阵列超声波检测仪应用于混凝土结构中保护层以及钢筋位置的研究

      近年来混凝土超声波检测在土木工程无损检测中日益重要。本研究使用Pundit 250 Array、A1040 Mira、A1220 Monolith三种阵列超声成像仪，对不同混凝土保护层、钢筋直径和近表面配筋率的试件进行系统检测，探究超声波在近表面钢筋检测中的适用性，分析混凝土保护层厚度、波长与钢筋直径之间的关系。

1. 简介

      传统混凝土超声波检测主要关注内部结构成像，近表钢筋检测和混凝土保护层测量关注较少。磁感应方法对大保护层结构检测能力有限，可靠检测深度仅达6cm，双钢筋难以清晰分离，且需已知钢筋直径方可准确测量。因此需探究超声波作为替代方案的可行性。

2. 试验准备

2.1 试件设计

共设计四个试件（SP-A至SP-D），分别配置不同直径、配筋率和混凝土保护层。新试件采用精确制造工艺，钢筋通过模板钻孔螺丝固定，定位偏差控制在±0.5mm以内。

置在肋骨中心向上的位置，试样尺寸精度的*大偏差*大为 ±0.5 毫米。

图 1. 用螺丝固定钢筋，肋条中心向上

表 1：试样参数汇总

2.2 阵列超声设备与参数

      使用三款阵列超声成像仪：A1220 Monolith（自发自收，24个干点接触换能器DPC）、A1040 Mira（多静态相控阵，单循环66次A扫描）和Pundit 250 Array（相控阵，单循环28次A扫描）。为便于对比，所有设备统一设置为40kHz频率、40dB增益，测量网格统一为3cm。

图 2. 超声波设备

      A1220 Monolith阵列超声成像仪是一种自发自收换能器，由六个模块组成，每个模块包含四个单干点接触换能器 (DPC)，共计24 个 DPC 组成。Pundit 250 Array 和 A1040 Mira 是相控阵形式的阵列超声成像仪。每个 DPC 既可以充当发射器，也可以充当传感器,这使 SAFT 能够在短时间内记录高分辨率图像。相控阵将信号多静态启动到设备中（图 3）。实际上，这意味着例如对于 Pundit 250 Array阵列超声成像仪，**个模块传输信号，其余七个模块接收回波。随后，第二个模块发送信号，第 3 到第 8 个模块接收回波，但**个模块不接收回波。此后，第三个模块发送信号，探头模块接收四到八个信号，但**和第二模块不接收。这一直持续到发送第七个模块并接收到第八个模块。一个完整的循环包括 28 次 A 扫描。相比之下A1040 Mira阵列超声成像仪一次可产生 66 次 A 扫描。

图 3. 相控阵的多静态原理

为了能够可靠地比较超声波设备的结果，使用相同的检查设置。前提是设备设置允许修改或相同的设备设置可用。

对于 Pundit 250 Array阵列超声成像仪固定频率为 40 kHz 且不可调节，因此A1220 Monolith阵列超声成像仪和 A1040 Mira阵列超声成像仪的频率也设置为40 kHz。在预测试测量中，所有三个设备的*佳结果都是在增益为40 dB 时实现的，未使用深度相关增益 (TGC)，因为每个设备的算法未知，脉冲电压在 Pundit 250 Array阵列超声成像仪中设置为 150 V，在 Acs设备中设置为 200 V，并且无法更改 [影响结果精度主要是由频率、增益、波速决定]。表 2 总结了各个设备中的设置参数。

表 2：设置参数汇总

3. 测量的实施

超声设备需要针对偏移和速度进行校准，还必须确定用于检测的测量网格。

3.1 偏移量的确定

      用于确定钢筋深度或厚度的测量是超声波测量的传输时间，为了正确确定传输时间，必须提前确定偏移量，这是换能器中信号的生成与试件中实际出现之间的时间差。

     对于 Pundit 250阵列超声成像仪，偏移量是通过使用多重反射的内置测量模式确定的，确定了 33 μs 的偏移量。

A1220 Monolith阵列超声成像仪的偏移量是使用德国无损检测协会 (DGZfP) 中描述的“在多个参考体上进行零点调整”的方法确定的，使用这种方法定义了 24μs的偏移量。

      对于 A1040 MIRA阵列超声成像仪，无法像 A1220 Monolith 一样确定偏移量，因为 A1220 Monolith 是一个发射器-接收器相控阵，而 A1040 Mira 是一个多静态相控阵。因此A1040 Mira 的偏移量是通过实验确定的，使用设置的设备设置和测试样品 SP-C 的确定速度，在 SP-C 上的参考测量点进行测量。由于已知试件厚度和测试样本的速度，可以在单元中手动更改偏移量，直到后壁的显示与现有试件厚度一致，确定了 30μs的偏移量。

3.2 速度的确定

      首先使用 Pundit 250 Array 通过集成测量模式“通过回波估计”确定速度。为此必须知道并输入试件厚度，然后通过**次多次反射确定速度。为了验证还使用 A1220 Monolith 确定了速度。

      因此在样品的三个不同参考测量点进行了 15 次单独测量，随后形成各自的算术平均值，并在将传输时间和试件厚度代入等式 1 后，获得表 3 中的速度。由于相对较低的发散速度，可以假设两个试样中的材料分布均匀。

ν = (d *2)/t                  （1）

表 3：确定的速度 [m/s]

3.3 测量网格

       为了定义 Pundit 250 Array 的测量网格，对 SP-A 和 SP-A 进行了系统测试测量。为了获得*重要的测量结果，使用了换能器的重叠功能。根据 3 cm 的换能器间距，选择了 0 cm、3 cm、6 cm、9 cm、12 cm、15 cm 和 18 cm 的测量网格。 很明显，使用 3 cm 测量网格可以获得良好的测量结果。

      通过各种研究项目，我们知道使用 A1220 Monolith 的 1 cm 测量网格可实现准确的测量。

      A1040 Mira 使用 5 厘米的测量网格获得有意义的结果，但由于 Pundit 250 Array 以 3 cm 的测量网格实现其*佳测量结果，因此也为 A1040 Mira 选择了 3 cm 的测量网格以进行更好的定性比较。为了提高测量精度，使用了高度可调的木梁结构，这有助于抵消测试仪的疲劳，以保持准确度不变，图 4 中以 A1220 Monolith 为例显示了测量设置。

图 4. 以 A1220 的测量设置为例

      为了尽量减少边界效应，测量线设置在试样的中心。由于给定的边界条件，例如木梁的固定尺寸和探头的几何形状，测量线的位置并非***居中。与中心位置的*小偏差对结果没有影响，相反非常高的测量精度对于生成可靠数据非常重要。

4．测量的评估

4.1  SP-A 试样结果

图 5. SP-A

图 5 显示了带有 Ø8 钢筋的 SP-A、其图纸和三个频率为 40 kHz 和测量网格为 3 cm 的超声波设备的 SAFT 图像。

结论：

1）Pundit 250 Array和A1040 Mira在特定条件下可以识别10mm以下钢筋；

2）Zone 1区域中的保护层厚度为20mm，Pundit 250 Array有微弱反应但未显示完全，A1040 Mira未有明显的显示；

3）Zone 2区域Pundit 250 Array无法检测出钢筋，A1040 Mira有微弱显示，但无法提供有效判定依据；

4）Zone 3 和 Zone 4区域，使用 Pundit 250 Array 和 A1040 Mira都可以清楚地检测区域的所有钢筋，A1040 Mira显示的钢筋更接近真实，Pundit 250 Array有较小失真；

5）Zone 3区域的前两根钢筋只能猜测，A1220 Monolith无法检测识别Ø8钢筋。

4.2  SP-B试样结果

图 6. SP-B

图 6 显示了带有 Ø16 钢筋的 SP-B

结论：

1) 使用 Pundit 250 Array 和 A1040 Mira可以清楚地检测到所有钢筋。 只有Zone 1区域的**根钢筋和Zone 5区域的*后一根钢筋只能猜测，不能可靠检测，这并不表示设备问题，而是由于边界效应。

2）使用 A1220 Monolith可以清楚地检测到Zone 2区域和Zone3中的钢筋。在第5区，该区的**根钢筋仍然可以被清晰地检测到，后两根模糊成一个反射体，这可能与之前的边界效应有关，Zone 1和Zone 2区域的钢筋无法被检测到，主要是由于设备的检测范围决定的（*低50mm）。

总之，使用 Pundit 250 Array 和A1040 Mira可以在*小20 毫米的混凝土保护层中检测 Ø16 的钢筋，使用 A1220 Monolith只能检测*小深度60毫米外的钢筋。

4. 3  SP-C 试样结果

图 7. SP-C**面

图 7 显示了 SP-C**面各个设备的SAFT 图像。

SP-C 的** 面是 20 至 90 毫米的混凝土保护层尺寸以10 毫米阶梯递增的一面。

结论：

1）使用 Pundit 250 Array 和 A1040 Mira除了**个钢筋外，所有钢筋都被检测到。 混凝土保护层为 20 毫米的**根钢筋无法被检测到。

2）使用 A1220 Monolith 检测到*后五根钢筋。 第二个和第三个钢筋没有检测到，**个只能猜测。

图 8. SP-C第二面

结论：

在这里，所有三个超声波设备都检测到钢筋，直到倒数第二根钢筋（图 8）。 倒数第二个和*后一个钢筋不再被检测到，因为两者都离后壁太近 20 或 30 毫米，因此反射体与后壁反射叠加。

4.4  SP-D 试样结果

图 9. SP-D **面

结论：

图 9 显示了 SP-D 第 1 面的超声数据结果，其中近表面增强区域具有破坏性影响，未检测到模拟近表面钢筋区域的钢筋，因为单个钢筋的直径Ø6 太小了，并且太靠近混凝土表面 (保护层厚度= 2 cm)。使用所有三种设备，都可以检测钢筋的 Ø12。A1040 Mira 显示清晰可变。

图 10. SP-D 第二面

结论：

在混凝土覆盖层为 120 至 190 毫米的 SP-D 的第 2 面，除了*后一个（图 10）之外，所有的钢筋都被所有设备检测到，这是因为插入的加强钢筋位于钢筋正后方 8 毫米的距离处，与后壁的距离仅为 40 毫米，钢筋的反射与后壁反射叠加造成的。

5．结论

（1）超声波方法可在5–18cm深度范围内有效检测钢筋位置，适用于磁感应方法（检测上限6cm）之外的更深层检测。

（2）混凝土保护层测量精度：A1040 Mira为±1cm，Pundit 250 Array为±2cm，A1220 Monolith为±3cm，钢筋埋置越深测量越准确。

（3）传统λ/2标准可扩展至λ/8，40kHz频率下可检测*小8mm物体。

（4）超声波方法对紧密相邻钢筋可单独分辨，不受近表面加固区域干扰，可作为磁感应方法的有效补充或组合使用。