橋梁聲波CT在混凝土橋梁梁板檢測(cè)中的應(yīng)用與研究

張曉東

(河北益合交通檢測(cè)技術(shù)有限公司)

隨著時(shí)代的進(jìn)步，交通事業(yè)在蓬勃的發(fā)展，高速公路的建設(shè)也在不斷的完善，在高速公路上涌現(xiàn)出了大量大型、重型車(chē)輛，這些加速了高速公路橋梁的老化，表現(xiàn)出破損嚴(yán)重、承載能力下降。我國(guó)現(xiàn)有存在病害的橋梁近萬(wàn)座，每年新增病害橋梁近千座，這些橋梁絕大多數(shù)都是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，需要檢測(cè)與評(píng)價(jià)混凝土的密實(shí)性、強(qiáng)度、缺陷、孔隙空洞、預(yù)應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力管道注漿密實(shí)度、鋼筋銹蝕等內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)，正確地診斷分析橋梁病害的原因、部位，以便采取合理的加固處治措施。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的舊橋混凝土質(zhì)量檢測(cè)方法主要有回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法和后裝拔出法。以上幾種檢測(cè)手段，都不能很好地反映混凝土的整體質(zhì)量，特別是不能反映混凝土澆筑的不均勻性情況，而在混凝土澆筑不均勻的地方容易形成應(yīng)力集中，加大對(duì)橋梁的破壞。傳統(tǒng)的外觀檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害診斷的需求，急需發(fā)展高分辨的、直觀的、反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)的地質(zhì)雷達(dá)、聲波CT、超聲成像等工程物探高技術(shù)。

計(jì)算機(jī)斷層成像(Computed Tomography，簡(jiǎn)稱(chēng)CT)技術(shù)最早用于無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CT 技術(shù)在過(guò)去幾十年里得到飛速地發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、安全檢查及工程勘察等領(lǐng)域。

混凝土波速CT 技術(shù) 原理與地震CT 原理幾乎一致，都是利用彈性波的性質(zhì)進(jìn)行反演，工程檢測(cè)中地震波的頻率范圍1～1 000 Hz 左右，使用的頻率越高，檢測(cè)的分辨率也越高，但相應(yīng)有效穿透深度越小。混凝土波速CT 的物理基礎(chǔ)為聲波穿透混凝土介質(zhì)時(shí)，其速度快慢與混凝土介質(zhì)的彈性模量、密度等有關(guān)，密度大、強(qiáng)度高的混凝土結(jié)構(gòu)模量大，波速高，走時(shí)短;密度小、強(qiáng)度低的混凝土結(jié)構(gòu)模量小，波速低，走時(shí)長(zhǎng)。完整密實(shí)強(qiáng)度高的混凝土對(duì)聲波能量的吸收弱，聲波在傳播中能量損耗小;不密實(shí)、強(qiáng)度低、有缺陷的混凝土對(duì)聲波的吸收強(qiáng)，聲波在傳播中能量損耗大。混凝土介質(zhì)的彈性模量、強(qiáng)度與波速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是利用波速描述混凝土強(qiáng)度分布的物理基礎(chǔ)。

使用聲波穿透混凝土結(jié)構(gòu)，通過(guò)聲波走時(shí)與能量衰減的測(cè)量，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲波波速成像。根據(jù)聲波速度與混凝土結(jié)構(gòu)介質(zhì)的彈性模量正相關(guān)關(guān)系，波速的變化能夠反映混凝土強(qiáng)度的變化，波速圖像可以可靠地反映出混凝土構(gòu)件內(nèi)部各部分的均勻性、密實(shí)性、缺陷區(qū)、缺陷程度及其分布。混凝土的聲波速度可以作為評(píng)價(jià)混凝土抗壓強(qiáng)度與密實(shí)度的定量指標(biāo)。可用于在建橋梁的質(zhì)量控制和運(yùn)行橋梁的病害診斷，檢測(cè)的分辨率可達(dá)分米級(jí)。能夠確定低強(qiáng)度的部位、范圍、程度，為病害整治和施工質(zhì)量控制、工藝改進(jìn)提供依據(jù)。

為了研究聲波CT 技術(shù)在梁板檢測(cè)中的應(yīng)用及可靠性，我們澆筑了不同強(qiáng)度、存在缺陷的兩片驗(yàn)梁板，通過(guò)對(duì)兩實(shí)驗(yàn)梁板檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn) 證聲波CT 技術(shù)對(duì)梁板檢測(cè)的可靠性。兩片驗(yàn)梁板都按10 m ×1.5 m ×0.35 m 進(jìn)行澆筑，內(nèi)用直徑8 mm、20 mm 鋼筋，在澆筑過(guò)程中都人為的設(shè)計(jì)了不同的缺陷。不同強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)梁板是指用C30、C40、C50三種不同強(qiáng)度的混凝土按標(biāo)號(hào)3 m 左右一段進(jìn)行澆筑，斷面之間不留施工縫，澆筑成一個(gè)整體，外露3 面均為光面。缺陷實(shí)驗(yàn)梁板是指在澆筑過(guò)程中人為的利用泡沫塑料板、木板、空心波紋管和磚塊在某幾個(gè)位置制造缺陷然后澆筑而成的梁板。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的儀器使用同度SRS64 多功能超聲波探測(cè)儀;采樣參數(shù):采樣率為5 微秒，采樣長(zhǎng)度為k;檢波器采用壓電陶瓷換能器，參數(shù):10 Hz～15 kHz;聲源采用錘擊。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布置:檢波器沿梁板長(zhǎng)邊一側(cè)布置，檢波器42 只，1～37 道間隔為25 cm，37～42 間隔為20 cm。激發(fā)點(diǎn)沿梁板其他邊布置，間距25 cm，共有51 個(gè)激發(fā)點(diǎn)，獲得2 142 條射線(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布置圖

聲波CT 資料的處理包括觀測(cè)坐標(biāo)編輯、走時(shí)數(shù)據(jù)讀取、射線(xiàn)追蹤、波速反演、CT 成 像等過(guò)程。經(jīng)過(guò)對(duì)51 個(gè)地震記錄2142 道資料的處理，完成了2 個(gè)CT 剖面。

混凝土的聲波速度可以作為評(píng)價(jià)混凝土抗壓強(qiáng)度與密實(shí)度的定量指標(biāo)。波速高的地方，混凝土密度大、強(qiáng)度高;波速低的地方，混凝土密度小、強(qiáng)度低。通過(guò)利用BCT 處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、重建成像，得到兩片實(shí)驗(yàn)梁板的聲波CT剖面波速分布圖。下面分別是兩片梁板預(yù)案設(shè)計(jì)圖和檢測(cè)結(jié)果對(duì)比。

圖1 不同強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)板預(yù)案設(shè)計(jì)圖

圖2 不同強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)板CT 剖面速度分布圖

圖3 缺陷實(shí)驗(yàn)板預(yù)案設(shè)計(jì)圖

圖4 缺陷實(shí)驗(yàn)板CT 剖面速度分布圖

圖1、圖2 分別是不同強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)板的預(yù)案設(shè)計(jì)圖和聲波CT 方法檢測(cè)結(jié)果圖，從聲波CT 方法檢測(cè)結(jié)果圖中可以看出，整個(gè)圖幅主要由三種不同的色塊構(gòu)成，根據(jù)色標(biāo)圖例可以清楚地看出圖幅左邊3 m 左右波速最高，然后是圖幅右邊3 m 左右，波速較高，最后是中間3 m 左右，波速比較低。根據(jù)預(yù)案設(shè)計(jì)圖我們知道圖幅左邊3 m 左右是由C50型混凝土澆筑的，波速最高，中間3 m 左右是由C30型混凝土澆筑的，波速較低，而右邊3 m 左右是由C40型混凝土澆筑的，波速較高。通過(guò)對(duì)比可以看出聲波CT 方法檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際是相符的。

圖3、圖4 分別是缺陷實(shí)驗(yàn)板的預(yù)案設(shè)計(jì)圖和聲波CT方法檢測(cè)結(jié)果圖，從缺陷實(shí)驗(yàn)板CT 剖面速度分布圖可以看出，在圖幅中出現(xiàn)了3 個(gè)比較大的低速塊，以圖幅左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，他們分別位于圖幅的坐下角1.7 m、圖幅中間底邊4 m 和圖幅右上頂邊9 m 位置，根據(jù)缺陷實(shí)驗(yàn)板預(yù)案設(shè)計(jì)圖我們可以看到在這三處位置分別有20cm ×20cm泡沫板、30 cm×30 cm 泡沫板和60 cm×9 cm×5 cm 木板。在缺陷實(shí)驗(yàn)板預(yù)案設(shè)計(jì)圖中我們還可以看到有三處設(shè)計(jì)的缺陷在檢測(cè)結(jié)果中并沒(méi)有反映出來(lái)，通過(guò)分析我認(rèn)為:對(duì)于10 cm×10 cm泡沫板，觀測(cè)系統(tǒng)布置中檢波器、激發(fā)點(diǎn)間距都為25 cm，計(jì)算時(shí)網(wǎng)格也采用0.25 m ×0.25 m，相對(duì)異常體體積檢測(cè)結(jié)果分辨率過(guò)大，不能分辨出異常體;對(duì)于64 cm 長(zhǎng)的空心波紋管，直徑16 cm，他的橫截面積比較小，射線(xiàn)大部分都是繞過(guò)外側(cè)壁傳播，且速度高，而穿過(guò)波紋管里面的射線(xiàn)條數(shù)很少，因此在檢測(cè)中未能分辨出;對(duì)于右下角的磚塊，體積較小，但磚塊的波速較高，相對(duì)于低標(biāo)號(hào)的混凝土在波速上他有時(shí)表現(xiàn)出高速，在該檢測(cè)結(jié)果中雖然在圖幅右下角位置色彩顏色較深，波速表現(xiàn)為高速，但不能判定為是由磚塊引起的。

通過(guò)預(yù)案設(shè)計(jì)圖與檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，用聲波CT 方法得到的波速剖面圖能 夠清晰、準(zhǔn)確地反映出梁板澆筑均勻性、混凝土強(qiáng)度分布及缺陷情況。通過(guò)實(shí)例對(duì)比分析，聲波穿透混凝土介質(zhì)時(shí)，其速度快慢確實(shí)與混凝土強(qiáng)度有關(guān)，聲 波波速對(duì)混凝土澆筑的均勻性、密實(shí)度反映比較敏感，密度大、強(qiáng)度高的區(qū)域，波速高;密度小、強(qiáng)度低的區(qū)域，波速低。用聲波CT 方法得到的梁板波速分布圖，通過(guò)像素、色譜、立體網(wǎng)絡(luò)綜合展示，能夠清晰、準(zhǔn)確地反映出梁板澆筑均勻性、混凝土強(qiáng)度分布及缺陷情況。說(shuō)明聲波CT 層析成像技術(shù)能夠檢測(cè)出混凝土梁板整體質(zhì)量澆筑情況，是一種行之有效的快速、無(wú)損檢測(cè)手段。在聲波CT 技術(shù)中，檢測(cè)結(jié)果的分辨率是與觀測(cè)系統(tǒng)的布置緊密相關(guān)的，檢波器、激發(fā)點(diǎn)布置越密，檢測(cè)結(jié)果的分辨率越大;反之亦然。因此說(shuō)該方法不僅能夠全面直觀地再現(xiàn)混凝土質(zhì)量的精細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)面積測(cè)量，而且通過(guò)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)和準(zhǔn)確拾取聲波走時(shí)，可達(dá)到高精度和高分辨率精細(xì)探測(cè)。