اسکن میلگرد (آرماتور) در بتن

اسکن بتن می تواند برای آشکار سازی نواقص زیر سطح مانند حفره ها، لایه لایه شدن و وصله های کم کیفیت استفاده شود. علاوه بر این، روش های تست غیر مخرب بتن مانند روش اسکن میلگرد را می توان برای یافتن میلگردهای فلزی، رشته های فشار کششی ، لوله ها یا سایر اجزای سازه ای و غیر سازه ای استفاده کرد.

اسکنر آرماتور یا پوشش سنج به وسیله ای اطلاق می شود که توسط آن محل آرماتور و ضخامت پوشش بتنی روی آرماتور با استفاده از روش های الکترومغناطیسی تخمین زده می شود. برخلاف بتن، آرماتور داخل آن با امواج الکترومغناطیسی فرکانس پایین، اندرکنش شدید داشته و با اعمال این امواج از سطح می توان محل آرماتور را تشخیص داد. دو روش اصلی در دستگاه های تجاری تست پوشش سنج بکار می رود.

در روش اول آزمون از یک سیم پیچ محرک برای ایجاد شار مغناطیسی استفاده می شود. شار عبوری از بتن و شدت آن توسط یک سیم پیچ حساس اندازه گیری می شود. کل مدار توسط یک هسته فرومانیتیکی بسته می شود. بتن ماده هادی خوب شار مغناطیسی نیست و مقاومت بالایی دارد. هنگامی که جستجوگر دستگاه به محلی در نزدیکی آرماتور می رسد، سیم پیچ حساس شروع به نشان دادن یک شار مغناطیسی عبوری زیاد می کند زیرا آرماتور هادی خوبی است. شدت جریان اندازه گیری شده در سیم پیچ حساس به ضخامت پوشش بتنی روی آرماتور وابسته بوده و لذا با یک واسنجی مناسب می توان ضخامت پوشش بتن در میدان قوی را تخمین زد.

در روش دوم که برای یافتن محل آرماتور بکار می رود، با کاوش از سطح بتن با یک سیم پیچ الکتریکی متصل به یک منبع جریان متناوب و یک نشانگر جریان بررسی صورت می پذیرد. هنگامی که کاوشگر دستگاه در سطحی بدون آرماتور در زیر حرکت می کند، نشانگر جریان شروع به نشان دادن کاهش در جریان نموده  و جریان کم شده تا به یک مقدار حداقل در زمانی که کاوشگر درست در بالای آرماتور قرار می گیرد، برسد. میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ در آرماتور جریان های گردابی القایی ایجاد می کند که این جریان ها به نوبه خود میدان مغناطیسی ثانویه بوجود می آورند. میدان ثانوی مغناطیسی جریانی برخلاف جریان اولیه ایجاد می کند که این دلیل کاهش جریان اولیه نشان داده شده توسط نشانگر در حالت وجود آرماتور در بتن است.

در زیر به چهار روش غیر مخرب اسکن میلگرد بتن اشاره شده است:

1. رادار نفوذی زمین

رادارهای نفوذی زمین (GPR) یک روش غیر مخرب بسیار مفید برای تصویربرداری و اسکن میلگرد بتن  است. GPR از تابش الکترومغناطیسی پالس شده برای اسکن بتن استفاده می کند GPR از آنتن فرستنده و آنتن گیرنده و واحد پردازش سیگنال تشکیل شده است. GPR پالسهای الکترومغناطیسی (پالسهای راداری) با فرکانس مرکزی خاص را برای اسکن محیط زیرسطحی منتشر می کند. امواج منعکس شده از لایه های زیرسطحی و اجسام توسط آنتن گیرنده ضبط می شوند. دستگاه اسکن را می توان روی کامیون یا وسیله نقلیه ویژه سوار کرد و اسکن را با سرعت ترافیک انجام داد. این امر نیاز به تعطیلی جاده طولانی را از بین می برد. این عمل توسط ASTM D6087، 2008 استاندارد شده است.
مهمترین مزیت روش GPR سرعت تست است. مناطق بزرگ را می توان در یک دوره محدود اسکن کرد. از GPR می توان برای اسکن محل تقویت فولاد استفاده کرد. از این دستگاه می توان برای شناسایی پوشش بتنی استفاده کرد. در حالی که GPR نمی تواند به طور مستقیم مناطق بتنه را روی بتن تشخیص دهد، می تواند بطور غیرمستقیم لایه لایه شدن بالقوه را در جایی که میزان رطوبت متفاوت است شناسایی کند. خاطر نشان شده است که GPR نمی تواند اطلاعاتی در مورد خصوصیات مکانیکی بتن ارائه دهد.

2. عکسبرداری التراسونیک

از روش التراسونیک (Pulse Echo (UPEمی توان برای اندازه گیری ضخامت، تشخیص عیب، تشخیص لایه لایه شدن و ارزیابی صحت بتن استفاده کرد.مفهوم این روش متکی به انتشار امواج تنش از طریق مواد است. فرستنده یک پالس تنش را در یک سطح در دسترس در جسم معرفی می کند. پالس درون شیء آزمایش پخش می شود و توسط جریان ها یا رابط ها منعکس می شود. موج ضربه تابش شده و امواج صوتی منعکس شده در مبدل گیرنده کنترل می شوند. سیگنال ها در حوزه زمان تجزیه و تحلیل می شوند، تا زمان حرکت موج را محاسبه کنند. UPE می تواند برای شناسایی موثر حفره ها و لکه های بی کیفیت در عناصر بتونی مانند صفحات و دیوارها استفاده شود.

با استفاده از این آزمایش التراسونیک روی بتن، موارد زیر قابل ارزیابی است:
1- ارزیابی کیفی مقاومت بتن، درجه بندی آن در مکانهای مختلف اعضای سازه و ترسیم آن.
2- هرگونه ناپیوستگی در سطح مقطع مانند ترک ها، پوشش لایه بندی بتن و غیره
3- عمق ترک های سطحی

تست التراسونیک بتن

تست سرعت پالس التراسونیک شامل اندازه گیری زمان حرکت، T پالس التراسونیک از 50 تا 54 کیلو هرتز است که توسط یک مبدل الکترو آکوستیک تولید می شود و در تماس با یک سطح از اعضای بتن تحت آزمایش قرار گرفته و همان را توسط یک مبدل مشابه در تماس با سطح در انتهای دیگر دریافت می کند.
با طول مسیر L، (یعنی فاصله بین دو کاوشگر) و زمان حرکت T، سرعت پالس( V = L / T)  محاسبه می شود.
هر چه مدول الاستیک، چگالی و یکپارچگی بتن بالاتر باشد ، سرعت پالس بالاتر است. سرعت پالس التراسونیک به چگالی و خاصیت الاستیک ماده مورد آزمایش بستگی دارد.

3. رادیو گرافی با استفاده از اشعه X

اسکن و تصویربرداری بتن با استفاده از اشعه X می تواند با استفاده از روش های معمولی یا دستگاه دیجیتال انجام شود. تفاوت عمده در نحوه پردازش تصویر است. از آنجا که این فناوری از پرتوهای X پر انرژی استفاده می کند، معمولاً قبل از انجام آزمایش نیاز به تمیز کردن وجود دارد.
این بدان معنی است که برای انجام آزمایش باید فاصله مشخصی تقریبا 25 متر مشاهده شود. این آزمایش می تواند محل میلگرد فولادی را مشخص کند.
نتایج آزمایش باید توسط یک تکنسین باتجربه پردازش و تفسیر شود تا تصاویر را روی صفحه بتنی ترسیم کند. یک محدودیت عمده روش این است که اطلاعاتی در مورد عمق نقایص سطح زیر ارائه نمی دهد.

4. توموگرافی لرزه ای

توموگرافی لرزه ای مجموعه آزمایش ویژه ای است که مبتنی بر مفهوم UPV است. در این روش تعدادی از حسگرهای گیرنده در مکان های آزمایش قرار می گیرند و ثابت می شوند، در حالی که فرستنده حرکت می کند. پالس حاصل از فرستنده به وسیله مبدل گیرنده ، دریافت می شود. سرعت پالس در هر مسیر برای به دست آوردن نقشه های کانتور توموگرافی لرزه ای از وضعیت سازه های بتونی استفاده می شود. توموگرافی لرزه ای برای آزمایش عناصر بتنی در مقیاس بزرگ ایده آل است.
توموگرافی لرزه ای یک روش آزمایش ایده آل برای عناصر بتنی جرم است و می تواند نقایص داخلی را نشان دهد.

اندازه گیری کاور به روش الکترومغناطیسی

روش‌های الکترومغناطیسی معمولاً برای تعیین محل و کاور برای آرماتور تعبیه شده در بتن بکار می رود. دستگاه هایی که با باتری کار می‌کند و از نظر تجاری برای این منظور در دسترس اند، معمولاً به اسکن آرماتور معروف است. طیف وسیعی از آن‌ها از نظر تجاری در دسترس بوده و قابل استفاده است.

نظریه، تجهیزات و کالیبراسیون

اصل اساسی این است که وجود فولاد، میدان یک الکترومغناطیس را تحت تأثیر قرار می دهد که ممکن است شکل یک القاگر مغزه آهنی را به خود بگیرد. یک جریان متناوب از یکی از کویل ها عبور می کند در حالی که جریان القاء شده در کویل دیگر تقویت و اندازه‌گیری می شود. رأس جستجو ممکن است در واقع شامل یک سیستم کویل واحد یا چندگانه باشد با توجه به اینکه اصل فیزیکی مستلزم اثرات جریان گردابی یا القای مغناطیسی است. ابزارهای جریان گردابی شامل اندازه‌گیری تغییرات امپدانس است و تحت تأثیر تمام فلزات رسانا قرار می‌گیرد و ابزارهای القای مغناطیسی شامل اندازه‌گیری ولتاژ القایی است و به مواد غیرمغناطیسی چندان حساسیت ندارد.

تأثیر فولاد بر جریان القایی با توجه به مسافت، غیرخطی است و همچنین تحت تأثیر قطر میله قرار دارد که کالیبراسیون را دشوار می کند. انواع ساده اسکن آرماتور که معمولاً مورد استفاده است، با استفاده از دو محدوده برای پوشش، معمولاً 40-10 میلی متر و 100-40 میلی متر بر این مساله غلبه می کند. مقیاس کالیبراسیون در نوارهای مربوط به کاور متغیر مشخص می شود و این امر با تأثیر قطر آرماتور مطابقت دارد. میله‌های کوچک یک خوانش در انتهای بالایی نشان می دهد اما میله‌های بزرگ یک خوانش در انتهای پائینی یک نوار خاص نشان می دهد زیرا تأثیر قطر بر طیفی از اندازه های میله از 32-10 میلی متر نسبتاً کم است. اگر بخواهیم میله‌های کمتر از 10 میلی متر یا بیشتر از 32 میلی متر اندازه‌گیری کنیم، کالیبراسیون ویژه‌ای ممکن است لازم باشد و می‌توان از مقیاس خطی که معمولاً ارائه می‌شود استفاده کرد. نسخه های اصلاح شده دیگر از این نوع ابزار شامل مدارات الکترونیکی پیچیده تر و خروجی دیجیتالی است که در دسترس است و می‌تواند قطر بار را منظور کرده و همچنین میله‌ها را در یک عمق بیشتر (در برخی موارد تا 300 میلی متر) شناسایی کند. این ابزارها گران‌تر از تجهیزات پایه است که در بالا ذکر شد. یک مدل ریزپردازنده که نوع فولاد را در نظر می‌گیرد و از امکان هشدار صوتی «پوشش کم» برخوردار است نیز در دسترس است

پیشرفت‌های اخیر در تجهیزات اسکن میلگرد به مدل‌های متعددی منجر شده است که در هرجا که شناخته نشده است، کاور میله و خود قطر میله را ارزیابی می کند. این کار با استفاده از یک بلوک فاصله‌گذار یا با استفاده از یک راس جستجو تخصصی انجام می شود. توانایی اسکن یک اسکنر آرماتور در سطح بتن و ثبت مداوم خروجی در دیتا لاگر نیز اخیرا برای نمایش گرافیکی بعدی در دسترس قرار گرفته است.

کالیبراسیون پایه این ابزار مهم است. این روش‌ها شامل استفاده از منشور آزمایشی از بتن سیمانی عادی پورتلند است. میله آرماتور تمیز راست از نوع مناسب برای تصویر انداختن از منشور و ارائه طیفی از پوشش ها تعبیه می‌شود که می توان با قاعده فولاد برای مقایسه با خوانش‌ سنج ان را دقیقا اندازه‌گیری کرد. در روش‌های دیگر میله با محل مناسب در هوا دقیقا اندازه گیری می‌شود. در همه روش‌ها لازم است از اثرات خارجی بر میدان مغناطیسی اجتناب کرد. تحت این شرایط، دقت این ابزار باید تا 5٪± یا 2 میلی متر باشد، هر کدام که بیشتر است.

بررسی کالیبراسیون در محل نیز با توجه به نوع میله و بتن درگیر در پژوهش انجام می شود. در این بررسی ممکن است حفاری سوراخ‌های آزمایشی در طیفی از مقادیر پوشش‌ها برای اثبات خوانش‌ها و در صورت لزوم تنظیم مجدد دستگاه یا توسعه یک رابطه کالیبراسیون مجزا انجام گیرد.

انتظار می‌رود توسعه دیگری نوع جدیدی از اسکن آرماتور مبتنی بر اصل نشت شار مغناطیسی را ارائه کند. میدان مغناطیسی جریان مستقیم عمود بر محور میله آرماتور از طریق یک پیوند سطحی تنظیم می شود که تا حدی میله را مغناطیسی می کند. یک سنسور که از یک قطب پیوند به قطب دیگر حرکت می‌کند، میدان نشت مغناطیسی القایی را شناسایی می کند که می توان برای تعیین عمق و قطر میله از آن استفاده کرد. نشت شار مغناطیسی نیز می‌تواند شناسایی یک کاهش در مقطع میله آرماتور را میسر کند مانند کاهشی که ناشی از خوردگی شدید حفره‌ای است. تلاش هایی برای استفاده از هوش مصنوعی شبکه عصبی برای ساده کردن تفسیر نتایج صورت گرفته است.

روال کار آزمایش اسکن میلگرد

اکثر اسکنر آرماتورها شامل یک واحد حاوی منبع توان، تقویت‌کننده و متر و یک واحد جستجوی مجزا حاوی الکترومغناطیس است که با یک کابل به واحد اصلی متصل است. خوانش در حال کار صفر می شود و واحد جستجوی دستی در سطح بتن مورد آزمون حرکت می کند. وجود آرماتور در محدوده کاری این دستگاه با حرکت سوزن نشانگر یا مقدار دیجیتالی مشخص خواهد شد. سپس واحد جستجو حرکت می کند و می چرخد تا حداکثر خوانش بدست آید و این موقعیت مطابق با محل میله (حداقل پوشش) خواهد بود. در برخی از ابزارها، خروجی صوتی درجه متغیر به کمک آن می‌آید. سپس سوزن یا خروجی پوشش را در مقیاس مناسب مشخص خواهد کرد در حالی که جهت میله با خط محور واحد جستجو موازی خواهد بود. استفاده از فاصله‌گذار نیز ممکن است برای بهبود دقت اندازه‌گیری پوشش‌های کمتر از 20 میلی متر ضروری باشد.

تصویربرداری دو بعدی یا سه بعدی غیر مخرب هیلتی (hilti)، مزایای زیادی دارد. به وسیله آن می توان اشیاء فلزی و غیر فلزی را در زمان واقعی تشخیص داد- بنابراین می توان با خطر کمتری برای صدمه به سیم کشی، لوله کشی یا تقویت سازه، حفاری، برش یا کرگیری کرد. همچنین می توان آزمایشات اسکن بتن را طبق شرایط خاص در هر سازه – بدون هزینه و تأخیرهای غیر ضروری انجام داد.

قابلیت اطمینان، محدودیت‌ها و کاربردهای روش اسکن میلگرد

هرچند این ابزار را می توان دقیقا برای میله‌های آرماتور خاص کالیبره کرد ، در اکثر شرایط عملی، دقتی که می توان بدست آورد به طور قابل توجهی کاهش خواهد یافت. عواملی که به احتمال زیاد علت این کاهش دقت است بر میدان مغناطیسی در محدوده سنجش‌گر ناثیر می گذارد و عبارتند از:

• حضور بیش از یک میله آرماتور: همپوشی، فولادهای عرضی به عنوان یک لایه دوم یا میله‌های با فاصله نزدیک (کمتر از سه برابر پوشش) می تواند نتایج گمراه کننده‌ای به بار آورد. در برخی از دستگاه‌ها، یک پروب نقطه‌ای کوچک غیر جهت‌دار را می توان برای بهبود تمایز بین میله‌های با فاصله نزدیک و یافتن میله‌های جانبی بکار برد.
• سیم های گره فلزی: وقتی این سیم‌ها وجود دارد یا وجود آن‌ها محتمل است، خوانش‌ها باید در فواصلی در امتداد خط آرماتور گرفته شده و میانگین آن‌ها گرفته شود.
• تغییرات در میزان آهن سیمان، و استفاده از سنگدانه‌ها با خواص مغناطیسی می تواند سبب کاهش شناسایی پوشش ها شود.
• ادعا می‌شود کاور سطحی اکسید آهن روی بتن، ناشی از استفاده از قالب فولادی موجب می‌شود پوشش آرماتور به طور قابل توجهی کم برآورد شود و باید در برابر آن محافظت شود.

گزارشات حاکی از آن است که دقت متوسط در محل در کاور‌های کمتر از 100 میلی متر حدود 15٪± را می توان با حداکثر 5± میلی متر انتظار داشت و باید به خاطر داشته باشیم مقیاس‌های کالیبراسیون به طور کلی مبتنی بر میله های فولادی گرد ساده با اندازه متوسط در بتن سیمانی پورتلند است. اگر بخواهیم از این ابزار در هر کدام از شرایط زیر استفاده کنیم، کالیبراسیون مجدد ویژه‌ای باید انجام گیرد:

• آرماتور به قطر کمتر از 10 میلی متر، فولاد با کشش بالا یا میله های تغییر شکل یافته: در این موارد، پوشش معین شده احتمالاً بیشتر از مقدار واقعی است. این امر همچنین در صورتی مصداق خواهد داشت که میله‌ها خمیده باشد و از اینرو با هسته الکترومغناطیس موازی نباشد.
• سیمان‌های ویژه از جمله سیمان دارای آلومینای بالا، یا رنگدانه های افزوده: در این موارد، پوشش معین شده احتمالاً کمتر از مقدار واقعی خواهد بود.
• آرماتور به قطر بیش از 32 میلی متر ممکن است در برخی مدل های اسکن میلگرد  مستلزم کالیبراسیون مجدد باشد.
• برآوردهای قطر میله تنها در دو اندازه میله امکانپذیر خواهد بود. محدوده دمای عملیاتی اسکنر آرماتور نیز به طور کلی نسبتاً کوچک است و عملکرد مدل‌هایی که با باتری کار می‌کند معمولاً در دماهای زیر نقطه انجماد رضایت بخش است که می تواند به طور جدی کاربرد میدانی آنها را در زمستان محدود کند. ثبات در خوانش در برخی انواع ابزار می تواند مسئله ساز باشد و بررسی مکرر صفر ضروری است.

قابل اطمینان‌ترین کاربرد روش اسکن میلگرد در مکان یابی آرماتور در محل است و پوشش اعضایی که اندکی تقویت شده است اندازه‌گیری خواهد شد. با افزایش پیچیدگی و مقدار آرماتور، ارزش آزمون به طور قابل توجهی کاهش می یابد  و در مناطقی که سنگدانه‌ها ممکن است خواص مغناطیسی داشته باشد باید دقت ویژه‌ای به خرج داد. مالوترا  کاربرد آن در بررسی کیفیت بتن پیش ساخته را شرح داده است که در آن مقیاس خطی کالیبره می شود تا تعیین طیف قابل قبولی از مقادیر برای کنترل منظم اجزاء میسر شود. اسنل، والاس و راتلج  نیز برنامه های نمونه برداری مفصلی را برای پژوهش در محل بررسی کرده و برای چنین موقعیت‌هایی یک روش آماری را توسعه داده‌اند. آلدرد تعدادی از اسکنر آرماتورهای مختلف را در آرماتور فولادی متراکم مقایسه کرده و ضرایب اصلاح را ارائه می‌کند که می توان برای تطبیق خطاهای اندازه گیری به کار برد.