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的无损检测 (NDT-CE) 中变得越来越重要，过去主要关注的是钢筋和预应力混凝土构件的内部结构成像，另一方面对近地表钢筋位置和混凝土保护层测量的关注相对较少。在这项研究中，除了磁感应方法（钢筋扫描仪）之外，还显示了超声波在多大程度上适用于近表面增强材料的检测。测量是使用 Proceq 公司新开发的 Pundit 250 Array 以及 Acs公司的测量设备 A1220 Monolith 和 A1040 Mira 进行的。对混凝土保护层、钢筋直径和靠近表面的网状钢筋形式的配筋率不同的试样进行了系统研究。混凝土保护层的可检测性和准确性根据混凝土保护层、波长和钢筋直径进行设置。

1. 简介

      过去混凝土的超声波检测主要集中在钢筋和预应力混凝土结构的内部结构的成像上，近表钢筋检测和混凝土保护层测量受到的关注相对较少。到目前为止，超声波的主要检测任务是检测预应力钢筋，然而对于目前正在建造的工程结构，钢筋检测将变得越来越重要。磁感应方法在具有大混凝土保护层的钢筋混凝土结构中达到了它们的极限，随着混凝土保护层的增加，双钢筋无法清晰地相互识别分离，在此过程中必须知道钢筋的直径以获得准确的结果。用磁性方法（钢筋扫描仪）可靠地检测钢筋只能达到6厘米的深度，因此需要在检测近表钢筋及其通过其他方式检测混凝土覆盖层的准确性方面进行替代研究。

      本研究的目的是获得关于超声检测近表面钢筋适用性的可靠性，研究了从哪个深度超声波可以代表磁感应方法的替代方法。为此考虑是否可以进行检测以及在混凝土保护层测量中可以达到什么样的精度。此外还设置了与波长、混凝土保护层和钢筋直径相关的钢筋检测能力。

2. 检测准备

2.1 试样

      对具有不同配筋直径、配筋率和各种混凝土保护层的四个不同试件进行了检测。四个试件中的两个SP-A 和 SP-B，已经存在于先前的研究中。另外两个标本 SP-C 和SP-D 是作为本研究的一部分计划和建造的。样品在表 1 中总结了不同的参数。

      在构建新试件 SP-C 和 SP-D的过程中，特别注意尺寸精确的制造，例如在模板面板上钻孔，从而将钢筋准确地放置在模板主体中。此外钢筋还用螺钉固定在模板面板的外皮上，因此在移动模板或浇筑混凝土时无法改变位置（图 1）。而在施工实践中，钢筋的肋骨的方向是无关紧要的，为了获得波的均匀反射，从而接收更好的超声波信号，钢筋被放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 超声波设备

使用三种不同的超声波设备进行测量：

*A1220 Monolith 阵列超声成像仪

*A1040 Mira 阵列超声成像仪

*Pundit 250arry 阵列超声成像仪

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 显示的更清晰。

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

      本研究的目的是调查超声波是否以及在多大程度上适用于检测近表面钢筋，而作为磁感应设备的补充。根据钢筋位置和混凝土保护层测量的限制和可能性以及标准的规范对系统调查进行了评估。必须指出的是生成的 SAFT 图像和超声数据的客观可比性无法通过各自的制造商软件实现。

5.1 钢筋位置

      根据简化的主观评估加固位置的结果，研究了从哪个深度超声波可以用作磁感应设备的替代测试方法以及可以检测到什么深度。 使用 Pundit 250 Array 和 A1040 Mira，可以从 30 毫米混凝土覆盖层（Ø16、20 毫米、SP-B）检测钢筋 Ø12，使用 A1220 Monolith，只能在 50 毫米的混凝土覆盖层上进行检测。 因此只有在混凝土覆盖层为 50 毫米的情况下，才能使用所有三个超声波设备实现可靠的加固位置，如之前的调查中所述。

       在180 毫米的深度所有钢筋都可以检测到，由于反射体与后壁反射和近表面增强区域的重叠，未检测到 190 毫米的*深钢筋。对单个钢筋进行更深入的检测是完全可能的， 这必须在具有更大部件厚度和更深钢筋插入的试样上进行测试。

将试样 SP-C 的近表面非增强区域与 SP-D 的近表面增强区域以垫层的形式进行比较，这不会干扰对底层钢筋的检测，因此对更深层的观察也可能是更密集的近地表加固。

5.2 混凝土保护层

      研究了用超声波方法确定近地表区域混凝土保护层的精度，检查了 30-180 mm 以 10 mm 为增量的混凝土保护层尺寸及其测量精度。实际混凝土覆盖层的*大误差为 0.5 毫米，测量不确定度为 5%。使用 Pundit 250 Array混凝土覆盖层可以指定为±2 cm，使用 A1220 Monolith 指定为±cm，使用 A1040 Mira 指定为±1 cm。趋向于钢筋放置得越深，测试的混凝土覆盖层越准确。

5.3  λ/2-标准

      此外研究了已知的 λ/2 标准，即频率为 40 kHz 且传播速度为 2500 m/s 的物体只能检测到大于 3 cm 的尺寸（λ=V/2f），然而在这项研究中，根据 5 cm深度的加固位置的结果，表明可以可靠地检测大小为 8mm、波长为 67mm的物体，已经表明 λ/2 标准可以扩展到 λ/8。

5.4 对其他方法的限制

       根据已评估的调查，可以通过超声波进行检测深度为 5 cm 至 18 cm。使用磁感应方法（钢筋扫描仪类）只能检测到 6 厘米深的钢筋。因此在钢筋位置和混凝土保护层测量方面，超声波技术提供了一种替代更深层次的方法，其中磁感应技术已达到其极限。钢筋可以以±1-3 cm 的测量精度检测，用于混凝土保护层测量。此外超声波的高增强率，这是磁感应方法无法实现的。在钢筋相互靠得太近的情况下采用涡流法（钢筋扫描仪类）时，无法再单独检测单个钢筋，而是将其识别为双钢筋。在 SP-A 和SP-B 的样本上，确定使用超声波对紧密相邻的钢筋（a = 5 cm）进行单独检测没有问题。

5.5 面向实践的使用说明

从实际应用出发，可以采用以下几点：

*用超声波检测 5 厘米到 18 厘米甚至可能更深的钢筋

*混凝土保护层测量中设备的测量精度：

Pundit 250  ±2 cm

A1220 Monolith  ±3cm

A1040 Mira  ±1cm

*在 40 kHz 和 65 mm 波长下要检测的物体尺寸：λ/8 - 物体尺寸*小值8 毫米

*超声波方法适合作为补充或与磁感应方法结合使用；

*在靠近表面加固的区域中不会影响超声检测；

产品链接：A1040 MIRA阵列超声成像仪