桥梁声波CT在混凝土桥梁梁板检测中的应用与研究

张晓东

(河北益合交通检测技术有限公司)

随着时代的进步，交通事业在蓬勃的发展，高速公路的建设也在不断的完善，在高速公路上涌现出了大量大型、重型车辆，这些加速了高速公路桥梁的老化，表现出破损严重、承载能力下降。我国现有存在病害的桥梁近万座，每年新增病害桥梁近千座，这些桥梁绝大多数都是预应力混凝土桥梁，需要检测与评价混凝土的密实性、强度、缺陷、孔隙空洞、预应力、预应力管道注浆密实度、钢筋锈蚀等内部结构状态，正确地诊断分析桥梁病害的原因、部位，以便采取合理的加固处治措施。目前国内现有的旧桥混凝土质量检测方法主要有回弹法、超声回弹综合法、钻芯法和后装拔出法。以上几种检测手段，都不能很好地反映混凝土的整体质量，特别是不能反映混凝土浇筑的不均匀性情况，而在混凝土浇筑不均匀的地方容易形成应力集中，加大对桥梁的破坏。传统的外观检测技术已经不能满足混凝土结构内部病害诊断的需求，急需发展高分辨的、直观的、反映结构内部状态的地质雷达、声波CT、超声成像等工程物探高技术。

计算机断层成像(Computed Tomography，简称CT)技术最早用于无线电天文学方面，随着计算机技术的不断发展，CT 技术在过去几十年里得到飞速地发展，现在已经被广泛应用于工业无损检测、安全检查及工程勘察等领域。

混凝土波速CT 技术 原理与地震CT 原理几乎一致，都是利用弹性波的性质进行反演，工程检测中地震波的频率范围1～1 000 Hz 左右，使用的频率越高，检测的分辨率也越高，但相应有效穿透深度越小。混凝土波速CT 的物理基础为声波穿透混凝土介质时，其速度快慢与混凝土介质的弹性模量、密度等有关，密度大、强度高的混凝土结构模量大，波速高，走时短;密度小、强度低的混凝土结构模量小，波速低，走时长。完整密实强度高的混凝土对声波能量的吸收弱，声波在传播中能量损耗小;不密实、强度低、有缺陷的混凝土对声波的吸收强，声波在传播中能量损耗大。混凝土介质的弹性模量、强度与波速的对应关系，是利用波速描述混凝土强度分布的物理基础。

使用声波穿透混凝土结构，通过声波走时与能量衰减的测量，对混凝土结构进行声波波速成像。根据声波速度与混凝土结构介质的弹性模量正相关关系，波速的变化能够反映混凝土强度的变化，波速图像可以可靠地反映出混凝土构件内部各部分的均匀性、密实性、缺陷区、缺陷程度及其分布。混凝土的声波速度可以作为评价混凝土抗压强度与密实度的定量指标。可用于在建桥梁的质量控制和运行桥梁的病害诊断，检测的分辨率可达分米级。能够确定低强度的部位、范围、程度，为病害整治和施工质量控制、工艺改进提供依据。

为了研究声波CT 技术在梁板检测中的应用及可靠性，我们浇筑了不同强度、存在缺陷的两片验梁板，通过对两实验梁板检测结果与设计缺陷进行对比来验 证声波CT 技术对梁板检测的可靠性。两片验梁板都按10 m ×1.5 m ×0.35 m 进行浇筑，内用直径8 mm、20 mm 钢筋，在浇筑过程中都人为的设计了不同的缺陷。不同强度实验梁板是指用C30、C40、C50三种不同强度的混凝土按标号3 m 左右一段进行浇筑，断面之间不留施工缝，浇筑成一个整体，外露3 面均为光面。缺陷实验梁板是指在浇筑过程中人为的利用泡沫塑料板、木板、空心波纹管和砖块在某几个位置制造缺陷然后浇筑而成的梁板。

现场观测的仪器使用同度SRS64 多功能超声波探测仪;采样参数:采样率为5 微秒，采样长度为k;检波器采用压电陶瓷换能器，参数:10 Hz～15 kHz;声源采用锤击。

现场观测系统布置:检波器沿梁板长边一侧布置，检波器42 只，1～37 道间隔为25 cm，37～42 间隔为20 cm。激发点沿梁板其他边布置，间距25 cm，共有51 个激发点，获得2 142 条射线。

现场观测系统布置图

声波CT 资料的处理包括观测坐标编辑、走时数据读取、射线追踪、波速反演、CT 成 像等过程。经过对51 个地震记录2142 道资料的处理，完成了2 个CT 剖面。

混凝土的声波速度可以作为评价混凝土抗压强度与密实度的定量指标。波速高的地方，混凝土密度大、强度高;波速低的地方，混凝土密度小、强度低。通过利用BCT 处理软件对数据进行处理、重建成像，得到两片实验梁板的声波CT剖面波速分布图。下面分别是两片梁板预案设计图和检测结果对比。

图1 不同强度实验板预案设计图

图2 不同强度实验板CT 剖面速度分布图

图3 缺陷实验板预案设计图

图4 缺陷实验板CT 剖面速度分布图

图1、图2 分别是不同强度实验板的预案设计图和声波CT 方法检测结果图，从声波CT 方法检测结果图中可以看出，整个图幅主要由三种不同的色块构成，根据色标图例可以清楚地看出图幅左边3 m 左右波速最高，然后是图幅右边3 m 左右，波速较高，最后是中间3 m 左右，波速比较低。根据预案设计图我们知道图幅左边3 m 左右是由C50型混凝土浇筑的，波速最高，中间3 m 左右是由C30型混凝土浇筑的，波速较低，而右边3 m 左右是由C40型混凝土浇筑的，波速较高。通过对比可以看出声波CT 方法检测结果与实际是相符的。

图3、图4 分别是缺陷实验板的预案设计图和声波CT方法检测结果图，从缺陷实验板CT 剖面速度分布图可以看出，在图幅中出现了3 个比较大的低速块，以图幅左下角为坐标原点，他们分别位于图幅的坐下角1.7 m、图幅中间底边4 m 和图幅右上顶边9 m 位置，根据缺陷实验板预案设计图我们可以看到在这三处位置分别有20cm ×20cm泡沫板、30 cm×30 cm 泡沫板和60 cm×9 cm×5 cm 木板。在缺陷实验板预案设计图中我们还可以看到有三处设计的缺陷在检测结果中并没有反映出来，通过分析我认为:对于10 cm×10 cm泡沫板，观测系统布置中检波器、激发点间距都为25 cm，计算时网格也采用0.25 m ×0.25 m，相对异常体体积检测结果分辨率过大，不能分辨出异常体;对于64 cm 长的空心波纹管，直径16 cm，他的横截面积比较小，射线大部分都是绕过外侧壁传播，且速度高，而穿过波纹管里面的射线条数很少，因此在检测中未能分辨出;对于右下角的砖块，体积较小，但砖块的波速较高，相对于低标号的混凝土在波速上他有时表现出高速，在该检测结果中虽然在图幅右下角位置色彩颜色较深，波速表现为高速，但不能判定为是由砖块引起的。

通过预案设计图与检测结果进行对比可以看出，用声波CT 方法得到的波速剖面图能 够清晰、准确地反映出梁板浇筑均匀性、混凝土强度分布及缺陷情况。通过实例对比分析，声波穿透混凝土介质时，其速度快慢确实与混凝土强度有关，声 波波速对混凝土浇筑的均匀性、密实度反映比较敏感，密度大、强度高的区域，波速高;密度小、强度低的区域，波速低。用声波CT 方法得到的梁板波速分布图，通过像素、色谱、立体网络综合展示，能够清晰、准确地反映出梁板浇筑均匀性、混凝土强度分布及缺陷情况。说明声波CT 层析成像技术能够检测出混凝土梁板整体质量浇筑情况，是一种行之有效的快速、无损检测手段。在声波CT 技术中，检测结果的分辨率是与观测系统的布置紧密相关的，检波器、激发点布置越密，检测结果的分辨率越大;反之亦然。因此说该方法不仅能够全面直观地再现混凝土质量的精细结构，实现面积测量，而且通过合理优化设计观测系统和准确拾取声波走时，可达到高精度和高分辨率精细探测。