Nedestruktivní měření tloušťky betonu ultrazvukovou odrazovou metodou

1. Úvod

V současné době jsou kladeny vysoké nároky na kvalitu provádění staveb, betonové konstrukce nevyjímaje. Zatímco kontrola vlastností vstupních materiálů je na solidní úrovni a navíc i relativně snadno proveditelná, podstatně horší je prokazování kvality hotových konstrukcí. Z hlediska betonu nejde jen o jeho vlastnosti, jako jsou např. rovnoměrnost, pevnost v tlaku nebo statický modul pružnosti, ale rovněž o skryté vady a poruchy, k nimž řadíme nedodržení tloušťky konstrukce (což je typické např. pro průmyslové podlahy nebo ostění tunelů), přítomnost velkých kaveren (u hustě vyztužených konstrukcí) nebo delaminaci (neošetřené pracovní spáry, trhliny apod.).

Diagnostika výše uvedených vad a poruch byla donedávna značně obtížná, zvlášť u masivnějších konstrukcí přístupných pouze z jedné strany. V minulosti byla částečně používána metoda radiografická, i když s řadou omezení, dále např. metoda impact echo. Jinak nezbývalo než provést řadu jádrových vývrtů. V posledním desetiletí však došlo k výraznému posunu v oblasti nedestruktivní diagnostiky jak z hlediska rozvoje metod, tak i z hlediska vývoje přístrojové techniky. Velkého rozmachu ve stavebnictví dosáhla metoda GPR (radarová), ale rovněž ultrazvuková odrazová metoda, nazývaná též pulse echo. Právě možnostem metody pulse echo je věnován tento příspěvek.

2. Princip ultrazvukové odrazové metody (pulse echo)

Pro zjišťování vlastností betonu využíváme ve stavební praxi ultrazvukovou impulzovou metodu, spočívající ve vysílání krátkých svazků tlumeného mechanického kmitání do materiálu. Toto kmitání vzniká v budiči, který pravidelně a opakovaně vysílá elektrické impulzy. Během zkoušení konstrukcí a materiálu se mohou použít dvě, popřípadě jedna sonda. Při použití dvou sond funguje jedna jako budič ultrazvukových vln a druhá jako jejich snímač. Pokud se používá jen jedna sonda, zastává obě funkce a je tedy zároveň budičem a snímačem. Sonda (piezoelektrická) po přiložení k povrchu konstrukce nejprve funguje jako budič vysílající do konstrukce mechanický signál, poté se přepne do režimu snímání, kdy přijímá signál odražený od protějšího povrchu konstrukce nebo překážky a mění ho na elektrický obraz. Takto přeměněný obraz se zobrazuje na obrazovce přístroje jako tzv. „echo“. Podle počtu sond, jež jsou použity při zkoumání konstrukce, se metody nazývají [1, 2]:

• ultrazvuková metoda impulzová průchodová – využívá dvě sondy;
• ultrazvuková metoda impulzová odrazová (pulse-echo) – využívá jednu sondu.

Ultrazvuková impulzová metoda odrazová se neustále zdokonaluje a rozšiřují se její možnosti využití v diagnostice konstrukcí. Metoda může být použita například k:

• měření tloušťky;
• zjištění přítomnosti vad ve vybraném prvku nebo konstrukci (kaveren, delaminací);
• určení polohy vad;
• stanovení rovnoměrnosti betonu;
• stanovení fyzikálně-mechanických vlastností (zejména modulu pružnosti).

Nevýhodou metody je nutnost použití složitějších a dražších přístrojů než u metody průchodové, výhodou je naopak možnost zkoumat i konstrukce přístupné pouze z jedné strany, jako jsou stěny, průmyslové podlahy nebo ostění tunelů. Rovněž se lépe diagnostikují např. stropní desky, které jsou sice přístupné z obou stran, avšak zajištění protažení kabeláže skrz ně a koordinace měření průchodovou metodou jsou složité a časově náročné.

Při použití ultrazvukové metody odrazové se doba průchodu signálu zkoumaným prvkem zjišťuje jako čas, který uplyne mezi vysláním ultrazvukové vlny do prostředí, následným odrazem vlny od vzdáleného povrchu (případně vady) a zaznamenáním odraženého echa v místě vyslání signálu. Moderní přístroje dokáží sledovanou dobu zobrazit na svých obrazovkách jako graf A-scan, který zachycuje výchylky impulsu v závislosti na času (Obr. 1). Nejprve je na obrazovce zaznamenán počáteční impuls, dále impuls vady uvnitř prostředí (echo vady) nebo echo zadní stěny.

Z přesného času průchodu ultrazvuku zkoumaným prostředím lze stanovit tloušťku konstrukce, popřípadě hloubku zjištěné vady. Při známé rychlosti šíření ultrazvukových vln zkoumaným prostředím a času t₁, který udává dobu mezi vysláním a zaznamenáním odraženého signálu od vady, lze stanovit hloubku vady jako d₀ :

Obdobným způsobem přístroje vyhodnotí také tloušťku dané konstrukce jako:

pouze s tím rozdílem, že čas t₂ je čas zaznamenání odraženého echa zadní stěny konstrukce [3].

Je nutné poznamenat, že ultrazvuková odrazová metoda využívá příčné vlnění – na rozdíl od průchodové metody, kdy měříme rychlost podélného vlnění.

3. Použité přístroje a sondy

Na trhu se objevuje stále více přístrojů pro ultrazvukovou odrazovou metodu. Mezi nejznámější patří např. systém MIRA [4]. Autoři příspěvku měli k dispozici přístroj Pundit 250 Array. Odrazové sondy jsou z důvodu zlepšení možností analýzy odražených signálů konstruovány jako maticové, tedy s větším počtem budičů a snímačů uspořádaných do matice – Obr. 2. Používají se nízkofrekvenční ultrazvukové snímače krátkých pulzů s kontaktem suchého bodu – ve světě je tento princip známý jako tzv. „dry point contact“, ve zkratce DPC [5].

Na obrazovce přístroje lze ultrazvukové impulzy zobrazit třemi možnými způsoby, a to jako zobrazení A (A-scan), B (B-scan) a C (C-scan).

A-scan je zkratkou pro „amplitude scan“. Jedná se o nejjednodušší zobrazení, při kterém jsou zaznamenávány dva základní parametry odezvy: velikost (amplituda) a čas výskytu odezvy. Většinou se tyto parametry zobrazují na jednorozměrné jednoduché mřížce, kde vertikální osa představuje amplitudu a horizontální osa představuje čas [6].

B-scan je zkratkou pro „brightness scan“. Jedná se o dvojrozměrné zobrazení s informacemi vyšetřovaného prostředí v určitém řezu. Toto zobrazení nám umožňuje „nahlédnutí“ do zkoumané konstrukce. Pohybem sondy po dráze, která bývá většinou přímočará, se průběžně získávají jednotlivá echa. Výstupem je poté vykreslení tloušťky konstrukce, případná hloubka vad na horizontální ose, které byly získány z naměřených odezev. Vertikální osa zde představuje dráhu sondy, po které se pohybovala [6].

Zobrazení B je doplnění zobrazení A a je možné zobrazení obou scanů současně na obrazovce přístroje – viz Obr. 3.

Pundit 250 Array využívá 24 snímačů rozdělených po řadách (trojicích) do 8 kanálů. Při snímání dané konstrukce vždy funguje jeden kanál jako vysílač a zbylé jako přijímače s tím, že během snímání musí zastat každý kanál funkci vysílače i přijímače. Takto vznikne celkem 28 A-scanů, které se mapují pomocí syntetické clony do obrazu hledaného B-scanu. Výrobce udává taktéž možnost měření do hloubky až jednoho metru. Oproti předchůdci je schopný měřit v režimech: A-scan, B-scan v reálném čase, panoramatický B-scan a získávání rychlosti šíření ultrazvukových vln [7].

4. Měření tloušťky průmyslové podlahy

Prvním příkladem praktické aplikace ultrazvukové odrazové metody (pulse echo) je měření tloušťky průmyslové podlahy. Jedná se o typický příklad ze stavební praxe, kdy nedodržením požadované tloušťky podlahy lze poměrně výrazně „ušetřit“. V případě zkoumané podlahy byla podle projektové dokumentace požadována tloušťka podlahy z drátkobetonu 240 mm. Jelikož vznikly oprávněné pochybnosti o dodržení této hodnoty, byly provedeny zkoušky pomocí přístroje Pundit 250 Array. V různých částech haly vycházela tloušťka podlahy pomocí ultrazvuku od 167 mm do 190 mm. V místě, kde byla naměřena nejnižší hodnota 167 mm (viz Obr. 4), byl proveden kontrolní jádrový vývrt o průměru 100 mm (viz Obr. 5), jednak za účelem ověření tloušťky, jednak pro stanovení pevnosti v tlaku a obsahu drátků.

Jádrové vývrty byly následně odebrány v dalších místech, kde tloušťky pomocí ultrazvuku vycházely od 173 mm do 190 mm. Porovnání výsledků měření tloušťky podlahy s délkou jádrových vývrtů ve stejných místech jsou uvedeny v Tab. 1. Výsledky měření pomocí ultrazvuku a na vývrtech se lišily od 1 mm do 7 mm.

5. Kalibrační měření na polostěnách o známé tloušťce

Při měření sondou Pundit 250 Array byly zjištěny určité odchylky v naměřené tloušťce betonu. Z toho důvodu byla sonda testována na polostěnách v parkovacím domě FAST VUT (viz Obr. 6), u nichž byla známá tloušťka (300 mm).

Na každé stěně byla nejprve stanovena průměrná rychlost šíření příčných ultrazvukových vln (s-wave) ze šesti měření v různé výšce. Takto stanovená rychlost pak spolu s dobou průchodu (rovněž stanovenou na 6 místech v různé výšce) sloužila k výpočtu tloušťky prvků. Výsledky měření pomocí sondy Pundit 250 Array jsou uvedeny v Tab. 2.

Průměrná hodnota tloušťky betonu polostěn stanovená sondou Pundit 250 Array vyšla 288,4 mm, což je přibližně o 3,9 % méně, než byla skutečná tloušťka. Největší odchylka o −33 mm (11,0 %) byla zjištěna u vnější polostěny A3.

Výsledky porovnávacího ultrazvukového měření tloušťky betonu polostěn sondou Pundit 250 Array ukázaly, že měření je poměrně přesné. Průměrná odchylka měřené tloušťky dosáhla jen −3,9 % ze skutečné hodnoty, což při tloušťce 300 mm dělá přibližně 12 mm (maximální odchylka činila −11,0 %, tedy 33 mm). Rozhodujícím faktorem odchylky naměřené tloušťky je stanovená rychlost šíření ultrazvukového vlnění. Tato se měří na povrchu konstrukce. Vzhledem ke skutečnosti, že největší odchylka měřené tloušťky betonu byla zjištěna vždy u polostěny A3 (v řadě polostěn u otevřené strany parkovacího domu) a rovněž u dalších méně chráněných polostěn B3 a A4, je zde patrná souvislost mezi stavem povrchu betonu a naměřenou rychlostí šíření ultrazvukového vlnění. Toto zjištění je důležité pro další využití metody.

6. Závěr

Ultrazvuková odrazová metoda, známá ve světě pod názvem pulse echo, je velmi perspektivní metodou určenou zejména pro diagnostiku masivních konstrukcí a konstrukcí přístupných pouze z jedné strany. Dosah použité sondy Pundit 250 Array je cca 1,0 m. Příspěvek se zaměřil zejména na zjišťování tloušťky betonu. V prvním případě byla nedostatečná tloušťka drátkobetonové podlahy zjištěná ultrazvukem následně potvrzena pomocí jádrových vývrtů. Ve druhém případě šlo o porovnání přesnosti měření prováděného. Zde se ukázalo, že sonda Pundit 250 Array je pro stanovení tloušťky konstrukce velmi vhodná – odchylka od skutečné tloušťky činila v průměru jen −3,9 %. To znamená, že například při měření podlahy o tloušťce 240 mm je odchylka cca 10 mm, což lze považovat za velmi dobré hodnoty. Současně se ukázalo, že měření může být ovlivněno vlastnostmi povrchu betonové konstrukce. Studium těchto vlivů na výsledky ultrazvukových měření bude jistě předmětem budoucích výzkumů.

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu juniorského specifického vysokoškolského výzkumu na VUT č. FAST-J-22-8074.

Literatura

1. Kopec, B. a kol.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí. Brno, CERM, 2008, ISBN: 978-80-7204-591-4
2. Anton, O.: Základy zkušebnictví: návody do cvičení. Brno, CERM, 2002, ISBN: 80-214-2079-0
3. Ultrasonic Wave - an overview | ScienceDirect Topics. ScienceDirect.com | Science, health and medical journals, full text articles and books. [online]. Copyright © 2020 Elsevier B.V. or its licensors or contributors. [cit. 20.02.2020]. Dostupné z: https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/ultrasonic-wave
4. MIRA - Ultrasonic Pulse Echo Imaging. Construction Testing Equipment | PCTE [online]. Copyright © 2019 PCTE [cit. 20.02.2020]. Dostupné z: https://www.pcte.com.au/mira-ultrasonic-pulse-echo-imaging
5. Moved Permanently [online]. [cit. 20.02.2020]. Dostupné z: https://www.ndt.net/article/ndtce03/papers/v066/v066.htm
6. Schempp, P.; Preuß, K.; Tröger, M. About the Correlation Between Crude Oil Corrosiveness and Results From Corrosion Monitoring in an Oil Refinery. Corrosion. 72, 2016, https://doi.org/10.5006/1940
7. Pundit 250 Array - Ultrasonic Imaging Scanner. Construction Testing Equipment | PCTE [online]. Copyright © 2019 PCTE [cit. 20. 02. 2020]. Dostupné z: https://www.screeningeagle.com/en/products/pundit-250-array" target="_blank", datum citace 27.9.2022