弹性波CT技术在混凝土无损检测中的应用

GXF360 2017-06-22

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弹性波CT技术在混凝土无损检测中的应用

□文/刘力博

【摘要】：混凝土的弹性波速与其物理力学参数具有关联性，波速可作为混凝土强度和缺陷评价的定量指标。文章阐述基于冲击弹性波的弹性波层析成像技术（简称CT）的原理及检测方法，探讨了该法在混凝土构件内部缺陷中的应用，证明该项技术在对工程结构检测中有较显著的优点。

【关键词】：弹性波；CT；混凝土；无损；检测

混凝土是结构工程中最重要的材料之一，它的施工质量直接关系到结构物的安全。在混凝土结构物的施工及使用过程中，由于施工管理、施工技术、荷载作用以及混凝土本身的性质，有时会造成一些宏观损伤和缺陷，如裂缝、孔洞、蜂窝和局部疏松，这些缺陷的存在往往会严重影响结构物的承载力和耐久性。因此对混凝土结构物进行现场检测，准确探测其内部缺陷，对工程建设，特别是大体积混凝土工程，具有重要意义。近年来，人们对混凝土的损伤特性研究越来越关注[1]，成像技术也引用到混凝土检测中。由此发展的弹性波层析成像技术是根据射线扫描，对所得到的信息进行反演计算，以“图像”的形态反映层析面上的混凝土内部质量，从而判断混凝土的结构施工质量[2]。该技术被用于混凝土的无损检测，尤其是大体积混凝土 (如大坝、桥墩和混凝土灌注桩等)的质量检测中，由于成像结果能精确直观地显示混凝土内部的质量状况，所以适用于混凝土精细检测[3]。

1 弹性波CT检测混凝土内部缺陷基本原理

弹性波(P波)在混凝土中传播时，速度与混凝土的密度、强度和弹性模量有关，密度大、强度高、模量大的波速高、衰减慢；而疏松、破碎的混凝土则波速低、衰减快。当混凝土构件存在软弱或者缺陷时，该区域当中传播的弹性波波速会降低。因此利用断面上弹性波(P波)的速度分布可以评价混凝土的质量和内部可能存在的缺陷，波速可作为混凝土强度和缺陷评价的定量指标。

弹性波CT技术用于混凝土结构无损检测中，根据混凝土的弹性波速与有关物理力学参数有关联性的特点，在不破坏混凝土结构的情况下，通过对被检对象扫描，利用弹性波在检测断面上的传播速度并结合CT技术进行反演成像，生成物体内部结构特征的二维、三维图像，以实现质量检测的目的[4]。在实际检测过程中，首先通过扇形测试获取大量的首波走时数据，然后通过求解大型矩阵方程来获取测试区域速度剖面图像，根据速度剖面图像可以直观准确地判定隐患大小分布。

2 弹性波层析成像原理及技术方法

CT技术的数学基础是Radon变换及其逆变换。层析成像（CT）过程就是根据实测投影数据重建物体内部某种物理量的分布图像，是Radon逆变换公式的具体实现过程，是从观察到的一组曲线或曲面数据反演物理模型。

弹性波在介质中传播时，波的射线走时是速度V（x，y）与路径的函数。

采用级数展开法，把成像区域剖分为M个单元，则式（1）可变为离散的线形方程组

式中：rij——第i条射线穿过第j个单元的距离；

xj——S（x，y）在第j个单元内的平均值。

设定V（x，y）是二维模型速度分布函数，根据现场测试条件和精度要求，设在成像剖面内共测得N条射线。以首波射线理论为基础的成像方法可归结为求解方程

式中：lij是第i条射线在第j个单元内的路径长度；Sj=1/Vj是第j个单元的慢度值；ti是第i条射线的走时值。

应用快速射线追踪技术和SIRT算法求解上述方程，可以实现高精度弯曲射线CT，这一技术具有很强的适用性，在实际生产中得到广泛应用并取得了很好的效果。

3 应用分析

3.1 测试精度及测线布置

弹性波CT分辨率的大小一方面受到反演算法、目标体的形态及性质(高速体还是低速体)等技术与客观条件限制，另一方面与观测系统和信号频率等因素密切相关。在理想条件下弹性波CT分辨率不小于第一菲涅尔带[5]，因此如果探测的异常体尺寸越小，所需要的信号频率就越高。不同的射线密度和射线视角直接影响着成像质量。常用的测线布置方法有两侧透射、三侧透射以及最为理想的四侧透射。为保证成像精度，要尽可能加大扇形角度（α＞π/2）并保证射线密度，设为d异常体尺寸，△x为激发点距离和接收点距离，观测系统激发点和接收点布置应该尽可能满足△x≤d/3，即异常体尺寸越小需要的射线密度越大。

3.2 典型应用结果

某板式混凝土构件，内部钢筋较密，在其内部的相关位置设置了缺陷，用泡沫填充。测线布置见图1。分别对矩形截面两组对边进行扇形透射测试，图1中实心矩形为发振点，空心圆点为受信点，共计221条测线。测试结果见图2，从图2可以明显看出1个矩形低速区，表明在此混凝土构件底部存在低强度隐患，与实际情况非常一致。