防开裂 找空洞 给混凝土做CT就是这么简单
时间：2020-3-17 来源：企业公众号 查看次数：4797
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近年来，一种新型的无损检测方法应用越来越广泛，这就是超声波CT法。超声波具有穿透能力强，检测设备简单，操作方便等优点，特别适合于对混凝土的检测，尤其适合对大体积混凝土如大坝、桥墩、承台及混凝土灌注桩的检测。常规的超声波对测法及斜测法可检测混凝土内部的缺陷，但这需要操作人员具有一定的工作经验，且检测精度也不够高，仅能得到某些测线上而非全断面的混凝土质量信息。将计算机层析成像(Computerized Tomography,简称CT)技术用于混凝土超声波检测，即为混凝土超声波层析成像检测方法。该方法首先将待检测混凝土断面剖分为诸多矩形单元，然后从不同方向对每一个单元进行多次超声波射线扫描，即由来自不同方向的多条射线穿过一个单元，用所测超声波走时数据进行计算成像，期成像结果可精确、直观表示出整个测试断面上混凝土的缺陷及质量信息，使检测精度大为提高。
通过超声波测试混凝土内部缺陷，会遇到以下挑战
非均质材料带来强烈的结构噪声
检测对象结构的复杂性（内部存在钢筋、管道等）
被检物体尺寸大
被检测对象通常处于使用状态中–只能提供有限的接触面
很少有系统性/指导性文件
每个被测物体都有“唯一性”和“特殊性”
操作员的专业技能和经验有很大影响
但选择超声波检测，又具有以下优势和局限性：
可获得较深的穿透深度
内部结构的可视化与结果解释的简易性
多种多样的测量/分析方法（表面脉冲速度、体脉冲速度、脉冲回波、SAFT/DFA超声层析成像）
检测参数对被测物体属性的可调性：工作频率范围20-150 kHz
声衰减与频率强烈相关
对紧密铺设钢筋的敏感性较低（与探地雷达相比）
检测灵敏度和分辨率与波长（ l 〜2 – 25 cm）相当
钢筋会影响可探测性
那么遇到这些挑战和局限性，我们该如何解决？今天，给大家介绍一款德国ACS-Solutions公司生产的超声波三维层析成像仪—— A1040 MIRA。
（1） 功能和应用
为评估建筑结构完整性，可检测厚度达2米的混凝土构件
为评估建筑结构完整性，可检测厚度达80厘米的钢筋混凝土构件
寻找混凝土体、钢筋混凝土或自然石块中的外来包体、孔洞、空隙、分层、充填泄露、裂缝等
检测厚度达2米的大理岩或花岗岩构件
寻找钢筋混凝土中，管径大于10毫米的金属和塑料管道
检测直径大于900毫米的碳棒的内部结构
检测钢筋混凝土桥梁上加固通道的情况
检测灌注结构的基础、桩体、露头部位的空隙和充填泄露
寻找地铁和铁路隧道衬砌后方的孔洞和空隙
检测玻璃鼓风炉的耐火垫
评估钢筋的混凝土保护层厚度
在施工地点受限情况下，从单边表面测试某对象的厚度
（2）技术参数
干点接触剪切波换能器，带陶瓷防磨帽
25～85 kHz中心频率
换能器装载有弹簧，保证在不平整表面顺利工作
相控阵天线，带48个换能器，呈4×12排列，尺寸365×115×125 mm，重量4.5 kg
测试深度：50～2000 mm
可充电电池，5小时工作时长
每测点数据采集处理时间：不大于3 s
Introview软件用于3D成像
工作温度 -10°C至50°C
（3）特点
单边接触结构体，可以对结构内部进行成像
可探测的不连续体的尺寸：
圆柱体缺陷——直径大于10毫米
球体缺陷——直径大于25毫米
高效——每次点测仅耗时数秒钟
易上手，使用简单
轻便防震的塑料外壳
干点声学接触——检测时无需使用耦合剂，不需要对测试表面进行特殊处理
天线阵列可适应不平整表面
耐磨处理的换能器探头
对不同的缺陷具有高度的测量准确度和仪器灵敏度
自动计算超声剪切波在测试体中的传播速度
系统自带内存以存储数据，使用外部电脑可以B-、C-、D-Scans的切片方式对内部结构作3D成像
MIRA超声波断层扫描成像仪测试原理
MIRA基于超声波脉冲回波方法，采用激发和接收换能器组成的收发对模式。一个换能器激发应力波脉冲，另一个换能器则接收反射回来的脉冲。脉冲从激发到被接收的时间可以被测得。如果波速C已知，则反射界面的深度则可以被计算出来（假设两个换能器相距很近）
MIRA A1040超声波探头由4×12个干点换能器阵列和一个控制单元组成，换能器为信号发射和接收装置，可发射周期脉冲。探头内的控制单元激活一排换能器作为信号发射端，而其它排的换能器作为信号接收端。上图表示第一排换能器发射信号，其它换能器接收信号。图中显示了信号传播路径。此后，下一排换能器发生信号，其右侧的换能器接收信号。此过程循环重复，直至前11排换能器都已经激发过信号为止。
下图显示每次测量时获得的66条射线路径。每点采集和处理数据的时间不超过3秒。测量的信号传播时间会被计算机处理生成天线下方空间的2D图像。重建的图像可以显示反射界面的位置，这些界面有可能是构件的底面、钢筋，以及最重要的内部混凝土-空气界面（比如空洞、裂缝和分层等）。
如果构件内部的混凝土-空气界面（缺陷）足够大，一部分激发的应力脉冲会被该缺陷提前发射。如右图所示，因为射线路径更短，由缺陷反射的信号会早于构件底面反射的信号到达接收端。信号处理软件依据每排换能器接收到的反射脉冲的到达时间，来推断构件内部缺陷的位置。注意图中某些换能器不会接收到来自缺陷或者底面的反射信号，因为缺陷的存在阻挡了射线的传播，这即是某些2D图像中的盲区现象。
MIRA超声波成像仪技术特点
阵列式系统：MIRA的控制器是一个阵列式的控制器，由12个模块组成，每一个模块包含4个横波传感器。当超声波信号发出后，接受到信号的会被控制器进行处理，然后转移到电脑用合适的软件进行处理。
合成孔径聚焦超声成像：通过将阵列小探头接收的超声信号合成处理而得到与较大孔径探头等效的声学图像，对接收到的信号作适当的声时延迟或相位延迟后再合成得到的被成像物体的逐点聚焦的声学图像，其特点是可以获得较好的横向分辨率。
干耦合换能器：传统的换能器需要使用耦合剂才能与混凝土表面紧密接触。干耦合即不使用耦合剂，通过弹簧弹力实现与被测表面的耦合。使用干耦合换能器加快了检测速度，并消除了耦合剂涂抹不均匀对测量结果的影响。
成像显示：数据采集得到的实时二维图像。用不同的颜色表示不同强度的反射。也可以使用idealViwer 3D软件将在多个位置测量的结果整合，在计算机中上生成三维图像，更加直观。
横波检测：固体中的声波有纵波、横波和表面波三种类型。传统方法只利用纵波，横波和表面波携带的信息被忽略。改用横波检测有以下好处：
①信噪比提高：超声横波在混凝土中的散射比纵波弱，因而横波检测的噪声更低;
②分辨能力有所增强：识别越小的细节需要的波长越短，而混凝土中横波的波长大约是同频率纵波波长的60%;
③缺陷的反映更明显：因流体中的声波只有纵波，横波遇到欠密实、缝隙和空洞等缺陷后几乎全被反射，其反射系数大于纵波。
该仪器有三种操作模式
400毫米的厚板，其中贯通2个直径100毫米的金属管道，覆盖层100毫米。其中一个管道中空，另外一个充填无收缩水泥浆。此外，预制板浅部布有钢筋，且方向与管道平行。右图所示为从预制板顶面采集的3D扫描结果。为使孔道看得更清楚，深部包含预制板底面的数据被截断。中空孔道显示为红色，反映空气界面的强烈反射。灌浆管道则显示为黄绿色，反映钢绞线的较弱反射。两孔之间和灌浆孔右侧的钢筋显示为浅蓝色。可以看出，灌浆孔道远端显示为红色，表现为空洞特征的强烈反射。为验证灌浆不完全，对灌浆孔的两处进行了开挖：(1)远端150毫米处，即空洞反射所在位置；（2）在大概中央位置，即没有空洞反射显示的位置。
下图所示为开挖位置1的B-scan图像和对应的照片。B-scan显示灌浆孔道此处的反射与中空孔道类似，清楚得指示出此处可能未被灌填完全。开挖后的照片显示，一些钢绞绳没有嵌入灌浆中。至此，灌浆孔中的不密实孔洞被证实。
下图为位置（2）的结果。B-scan图像显示灌浆孔道此位置的反射比中空孔道振幅更弱。这些弱振幅反射源于孔道中的10根钢绞绳。灌浆-钢界面的反射系数小于空气界面，所以灌浆密实位置的反射信号不显示为红色。开挖结果显示钢绞绳都被包裹在灌浆中。开挖时移除金属管壁的过程中不慎压裂了灌浆，所以有些钢筋暴露在外。
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