超声波断层扫描仪应用于混凝土路面质量无损检测评估

摘要

近年来，由于路面钻孔取芯提取具有破坏性和非生产性的特点，路面养护技术加强了无损技术在路面评价中的应用，导致了多种设备和评价方法的发展。本文介绍了基于低频超声层析成像技术在混凝土路面参数评估中的应用。该设备应用于三个不同混凝土路面的实验部分。给出了超声波信号处理，结果分析能够有效可靠地识别混凝土板内的厚度和钢筋位置。其中厚度不足的施工问题在一个实验部分中得到证明，并且在低于设计的位置进行了加固。此外新型混凝土质量指标的使用与截面内横向裂缝和碱硅反应的存在相关。

1. 简介

      无损评估方法是对结构分析技术，无需对材料进行物理检查。可以在不实际接触材料内部的情况下观察材料内部的各种参数。这类研究的*大优点显然是无害的评价特性。对于路面在层分析和表征中发现的主要问题之一是材料的巨大异质性。单个位置提取可能不能代表整个结构。此外，样本钻孔取芯提取或在路面挖沟可能会造成或多或少的损坏。替换掉的材料肯定不会呈现与原始层相同的属性。此外提取附近已知的裂缝和断层等故障的潜在来源，因为这些点的应力配置与连续结构不同。重组材料和原始层之间的粘附问题加剧了这个问题。除了结构细节之外，材料取证成本高昂、费力、效率低，而且可能无法代表整个结构。

      目前，破坏性和非破坏性技术的结合使用已成为道路结构评价的主要手段。首先，采用无损检测设备对路面进行全面、快速的评估。在数据解释之后，有问题的位置或对设备结果有疑问的位置进行更深入的研究。由于路面结构通常延伸数公里，方法的组合似乎是施工后评估（厚度检查、钢筋的存在和定位、早期损坏等）和维护中的关键点可行性研究（水的存在、空隙等）。除了这些任务，与破坏性程序不同的是，无损方法可以是施工期间的质量控制工具，而不仅仅是评估遇险和/或维护和恢复措施的工具。此外在不造成进一步损坏或破坏的情况下进行的遇险检查可以极大地帮助维护决策，例如是否进行部分或全部修复。

      本文的主要目标是使用无损阵列超声成像扫描技术来分析与性能和劣化相关的路面混凝土结构的相关方面。介绍了取芯样品和无损检测的厚度直接比较；通过断层扫描图像重建和信号解释寻找出现横向裂纹和碱硅反应 (ASR) 的位置。还介绍了超声断层扫描仪设备(A1040 MIRA) 程序的数据处理。

2.  混凝土路面现代无损评价方法

非破坏性方法如果正确执行和解释，可以快速评估特定点而不会损坏。然而人们应该意识到所有方法都有可能导致灾难性结果的简化。在本节中将讨论*现代的无损评估方法，重点是质量、缺陷和局限性。

2.1 探地雷达（GPR）

GRP可以配备不同频率的天线。通过使用高频天线，结果以高分辨率出现，但深度范围较低。相反低频天线以较低的分辨率提供更深的渗透。大多数商用 GPR 提供频率在 50 MHz 和 1.5 GHz 之间的天线。路面的主要 GPR 评估功能是确定沥青层和混凝土层的厚度。使用与车辆空气耦合的 GPR 设备进行调查的可能性使得这种类型的评估非常有效，使其几乎是连续的，交通中断*小，GPR 校准通常通过使用混凝土样品来完成，将传播时间与准确的样品厚度进行比较（。在上述研究中，混凝土试件的实测厚度与探地雷达测得的厚度之间的观测误差在 50 到 150 毫米之间。应该指出的是，其他研究发现由于介电常数的估计不准确导致了重大错误，这加剧了对该参数进行彻底研究的必要性。对于桥梁，一项研究能够正确测量 77% 的检查案例的混凝土保护层。GRP 结果与实际数据之间的平均差异为 10 毫米。对于混凝土厚度95% 的测量是成功的（平均误差为 9 毫米）。 

      然而尽管讨论了结果，但一些研究指出了探地雷达评估中的困难和缺陷。2012 年的一项研究报告称，探地雷达返回的信息大多是准确的，但仅适用于较小的厚度。此外非均匀裂纹的可视化很困难，其他人也指出了用 GPR 观察空隙和裂缝的问题。此外当水分含量过高时，电磁波会被迅速吸收而失去效力。因此实际上不可能研究新拌混凝土或处于固化早期阶段的混凝土。由于混凝土对 GPR电磁波的缓解作用，有关基层和次基层的数据会丢失，这在沥青路面中不会发生，这表明如果板下方出现强烈反射，则受损区域非常令人担忧，尽管如此在某些地方，强烈的反射并非是有水的区域或者空隙，而是没有空隙的粘土或饱和基底，这就需要破坏性验证。

2.2  红外断层扫描

大多数材料吸收红外线辐射这会导致温度升高，此外所有温度高于**零的物体都会发出红外线能量，为了使这些热数据可见且易于理解，使用热成像技术将这种热辐射模式转换为可见图像。为此应用了红外热成像仪，值得注意的优点包括不需要与被分析对象直接接触、高效率读数（快速响应）、高分辨率和便携性等。但是红外评估取决于多种因素，例如材料温度、大气温度和气候条件。根据前面提到的阳光的影响更清楚地突出了升高温度的物体，从而改善了结果。然而阳光也可能影响掩盖真实材料温度。另一项研究在强调发现混凝土分层的技术成功潜力的同时，也关注了气候条件对结果的干扰。此外温度对材料表面读数的影响更加简洁，因此难以解释更深层次的评估。除了红外断层扫描的缺点之外，还必须知道，当需要知道物体的温度时，测量结果是物体温度和物体发出的温度的组合。因此传递更多热量的材料会影响相邻材料的温度。

2.3 超声断层扫描

超声波技术应用高频波（大于 20,000 Hz）来表征材料的特性并检测故障。由换能器产生的声波穿过所研究的材料，然后被表面的接收器接收。信号分析允许发现有关信号传播方式的信息，该技术已在医学和金属和复合材料的评估中成功使用多年。在混凝土材料中，超声波检测已被用于检测夹杂物、估计混凝土试样的抗压强度和弹性模量等。然而大多数方法需要至少在试样的两侧耦合传感器和传感器，这不适用于路面层。此外超声波方法在混凝土和沥青等典型路面材料中的应用存在问题，因为需要耦合液体并且难以达到所需的厚度，因为不同的层会导致波衰减。

为了克服这些问题，干式接触点换能器能够发送低频 (50kHz) 的剪切波，允许在更深的深度进行有效穿透。A1040 MIRA阵列超声成像仪是此类设备的一个示例，它有 48个换能器和接收器，检测耗时不到 2 秒，并生成 2D 图像区域。特别是对于非常异构的材料，尽管材料具有异质性，但低频波（通常为 50 kHz）允许信号穿过混凝土，当发生声学不连续性时，信号总是会被反射，这被定义为介质之间的界面，其中后续介质的阻抗不同。 图 1显示了该设备并将其工作原理与冲击回波进行了比较。

图 1冲击回波与MIRA

观察到 A1040 MIRA阵列超声成像仪（超声波断层扫描仪）与检测的混凝土覆盖层和板厚度试样之间的高度相关性。各种研究证明了 A1040 MIRA超声波断层扫描仪的灵敏度，样本试件厚度与 MIRA 厚度测量之间的相关指数为 0.9968。

3. 不同混凝土路面结构参数分析

超声波勘测是在三个实验路面部分进行的。实验路段为：

（a）150mm 厚和250mm 厚的普通混凝土路面的停车场

（b）位于公交车站的100mm 厚的超薄白色罩面(WTU) 

（c）连续钢筋混凝土路面 (CRCP)，其板厚为 240 毫米 

3.1  混凝土板厚度

为了识别两种材料（两层）之间的划分，需要考虑超声波捕获的更**别的反射（更高的信号幅度）。由于混凝土板和基材具有不同的特性，预计这些介质中的剪切波速度会有所不同。路面结构几何的简单性也有助于识别这种反射。图 2显示了一些用于厚度测定的 B 扫描案例。

图 2  设计厚度为 (a) 150 mm 的混凝土板的厚度测量；(b) 250 毫米；(c) 和 (d) 100 毫米；(e) 和 (f) 240 毫米

在 图2 板坯和基底之间的轮廓由不同于B-扫描残留物的反射线表示。板和底座之间界面的*完美表示将是一条连续线，如图所示图 2B. 然而校准、混凝土异质性、微裂缝和板基粘附等几个因素可以改变信号的形状和强度。信号衰减很明显图2C和 2D 为 WTU。请注意，WTU 的反射强度（位于 B 扫描右侧的条形图）的*大峰值为 2，而 JPCP 的峰值为标准值 3。较小比例的反射显示了更多细节B扫描。这种比例增加对于更好地可视化界面线是必要的。假设由于 WTU 板完全粘附在基层（沥青）上，与混凝土板未粘附到基层的其他情况相比，超声波信号受到的衰减更小。大多数 WTU B 扫描显示的情况类似于图 2C，只有三种情况具有更大的界面反射，如图 2D。这可能是后一种情况下粘附力损失的迹象，A1040 MIRA阵列超声成像仪（超声波断层扫描仪） 用于识别两个沥青层之间的附着力损失。如果是图 2F，可以看到界面上方更高水平的噪声。这些衰减可能由轻微的故障、粗骨料的分离或测量校准中的问题引起。然而对于所有情况，都可以测量揭示其深度的反射信号的*高值。该值（位于每个 B 扫描下方）被认为是每个板的厚度。不应考虑楼板/基础界面下方的反射，因为设备校准仅考虑**层（混凝土）对其下方的层分析几乎没有用处。

      WTU 厚度基本上等于设计厚度,然而对于 JPCP，尤其是对于 CRCP，发现了主要变化。**个的板厚比项目薄约 15 毫米，CRCP 提出了一个案例（图 2E) 比工程厚度略厚，其他远低于它（图 2F)。两个位置的试样都被移除（图3 ) **种情况的厚度为 240.6，第二种情况的厚度为 190.1，提取证实了该方法的准确性，显示误差变化约为 5 毫米，与发现的一致。

图3  CRCP 板坯试样鉴定提取

3.2 加固

上述分析过程会自动记录材料内声阻抗的变化。由于钢筋的几何形状众所周知，钢筋识别非常简单。图 5显示了 CRCP 强化的 B 扫描重建。通常，板和底层之间界面上的信号幅度大于钢筋幅度，这解释了前者更大的反射水平。界面反射中断（图B）或减弱（图4B 和 4C) 也预计在钢筋正下方，因为该区域的超声信号损失或衰减。该评估对于验证结构的重要方面（如钢筋存在、深度和间距）非常重要。对于 CRCP调查发现在一些情况下，钢筋的位置低于项目指示的钢筋深度，这表明该实验部分存在另一个建设性问题。钢深/厚比设计为 0.42，然而，厚度不足加上钢筋错位使得竣工比为 0.55。

图 4  CRCP 加固重建

3.3 病害

除了厚度和钢筋重建之外，大多数常见的混凝土路面破损在尺寸和形状上都没有已知的几何形状，这使得破损识别更加复杂。因此两个重建特征是主要焦点：板/基础界面上方的意外反射（图 5 A-D) 和/或同一界面处的破损（图 5 B和C)。正如前一项中的强化所证明的那样，当信号到达界面时，界面上方的夹杂物会导致信号幅度的损失。在图5显示了 CRCP 中的两个横向裂纹和 JPCP 中的两个碱-二氧化硅反应 (ASR) 的四种损坏情况。可以观察到图中所示的重建之间的巨大差异图5和中图2和图5。由于混凝土均匀性的变化（水泥浆的空隙、分层和降解），重建显示出通过混凝土的意外反射。同样界面下方的反射是仅参考**层的校准材料的结果，然而混凝土中的特性使这些反射在这些情况下更加明显。

图 5  出现（a）和（b）裂缝的遇险位置重建；(c) 和 (d) ASR

3.4 具体质量指标

由于混凝土路面破损的形状和深度不可预测，一些重建并不像图中所示的那么清晰，如图5。为了解决这个问题，创建了一个超声波信号质量指标，即希尔伯特变换指标 (HTI)。图 6显示了同一块板上的两种情况，它们各自的超声波信号。**种情况（图 6A) 对应于没有退化的混凝土，其中超声波信号的幅度变化很小。另一方面，在图6B（带有 ASR 表面指示的位置），可以观察到几个表示材料特性（应力）变化的振幅峰值。**种情况的 HTI 值为 82，后一种情况的 HTI 值为 112。同样有趣的是，仅仅 B 扫描重建不一定会告知病害的存在，因为在第二种情况下很少出现中间板反射，强调了直接分析超声波信号的重要性。表 1显示了重建的 HTI 值图2、5 和 6。请注意，在图 5（病害）显示 HTI 大于 90，正如预期的那样。大约 90 的值可能表明初期苦恼表明 HTI 能够预测尚未发展到表面的苦恼。

图 6  声音 (a) 和损坏 (b) 混凝土的信号幅度差异

 表 1 所示 案例的希尔伯特变换指标 (HTI)

5. *后的考虑

为了充分研究混凝土路面超声无损评估的潜力，在三个实验区进行了一系列调查。超声波设备和信号分析方法允许对三个混凝土板进行厚度验证，而不会对路面造成任何损坏。两个地点的调查（混凝土样本）证明了该设备的准确性。此外还观察了对超薄部分边界条件的考虑。同样该方法允许在连续钢筋混凝土路面 (CRCP) 部分中定位纵向钢筋。对于CRCP，低于设计的厚度和错位的钢筋表明存在严重的施工问题。

在对遇险进行的超声图像重建中，观察到了像 CRCP 中的横向裂缝和有接缝的素混凝土路面 (JPCP) 中的碱-二氧化硅反应 (ASR) 等病害，认为是意外的板中反射（材料变化）。然而仅图像重建分析不足以表明遇险的存在。因此，超声波信号的直接分析技术能够在损坏和未损坏位置之间进行数值区分，显示出在到达板表面之前预测损坏的前景。