4 m 厚度范围应力波波速偏低，推测为混凝土浇筑缺陷所致。

3.2 结果验证

北侧墙40～45 m 异常区域进行剔凿，直至混凝土完好，剔凿面积约为1.72 m2，凿除深度25～160 mm，见图7。

图7 北侧墙异常区域（40～45 m）剔凿效果

南侧墙36～42 m 异常区域进行剔凿，直至混凝土完好，剔凿面积约为1.80 m2，凿除深度25～140 mm，见图8。

图8 南侧墙异常区域（36～42 m）剔凿效果

本次弹性波CT 测试与表面离析缺陷一致，经超声法检测波速异常位置高度契合，异常区域剔凿修复后经超声法复测不存在波速异常。

4 其他工程应用

某城际铁路19# 墩设计宽度为10.8 m，厚度为4.5 m，采用C35 混凝土建筑，拆模后发现局部存在蜂窝麻面，为对墩身浇筑质量进行诊断，采用弹性波CT 及超声法进行综合检测，见图9。

图9 某城际铁路19# 墩现场施工情况

弹性波CT 分别于墩身距地面0.3 m 高度及0.8 m高度布设水平测试剖面，检波器间距为0.5 m，炮点间距为0.5 m。单个剖面测试数据2048 个，射线正交性和射线密度满足要求。

由图10 可知：0.8 m 高度剖面平均波速为3 580 m/s，0.3 m 高度剖面平均波速为3 593 m/s，墩身波速总体呈现两侧大中间小特征，但并无局部异常，表明桥墩内部无明显缺陷。依据以往工程经验，剖面中部2.8～7.8 m 段（对应桥墩4.5 m 等厚度段）波速相对偏低，随后于墩身中部2.8～7.8m 段布设超声测区，网格间距为0.2 m，分别布置在距地面0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m 及1.0 m 高度处，测点共计130 个。超声检测结果统计见表3。