基于彈性波CT 的大體積混凝土檢測(cè)應(yīng)用

王戰(zhàn)軍

（上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海市 200092）

0 引言

現(xiàn)代土木工程如橋梁工程、高層及大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩等時(shí)常涉及到大體積混凝土，因其體積大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工藝及養(yǎng)護(hù)過程中極易出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此項(xiàng)目實(shí)施過程中檢測(cè)工作始終貫穿于施工控制、病害診斷及加固評(píng)價(jià)等各個(gè)環(huán)節(jié)。

混凝土檢測(cè)方法自20 世紀(jì)30 年代以來，得到了迅猛的發(fā)展[1]。目前已有二十多種可行的方法，且已逐步形成完整的技術(shù)體系，例如回彈法、超聲法、沖擊回波法、雷達(dá)法、紅外成像法、鉆芯法等[2]。這類傳統(tǒng)檢測(cè)方法通常以單測(cè)點(diǎn)為基礎(chǔ)，采用抽樣方式進(jìn)行檢測(cè)，一般無法得到對(duì)混凝土內(nèi)部大截面進(jìn)行整體評(píng)判的直接數(shù)據(jù)。而彈性波CT 技術(shù)（彈性波層析成像技術(shù)）則不然，該方法利用彈性波速度與其物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性[3]，在不損傷“檢測(cè)對(duì)象”的情況下，利用檢測(cè)剖面上的彈性波速，結(jié)合CT 技術(shù)進(jìn)行反演成像，以“圖像”的方式完整地反映層析面上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)的目的[4-7]。

綜上，彈性波CT 在滿足射線密度、射線正交性等要求的前提下[8]，可一次性重構(gòu)大體積混凝土截面波速平面分布，具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀等特點(diǎn)，已被越來越廣泛地應(yīng)用于大體積混凝土強(qiáng)度、空洞、不密實(shí)區(qū)等結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)。

1 工程概況

某橋梁附屬構(gòu)筑物主要由南、北兩側(cè)現(xiàn)澆邊墻構(gòu)成，墻厚2.0 m，長(zhǎng)度分別為45 m 及49 m。因澆筑過程失誤，拆模后發(fā)現(xiàn)南、北兩側(cè)邊墻高度1.8 m 以下存在多處蜂窩麻面等表觀病害，為查明混凝土內(nèi)部澆筑質(zhì)量，決定選用彈性波CT 對(duì)邊墻進(jìn)行檢測(cè)，并通過墻體內(nèi)部波速分布評(píng)價(jià)為設(shè)計(jì)提供修復(fù)建議。

2 彈性波CT 工作原理

2.1 檢測(cè)原理

彈性波CT 的工作原理與醫(yī)學(xué)CT 類似。醫(yī)學(xué)CT是利用X 射線穿透人體，通過射線強(qiáng)度衰減的觀測(cè)對(duì)人體組織成像。彈性波CT 是利用聲波穿透混凝土介質(zhì)，通過聲波走時(shí)和能量衰減的觀測(cè)對(duì)工程結(jié)構(gòu)成像。在彈性波CT 檢測(cè)中，從發(fā)射點(diǎn)到接受點(diǎn)，聲波能量沿半徑等于1/4 波長(zhǎng)的高斯射線束傳播。

波速作為混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)是建立在理論研究和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的。研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明混凝土抗壓強(qiáng)度與波速正相關(guān)，但是不同地區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系的參數(shù)有所差異，這主要是受骨料及養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響。同等抗壓強(qiáng)度的以卵石為骨料的混凝土，比灰?guī)r碎石骨料的高得多。因此在使用彈性波CT波速作混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，要參考當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)樣品波速的測(cè)試結(jié)果。

彈性波在穿越混凝土?xí)r，其速度快慢與混凝土的密實(shí)度、彈性模量、剪切模量有關(guān)。密度大、強(qiáng)度高的混凝土其模量大，波速高、衰減小；破碎疏松的混凝土波速低、衰減大。如果混凝土存在缺陷或損傷，波速將表現(xiàn)為低速異常。

實(shí)際檢測(cè)過程中，首先通過逐點(diǎn)敲擊獲取大量的首波走時(shí)數(shù)據(jù)，然后通過求解大型矩陣方程來獲取測(cè)試區(qū)域速度剖面圖像，根據(jù)速度剖面圖像可以直觀準(zhǔn)確地判定隱患大小分布。

2.2 測(cè)線布置及網(wǎng)格設(shè)計(jì)

2.2.1 坐標(biāo)設(shè)計(jì)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)南北側(cè)墻建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，并根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)布設(shè)檢測(cè)剖面（邊墻長(zhǎng)度方向設(shè)定為X 坐標(biāo)，厚度方向設(shè)定為Y 坐標(biāo)），坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 彈性波CT 坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.2.2 檢測(cè)布置

單剖面圍繞墻體采用“L”型布設(shè)，激發(fā)及接收點(diǎn)距均為0.5 m，通過射線對(duì)疊加形成墻體一定高度橫截面檢測(cè)的目，南北邊墻現(xiàn)場(chǎng)采集布置方式見圖2、圖3，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)見圖4。

圖2 北側(cè)墻彈性波CT 測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

圖3 南側(cè)墻彈性波CT 測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

圖4 彈性波CT 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

3 檢測(cè)效果

3.1 彈性波CT 檢測(cè)結(jié)果解譯

由于彈性波速度與混凝土內(nèi)部質(zhì)量具有直接相關(guān)性，彈性波CT 反演成果圖中代表低速的顏色區(qū)域一般對(duì)應(yīng)質(zhì)量不佳或存在缺陷[9]。解譯成果圖中藍(lán)色表示高波速，黃、綠色次之，紅色為低波速，色標(biāo)給出了顏色與波速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1.1 北側(cè)墻檢測(cè)結(jié)果

北側(cè)墻完成CT 剖面3 條，分別對(duì)應(yīng)墻高0.5 m、墻高0.9 m 及墻高1.3 m，成果見圖5。

圖5 北側(cè)墻彈性波CT 波速等值線成果圖（單位：m/s）

各剖面平均波速統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 北側(cè)墻剖面平均波速統(tǒng)計(jì)表 單位：m/s

由圖5 可知：三剖面波速整體均勻性稍差，低波速異常[10]位于0.5m 高度剖面39～42 m 及45～47 m處，0.9 m 高度剖面13～15 m、31～32 m 及39～46 m處，1.3 m 高度剖面12～15 m、30～32 m 及39～47 m處，異常區(qū)域吻合度較高，隨墻體高度方向連貫性較好，推測(cè)為混凝土澆筑缺陷所致。

3.1.2 南側(cè)墻檢測(cè)結(jié)果

南側(cè)墻完成CT 剖面2 條，分別對(duì)應(yīng)墻高0.7 m及墻高1.3 m，成果見圖6。

圖6 南側(cè)墻彈性波CT 波速等值線成果圖（單位：m/s）

各剖面平均波速統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 南側(cè)墻剖面平均波速統(tǒng)計(jì)表 單位：m/s

由圖6 可知：兩剖面波速整體均勻性稍差，其中剖面自西向東24～28 m 處因模板未拆除，呈現(xiàn)局部反演相對(duì)低速區(qū)域[10]。1.3 m 高度剖面37～45 m 處墻體淺表混凝土約0.4 m 厚度范圍應(yīng)力波波速偏低，推測(cè)為混凝土澆筑缺陷所致。

3.2 結(jié)果驗(yàn)證

北側(cè)墻40～45 m 異常區(qū)域進(jìn)行剔鑿，直至混凝土完好，剔鑿面積約為1.72 m2，鑿除深度25～160 mm，見圖7。

圖7 北側(cè)墻異常區(qū)域（40～45 m）剔鑿效果

南側(cè)墻36～42 m 異常區(qū)域進(jìn)行剔鑿，直至混凝土完好，剔鑿面積約為1.80 m2，鑿除深度25～140 mm，見圖8。

圖8 南側(cè)墻異常區(qū)域（36～42 m）剔鑿效果

本次彈性波CT 測(cè)試與表面離析缺陷一致，經(jīng)超聲法檢測(cè)波速異常位置高度契合，異常區(qū)域剔鑿修復(fù)后經(jīng)超聲法復(fù)測(cè)不存在波速異常。

4 其他工程應(yīng)用

某城際鐵路19# 墩設(shè)計(jì)寬度為10.8 m，厚度為4.5 m，采用C35 混凝土建筑，拆模后發(fā)現(xiàn)局部存在蜂窩麻面，為對(duì)墩身澆筑質(zhì)量進(jìn)行診斷，采用彈性波CT 及超聲法進(jìn)行綜合檢測(cè)，見圖9。

圖9 某城際鐵路19# 墩現(xiàn)場(chǎng)施工情況

彈性波CT 分別于墩身距地面0.3 m 高度及0.8 m高度布設(shè)水平測(cè)試剖面，檢波器間距為0.5 m，炮點(diǎn)間距為0.5 m。單個(gè)剖面測(cè)試數(shù)據(jù)2048 個(gè)，射線正交性和射線密度滿足要求。

由圖10 可知：0.8 m 高度剖面平均波速為3 580 m/s，0.3 m 高度剖面平均波速為3 593 m/s，墩身波速總體呈現(xiàn)兩側(cè)大中間小特征，但并無局部異常，表明橋墩內(nèi)部無明顯缺陷。依據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，剖面中部2.8～7.8 m 段（對(duì)應(yīng)橋墩4.5 m 等厚度段）波速相對(duì)偏低，隨后于墩身中部2.8～7.8m 段布設(shè)超聲測(cè)區(qū)，網(wǎng)格間距為0.2 m，分別布置在距地面0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m 及1.0 m 高度處，測(cè)點(diǎn)共計(jì)130 個(gè)。超聲檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。

圖10 彈性波CT 測(cè)試剖面成果圖（單位：m/s）

表3 墩身超聲參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

超聲測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)區(qū)域波速均勻，混凝土內(nèi)部密實(shí)[11]。考慮到養(yǎng)護(hù)期為20 d，推測(cè)橋墩芯部混凝土齡期未到引起混凝土強(qiáng)度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

5 結(jié)語

該文通過彈性波CT 在大體積混凝土檢測(cè)中的項(xiàng)目應(yīng)用，并結(jié)合超聲法等驗(yàn)證手段，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)多次項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，證明了彈性波CT 檢測(cè)大體積混凝土可行性，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土檢測(cè)方法的不足之處，可供類似工程參考。

（2）彈性波CT 可一次性重構(gòu)大體積混凝土截面波速平面分布，經(jīng)反演后可以直觀判定截面混凝土病害分布，具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀、結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。