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A1040 MIRA超声波断层扫描仪应用于钢筋混凝土路面检测
来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2021-04-19 | 116 次浏览 | 分享到:
随着越来越多的混凝土结构和路面接近或已经超过其设计寿命,故障和需要维修的数量以及所需的资金数量也在增加。在这项研究中,使用基于超声波脉冲回波方法的A1040 MIRA阵列超声成像仪,测试评估了结构和路面中的各种混凝土损坏。

     随着越来越多的混凝土结构和路面接近或已经超过其设计寿命,故障和需要维修的数量以及所需的资金数量也在增加。在这项研究中,使用基于超声波脉冲回波方法的A1040 MIRA阵列超声成像仪,测试评估了结构和路面中的各种混凝土损坏。评估的问题包括混凝土路面板中间深度的水平开裂或分层、混凝土路面板的剥落和地面开裂。A1040 MIRA阵列超声成像仪能够检测到混凝土中的不连续性,无论是裂缝、两块混凝土板界面的分层还是钢筋。

1. 介绍

      混凝土结构和路面的损伤是由各种机制造成的,确定最佳修复方法和边界不是一件容易的任务,主要是因为很难估计混凝土内部的状况。混凝土取芯是评价混凝土内部状况的常用方法;然而,取既耗时又有破损,而且在确定所需修补的边界方面价值有限。目前迫切需要一种能够及时准确地评估具体情况的无损检测方法,为修复方法和边界决策提供准确的信息。随着越来越多的混凝土结构和路面接近或已经超过其设计寿命,受损和需要维修的数量也在增加,所需的资金也在增加。

      因此通过选择最佳的修复方法和适当的修复边界来提高混凝土的修复性能变得十分重要。图1(a和b)显示了连续钢筋混凝土路面(CRCP)先前修复区域的重复损坏实例,认为这些病害的发生是由于在病害最初修复时选择了不适当的修复边界所致。一般来说维修边界是由现场维修人员确定的,他们通常只依靠视觉评估。目视检查通常无法检测到混凝土内部的损坏,并且经常导致对所需修复边界的误判以及如图 1(a 和 b) 所示的再次发生的故障。最重要的要求是任何测试方法对于识别和选择一个最佳的修复方法和适当的修复边界是能够准确地评估混凝土的状况不良区域。NDT方法可以为这类应用提供理想的候选方法。为了使NDT方法能够有效地实现这一目的,除了上述能力之外,还应易于在现场操作,并应及时提供准确的信息,而不需要进行深入的分析和解释。传统的超声波检测,如超声波表面波、冲击回波、冲击响应和探地雷达等方法可以满足上述无损检测的大部分要求,然而由于混凝土的非均匀性,这种测试方法通常会导致传输脉冲的高散射和衰减。此外传感器(超声波探头)必须使用耦合剂耦合到混凝土路面表面,这使得一些测试方法需要更长的现场测试时间。

图 1. 原始修复区域的损坏:(a) IH 27 和 (b) IH30

多个探头阵列的A1040 MIRA阵列超声成像仪 (也称超声波成像仪)克服了传统超声检测的局限性,是评价混凝土完整性和确定适当修复边界的理想无损检测方法。应用A1040 MIRA阵列超声成像仪评估其在确定混凝土完整性以及混凝土路面、桥柱和混凝土跑道的修复边界方面的有效性。

2. 超声波断层扫描仪 (A1040 MIRA)

MIRA 是一种低频 (10–100 kHz) 多功能相控阵超声波系统,用于检测混凝土结构中的物体界面和异常。剪切波超声检测是混凝土无损检测中先进的技术之一,剪切波是通过用具有高电压和电流的短脉冲高振幅脉冲激励压电材料而产生的。A1040 MIRA阵列超声成像仪测试的原理是基于超声波脉冲回波方法,在“一发一收”配置中使用发射和接收换能器,如图 2 所示,一个换能器发出应力波脉冲,第二个换能器接收反射脉冲。测量从脉冲开始到回波到达的时间,计算波速并估计反射界面的深度。 如果波速 Cs 已知,反射界面的深度可以由公式(1)计算。

D=Cs*(t/2)                                 (1)   其中,Cs:横波速度,t: 传播时间

图 2  MIRA系统原理

      如果在纵向钢筋的深度有水平开裂形式的损伤,这通常是在CRCP的部分深度冲蚀情况下,MIRA将检测到损伤的存在,如图2所示。根据脉冲到达时间和发射器-接收器对的已知位置,可以创建反射界面的深度。由于MIRA中的超声波探头不需要耦合剂来确保波在混凝土中的传输,探头可以在几乎不需要表面准备的情况下从一个位置移动到另一个位置。因此与传统超声检测相比,检测时间可以大大缩短。该天线还由4 × 12阵列的点传感器组成,传感器在顺序模式中充当发射器和接收器,换能器的阻尼很大,因此可以产生短时脉冲。

      MIRA最强大的功能之一是它能够以三维形式重建混凝土内部的状况,这使工程师能够评估内部混凝土的完整性。为了对混凝土进行三维分析,需要在测试表面上以一定的间距制作一系列MIRA扫描线。天线的方向垂直于扫描方向,并且沿每条扫描线以预定的步长记录数据。车道扫描完成后,将测试布置图输入计算机,在信号处理过程中对扫描和布置图信息进行分析,以建立单元内混凝土状况的三维图像。

3、在混凝土路面上的应用

3.1. CRCP横向裂纹检测

      在CRCP(钢筋混凝土路面)中观察到的最普遍的破坏类型是由于混凝土板中间深度处的水平开裂或分层而产生的部分深度破坏,其次是车轮载荷应用。局部深度破坏的表现与全深度破坏相似,在现场很难将两者区分开来。因此在过去大多数部分深度故障是通过更换全深度板来修复的,导致宝贵的财务资源浪费和更长的修复时间以及相关的更高成本。

      MIRA 系统被用来检测IH35的CRCP部分的病害程度,其中有重型卡车交通。该路段位于 IH 35从51-52路标向北行驶。在既有沥青路面上设置了两条主车道和内外9英寸厚板的捆绑混凝土肩台。作为测试部分,以证明混凝土覆盖层在现有沥青路面上的可行性,这个一英里路段的初始性能被报告为优秀,然而早在2009年就观察到了Y形裂缝和冲孔形式的缺陷。

      为了评估本节中的病害机制和 MIRA 正确检测 CRCP 水平裂缝的能力,进行了现场测试,其中包括取芯、MIRA 测试和 FWD 测试。选择受灾地区的不同地点进行 MIRA 测试。图 3a 显示了在板坯中间深度处疑似分层的位置,即使分层尚未发展为病害损坏。分层的怀疑是基于观察到的两个裂纹的形状。顶部裂纹具有CRCP中因温度和湿度变化而自然产生的裂纹的典型特征——略微弯曲和且裂纹表面相对干净,而另一条裂纹具有板坯中间深度分层后形成的二次裂纹的特征– 更直,污染物通常由碳酸钙组成。图3b为MIRA分析和图像,说明存在水平裂缝。红色表示混凝土中存在缝隙,或水平裂缝。

图3 所示 利用MIRA测试识别水平裂缝:(a)位置1的条件  (b)位置1的MIRA结果  (c)取芯 (d)水平裂缝

FWD 测试在分层混凝土板和实心混凝土板中进行。 试验结果表明,分层混凝土板的挠度相对大于实心混凝土板的挠度。为了确认 MIRA 分析结果,进行了取芯并观察到水平裂纹,如图 3(c 和 d)所示。

      选择另一个疑似水平裂缝的位置进行3-D MIRA测试,图4a显示了该位置的CRCP状态。三个横向裂缝相互靠近。最左边的一条(从外侧台肩看)是正常裂缝——有点曲折且相对干净的裂缝表面,其他两个是次级裂缝与水平裂缝有关,在板的中深度-更直,裂缝表面有污染物。使用 MIRA 评估路面内混凝土的状况,并在表面显示网格型测试布局。图 4b 说明了 MIRA 测试的 3-D 分析结果。水平裂纹与纵向钢筋一起显示在中间深度。图 4c 显示了用 MIRA 评估的另一个 CRCP 位置,其中不存在水平裂纹的证据。这部分是用 MIRA 和 3-D 评估的。图 4d 说明了使用 MIRA 的 3-D 图像分析结果。 MIRA 在中间深度检测到钢筋,但在中深度未发现水平裂缝。分析图像显示,纵向钢筋深度处没有水平裂纹,仅显示纵向钢筋。MIRA 还用于检测纵向钢的位置,因此无需切割即可获得纵向钢筋的位置。

 

图 4.   3-D MIRA 测试:(a) 有水平裂纹   (b) 有水平裂纹的 3-D MIRA 分析结果   (c) 没有水平裂纹    (d) 没有水平裂纹的 3-D MIRA 分析结果

现场测试证实了 MIRA 能够非常准确地检测 CRCP 中的水平裂纹和纵向钢的位置以及板坯厚度。MIRA 评估表明在该部分观察到的损坏是由于板坯中间深度的分层,最佳修复方法应该是局部深度修复,而不是全深度修复。

3.2. CRCP中修复边界的选择

3.2.1. 测试段位置

在德克萨斯州休斯顿区 IH 10 以北的一个部分观察到病害。这段公路的交通非常繁忙,因此确定能够最大限度地减少完成维修操作所需的时间并确保良好的长期性能的维修方法非常重要。 选择了三个地点进行深入评估,如图 5 所示。

图 5.  3-D MIRA 测试分布图

3.2.2.第 1 部分的评估

该部分见图5所示,图 6 显示了该部分的病害和 MIRA 测试布局。破损的出现表明它可能是由混凝土膨胀引起的,随后是平行于路面的剪切应力导致大的剥落。施工缝上侧显示的路面是 8 英寸(203 毫米)CRCP 覆盖层,最初建于 1960 年代的 8 英寸 CRCP。施工缝下侧的路面是 15 英寸(381 毫米)CRCP,铺设于 2010 年 1 月 27 日。据观察较新部分的混凝土经历了严重的剥落。在横向施工缝处,环氧树脂涂层销钉放置在距离路面约 4 英寸(101 毫米)处。看来这个关节的设计理念是有自由的“扩展”关节。使用 MIRA 在三个位置评估混凝土状况和钢筋结构。位置 #1–1 位于关节处,位置 #1–2 位于较旧的 CRCP 上的 8 英寸(203 毫米)处,位置 #1–3 位于较新的 CRCP 上的 15 英寸(381 毫米)处。

图6 所示1号截面横向施工缝出现病害

图 7a 显示了第 1-2 部分中二维 MIRA 扫描图像的常规横截面视图,距离横向施工缝 457 厘米。屏幕上部的红点表示 8 英寸覆盖层中的纵向钢筋,中间的红色层表示旧混凝土路面和覆盖的 CRCP 板之间的分层。在位置#1-2 没有观察到混凝土分层。一层纵向钢筋位于板坯的中间深度,如图7b所示。靠近表面的混凝土是实心的,没有裂缝或空隙。从位置#1-1 的 3-D 分析获得的路面状况如图 7c 所示。横向施工缝附近纵向钢深度处的内部应力以分层的形式出现在接头两侧。图 7d 显示了 15 英寸 CRCP 侧由于与环氧树脂涂层定位杆分层而造成的损坏。

图 7  MIRA 测试结果和路面条件:

(a) 位置 #1-2 处的横截面图   (b) 位置 #1-3 处的横截面图   (c) 位置 #1-1处的 3-D MIRA 分析  (d) 暴露的环氧树脂涂层销钉  [1 英寸 = 2.54 厘米]


图8(a 和b)分别显示了位置#1-2 和#1-3 的3-D MIRA 分析结果。图 8a 显示了旧的 8 英寸 CRCP 与位置 #1-2 处覆盖的 CRCP 之间界面处的分层,而图 8b 显示了位置 #1-3 处没有不连续性的实心混凝土,它由 15 英寸厚的 CRCP 组成。基于此信息和来自 MIRA 的其他二维图像,确定了适当的修复边界。

图8  所示3-D MIRA分析结果:(a)位置# 1-2   (b)位置# 1-3

 

3.2.3。对第 2 部分的评价

图 9 显示了第 2 部分的路面状况和 3-D MIRA 测试细节。横向施工缝的左侧是 15 英寸(381 毫米)CRCP,右侧是现有 8 英寸(203 毫米)CRCP 上的 8 英寸(203 毫米)粘结混凝土覆盖层。 在 8 英寸粘合覆盖部分观察到地图裂纹,而在 15 英寸 CRCP 部分未观察到损坏。MIRA 测试在三个位置进行,如图 9 所示。

图 9 第 2 部分的 MIRA 测试布局   [1 英寸 = 2.54 厘米]

图 10a 显示了接头处的 3-D MIRA 分析(位置 #2-1),这表明接头两侧的路面板分层。 图 10b 显示了 8- 3-D 分析图像的横截面图在(203 毫米)BCO 位置 #2–2。在 8 英寸(203 毫米)BCO 层和现有 8 英寸(203 毫米)CRCP 之间的界面处观察到分层。分层从横向关节延伸至 457 厘米。图 10(c 和 d)显示了位置 #2-3 处 15 英寸(381 毫米)CRCP 的横截面视图和 3-D 分析图像。它说明了混凝土板上半部附近的一层纵向钢筋和混凝土中的缺陷。纵向钢筋和混凝土板表面之间的红点表示夹带的空隙或其他类型的空隙。换句话说,这些圆点表明建筑质量不佳——要么是混凝土的固结不佳,要么是混凝土受到污染。这种类型的缺陷已在横向施工缝附近观察到。确定了适当的修复边界额外的二维 MIRA 测试。


图 10.  (a) 位置 #2-1 的 3-D MIRA 图像  (b) 位置 #2-2 的 MIRA 测试结果  (c) 位置 #2-3 的 MIRA 测试结果(横截面图)   (d) 位置 #2–3的 3-D MIRA 分析结果。

3.2.4. 第 3 部分的评估

图 11 显示了第 3 部分的路面状况和 MIRA 测试布局。 横向施工缝左侧部分为15英寸CRCP,而右侧部分为8英寸CRCP上的8英寸CRCP粘结混凝土覆盖层。 观察到,15in CRCP 段横向施工缝处出现严重剥落,8in 覆盖段出现贴图开裂。 据说 15 英寸(381 厘米)CRCP 的放置时间比 8 英寸(203 毫米)BCO 晚得多。 MIRA 测试在三个位置进行,如图 11 所示

 

 图 11.  第 3 部分的 MIRA 测试布局   [1 英寸 = 2.54 厘米]

图 12a 显示了 3-D MIRA 评估的测试布局,8 英寸(203 毫米)BCO 位置(位置 #3-2)。白线标记说明了通过 2-D MIRA 测试评估的剥离边界。图12b示出了图12a所示区域中路面状况的3-D视图。距横向施工缝 274 cm 的 A-A0 部分已脱粘,而位于 MIRA 评估区域另一端的 B-B0 部分已完全粘合。 A-A0 部分位于 MIRA 测试区域靠近接缝的一个边缘,距横向接头 274 厘米,而 B-B0 部分位于另一边缘,距横向施工缝 348 厘米。说明A-A0段存在分层;然而,它并没有一直进展到 B-B0 部分。图12(c和d)分别显示了截面A-A0和B-B0处的截面图。在 A-A0 部分清楚地显示了分层,而在 B-B0 部分,新旧 8 英寸(203 毫米)CRCP 之间的界面处存在完全粘合。还显示8英寸(203毫米)覆盖层纵向钢间距大于底部8英寸(203毫米)CRCP。修复边界基于MIRA测试确定,全深度修复实施。在拆除 8 英寸混凝土板后,观察到 MIRA 分析的评估结果非常准确,如图 12a 中的插图所示,MIRA 能够评估新旧楼板之间混凝土界面的状况。

图 12.  #3-2 位置修复边界的识别 (a) MIRA 测试的分层边界,(b) 修复边界的 3-D MIRA 分析图像,(c) A-A0 部分的 MIRA 分析图像,以及 (d) B-B0 部分的 MIRA 分析图像。

4. 结论

本研究采用基于超声脉冲回波法的MIRA测试方法,对结构和路面的各种混凝土损伤进行了评估。MIRA测试快速且易于操作,不需要对数据进行深入的解释。进行了额外的测试以验证MIRA测试结果的准确性。评估包括混凝土中深度水平开裂或分层、混凝土铺装板剥落及裂缝等;



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