基于超声波相控阵CT扫描技术的套筒灌浆饱满度检测研究*

杨 军，吴建良,，卞德存，童小龙

(1.广州市市政工程试验检测有限公司，广东 广州 510520；2.广东省装配式地下结构检测与监测工程技术研究中心，广东 广州 510520；3.湖南理工学院土木建筑工程学院，湖南 岳阳 414006)

0 引言

套筒灌浆连接是装配式建筑节点连接的主要形式，套筒内灌浆饱满度是装配式建筑节点检测重点关注的问题[1-2]。套筒灌浆饱满度检测目前最直观可靠的方法是X射线检测，X射线穿透能力强，穿透混凝土、空气与钢材时衰减幅度差异较大，根据成像灰度能够有效判断套筒内的灌浆情况[3-4]。但X射线对人体具有辐射作用，现场需采取严格的安全防范措施，实际使用不方便。此外，检测对象形状不规则时难以进行X射线成像。

超声波相控阵成像法操作便利，设备尺寸小，能够适应相对狭小的操作空间，是较先进的混凝土缺陷检测方法。Shokouhi等[5]使用多探头超声波检测系统对内置不同缺陷的钢筋混凝土板进行检测，发现使用多阵列超声探头可检测出小至30cm2的分层缺陷，也可直接检测和表征深层分层缺陷。Wiggenhauser等[6]研制了用于检测混凝土结构的大孔径超声系统，并将其用于探测厚度>2m的混凝土结构，检测结果表明该系统可清晰接收4m厚墙体的墙背回波。Tseng等[7]对比了全聚焦法和相控阵技术成像质量，发现低信噪比情况下相控阵技术更适用于混凝土结构中特定深度的小缺陷检测，在高信噪比情况下，全聚焦法检测效果更优，适用于混凝土结构中较大的缺陷检测。Schickert等[8]研究了基于合成孔径聚焦技术的混凝土缺陷超声波检测方法，针对一维、二维、三维空间提出不同的重建算法和实现方法，并通过现场试验与传统A，B扫描技术进行对比验证。鲍晓宇[9]阐述了相控阵超声波检测系统中各项关键技术原理及其实现方法，研制了16通道相控阵超声波检测试验系统。黄靓[10]基于混凝土超声波层析成像理论基础、反演算法、反演策略、不完全射线反演和反演图像处理方法等，对混凝土超声波探伤技术进行了较深入的研究。谢春等[11]将快速扫描算法用于超声波层析成像理论模型计算，通过现场实测证实该方法具有与传统最小走时射线追踪层析成像方法相当的计算精度，且计算效率大幅度提升。

本文将超声波相控阵CT扫描技术用于混凝土预制构件套筒灌浆质量检测，提出基于形态学操作的图像增强算法，对获取的图像进行膨胀、腐蚀操作，以提高套筒灌浆饱满度检测成像质量。为检验本研究方法的可行性，设计并制作了大比例尺钢筋混凝土预制剪力墙模型试件，其内部设置不同灌浆缺陷的套筒，采用超声波相控阵设备进行检测，并与X射线检测结果进行对比。结合实际工程，将本研究方法用于检测和分析装配式建筑预制柱套筒灌浆饱满度，并验证实际应用效果。

1 图像增强算法

超声波是穿透性强的高频声波，能够穿透常见的水泥、混凝土材料，遇到材质差别的界面时，将发生透射、反射等。当混凝土内部存在多种材料界面时，超声波传播会发生多次反射，直至能量全部消耗。为增加超声波在混凝土内部的传播距离，超声波相控阵技术进行多批次超声波发射与接收，通过合成孔径聚焦技术将较微弱的反射信号进行叠加增强，提高有效检测深度。

目前国内常用的MIRA A1040型超声波相控阵检测仪如图1所示，当采用该设备时，通过合成孔径聚焦的图像中有效信息多为孤立点，难为混凝土内部缺陷诊断提供直观有用的信息。

图1 超声波相控阵检测仪

为增强图像中的有效信息，本文引入图像形态学方法进行超声波成像处理，基本操作包括膨胀、腐蚀。膨胀操作是在结构元素确定的邻域块中选取图像值与结构元素值之和的最大值，可增加高亮度像素点周围的亮度。在超声波检测图像中，高亮度像素点通常对应钢筋、孔洞等，高亮度像素点分布密度较小时，膨胀操作可将成团但不连续的高亮度点连接成片。腐蚀是膨胀的逆操作，可避免膨胀扩大过程对周围区域产生影响。腐蚀操作是在结构元素确定的范围中，选取图像值与结构元素值差值的最小值。腐蚀操作后数值较大的像素点会被周围数值较小的图元取代，操作结果与结构图元大小和数值有关。膨胀图元尺寸越大，强反射区域面积越大。因此，需采取膨胀+腐蚀的方式抑制有效信息的过度膨胀。

2 可行性验证

为验证超声波相控阵CT扫描图像增强算法有效性，同时开展预制构件室内模型试验与现场检测验证。

2.1 室内模型试验

在实验室内对预埋套筒预制剪力墙构件进行超声波相控阵CT扫描，设备采用MIRA A1040型超声波相控阵检测仪，检测频率为40kHz，单次检测可覆盖构件表面20cm×10cm的区域。检测前需清理表面水泥残渣，并对混凝土超声波波速进行标定(可通过已知构件密度、厚度测定结果进行标定)。检测时，仪器对中刻度线与检测网格中心定位线重合。

构件内部预埋金属套筒，按梅花形布置，由左至右编号依次为1～10，如图2所示。剪力墙厚20cm，长1.84m，高50cm，混凝土强度等级为C25。在构件下部按梅花形布置10个全灌浆套筒(长170mm，直径42 mm)，人工控制灌浆程度，模拟灌浆缺陷。灌浆口与出浆口均位于剪力墙正面，出浆口通过PVC管引至墙面。剪力墙通过套筒内部插入的钢筋与底座连接。

图2 金属套筒布置示意

由于剪力墙内置钢筋较密，套筒安装时实际位置与设计图纸存在一定偏差，为便于超声波检测图像解析和对比验证，现场采用X射线照射剪力墙正面，进行套筒与钢筋定位，使套筒成像出现在检测图像中央区域。扫描前，根据实际套筒位置均匀划分待测区域网格，网格水平方向长200mm，竖直方向长100mm，自上而下划分为3排，分别对应套筒上部、中部、下部，分别在各网格内进行超声波相控阵CT扫描成像。

受超声波设备检测面积限制，分别对套筒上部、中部和下部区域进行扫描，以获得套筒区域不同高度超声波检测图像。套筒4超声波相控阵CT扫描图像增强处理前、后与X射线图像分别如图3～5所示。由图3，4可知，在纵向像素约350px处出现剪力墙墙背回波信号，回波信号存在较小范围的过渡区，当钢筋较密集时墙背回波信号强度明显减弱。由图5可知，套筒4灌浆饱满。

图3 套筒4超声波相控阵CT扫描图像(图像增强处理前)

套筒10超声波相控阵CT扫描图像增强处理前、后与X射线图像分别如图6～8所示。由图6，7可知，在纵向像素约350px处出现剪力墙墙背回波信号，且回波信号存在较大范围的过渡区。由图8可知，套筒10处于尚未灌浆状态。

图6 套筒10超声波相控阵CT扫描图像(图像增强处理前)

图7 套筒10超声波相控阵CT扫描图像(图像增强处理后)

图8 套筒10 X射线图像

对比套筒4，10超声波检测图像可知，已灌浆套筒回波信号存在较小范围的过渡区。当预制构件内部钢筋分布密集时，超声波检测图像可见较大范围的过渡区。对灌浆饱满套筒4和灌浆欠饱满套筒10上部成像区断面像素亮度曲线变化进行对比，结果如图9所示。由图9可知，灌浆欠饱满套筒边缘亮度变化较缓，体现在套筒内部存在1个较弱的边界反射面。

图9 成像区断面像素亮度曲线

超声波检测图像中，低亮度点表示该区域材质均匀，高亮度点表示存在强反射界面，多为钢筋、孔洞。

2.2 现场检测验证

某图书馆新馆工程主体为5层框架结构，预制柱采用装配式技术建造，其几何尺寸与灌浆套筒位置如图10所示。柱断面尺寸为800mm×800mm，共设置12个灌浆套筒，套筒长300mm，直径55mm，套筒中心距柱外表面57.5mm(净距约30mm)，套筒上部与钢筋进行螺纹连接，下部采用灌浆连接。

图10 预制柱几何尺寸与灌浆套筒位置

将单根预制柱侧面超声波相控阵CT扫描区域自上而下划分为3排，共12个分区(每个分区尺寸为200mm×100mm)，如图11所示。

图11 预制柱侧面检测区域划分

灌浆前、后分别对预制柱进行超声波检测，第2排分区检测结果如图12所示。由图12可知，灌浆前、后超声波检测图像特征变化明显，灌浆前图像存在1/3～1/4范围的超声波强反射区，难以区分套筒位置，这是因为灌浆前预制柱内部存在大量未灌满的空腔，空气、固体界面阻抗差异大，产生了强烈超声反射回波。灌浆完成后，强反射区面积明显减小，可根据超声波检测图像大致判别套筒位置，由于套筒距检测面距离较近，存在超声回波现象，回波区域反射波强度较均匀，过渡区范围较小，未见内部空腔反射信号特征，表明套筒灌浆密实、饱满。

图12 第2排分区检测结果(图像增强处理后)

3 结语

套筒灌浆连接是广泛应用的装配式建筑预制构件连接方法，套筒灌浆饱满度直接影响装配式结构承载力与耐久性，是装配式建筑施工质量检测的重要内容。本文将超声波相控阵CT扫描技术用于混凝土预制构件套筒灌浆质量检测，提出基于形态学方法的图像增强算法，可对超声波相控阵CT扫描图像进行优化处理。室内模型试验与现场检测验证结果表明本方法合理、可行、有效。

1)基于膨胀、腐蚀操作进行图像形态学处理，可有效识别预制构件套筒灌浆区域超声波相控阵CT扫描图像特征，便于直观判断套筒灌浆饱满度。

2)结构内部钢筋、预埋构件会产生较显著的反射信号。

3)套筒距超声波检测点越远，成像质量越差。

4)构件灌浆前存在较多孔洞，导致超声波相控阵CT扫描图像上存在较多强反射信号，套筒超声回波特征难以识别，不易区分套筒位置。灌浆后提高了整体波速，套筒超声回波特征较明显，易于区分套筒位置。

5)灌浆饱满的套筒超声波检测图像显示出周围界限清晰的强回波信号区域。未灌浆的套筒强回波信号区域界限模糊，且存在较大范围的过渡区。