混凝土构件的声波层析成像试验探究

廖常伟

摘要：声波层析成像技术主要是通过声波在物体内部传播，将声音信号通过特殊的数字处理技术，以图像的形式将物体的内部特性重现出来，对混凝土桥梁检测工程起到至关重要作用。声波层析成像技术是一个以地球物理勘探技术、数字计算机技术和数字图形学相结合的产物，其最初是应用在了医学领域，经进一步发展，在工程检测领域得到广泛的应用，并且取得了显著的成绩。本文主要对混凝土构件进行声波层析成像试验，试验的方式对层析成像的。结果有何影响进行分析，对层析成像法的影响因素进行了简要说明，并归纳了层析成像所存在的问题。首先对混凝土材料的竖向管道模型进行声波层析成像试验，探讨了混凝土内部钢筋，混凝土龄期及混凝土表面铺装沥青层对声波层析成像检测的影响，并提出相应的解决算法。最后对声波层析成像法存在的问题做了归纳性总结。

关键词：声波层析成像技术；混凝土构件；试验探究；

1引言

桥梁的设计、施工以及养护是确保桥梁正常运营的重要条件，尤为重要的是施工阶段内，对桥梁构件例如梁板、桥台、台身、墩柱、桩基等混凝土材料的构件浇筑质量的控制，在施工过程中，混凝土结构中出现的一些缺陷或损坏，都会对桥梁的正常运营造成一定的影响，严重的还有可能造成桥梁坍塌事故。混凝土的构件的好坏直接关系到结构的安全性使用，因此对准确获取混凝土构件内部情况，并快速且精确地获得混凝土构件内部质量的情况，这对混凝土结构的安全性能做出准确的评价，显得非常重要。现阶段缺乏对施工质量行之有效的检测与评价手段，虽然检测方式呈现多样化，但检测结果的准确性对检测人员和检测工艺都有一定要求，不同的检测手段对同一构件的评价结果会有一定的差别，因此迫切需要一种操作方便，检测结果。精确性高的检测手段来弥补这一不足。为解决桥梁混凝土质量的检测问题，开展针对混凝土桥梁结构与材料特性的桥梁声波层析成像新技术研究。

这些研究具有创新性，可填补国内外混凝土桥梁内部结构检测的空白，不但有利于提高在建桥梁的质量和耐久性，与此同时，也能为出现病害的桥梁进行加固维修提供行之有效的科学依据，对经济建设和社会发展都有重要的意义。

2试验仪器与构件模型

2.1 试验仪器

试验采用北京同度工程物探技术有限公司开发的声波CT检测仪和BCT系统。该套仪器包括主机、检波器电缆和独立检波器与数据线缆。采样频率最大1Mhz，24 位 A/D；拖缆式32道检波器，间距0.1m。目前，该仪器检测的精确度指标处于同类设备中的最高水平。数据分析采用北京同度工程物探技术有限公司自主开发的工程CT 分析软件。该软件系统具有走时读取、延时校正、射线追踪、速度计算等模块。

2.2 试验模型

为了研究声波CT 技术在梁板检测中的应用，本次试验共浇注了3 片混凝土构件，分别为竖向管道模型构件、离析模型构件、孔洞模型构件，竖向管道模型与离析模型构件长 3m，高1.5m，厚度为0.2m，孔洞模型构件长1.5m，宽1.5m，厚度0.2m，通过对3片试验梁板检测结果与设计缺陷进行对比来研究声波CT 技术的应用。同时为探究声波波速区域处理与否对检测结果的影响和声波时长选用问题采用带有裂缝的混凝土支座进行试验；为探讨较长构件对层析检测结果的影响，针对预应力混凝土空心板梁进行试验。竖向管道模型构件指的是在3×1.5×0.2m³的试验板浇筑过程中，在构件内部布置有一条直径为 16cm 的竖向管道，管道内部平滑无缝隙，上下贯通，构件使用C20 混凝土浇筑。

3. 声波层析成像法影响因素简要分析

3.1 钢筋影响分析

混凝土的波速会受到钢筋分布的一定影响，钢筋的波速Vst为5700m/s，比混凝土高，钢筋密集区的波速V会比纯混凝土V_C高。对于钢筋体积比为5%时，波速的调整量为 230m/s。对于C50混凝土，如果测得的波速为4300m/s，那么调整后素混凝土的波速为 4100m/s，调整量略低于5%。因此在钢筋混凝土结构中，由于钢筋与混凝土同时受力，钢筋会使结构变得更加安全，所以对于声波层析成像技术在对钢筋混凝土质量检测时，可以忽略钢筋对其产生的影响。

3.2 龄期影响分析

一般来说，混凝土的养护时间为28天，在低温季节，混凝土的养护时间还会适当加长。当混凝土龄期不够时，强度还未达到预定标准。一般龄期未到的桥梁，混凝土的强度还未达到标准强度，检测数值中会出现低速、低强度的区域，此时不能简单地使用上述标准对混凝土质量进行判断，只能客观地列出低波速区、低强度区的分布范围，不能对构件的强度做合格与否的判定。但在混凝土的龄期还不够标准时，如果此时检测数据达到合格指标，可以判定为合格。

3.3 沥青层影响分析

在对已经铺装沥青层的桥梁构件进行检测时，为确定沥青层对声波层析成像结果的影响，特进行简要分析。由于声波的波速在混凝土中的传播速度要大于沥青层传播速度，所以在进行计算时，若检测桥梁已经铺装沥青层，则还应对声波进行走时延滞校正。在沥青层激发产生弹性波后，弹性波在沥青层中以速度V

_as传播，此时沥青层波速V_as小于混凝土波速V，则发生折射现象。若在表面沿直线等间距布设若干检波点，可测得沥青层波速Vas，混凝土波速V，以及直达波与折射波同时出现的位置X₁。由此看来，沥青层会引起声波走时的延滞，且声波在沥青层的传播速度降低，令层析成像的结果趋于安全化。

4. 声波层析成像存在的问题

混凝土结构比较复杂，其并不是由单一材料组成，所以声波在混凝土结构中传播时，声波会在粗细骨料间发生相互作用，使声波在对混凝土构件进行检测时出现问题。下面对其原因作简要概述，第一，混凝土由水泥、砂、石、水按一定配合比组成，且水泥、砂、石成分复杂多样，声波在通过由这些材料构成的混凝土时，会在其表面发生随机性的漫反射现象，没有规律可言；第二，声波的波速、波幅、频率与波束的扩散角为非线性反比关系；第三，在对构件进行检测时，声波的产生会使混凝土颗粒产生共振，产生球面波，从而使一部分入射波变得混乱，波束传播路径发生改变。

波层析成像技术在工程检测领域有一定的局限性。有些被测构件的外包材料例如钢材部分外包，构件表面抹灰都对声波的传播一定的影响，所以，首先要确定被测构件是够满足声波层析成像检测的条件。被测物体的尺寸如果过大，在对其进行声波层析成像检测时，声波在构件内部传播势必会产生大幅度的能量衰减，虽然在一定情况下可获得数据，但是对于图像的质量必会有一定影响。声波层析成像技术在野外进行检测过程中，由于环境和不确定因素的限制，往往会产生错误的声波信号，如人为判定错误，对后期的数据处理会产生一定的麻烦，势必会影响检测结果的正确性。因此检测人员对其声波信号的好坏进行区分显得尤为重要。

4. 结束语

本文主要对混凝土构件进行声波层析成像试验，试验的方式对层析成像的。结果有何影响进行分析，对层析成像法的影响因素进行了简要说明，并归纳了层析成像所存在的问题。首先对混凝土材料的竖向管道模型进行声波层析成像试验，探讨了混凝土内部钢筋，混凝土龄期及混凝土表面铺装沥青层对声波层析成像检测的影响，并提出相应的解决算法。最后对声波层析成像法存在的问题做了归纳性总结。

参考文献

1. 徐仲民.混凝土桥梁缺陷、损伤及其危害的研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2010，6(05): 164-166.

2. 曹睿.桥梁混凝土构件强度检测方法研究[J].交通标准化，2011(08):153-155.

3. 潘晓军. 基于超声波技术的沥青混凝土路面无损检测研究[D].长安大学,2014.

4. 刘春艳. 混凝土桥梁内部缺损无损检测技术及评定标准研究[D].华南理工大学，2014.

作者：廖常伟，身份证号：512322198201243192。