X射线数字成像技术在预应力索灌浆质量检测中的应用

张林文，朱 妍，朱 毅

(1.上海同济检测技术有限公司，上海 200441；2.上海地铁维护保障有限公司,上海 200030)

由于长期受车辆交变荷载和温度变化影响，城市内轨道交通的轻轨和高架路均存在不同程度的损伤。为了保障基础设施的安全，对重要的结构位置进行无损检测，是后期轨道交通维保的重要环节。轨道交通的混凝土梁大部分采用后张预应力法处理，混凝土梁中预应力索孔道的灌浆密实性对于预应力保持及预应力索的耐久性有很大的影响。

目前，预应力孔道注浆密实性检测方法主要分为两类，一类是传统的钻孔内窥镜法，该方法属于局部破损检测方法，具有直观且可靠性高的特点，但其会对预应力索结构造成不可恢复的损伤，因此一般只用于无损检测方法的结果验证[1-2]；另一类方法为无损检测方法，主要有冲击弹性波法、雷达法、超声波成像法[3-4]、X射线法、红外热成像法和冲击回波法，以上方法在使用条件、检测精度、便利性等方面还存在各自的局限性[5]。文章重点开展了X射线数字成像法检测预应力索孔道注浆密实性的试验研究，并通过试验梁的开凿验证，说明了该方法的有效性和可靠性。

1 预应力孔道注浆主要问题分析

预应力孔道注浆缺陷的成因主要有两个方面，一方面是孔道注浆工艺的问题，另一方面是注浆材料的问题。灌浆缺陷的主要类型有：预应力孔道完全没有注浆料；预应力管道只有部分灌浆，其余部分没有灌浆；预应力管道没有完全包裹预应力索；预应力管道内注浆不饱满存在液态水；预应力管道内浆液部分不饱满，注浆与管道之间存在微小缝隙[4]。

2 数字X射线检测基本原理

数字X射线检测原理为：X射线通过被检测工件时，部分射线被工件吸收和散射后被数字平板探测器接收，探测器发生光电效应激发产生电子，电子经过A/D(模/数)转换并放大后，由计算机进行处理，最终通过数字图像的形式进行呈现[6]。混凝土构件X射线数字成像检测布置如图1所示。该成像方式的优势为直接将接收的X射线转化为图像，减少了普通胶片多次转化产生的图像模糊现象，可在同样的透照电压条件下大幅缩短透照时间，有利于现场快速检测和满足辐射安全要求。

图1 混凝土构件X射线数字成像检测布置示意

3 试验过程

试验对象为预应力索孔道试验梁(见图2)，试验梁的整体尺寸为10 m×1.2 m×0.22 m(长×宽×高)，预应力索孔道为塑料波纹管和金属波纹管，波纹管外径为77 mm，内径为70 mm，内穿7根直径为15.2 mm的钢绞线。

图2 试验梁外观

试验梁采用C50的细石混凝土浇筑，钢筋均匀分布于试验梁两侧，根据设计的位置确定波纹管中心位置在试验梁的两个侧面，两侧分别布置X射线机和平板探测器，保证X射线的中心与平板探测器中心点的连线穿过波纹管中心。

试验采用3005型X射线机，其管电压为300 kV，管电流为5 mA，采用辐射角为40°的定向辐射窗口。平板探测器型号为CareVision 1500P，尺寸为434 mm×355 mm(长×宽)，像素矩阵为2 816×2 304，像素间距为154 μm。

选择焦距时主要考虑几何不清晰度和一次透照区，其中几何不清晰度主要限制了最小焦距，一次透照区根据对比度来确定[7]。射线实时成像一般采用放大透照布置，得到的缺陷图像会产生一定程度的放大，其几何不清晰度Ug为

Ug=df(M-1)

式中：df为射线源的焦点尺寸；M为放大系数。

由于混凝土材料为不均匀的混合性材料，其对射线的散射较严重，所以为保证整体成像质量，几何不清晰度应不大于0.5 mm，根据上述计算公式，透照厚度为220 mm，射线机焦点直径为1 mm，得到其焦距大于660 mm，为兼顾一次透照区域范围，试验采用700 mm的焦距。经多次实际检测，最终确定采用285 kV的管电压，透照时间为18 s。

4 试验结果分析

试验梁的X射线数字成像检测结果如图3所示，1#孔道为金属波纹管，2#孔道为塑料波纹管，3#孔道为塑料波纹管，4#孔道为金属波纹管，每次透照均在平板探测器侧布置像质计。

图3 试验梁的X射线数字成像检测结果

图3中(a)和(b)为缺陷处的成像结果，(c)和(d)为同一水平位置孔道的成像结果，数字成像结果可清晰识别像质计的5号丝[7]。从图3可以明确看到金属波纹管的位置，金属波纹管实际壁厚约为0.3 mm，波纹高度约为2～3 mm；塑料波纹管的波纹高度约为4～5 mm，壁厚约为2 mm；且可明显看到对应波纹管的边界位置。金属波纹管吸收的射线能量大于混凝土吸收的射线能量，成像结果中金属波纹管边界为一条黑色的细线；塑料波纹管吸收的射线能量小于混凝土吸收的射线能量，其在成像结果中为白色的波纹线。由于金属波纹管对射线能量衰减较大，透照范围内可识别金属波纹管的波纹特性。

预应力索孔道在注浆饱满状态下，其压浆料强度略高于普通混凝土的，在同样的透照厚度下，其吸收射线能量较大，正常饱满状态下，透照方向上无预应力索区域透过的能量较混凝土本体透过的能量更小，成像结果显示为预应力孔道内空隙处比混凝土处更白一些。因此，为判断预应力索孔道内是否存在空洞，需对以上图像进行归一化处理，保证每次处理后，混凝土本体(不含钢筋位置)的灰度保持一致，然后再根据归一化后对应的数值进行对比。透照区域内若存在孔道内空洞，其透照厚度差异约为30%，整体成像灰度值低于本体的60%以上。

为验证1#孔道和2#孔道对应的透照结果与实际情况是否符合，采用局部破损法，直接从试验梁一侧打开预应力索孔道，依据实际局部破损验证结果(见图4)，可见数字X射线检测结果与实际情况相符。

图4 试验梁局部破损法验证

5 结语

数字X射线实时成像系统和普通X射线胶片法比较，其清晰度略低，但易实现较高的对比度。由于探测器的灵敏度较高，尽管透照后的射线能量较低，预应力索孔道位置及预应力索位置仍可较清晰成像，将普通胶片检测需要的曝光量减少至原来的1/15，大大减少了对环境的辐射影响，而且数字射线能够现场实时成像，可随时调整检测参数和布点位置，极大地提高了检测效率。