运用超声波给钢筋混泥土板进行无损验伤！

该研究旨在利用超声波俯仰和捕捉（UPC）无损检测（NDT）技术对钢筋混凝土（RC）桥梁构件进行评估。设计并测试了一个带有两层嵌入钢筋和人工缺陷（空洞、蜂窝和脱粘）的验证性钢筋混凝土板。一台商用的UPC无损检测设备（以下简称 "UPC设备"）是基于超声波剪切波测试方法，使用干点接触发射和接收传感器，以 "俯仰捕捉 "的配置，用于绘制验证RC板的内部缺陷。

利用改进的合成孔径聚焦技术（SAFT）对UPC装置记录的数据进行分析。利用新型信号滤波和处理技术，开发了一个软件来重建RC板块截面的二维图像。本文以“Ultrasonic pitch and catch technique for non-destructive testing of reinforced concrete slabs”为题于2020年10月7日发布于《Journal of Infrastructure Preservation and Resilience》杂志上。

研究背景

根据2017年的基础设施成绩单，美国的基础设施（如桥梁、铁路、公路、水坝和堤坝、交通、能源和航空）被评为D+，被解释为条件差到一般。这一评级令人严重关切，因为全国大部分基础设施表现出严重恶化，极有可能发生故障。就桥梁结构而言，在美国总共614387座桥梁中，约有40%的桥龄等于或超过50年。

2016年，全美约有9.1%的桥梁（56,007座桥梁）存在结构缺陷（即需要大量维护、修复或更换的桥梁），13.6%的美国桥梁被认为是功能陈旧的桥梁（即承载能力低，不符合现行工程标准/规范的桥梁）。联邦政府估计，解决全国积压的桥梁修复项目需要1230亿美元。因此，对这些桥梁进行适当的检查、维护、修复或更换，对国家的经济和公众的出行安全起着至关重要的作用。

众所周知，目测法是一种快速、方便、廉价、通用、简单的混凝土结构原位检测技术。然而，它通常限制了检测人员只能检测表面的异常，严重依赖主观评价，而不同的检测专家的主观评价可能存在很大差异。因此，为了优化结构的修复和维护，需要更可靠、更快速、更经济的检测方法。

先进的无损检测和评估(NDT & E)技术似乎是解决这些退化桥梁的好办法，因为它们可以促进快速、经济、高效、快速的数据收集，并对现有结构进行可靠的状态评估。这些技术也变得越来越重要，因为它们可以在不严重损害桥梁结构和可能不需要中断交通的情况下进行。该研究的目的是利用无损检测和电测方法来评估混凝土桥梁部件的现状。

混凝土结构的成像可以通过以下主要NDT & E技术中的一种或组合来进行：基于电磁的（如地面穿透雷达、红外热成像和射线成像）和基于应力波的（如冲击回波和超声脉冲速度）。每种无损检测&E技术都有其自身的优势和局限性。

超声波技术（又称声学方法）是医学上应用最多的成像方法，多年来已成功地用于评价金属和复合材料。20世纪90年代初开始使用超声（UT）方法对混凝土试样进行首次测试。目前，UT方法在混凝土结构上的实际应用主要包括：1．(1)测量抗压强度、弹性模量和厚度[ (2)定位钢筋和筋管；(3)检测混凝土结构中的夹杂物。基于声学的UT剪切波断层扫描技术可以方便、快速、高效地提供混凝土结构的二维和/或三维可视化，它将是混凝土结构成像的首选。

双面UT测试方法需要在结构的两面用耦合剂和胶体耦合发射器和接收器，由于物理耦合和表面制备的限制，这种方法在现场可能不适用。此外，UT波在大型混凝土结构中传播时，会被衰减，小的夹杂物无法被捕获。单面UT阵列技术可以克服双面UT技术的缺点。发展了相控阵超声测试（PAUT）和UT俯仰捕捉法等几种技术。两种方法的主要区别是换能器配置和现场应用，下段将讨论。

UT俯仰捕捉法已被开发用于检测全尺度钢筋混凝土结构中的夹杂物。干点接触换能器阵列单元的出现，克服了UT接触问题（即难以将表面准备到所需状态），使得以最少的表面准备对混凝土结构进行测试成为可能。

图为商用UPC装置

图为UPC装置的基本原理

演示了SAFT全景算法，将两根钢筋(嵌入在178 mm厚的混凝土板中，间距为125 mm)的三次重叠B扫描结合在一起。扫描是从左到右进行的，间距为50毫米，如图所示。

图为三次重叠B扫描及其组合

为了验证室内开发软件的有效性，设计了一种钢筋混凝土(RC)板，该楼板由#5钢筋和人工缺陷两层组成。

图为钢筋混凝土板试件细节

图为用UPC装置在钢筋混凝土板上采集数据

在不应用Hilbert变换的情况下，由SAFT得到的混凝土板重建图像的信号幅值可以是正负值，并在从黑色(最小负值到零)到暗红色(最大正值)的颜色范围内映射，如图所示。

图为信号幅值颜色谱

图为后墙和全粘结钢筋的二维重建图像

混凝土板的底部。背墙反射)有一个清晰的偏振明亮-黑暗的图案与一个明亮的颜色带在顶部和下面的深色条带。

图为振幅与水平坐标关系在第一层钢筋的位置

图为人工脱粘钢筋二维重建图像

图为人工空洞的二维重建图像

图为从UPC设备的专有软件获得的2D图像

显示2D图像从UPC设备的专有软件获得的完全粘结钢筋和人工剥离钢筋和空洞。一般来说，该软件提供了相当好的可视化嵌入对象的位置和水平尺寸。然而，应用希尔伯特变换，嵌入物体的图像在垂直方向上要比实际测量的尺寸大得多。此外，专有软件不能识别完全结合钢筋以及剥离钢筋，因为他们有一个可比的颜色谱，如图所示。

研究背景

该研究提出了一种基于改进的超声波合成孔径聚焦技术（SAFT）重建钢筋混凝土板图像的方法。为了克服目前商用超声俯仰捕捉（UPC）设备对混凝土结构进行超声成像的专有软件的不足，开发了具有全图形界面的计算机软件。

所开发的软件有效地将混凝土板中的嵌入物可视化，包括全粘结钢筋、人工脱粘结钢筋和空隙。结果揭示了钢筋和不同类型的缺陷可以根据颜色光谱和垂直方向的波形的特定模式进行解释。完全粘结的钢筋用先有最小峰后有最大峰的波形表示，而人工空隙的波形则相反。所提出的方法揭示了脱粘钢筋的反射振幅具有明-暗-明模式或正-负-正波形的顺序形式。

实践证明，UPC是一种很好的无损检测技术，可以对混凝土结构进行准确评价。然而，数据收集过程通常是劳动密集型和耗时的（取决于扫描网格的精细程度以及测试/调查区域）。研究者未来的研究将专注于开发一个攀爬机器人来自动化数据收集过程。开发的软件也将得到改进和扩展，以提供混凝土结构的实时可视化。通过开发的软件和自动数据收集，可以促进已建设施的检查。

参考文献：Wael A. Zatar, Hai D. Nguyen & Hien M. Nghiem Ultrasonic pitch and catch technique for non-destructive testing of reinforced concrete slabs   Journal of Infrastructure Preservation and Resilience 12 (2020)