基于合成孔径超声成像技术的混凝土腐蚀检测.pdf

混凝土无损检测专题DOI:10.11973/wsjc202308005基于合成孔径超声成像技术的混凝土腐蚀检测王健男，时贺龙，阙振业，张健3，郝路，潘永东（1.苏州轨道交通市域一号线有限公司，昆山2 15399；2.昆山市建设工程质量检测中心，昆山2 15337；3.同济大学航空航天与力学学院，上海2 0 0 0 9 2）摘要：地铁隧道盾构管片壁受工作环境中的腐蚀性离子作用，会产生腐蚀破坏，给隧道安全带来隐患，甚至可能减少隧道服役寿命，为此有必要对地铁隧道盾构管片壁进行检测。笔者结合合成孔径聚焦超声成像技术，对管片壁厚腐蚀破坏程度进行检测。首先，构建正演模型，对混凝土腐蚀结构进行有限元仿真分析，分析混凝土结构不同腐蚀程度对超声成像结果的影响；然后，分别对素混凝土平台和盾构管片构件进行检测试验。试验结果表明，超声成像技术可以快速、准确地实现素混凝土和盾构管片腐蚀状况的检测，可作为一种有效方法应用于地铁隧道工程检测中。关键词：隧道；盾构管片；混凝土；腐蚀；超声成像检测中图分类号：TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 8-0 0 2 4-0 6Concrete corrosion detection based on synthetic aperture ultrasonic imaging technologyWANG Jiannan,SHI Helong,QUE Zhenye,ZHANG Jian,HAO Lu,PAN Yongdong(1.Suzhou Metro Line 1 Co.,Ltd.,Kunshan 215399,China;2.Kunshan Construction Project Quality Testing Center,Kunshan 215337,China;3.School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:Due to the ion interaction in the working environment,the shield tunnel segment wall of the subwaytunnel can corrosion damage,increase the safety hazards of the tunnel and may reduce the service life of the tunnel.Therefore,it is necessary to inspect the shield tunnel segment wall of the subway tunnel.The author syntheticaperture focused ultrasoun imaging technology to detect the degree of corrosion damage the wall thickness of thepipe segment.Firstly,a forward model and finite element simulation analysis on concrete corroded structuresheimpact of different corrosion levels on ultrasonic imaging results of concrete structures Then,the plain concreteplatform and shield tunnel segment components separately.The experimental results indicate that ultrasonicimaging technology can quickly and accurately detect the corrosion status of plain concrete and shield tunnelsegments,providing an efficient and accurate quality and safety detection method for subway tunnel constructionprojects.Key words:tunnel;shield segment;concrete;corrosion;ultrasonic imaging detection随着我国交通建设事业的蓬勃发展，隧道工程建设技术也飞速发展，取得了众多成果，隧道施工建设中的安全隐患亦日益受到关注。隧道的支护衬砌收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 2作者简介：王健男（197 7 一），男，高级工程师，主要从事轨道交通工程质量安全管理工作通信作者：王健男，7 6 412 7 355 242023年第45卷第8 期无损检测混凝土结构容易受到环境中腐蚀因素的影响，产生开裂、渗漏等破坏，常见的腐蚀因素主要有与衬砌混凝土接触的腐蚀性水体、土壤与空气中的氯离子、硫酸根离子等腐蚀离子的复合作用1。衬砌混凝土腐蚀会严重影响隧道的使用寿命，因此，需要找到一种能够准确检测混凝土结构腐蚀情况的方法，并及时制定合理的治理与防护方案。无损检测2023年第45卷第8 期25基于合成孔径超声成像技术的混凝土腐蚀检测王健男，等：混凝土腐蚀程度的检测方法有两种思路，一种是通过检测混凝土腐蚀化学产物的演变，从而判断腐蚀程度，如 XRD 衍射、扫描电镜、能谱2-3 等方法，但这些方法需要对混凝土结构进行大批量的取样，会破坏混凝土结构，属于有损检测；另一种是通过检测混凝土腐蚀层厚度这一指标来判断腐蚀程度，如强度退化法、超声平测法、超声对测法4-6 1等，强度退化法属于有损检测，且检测周期长，需要做长时间的对比观察试验；超声平测法误差较大，超声对测法对检测条件要求较为苟刻，被腐蚀的混凝土表层较难满足检测条件。合成孔径聚焦技术是超声成像领域的一项热门技术，能够得到高信噪比、高质量、高分辨率的超声成像结果，相较于原B扫成像，大大提高了成像质量，被广泛应用于压力容器、焊缝、混凝土、木材等结构的无损检测当中。合成孔径聚焦成像技术基于超声传播理论，对多通道超声回波信号进行延时叠加处理，继而得到检测区域试件内部的剖面图像，可以直观、准确地观察到试件的内部特征8-10 1。该技术也被应用于隧道衬砌混凝土结构的缺陷检测中，可以有效检测衬砌混凝土厚度、内部缺陷、钢筋保护层厚度等特征。对于被腐蚀的衬砌混凝土结构，若混凝土腐蚀表面轮廓发生变化，腐蚀区域混凝土厚度减小，则可以通过合成孔径聚焦超声成像技术得到混凝土实体厚度，与混凝土未腐蚀厚度做对比，来确定混凝土腐蚀层厚度。笔者采用合成孔径聚焦成像技术对腐蚀混凝土结构分别进行有限元仿真和检测试验，验证了该技术在隧道衬砌混凝土结构腐蚀检测中的可行性。1混凝土腐蚀超声检测原理合成孔径超声成像技术是通过时延处理，对成像区域内每个像素点分别进行聚焦计算，对各通道上的回波信号结合对应延时进行信号叠加处理的，超声信号的延时叠加原理如图1所示。某一像素点（，之）处的像素值可表示为N-1I(,之)=)2wns,(t(1)Cn=0式中：S，（t）为通道un信号采样数据；N为换能器总数；rn/c为超声信号从聚焦点（，）到换能器阵列起始点的传播时间；t，为通道un对应的延时；c为混凝土中横波波速；，为幅度变迹函数。因为混凝土底部的像素点对应的回波信号最强，经过叠加处理后，信号会得到增大，所以在成像图中能直观看到底部对应的像素点处有较大的反射信号，从而可得到混凝土实体的实际厚度。延时单元回波信号ToSoT1SIPS2T2SN-1TN-1图1超声信号的延时叠加原理2混凝土腐蚀特征分析混凝土被腐蚀后，腐蚀面处会出现断层、参差不平的特点，使用超声探头对混凝土进行检测时，腐蚀面的几何结构会影响超声信号的传播路径，继而反映在超声成像结果中。笔者通过有限元法对不同程度腐蚀以及未腐蚀的混凝土进行正演模拟，分析腐蚀混凝土的超声成像结果。采用COMSOLMULTIPHYSICS有限元仿真软件进行正演模拟，模型的研究方法选择为“固体力学，瞬态”。为了简化仿真模型，忽略钢筋、骨料等杂质，设置材料为素混凝土的二维均匀介质模型。对于未腐蚀混凝土，模型几何设置为尺寸为500mmX300mm(长X宽)的矩形。对于腐蚀混凝土，设置了两种不同程度的腐蚀：矩形下边界设置成锯齿状，模拟腐蚀初期；矩形下边界设置成锯齿状，并将局部厚度减小至2 40 mm，模拟腐蚀加重和混凝土厚度大幅减小。受腐蚀混凝土仿真模型如图2 所示。为了最大限度地降低杂波对仿真结果的影响，将模型左右两边界设置为低反射边界。在模型上边界设置12 组线段，间距为30 mm，以模拟超声阵列换能器。划分模型网格，网格类型设置为自由三角形网格，设置最大网格大小为超声横波波长的1/10。对模型进行有限元计算，计算出模型各点的横向位移大小，来表征超声信号在模型内部的传播特征。提取12 组换能器位置处的时域信号，经合成孔径聚焦算法处理，得到混凝土模型未腐蚀和腐蚀情况下的超声检测图像（见图3）。无损检测2023年第45卷第8 期26基于合成孔径超成像技术的混凝土腐蚀检测王健男，等：(a)无腐蚀(b)腐蚀初期(c)腐蚀加重图2受腐蚀混凝土仿真模型5050100100150150u/2uu/2200200250250300300350350400400165-135-105754515154575105135165-165-135-105-75-45-15154575105135165ac/mmac/mm(a)无腐蚀(b)腐蚀初期50100150uuu/z200250300350400-165-135-105-75-45-151545751051351652/mm(c)腐蚀加重图3混凝土模型未腐蚀和腐蚀情况下超声检测图像对于未腐蚀混凝土模型的超声检测图像，可以在300mm位置处观察到明显的反射信号。对于腐蚀混凝土模型，可以看出随着腐蚀程度的加重，底部反射信号附近散射信号增多，当腐蚀加重导致混凝土厚度发生明显减小时，可以看出在2 40 mm深度处出现了反射信号。因此阵列超声成像技术可以有效检测出混凝土是否腐蚀，以及其腐蚀位置与腐蚀程度。3混凝土腐蚀超声检测数据处理方法对腐蚀混凝土进行检测，最终目的是得到混凝土的腐蚀厚度。通过超声成像检测技术，可以得到未腐蚀混凝土实体的实际厚度，已知原混凝土厚度便可计算出腐蚀混凝土层厚度。但是由于原始信号中有较大的直达波信号以及各种较小的散射信号，直接进行成像处理会导致成像图中旁瓣幅度较大，成像对比度不高，无法保证得到的混凝土厚度数据的可靠性，故需要对原始数据进行预处理，去除信号中的直达波信号，并对信号进行Hilbert包络变换处理，信号处理前后成像效果对比如图4所示。由图4(b)可见，成像结果中30 0 mm深度的底部反射信号中心位于335mm深度处，这是因为正无损检测2023年第45 卷第8 期27基于合成孔径超声成像技术的混凝土腐蚀检测王健男，等：5050100100150150200uu/z2002502503003003503504004005010015020025030050100150 200250300ac/mmac/mm(a)原始数据（b）去除直达波和Hilbert变换后图4检测信号处理前后成像效果对比弦波信号的峰值时间T比信号的触发时间T有一定的滞后，导致在成像图中反射信号中心比实际位置偏移了半个波长。无腐蚀混凝土模型去除直达波后，Hilbert包络变换前后的信号对比如图5 所示，图中T1与T2的时间差导致了成像图中信号深度存在偏差。成像过程中对信号修正半个波长，即可得到深度正确的超声成像结果。X10-92.0F一原始数据1.5-Hilbert变换后1.0uu/0.5T0.0WMM-0.5-1.0-1.50100200300400500600时间/us图5无腐蚀混凝土Hilbert包络变换前后信号对比混凝土原始厚度为H。，根据数据处理后的超声成像结果，得到的混凝土实体厚度为H，则混凝土腐蚀厚度 H,=H。-H。4混凝土腐蚀检测试验素混凝土和盾构管片腐蚀的超声检测结果存在一致性。分别对素混凝土平台的腐蚀以及腐蚀盾构管片进行检测试验，验证超声成像技术对素混凝土腐蚀程度的检测效果以及该方法在盾构管片腐蚀检测中的适用性。4.1素混凝土平台腐蚀检测试验对上海某污水处理厂内蓄污池顶部素混凝土平台的腐蚀程度进行检测，该蓄污池顶部混凝土长时间受污水冲刷，极容易发生腐蚀破坏，其腐蚀检测现场如图6 所示。此次检测使用的设备为俄罗斯A1040MIRA图6素混凝土平台腐蚀检测现场型超声断层成像扫描仪，仪器带有412 的换能器阵列,激发中心频率为 5 0 kHz,其实物如图7(a)所示。同时也使用意大利IDSRISOne型探地雷达设备进行验证试验，其实物如图7（b）所示。(a）MIR A 超声断层成像扫描仪(b)IDSRISOne探地雷达图7试验设备实物在现场选择一处混凝土平台进行检测，在待测区域均匀布点，对各测点下方混凝土层的厚度进行检测，继而评估腐蚀程度。部分混凝土腐蚀超声阵列成像检测结果如图8 所示，测点A、B的成像图中均可以观察到明显的界面反射信号，周围都存在散射信号，表明测点A、B下方混凝土层均存在腐蚀现象。检测时将十字线中心移动到界面反射信号幅值最大处，此时成像图左侧的之轴刻度即为该界面反射信号的深度。由此可得，测点A处的混凝土厚度为2 5 5 mm；测点B处的混凝土厚度为199mm。由于测点A、B处于同一座污水池的顶部混凝土平台上，混凝土原始厚度是一致的，可见相较于测点A，测点B处的混凝土厚度较小，腐蚀厚度较大，腐蚀无损检测2023年第45 卷第8 期28基于合成孔径超声成像技术的混凝土腐蚀检测王健男，等：113717.11.202114.4017.11.20210-150-10050050元10 0豪米-150-1005050100元毫米0X嘉米米505000100100150乙米150255200号199200250250-振幅振福30030086.0842350350400速度米利速度，米秒40022404502500450燕米豪米(a)测点A(b)测点B图8混凝土腐蚀超声阵列成像检测结果程度更为严重。分别在测点A与测点B处布置两条测线，使用探地雷达设备检测混凝土厚度，其结果如图9所示。经计算，测点A与测点B处的厚度检测结果分别为257.3mm与2 0 1.9 mm。以探地雷达设备的检测结果为标准，超声成像检测在测点A与测点B处的检测误差分别为0.8 9%与1.43%，误差均在2%以内，满足工程实际要求。ac/mma/mm012345670123456002244su/恒su/面668810101212(a)测点A(b)测点B图9混凝土腐蚀探地雷达检测结果由此可见，超声阵列成像技术可以有效地检测出素混凝土的腐蚀情况，笔者继续探究超声阵列成像技术对盾构管片腐蚀情况的检测效果。4.2盾构管片腐蚀检测试验浇筑了一段盾构管片构件，其厚度为35 0 mm，试件实物如图10 所示，对管片构件外侧一端面进行凿毛处理，处理范围为外侧面面积的1/3，来模拟盾构管片的腐蚀区域；其余2/3区域不做处理，以模拟无腐蚀的管片构件。使用超声阵列探测设备分别在管片内侧腐蚀和未腐蚀区域进行检测，检测结果（截图）如图11所示。由图11可见，7 0 mm深度处的小范围圆形信号是钢筋反射信号，在腐蚀区域，即凿毛处理的管片外侧区域，混凝土层厚度为336 mm；另外的未腐蚀区域混凝土厚度检测结果为35 0 mm，与试件浇筑厚度一致，得出腐蚀厚度约为14mm。图10盾构管片试件实物使用探地雷达设备沿管片内侧中线进行扫描，检测结果如图12 所示。对蓝色线表示的测量区域进行腐蚀厚度测量，经计算，腐蚀区域厚度为331.6mm，未腐蚀区域管片实体厚度为35 0 mm，故腐蚀层厚度为18.4mm，与超声成像检测结果接近，证明超声成像检测方法可以准确地对盾构管片腐蚀进行检测。无损检测2023年第45 卷第8 期29欢迎欢迎订阅投稿欢迎登基于合成孔径超声成像技术的混凝土腐蚀检测王健男，等：15:4827.12.2021154527512.2021-150-100-50050100豪米-150-1005050100#米X.嘉米叠米5050-5656100100元Z毫米150150336200350200250250振幅振幅30030088.7912350350400速度，米移速度，米楼40029304502890450豪米米(a)腐蚀区域(b)未腐蚀区域图11盾构管片超声阵列成像结果ac/mm0.00.51.01.52.02.53.00一未腐蚀一腐蚀5Su/1015图12盾构管片腐蚀探地雷达检测结果5结语采用超声阵列成像技术检测混凝土的腐蚀情况，并对素混凝土和盾构管片构件的腐蚀检测结果进行对比，得出以下结论。（1）混凝土腐蚀界面轮廓错落不平，会导致成像图中底部反射信号分散，附近散射信号增多。（2）通过合成孔径聚焦成像算法可以得到检测区域内混凝土层的纵部面成像结果，从而得到混凝土的实体厚度，进而计算出混凝土层的腐蚀厚度。（3）合成孔径超声成像检测结果与探地雷达技术检测结果一致，合成孔径超声成像技术与探地雷达技术均可对素混凝土与盾构管片的腐蚀进行有效检测。参考文献：1李宝成.隧道混凝土多因素定向腐蚀效应与性能退化规律研究D.镇江：江苏科技大学，2 0 17.2姚维益，金祖权，高嵩，等.温度和氯盐对混凝土硫酸盐化学腐蚀的影响J.沈阳工业大学学报，2 0 15，37(4):475-480.3耿健.硫酸盐侵蚀环境下再生细骨料砂浆的破坏机理J.华中科技大学学报（自然科学版），2 0 14，42（5）：85-89.4杜健民，焦瑞敏，韩晓丽，等.基于腐蚀层厚度的混凝土硫酸盐腐蚀速率基准模型的建立J.混凝土，2 0 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