Ультразвуковой толщиномер бетона

Контроль толщины конструкций из бе­тона и железобетона достаточно нужная и часто встречающаяся на практике за­дача. Примеров здесь можно привести множество. Толщина покрытия взлетно-посадочной полосы существенно влияет на ее прочность и долговечность. При строительстве используют бетон высокого качества, который могут уложить в меньшем количестве в нарушение про­ектной документации. Такая же ситуация встречается и при строительстве других монолитных сооружений. Очевидно, что контроль толщины в таких случаях — весь­ ма актуален для предприятия-заказчика.

Канализационный коллектор, как известно, подвержен разрушению агрессивными стоками. В местах наиболее интенсивного разрушения, например пол помещения над коллектором, осо­бенно при значительной внешней нагрузке очень важно периодически измерять его остаточную толщину.

Еще пример — гидротехническое сооружение, построенное много лет назад. Документация утеряна. Требуется замонолитить несколько ан­керов в стену водовода. Насколько можно углу­ биться в стену, чтобы не пройти ее насквозь? Для этого нужно знать толщину стены. Подобные ситуации возникают часто и при реконструкции других сооружений, когда нет возможности оп­ределить толщину стены или перекрытия по стро­ительным чертежам. Несколько лет назад авто­рам этой статьи пришлось на практике столк­нуться с задачей определения толщины фун­дамента, на котором был ранее установлен, а затем демонтирован большой металлорежущий станок. На этот фундамент при реконструкции цеха предприятия нужно было установить но­вый мощный станок, для которого требовалась определенная толщина бетонного основания. И нужно было оценить, необходимо ли наращивать толщину фундамента и если да, то насколько.

Эти примеры показывают, что задача из­ мерения толщины бетона — важная и ответст­венная. Ее конкретные выражения очень раз­нообразны. Диапазон измеряемых толщин от нескольких сантиметров до нескольких метров. И решение этой задачи во всем диапазоне воз­можно, по-видимому, исключительно с помощью ультразвука.

В отличие от контроля металлов и дру­гих мелкоструктурных материалов с отно­сительно небольшим затуханием ультра­звука контроль бетона возможен лишь на частотах не более 100 ж 150 кГц. Хотя известны попытки использования и более высоких частот. Одна из глав­ных причин этого — большое и быстро растущее с частотой затухание ультра­звука. В частности, на частоте 150 кГц оно в типичном строительном бетоне марки 400 может достигать величины 100 дБ/м.

Следствием композитной структуры бетона и тем более железобетона, где зерна крупного заполнителя и силовая арматура соизмеримы с длиной волны ультразвуковых колебаний, является ин­тенсивный шум структурной ревербера­ции. Он превалирует над всеми состав­ляющими помех при контроле бетонных конструкций методами отражения.

Другой особенностью бетона как ОК является существенная (до 20 мм) неров­ность поверхности, с которой требуется выполнять контроль. Это в значительной степени ограничивает возможность при­ менения типовых ультразвуковых преоб­разователей и жидкостей для обеспече­ния акустического контакта.


Еще одним фактором, усложняющим контроль, является неравномерное рас­пределение бетона в теле конструкции, наличие зон рыхлого бетона и даже полостей в местах густого армирования. Вследствие этого средняя скорость распространения ультразвуковых ко­лебаний в конструкции непостоянна по объему, и степенью этого непосто­янства определяются метрологические возможности любого метода контроля толщины конструкции. В зависимости от качества укладки бетона разброс скорости распространения продольных ультразвуковых волн в пределах одной монолитной конструкции может дости­гать 20 % и более.

Перечисленные особенности бетона потребовали разработки специализиро­ванных методов и средств ультразвуко­вой толщинометрии бетонных конструк­ций при одностороннем доступе.

Методы толщинометрии бетона

Условие одностороннего доступа к ОК ограничило круг методов, применимых для толщинометрии бетона методами отражения. Физическая суть их одина­кова — это излучение в ОК или возбуж­дение в нем ультразвуковых колебаний и прием рассеянных преимущественно в обратном направлении ультразвуковых волн, в параметрах которых содержится информация о толщине зондируемого материала. Различаются методы спосо­бами излучения зондирующих сигналов, способами приема ультразвуковых сиг­налов из ОК и способами обработки принятых сигналов.

Метод волны удара (МВУ) (в англоязыч­ной литературе «Impact-Echo Method») основан на излучении в ОК сигналов, называемых ударными, то есть близких по форме к видеоимпульсам с широким относительным спектром частот. Обычно в качестве излучателей исполь­зуют специальные механические (электромеханические) ударные устройства или молотки. Сигналы принимают широкополосными ультразвуковыми пре­образователями. Частотный диапазон колебаний при контроле бетона МВУ, как правило, ограничен только сверху характеристиками бетона. Нижняя гра­ница диапазона лежит в области слыши­мых частот. Направленность излучения и приема колебаний практически от­сутствует по причине малых волновых размеров излучателей и приемников ультразвуковых колебаний.

При известной скорости с распростра­нения продольных ультразвуковых волн в материале конструкции ее толщина d вычисляется по измеренной частоте f толщинного резонанса: d = c/2f.?Достоверно и с приемлемой для прак­тики точностью МВУ позволяет измерять толщину только таких ОК, форма кото­рых напоминает плиту, то есть когда толщина объекта как минимум в пять раз меньше двух других его размеров. При невыполнении этого условия спектр час­ тот принимаемых колебаний становится сложным, изрезанным, содержащим ре­зонансные пики, вызванные отражени­ями между разными ограничивающими ОК гранями. Анализ такого спектра час­ то приводит к ошибочным результатам.

Другая характерная область примене­ния МВУ — это контроль длины и дефект­ности забитых в грунт свай.

Резонансный метод измерения тол­щины отличается от МВУ тем, что в ОК с помощью специальных вибраторов или пьезопреобразователей создают вынужденные колебания с медленно нарастающей частотой и регистрируют частоты, при которых амплитуда коле­баний достигает максимума. Толщину конструкции вычисляют из приведенной ранее формулы по наибольшей найденной частоте толщинного резонанса.

Этот метод дает большую точность измерений в сравнении с МВУ, так как энергия колебаний сосредотачивается на резонансной частоте, а не распределена в широком диапазоне. Это способствует более высокому отношению сигнал/шум. Регистрация частоты резонансного пика выполняется с высокой точностью. Однако резонансному методу также присущ недостаток, который заключается в низкой достоверности измерений при соизмеримости габаритных раз­ меров ОК. На достоверность результата силь­но влияет состав, структура и дефекты бетона конструкции. Наличие внутренних полостей в сильно армированной плите может практически полностью разрушить резонансный пик.

Классический эхо-метод, широко применяемый при контроле металлов на частотах в единицы мегагерц, для толщинометрии бетона используется относительно редко по причине очень низкой направленности апертурных уль­тразвуковых преобразователей и труд­ностей создания акустического контак­та с бетоном. Поскольку длины волн ультразвука в бетоне на частотах порядка 100 кГц составляют несколько сантиметров, то для преобразователя с диаметром апертуры даже в две длины волны затруднительно создать приемле­мый акустический контакт с неровной поверхностью бетона через жидкость. Направленность же такого преобра­зователя будет существенно хуже, чем направленность ультразвуковых пре­образователей на частотах в единицы мегагерц, волновые размеры которых порядка 5 — 10 длин волн. В аппаратуре применяют исключительно импульсное излучение ультразвука с минимальной длительностью зондирующих импульсов с целью уменьшения мертвой зоны и повышения разрешающей способности по толщине.

Для создания направленного излучения и приема ультразвука при контроле бетона ис­ пользуют метод синтезированной апертуры, при котором излучение и прием ультразвуковых колебаний выполняют малыми в сравнении с длиной волны ультразвуковыми преобразова­телями, собранными в матричные антенные решетки. Зондирование ОК выполняют после­ довательно каждой парой элементов решетки (излучатель-приемник). Такой вид зондирования назван комбинационным. Размеры реше­ток выбирают в несколько раз больше длины волны ультразвука в бетоне. Для повышения отношения полезного сигнала к структурному шуму бетона используют сканирование решет­кой поверхности ОК. Принятые ультразвуковые колебания от каждой пары элементов решетки обрабатывают совместно в компьютере так, что результат обработки получается аналогич­ ным тому, если бы на поверхности ОК находился большой ультразвуковой преобразователь, фо­кусирующийся в нужную точку внутри объекта или на плоскость, расположенную на некоторой глубине.

Сравнительно недавно был разра­ботан еще один метод толщинометрии бетона и ему подобных материалов.Он назван авторами резонансно-муль­ типликативным. Метод можно рас­сматривать как разновидность резонанс­ного. В соответствии с ним излучающий и приемный ультразвуковой преобразователи несколько раз устанавливают в произвольные положения на поверх­ность ОК. В каждом из положений за­писывают частотные характеристики ОК. На этих характеристиках помимо ос­новных резонансных максимумов, соот­ветствующих габаритным размерам ОК, присутствуют и побочные резонансные пики, вызванные крупноразмерными неоднородностями бетона. Затем полу­ченные частотные характеристики пере­множают, в результате чего происходит подавление второстепенных резонанс­ных пиков и подчеркивание основного, по резонансной частоте которого и вы­числяют измеряемую толщину.

Аппаратура и ее применение

Рис. 1. Импакт-эхо толщиномеры компаний OLSON INSTRUMENTS, INC. США (вверху) и Germann Instruments А/S, Дания (внизу)

Несколько примеров измерения тол­щины бетонных изделий импакт-эхо ме­тодом. Использовалась лабораторная аппаратура. Измерения выполняли в ходе научных исследований по обнаружению различных моделей де­ фектов в бетоне.

Серийный выпуск приборов, реализу­ющих импакт-эхо метод, освоен несколь­ кими компаниями. Конструктивно эти приборы выполнены малогабаритными с автономным питани­ем. Их применяют не только для контроля толщины бетонных изделий, но и для по­ иска достаточно крупных дефектов в них. На рис. 1 показан общий вид толщиноме­ ров компаний OLSON INSTRUMENTS. INC (США) и Germann Instruments (Дания). Диапазон измеряемых толщин бетона первого прибора от 38 мм до 1,8 м. О погрешности измерений не сообщается. Погрешность измерений аналогичного прибора фирмы Germann Instruments по заявлению производителя составля­ет 3,2 %. К недостаткам импакт-эхо толщи­номеров можно отнести влияние на результат измерения человеческого фактора при ручном способе удара, за­висимость точности измерений от фор­мы ОК (метрологическая корректность обеспечивается только для объектов типа «плита»), существенное влияние на значение резонансной частоты наличия за донной поверхностью других сред, на­пример, грунта за фундаментной плитой. В России этот метод не получил заметно­го распространения для решения задачи толщинометрии бетонных ОК. Резонансно-мультипликативный тол­щиномер построен в виде лаборатор­ного аппаратно-программного комплек­ са для проведения акустических иссле­дований и измерения толщины бетонных изделий и конструкций. Его применение при контроле колонн и фундаментов зда­ний показало, что относительная погреш­ность измерений не превышает 3%.

Наибольшее распространение в прак­тике УЗК толщины бетонных конструк­ций получили приборы, основанные на эхо-импульсном методе, как в класси­ческом виде, так и в большей степени с применением метода синтезирован­ной апертуры.

Впервые эхо-импульсный метод был применен для измерения толщины бор­дюрного камня в шестидесятых годах прошлого века. Для этого были ис­ пользованы наклонные ультразвуковые преобразователи с преломляющими призмами, разнесенные на некоторое расстояние друг от друга. Углы ввода и приема ультразвуковых колебаний были подобраны по критерию максимальной амплитуды донного сигнала. Контактной жидкостью служила дезаэрированная вода. Погрешность измерений не хуже 3 % измеряемой толщины.

Приведенный пример нельзя в пол­ ной мере считать фактом практического применения аппаратуры для измерения толщины бетона. Это скорее успешный эксперимент, показавший потенциаль­ную возможность эхо-метода для реше­ния конкретной задачи.

Классическое применение эхо-мето­ да для измерения толщины бетонных конструкций, где пока­ зано, что, используя ультразвуковой совмещенный пьезопреобразователь с низким уровнем собственных ревербе­рационных помех, можно обнаруживать донные сигналы в бетонных изделиях с достаточным для измерений отношени­ем сигнал/помеха. Апертура этого пре­образователя имела диаметр около двух длин волн. На основе такого преобразо­вателя был создан макет толщиномера с графическим дисплеем, на котором кроме результата измерений отобража­лась осциллограмма принятого эхо-сиг­нала. Диапазон измерений составлял 50 — 500 мм. Погрешность измерений с учетом непостоянства скорости ультра­ звуковых колебаний в бетоне не превы­шала ±10%. Для калибровки прибора по скорости ультразвука в зоне контроля использовались продольные подповерх­ностные ультразвуковые волны, для излучения и приема которых в корпусе основного преобразователя были ус­тановлены две пары вспомогательных преобразователей с диаметрами апер­туры 10 мм. Этот прибор был, по мне­нию авторов, первым эхо-импульсным толщиномером для контроля бетона, рассчитанным на практическое исполь­зование в полевых условиях. До него за­ дача толщинометрии бетона находилась на стадии исследований.

Рис. 2. Ультразвуковой толщиномер-дефектоскоп для контроля бетона УТ201М

Для серийного производства макет толщиномера был существенно перера­ ботан, и на его базе создан промышлен­ный прибор УТ201М. Вместо прямо­ го совмещенного ультразвукового пре­образователя в нем была использована 8-элементная матричная (4 х 2) антенная решетка с апертурой 160 x 8 0 мм и ра­ бочей частотой 70 кГц. Алгоритм работы созданного толщиномера был основан на методе синтезированной апертуры с комбинационным зондированием. Его внешний вид представлен на рис. 2. В качестве контактных сред использова­ли воду, солидол или вязкий полиметил- силоксан, который обеспечивал наилучший акустический контакт.

Для измерения скорости продоль­ных ультразвуковых волн в конкретном месте ОК с прибором использовали дополнительное устройство поверхност­ного прозвучивания с двумя встроен­ ными в его корпус ультразвуковыми преобразователями с сухим точечным контактом (СТК) (рис. 2). Габаритные размеры электронного блока толщи­ номера 310 x280 x90 мм, масса 6 кг. Габаритные размеры антенной решетки 210 х 110 х 68 мм, масса 1,4 кг.

Наряду с возможностью измерений толщины в диапазоне 50 ч- 500 мм с пог­решностью не более +10 % УТ201М поз­волял наблюдать эхо-сигналы на экране в виде А-скана в недетектированном представлении и после преобразова­ния Гильберта, т. е. в виде зависимости от времени огибающей реализации при­нятых колебаний. Поэтому прибор мог выполнять функции эхо-импульсного дефектоскопа для бетонных и железобетонных конструкций. Пример изображения, полученного с экрана прибора УТ201М, представлен на рис 3, где виден донный сигнал при контроле блока из мелкоструктурного бетона толщиной 300 мм, а в нижней части экрана — огибающая этого сигнала. Однако практическое примене­ние этого прибора во многом ограничи­валось видом и состоянием ОК.

Рис 3. Изображение, полученное с экрана прибора УТ201М, при контроле мелкоструктурного бетонного образца толщиной 300мм.

Измерения конструкций из сборно­ го железобетона обычно не вызывали затруднений, за исключением случаев, когда внешние поверхности (дневная или донная) были либо механически, либо от времени разрушены. Под отслоившимся от эрозии поверхностным слоем бетона могла оказаться пористая и грубая по­ верхность. Акустический контакт антен­ ной решетки даже при использовании пластилина создать не удавалось. При неровностях донной поверхности до 5 мм амплитуда эхо-сигнала такая же, как от гладкой поверхности, полученной при использовании металлической опалубки. Но при большей разнице высот выступов и впадин донной поверхности, вызван­ ной разрушением, амплитуда снижается. Однозначного соответствия между амп­литудой сигнала и шероховатостью дон­ ной поверхности нет, так как с увеличе­ нием шероховатости отраженный сигнал теряет верхние частоты своего спектра и период колебаний в эхо-сигнале увеличи­вается. Амплитуда же при этом меняется слабо. При неровностях более 15 мм ам­плитуда становится заметно меньше.

Контроль толщины монолитных конст­рукций кроме состояния их внешних поверхностей всегда осложнен неизвестной внутренней структурой бетона. Поэтому поведение донного сигнала внутри непредсказуемо. При сдвиге ан­тенной решетки всего на 50 — 100 мм от места с хорошо видимым на экране донным сигналом можно было получить полное его отсутствие. Для получения хоть каких-то результатов приходилось набирать некоторую статистику: если некий сигнал при сканировании поверхности конструкции чаще всего появлял­ ся в одном и том же месте, то его, скорее всего, можно было считать донным и по нему проводить отсчет толщины. Вообще эти измерения требовали большого уме­ния и опыта от оператора.

Рис. 4. Внешний вид ультразвукового низкочас­тотного дефектоскопа А1220 для контроля бетон­ных конструкций

Трудности создания акустического контакта антенной решетки прибора с грубой поверхностью бетона были пре­одолены, когда удалось разработать низкочастотные ультразвуковые преобра­зователи с СТК, относительной полосой пропускания порядка 100% и низким уровнем собственного реверберационного шума. Исследования струк­турного шума бетона, а также влияния помех от поверхностных волн на обна­ружение полезных сигналов показали, что при контроле бетона эхо-методом с применением преобразователей с СТК выгоднее использовать поперечные уль­тразвуковые волны. Отношение сигнал/шум оказывается в среднем на 10 дБ выше, чем при использовании продоль­ных волн. Основываясь на этих исследованиях, был разработан ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп А1220, показанный на рис 4, который предназначался также и для измерений толщины бетонных конструкций.

А1220 состоял из электронного блока с графическим дисплеем и антенной решетки из 24 ультразвуковых преобразователей поперечных волн с СТК. Половина элементов решетки использовалась в качестве излучате­лей ультразвуковых импульсов, другая половина — в качестве приемников. Габаритные размеры электронного блока 234x98x33 мм, масса 0,8 кг. Габаритные размеры антенной решетки 145x90x75 мм, масса 0,76 кг.

Диапазон измерений толщины для тя­желых бетонов (в частности, марки 400) 50 ж 600 мм. Однако донные сигналы в высокопрочных бетонах можно было наблюдать на экране при толщинах до 1,5 м. Погрешность измерений толщины этого прибора, как и других эхо-импульсных приборов для контроля бетона, га­ рантировалась в пределах ± 10 %. В эту погрешность входит и средний разброс скоростей ультразвука в объеме бетона. Подробнее о характеристиках и резуль­татах применения дефектоскопа А1220.

Рис. 5. Внешний вид дефектоскопа А1220 «Монолит»

Серийный выпуск А1220 был начат в 1998 г. Прибор не имел аналогов в ми­ ровой практике и позволял не только проводить измерения толщины конст­рукций, но и решать разные дефекто­скопические задачи. Кроме поста­вок в страны ближнего зарубежья он оказался востребованным и в странах Западной Европы.

С 2004 г. начат серийный выпуск де­ фектоскопа А1220 «Монолит». По срав­нению с предшественником он конструктивно, программно и в части элек­тронного построения существенно мо­дернизирован. В частности, появиласьвозможность наблюдения эхо-сигналов внутри регулируемого строба и изме­рение времени запаздывания сигнала с дискретностью 0,1 мкс по моменту превышения сигналом любого устанав­ливаемого порога, как положительного, так и отрицательного. Это позволяет с повышенной точностью измерять глу­бину расположения границы раздела бетона и материала с любым волновым сопротивлением, как большим, так и меньшим, чем у бетона, различая знак этой разницы. Введена возможность на­ копления до 32 реализаций сигнала при повторных зондированиях, что на 15 дБ повысило чувствительность прибора при работе методами прохождения. Максимальная глубина отражателя, от которого эхо-сигнал поперечной волны отображается на экране, доведена до 2 м. А1220 «Монолит» получил также развитую систему настроек парамет­ ров прибора, аналогичную настройкам высокочастотных дефектоскопов обще­ го применения.

Габаритные размеры электронного блока и антенной решетки изменились мало, масса электронного блока уменьшена до 0,65кг. Внешний вид дефектоскопа А1220 «Монолит» приведен на рис 5. Диапазон измерений толщины и погрешность остались прежними, как у А1220, так как эти характеристики в значительной степени определяются материалом контролируемой конструкции.

Рис. 6. Донный эхо-сигнал на экране А1220 «Мо­ нолит» при контроле бетонной плиты толщиной 400 мм

На рис 6 показано изображение реализации принятых колебаний с экрана А1220 «Монолит» при контроле плиты из бетона с наибольшей крупностью заполнителя 20 мм и толщиной 400 мм. Донный сигнал находится на отметке 400 мм горизонтальной шкалы. На удво­ енной глубине можно различить второй донный сигнал в плите. Курсор ручного измерителя глубины установлен на зна­ чение 916,6 мм.

Часто при измерениях толщины дон­ный сигнал (при А-скане) недостаточно хорошо различим на фоне структурного шума. В этих случаях операторы обыч­но пользуются режимом сканирования «Лента», при котором антенную решетку переставляют по поверхности ОК вдоль прямой с шагом порядка 2 0 — 4 0 мм.?При этом на экране отображается В-скан эхо-сигналов в координатах «рас­стояние по поверхности ОК от начальной точки — глубина». В этом случае донный сигнал проявляется в виде горизон­тальной полосы на некоторой глубине. И измерение толщины уже не составля­ет трудности. Более того, можно даже оценить изменение толщины конструк­ции вдоль линии сканирования, а так­же обнаружить небольшие отражатели в ОК по появлению их образов в виде темных пятен на глубине меньшей, чем толщина конструкции. На рис. 7 показа­но изображение с экрана дефектоскопа в режиме «Лента», полученное при сканировании бетонной плиты толщиной 400 мм. На этом изображении вверху — А-скан с горизонтальной (глубинной) шкалой в миллиметрах, внизу — В-скан, где по вертикали отложены глубины в метрах. Черная горизонтальная поло­са на В-скане — образ донной поверхности плиты.

Рис. 7. Изображение с экрана А1220 «Монолит» в режиме «Лента», полученное при сканировании бетонной плиты толщиной 400 мм

Измерения толщины металлических изделий на частотах в единицы мегагерц обычно происходят при отношени­ях сигнал/шум много больших единицы. Обнаружение донного сигнала, измере­ ние его времени запаздывания и ин­ дикация результата в цифровом виде выполняются автоматически.

При контроле бетона картина совер­шенно другая. Низкие отношения сигнал/шум, близкие к единице, пропадание дон­ного сигнала из-за плохой отражающей способности донной поверхности или внутренних нарушений сплошности бето­на, затеняющих донный сигнал, а также густое армирование, создающее повы­шенный структурный шум, не позволяют проводить измерения по одиночной реализации принятых колебаний от одного положения антенной решетки. Поэтому приходится использовать сканирование антенной решеткой ОК с построением В-скана. Этот режим уже чисто дефек­ тоскопический, так как в большинстве случаев только в нем и можно обнару­жить внутренние дефекты бетона.

Поэтому задача толщинометрии бе­тонных и железобетонных конструкций в силу весьма неблагоприятных для УЗК свойств бетона почти не отличается от задачи дефектоскопии таких конструкций при одностороннем доступе. Поэтому и приборы только с автоматическим циф­ровым отсчетом толщины без отображе­ния хотя бы А-скана принятых сигналов не имеют никаких преимуществ перед приборами, основанными на импакт-эхо методе, и производить их нет смысла.

Таким образом, толщиномеры для кон­троля бетонных конструкций — это од­ новременно и дефектоскопы, причем с особо выраженными дефектоскопичес­кими функциями приближающими их по возможностям к еще более можным приборам-томографам, которые в свою очередь, с еще лучшей достоверностью позволяют измерять толщину железобетонного массива. Что касается погрешности измерений, которая весьма тесно связана с достоверностью или даже вообще возможностью получения результата, то подробно рассмотреть ее зависимость от всех сопутствующих контролю бетона причин в этой статье невозможно. Она зависит не только от метода толщинометрии и свойств ОК, но даже и от способа получения информативного параметра (времени запаздывания сигнала) при использовании какого-то одного метода измерений, в частности, эхо-метода, то есть зависит от методики контроля. Метрологическим аспектам толщинометрии бетонных конструкций целесообразно посвятить отдельную развернутую статью.

По материалам сайта: http://vectornk.ru