基于彈性波CT技術(shù)的混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用

劉 強(qiáng)，封忠意，鄭子騰

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.青島市地鐵四號(hào)線有限公司，山東 青島 266500）

引言

現(xiàn)階段，對(duì)混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用較為廣泛的無損檢測(cè)技術(shù)手段有超聲波法、超聲回彈法、沖擊回波法等。超聲波無損檢測(cè)法具有檢測(cè)精度高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)尺寸較大的構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要預(yù)埋聲測(cè)管或鉆孔輔助，因此該法使用有所限制。超聲-回彈綜合法結(jié)合了回彈法與超聲波法的優(yōu)勢(shì)，通過混凝土內(nèi)部聲速和表面剛度相結(jié)合推算混凝土實(shí)際強(qiáng)度，精度高、可靠性強(qiáng)，但檢測(cè)探查的深度有限、操作較為繁瑣[1]。沖擊回波法是近年新興技術(shù)手段，主要應(yīng)用于僅有一個(gè)檢測(cè)面的混凝土構(gòu)件，可以準(zhǔn)確判定出已知厚度構(gòu)件內(nèi)部缺陷的位置和尺寸，當(dāng)構(gòu)件厚度較大或厚度不規(guī)則時(shí)，檢測(cè)結(jié)果判定往往較困難[2]。

彈性波CT技術(shù)，通過人為激發(fā)產(chǎn)生彈性波穿過被測(cè)構(gòu)件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用射線追蹤算法、最佳路徑算法等基于“走時(shí)成像原理”的計(jì)算方法，由計(jì)算機(jī)反演出剖面的二維信息，最終以顏色標(biāo)度圖的方式呈現(xiàn)被測(cè)構(gòu)件的內(nèi)部特征。該技術(shù)采用低頻彈性波為激發(fā)源，搭配加速傳感器，具有能量傳導(dǎo)距離遠(yuǎn)、頻率集中受雜波影響小等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大型混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)具有更好的可操作性。

1 技術(shù)原理

彈性波在穿透介質(zhì)時(shí)，波速的快慢與介質(zhì)的完整性、密度、彈性模量、剪切模量有關(guān)。介質(zhì)密度越大、強(qiáng)度越高、完整性越好則彈性波傳導(dǎo)速度越快、衰減越??；反之，介質(zhì)破碎疏松、強(qiáng)度較低則彈性波傳導(dǎo)波速低、衰減快。經(jīng)過國內(nèi)諸多學(xué)者系統(tǒng)的實(shí)踐研究，彈性波傳播的波速與介質(zhì)抗壓強(qiáng)度呈冪指數(shù)關(guān)系[3-4]，因此，波速可作為混凝土強(qiáng)度和缺陷評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。在實(shí)際檢測(cè)過程中，混凝土的彈性波速與混凝土粗骨料、鋼筋數(shù)量都有著密切的關(guān)系，若條件允許，開展試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行波速的校準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在疑問的應(yīng)采取鉆心法進(jìn)行驗(yàn)證。

彈性波CT技術(shù)的測(cè)試媒介為彈性波測(cè)線，通過檢測(cè)過程中對(duì)逐測(cè)點(diǎn)進(jìn)行掃描，收集各個(gè)位置、角度上的彈性波特征信息，利用波傳導(dǎo)特征結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行反演，識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷?，F(xiàn)階段應(yīng)用較多的反演方式為BPT法，即擬投影法（Back Projection Technique）。BPT法是將被測(cè)剖面劃分成有限個(gè)網(wǎng)格，并將各測(cè)線的平均波速分配至每個(gè)網(wǎng)格中，由此將速度函數(shù)轉(zhuǎn)化為投影數(shù)據(jù)，再通過計(jì)算機(jī)反演建立CT斷層掃描圖像[5]。根據(jù)彈性波CT技術(shù)的原理可看出，測(cè)線布置的密度越大，BPT法劃分出的網(wǎng)格越多，CT法檢測(cè)分辨率也就越高。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某鐵路工程大橋連續(xù)梁0#塊存在局部脫空、離析等缺陷，最大缺陷部位延伸約2 m，寬度1～28 cm，為研究構(gòu)件內(nèi)部缺損情況及混凝土密實(shí)程度，對(duì)該0#塊開展彈性波CT掃描。此0#塊位于河堤，采用C60泵送混凝土，檢測(cè)時(shí)施工齡期為90 d。

2.2 檢測(cè)方案

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，對(duì)0#塊左右腹板進(jìn)行彈性波CT檢測(cè)，于腹板布置4.4 m×14 m檢測(cè)剖面，見圖1，測(cè)點(diǎn)布置于板端頭厚度中心，剖面下底面距離端頭底約0.5 m，每個(gè)測(cè)面的兩端均布置有12個(gè)測(cè)點(diǎn)，間隔0.4 m左右，構(gòu)成12條水平測(cè)線與132條傾斜測(cè)線。

圖1 腹板彈性波CT測(cè)線

2.3 結(jié)果分析

累計(jì)采集288條測(cè)線，生成二維波速分布圖三幅，以紅色、黃色為高波速區(qū)，代表混凝土澆筑質(zhì)量較好；綠色為中等波速區(qū)；藍(lán)色為低波速區(qū)，代表混凝土澆筑質(zhì)量相對(duì)差。檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)選取齡期相近的完好構(gòu)件進(jìn)行了多次波速標(biāo)定，經(jīng)測(cè)試，完好構(gòu)件的平均波速均大于4.2 km/s，由此建立該批次混凝土質(zhì)量初步評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

右側(cè)腹板共7處明顯缺陷區(qū)域，見圖2，占構(gòu)件總面積的6.6%，推測(cè)為不密實(shí)、裂縫等缺陷。構(gòu)件中部可見呈現(xiàn)條帶狀分布的低波速區(qū)，構(gòu)件左下存在面積較大的低波速區(qū)。左側(cè)腹板共8處明顯缺陷區(qū)域，見圖3，占構(gòu)件總面積的11.5%，推定為不密實(shí)、裂縫等缺陷。構(gòu)件中部可見呈現(xiàn)條帶狀分布的低波速區(qū)，構(gòu)件左下存在面積較大的低波速區(qū)。

表1 波速-缺陷評(píng)價(jià)

圖2 右腹板二維波速分部

圖3 左腹板二維波速分部

2.4 檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)明顯缺陷區(qū)域進(jìn)行排查，右側(cè)腹板中部條帶狀低波速區(qū)可見明顯施工縫，并存在蜂窩、麻面缺陷，見圖4。左下方低波速區(qū)為蜂窩、麻面較為集中的區(qū)域，將其表面鑿除后，發(fā)現(xiàn)混凝土表面至外層鋼筋之間混凝土松散，骨料集中，松散層深度3～10 cm，鑿除后可見鋼筋內(nèi)混凝土相對(duì)密實(shí)，未見貫穿裂縫，見圖5。

圖4 右側(cè)腹板明顯的施工縫

圖5 施工縫位置鑿除后

左側(cè)腹板中部條帶狀低波速區(qū)可見嚴(yán)重的漏漿、離析缺陷，且缺陷深度較大、延伸較長(zhǎng)，見圖6。為避免結(jié)構(gòu)取芯驗(yàn)證產(chǎn)生不可逆損傷，選取50 mm直徑鉆頭，破除表面混凝土至鋼筋后鉆取芯樣，針對(duì)低波速區(qū)域采集芯樣9個(gè)（外側(cè)面5個(gè)，內(nèi)側(cè)面4個(gè)），外側(cè)面芯樣均存在不同程度的孔洞、蜂窩缺陷，見圖7，部分芯樣骨料分布不均勻；內(nèi)側(cè)面所取芯樣均較為密實(shí)。

圖6 左側(cè)腹板漏漿、離析缺陷

圖7 低波速區(qū)外側(cè)面芯樣

3 結(jié)語

（1）局部區(qū)域混凝土外側(cè)面至鋼筋埋深處，存在離析缺陷，鋼筋埋深以內(nèi)混凝土相對(duì)密實(shí)，認(rèn)為系施工過程中振搗不足引起的缺陷。（2）存在明顯的施工冷縫，冷縫兩側(cè)混凝土存在明顯色差，其中一側(cè)混凝土表面存在大量蜂窩、麻面，混凝土內(nèi)部有較多的孔洞，混凝土強(qiáng)度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。（3）左側(cè)腹板中部漏漿、離析嚴(yán)重，雖未發(fā)現(xiàn)貫穿裂縫，但該處混凝土波速低、缺陷延伸較遠(yuǎn)，對(duì)構(gòu)件性能影響較大。

針對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷探查工作，彈性波CT技術(shù)不僅能夠迅速有效地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確地進(jìn)行定位，而且能夠針對(duì)不同尺寸、類型構(gòu)件靈活布線，確保探測(cè)效果，適用性強(qiáng)。