مقاله تحلیلی: کاربرد رادار نفوذ به زمین در ارزیابی سازه‌های بتنی

مقاله تحلیلی: کاربرد رادار نفوذ به زمین در ارزیابی سازه‌های بتنی

 تست غیر مخرب (NDT) نقش مهمی را در شناخت سازه‌های موجود ایفا می‌کند. فن‌های بازرسی موجود موجب ارائه راهکارهای اجرایی، بهینه و مقرون به صرفه جهت به دست آوردن اطلاعات در مورد کیفیت، نحوه ساخت و عملکرد که امکان نادیده گرفتن شدن آن‌ها وجود دارد، می‌شود. استفاده از ابزارهای NDT موجب کاهش قابل توجه نیاز به ورود به سازه‌های مدفون از طریق پراب (کاوش) گشته و به ارائه تصمیمات بهتر هنگام اجرای نمونه‌ها یا پراب¬ها کمک می‌کند.

فنّاوری‌ها و محصولات در بسیاری از صنایع به سرعت پیشرفت کرده‌اند. فنّاوری اطلاعات (IT) و صنایع خودرو سازی مثال بارزی از این پدیده می‌باشند که طی آن تقاضای گسترده جهانی امکان سرمایه گذاری جهت تحقیق و توسعه را میسر کرده است. در نتیجه، پیشرفت‌های شگرفی در فنّاوری‌ها و محصولات مشاهده می‌شود. با این حال توسعه تجهیزات NDT چندان با سرعت قابل توجهی به دلیل عدم معرفی آن گسترش و بهبود نیافته‌اند. در سال 1950، اشمیت همر که تحت عنوان سوئیس همر نیز شناخته می‌شود، به عنوان اولین نفر به معرفی تست¬های مخرب برای بتن پرداخت. استفاده از رادار نفوذی به زمین (GPR) (شکل 1) توجه زیادی را به عنوان یک تکنیک مهم جهت بازرسی تا دهه 1980 و 1990 به خود جلب نکرد.

بر خلاف IT و صنایع خودرو سازی، تقاضا برای محصولات بازرسی بتنی و فنّاوری مرتبط صرفاً محدود به افراد حرفه‌ای در این عرصه و همچنین شرکت‌های بازرسی در زمینه NDT شد. شرکت‌ها که شاهد تقاضای کم برای این محصولات بودند، بودجه قابل توجهی را برای خرید تجهیزات اختصاص نداده و حتی بودجه کمتری را نسبت به استخدام بازرسین متخصص جهت جمع آوری و تحلیل داده‌ها اختصاص دادند.

در طی ده سال اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در توسعه تکنولوژی NDT با امکان بازرسی دقیق و جزئی از بتن شکل گرفته است. تجهیزات و روش‌های زیادی جهت شناخت گسترده سازه با امکان برداشت محدود یا عدم برداشت مصالح وجود دارند.

علی رغم پیشرفت‌های قابل توجه در طی 10 سال اخیر، این مقاله به بررسی برخی از پیشرفت‌های قابل توجه در طی 20 سال اخیر در توسعه تجهیزات GPR جهت استفاده در بازرسی NDT بتن می‌پردازد. این مقاله به طور مختصر به بحث در مورد نحوه عملکرد فنّاوری GPR، پیشرفت‌های صورت گرفته در این واحدها و تجهیزات کنونی می‌پردازد. شکل 2، 3 و 4 نشان دهنده نحوه شکل گیری تجهیزات GPR در طی دو دهه اخیر می‌باشند.

 NDT در سازه‌های بتنی

در اواخر دهه 1980 و اوایل دهه 1990، تنها تکنیک اسکن کننده بتن و ارائه داده‌های تصویری مناسب جهت تعیین شکل و آرایش اعضای سازه، تکنیک رادار نفوذ کننده زمین (GPR) بوده است. این روش با تشخیص دهنده‌های فلزی اولیه تلفیق شد. حتی استفاده توأم آن از این دو روش نسبت به عملیات آن‌ها و کیفیت خروجی داده‌ها غیر قابل اطمینان می‌باشد.

یک عامل مثبت در طی این زمان آن است که تنها برخی از شرکت‌ها این خدمات را ارائه کرده‌اند. تعداد کم شرکت‌ها در این عرصه نشان می‌دهد که اپراتورها و تحلیل گران اطلاعات به خوبی و با تجربه اجرایی آموزش دیده‌اند. با این حال، با توجه به این که تجهیزات همچنان غیرقابل اطمینان می‌باشند و داده‌ها از کیفیت وضوح کمی برخوردار هستند، وجود مشکلات در تفسیر داده‌ها اجتناب ناپذیر به نظر می‌رسد. این موضوع موجب ایجاد خرابی در صنعت و اغلب ایجاد حس تردید در مورد تکنولوژی و همچنین در مورد ارائه آن‌ها به متخصصین در زمینه آن‌ها می‌گردد.

این موضوع نشان می‌دهد که روش‌های مرسوم بازرسی مانند پروبینگ بستگی زیادی به پاسخگویی به سؤالات در مورد شکل و شرایط بتن دارد (جرم و مسلح بودن).

در طی 20 سال اخیر، تجهیزات GPR از حیث قابل اطمینان بودن داده‌ها و همچنین بوی بد حین اجرا (به دلیل میزان غبار کربن در تجهیزات اولیه) به نمونه‌ای دقیق‌تر و قابل اطمینان¬تر پیشرفت کرده‌اند.

رادار نفوذ به زمین

رادار نفوذ کننده زمین (GPR) یک تکنیک تصویر برداری می‌باشد که از امواج الکترومغناطیس سینوسی با پهنای گسترده جهت تولید تصاویر با وضوح بالا در مواد زیر سطحی از ارتفاع صفر تا تقریباً 33 فوت (10 متر) استفاده می‌کند. GPR یک ابزار مؤثر برای بازرسی زیر سطحی و کنترل کیفیت در پروژه‌های ساخت مهندسی محسوب می‌شود. روش بازرسی در این حالت به صورت سریع، غیر مخرب و غیر تهاجمی می‌باشد.

کاربرد این ابزار

هنگامی که این وسیله با استفاده از روش‌های دیگر بازرسی نظیر مغناطیس و آکوستیک ترکیب می‌شود، GPR به عنوان بهترین و قابل اطمینان¬ترین روش جهت ارزیابی یک سازه بتنی مطرح می‌باشد. تفسیر داده‌های GPR موجب پاسخ به سؤالات زیر در مورد یک سازه بتنی می‌گردد:

  • ضخامت عضو بتنی و ضخامت پوشش میلگرد (شامل تغییرات نسبت به طراحی اصلی)

  • وجود، فاصله، آرایش و شکل میلگردهای مدفون شده
  • وجود شاخصه‌های دیگر نظیر کابل‌های پیش تنیده، مجراهای محصور و لوله‌ها

می‌توان اطلاعات وضعیت را با استفاده از GPR شامل تعیین موارد زیر بازیابی کرد:

  • وجود، موقعیت و شدت حفرات و نواحی مجوف در بتن
  • وجود و محل لایه‌لایه شدگی/ جدا شدگی موازی با سطح بتن
  • درصد رطوبت نسبی (تست¬های آزمایشگاهی همچنان جهت اندازه گیری دقیق مورد نیاز می‌باشند)

بایستی به خاطر داشت که اطلاعات از وضعیت به صورت دقیق هنگامی تعیین می‌شود که همراه با دیگر تکنیک¬های بازرسی نظیر پتانسیل نیمه- سلول، مقاومت پلاریزاسیون خطی (LPR)، رطوبت سنج‌ها، ترموگرافی مادون قرمز و فراصوت‌ها مورد استفاده قرار گیرد. هیچ تکنیکی به تمامی سؤالات به ویژه هنگامی که مسئله خوردگی میلگرد می‌باشد، ارائه نمی‌کنند.

نحوه کار GPR

یک پالس الکترومغناطیس از انرژی به سازه تحت بررسی ارسال می‌شود. هنگامی که پالس از یک نوع ماده به ماده دیگری منتقل می‌شود، سرعت موج پالس تغییر می‌کند. این تغییر در سرعت موج در مرز بین انواع مواد موجب انعکاس بازگشت انرژی به گیرنده و رکوردی از سطح مشترک می‌گردد.

هر دو سیگنال انتقالی و دریافتی از نوع موج می‌باشند. سیستم از اصولی استفاده می‌کند که طی آن امواج رادیویی در سرعت‌های مختلف به وسیله مواد مختلف عبور می‌کنند. با توجه به این که سرعت وابسته به مشخصات الکتریکی آن ماده می‌باشند، می‌توان تغییر در تفاوت الکتریکی را به وسیله رادار پالسی ثبت کرد (دنیلز، دی. جی).

تفسیر داده‌ها

رادار داده‌ای به شکل آنالوگ متشکل از مجموعه‌ای از خطوط سینوسی می‌باشد که به تفسیر دقیق جهت ارائه نتایجی مناسب نیاز دارد.

ساده‌ترین آیتم‌های قابل شناسایی در یک مقطع از اسکن داده‌ها شامل عناصر فلزی مانند میلگردها، میلگردهای شاخه‌ای و تاندون‌های پیش تنیده می‌باشند. با این حال شناسایی موفقیت آمیز آن‌ها مستلزم به‌ کارگیری یک فرد با تجربه می باشد، زیرا ممکن است پاسخ داده‌ها و وضوح آن‌ها به صورت قابل توجه از یک ماده به ماده دیگر تغییر کند به نحوی که وجود یک حفره یا یک قطعه سنگدانه در آهن جهت تشخیص فلز شرایط دشواری را ایجاد می‌کند. تجربه و دانش تجهیزات جهت تفسیر دقیق داده‌ها حائز اهمیت می‌باشد.

وضوح داده‌ها

در طی 20 سال اخیر وضوح داده‌ها پیشرفت چشمگیری یافته‌اند. داده‌های رادار در دهه 1990 با استفاده از کمربندهای الکتریکی تبدیل به کاغذ حرارتی شد؛ در نتیجه، پرینترها غبار کربنی را خارج کرده و در نتیجه داده‌ها اغلب از کیفیت نامناسبی برخوردار بودند. امروزه داده‌های رادار بسیار واضح‌تر بوده و به صورت دیجیتالی برای استفاده در کامپیوتر ثبت می‌شوند. مقایسه وضوح داده‌ها در شکل 5 نشان داده شده است.

جهت ایجاد نقشه‌های سه بعدی (3D) با سر آنتن‌های معمول، سطح بتن نیازمند چندین نوبت عبور بر روی یک الگوی شبکه‌ای در هر دو مختصات X و Y می‌باشد. واحدهای بازرسی پل بر روی سه کارت که موجب جمع آوری سریع‌تر داده‌ها برای عرشه‌های کوچک‌تر پل‌ها می‌گردند، وجود دارند. با این حال زمان مورد نیاز برای چندین نوبت عبور و پردازش متعاقب داده‌ها موجب زمان بر شدن فرآیند می‌گردد.

نگاشت و ارزیابی پیشرفته شرایط

یکی از آخرین پیشرفت‌های حاصل شده در تجهیزات GPR در بازار، واحد بازرسی چند آرایه‌ای (با چندین آنتن) می‌باشد. هر چند این دستگاه به نواحی بازرسی پل متصل می‌شود، اما می‌تواند آرایش و وضعیت هر سازه افقی را ثبت کرده و اطلاعات خاص در مورد عمق پوشش میلگرد، پوسته‌پوسته شدن، ایجاد حفره‌ای و درصد رطوبت نسبی را ثبت کرد. 

نباید کاربرد آن را صرفاً محدود به بتن کرد. این فنّاوری امکان بررسی بر روی آسفالت و دیگر مصالح مانند آجر و یا روکش‌های سنگی را فراهم می‌کند؛ با این حال این دستگاه جهت ارزیابی سلامت سازه ارائه شده است.

این سیستم متشکل از چندین فرکانس آنتن به جای استفاده از تجهیزات آنتن معمول جهت جمع آوری داده می‌باشد. آرایه آنتن می‌تواند ترموگرافی زیر زمینی سه بعدی دقیق از سطح مورد بررسی را ارائه کند. این جزئیات دقیق موجب تشخیص دقیق‌تر ضخامت سازه، قرار گیری میلگردها، رطوبت موجود و سطح خرابی همراه با رطوبت یا ورقه شدگی بتن می‌گردد. همانند تمامی تکنیک¬های NDT، بایستی استفاده از این تجهیزات را با تکنیک¬های دیگر بررسی جهت ارزیابی داده‌ها و صحت سنجی نتایج ترکیب کرد.

طراحی سیستم موجب ایجاد داده‌های سریع، دقیق با وضوح بالا در سرعت بالای 12 مایل بر ساعت می‌گردد. هنگام مقایسه این داده‌ها با آرایه‌های GPR (بدون تماس با سطح) هوایی خودرو که داده‌ها را در سرعت‌های بالاتر جمع آوری می‌کند، وضوح فراتر از حد تعریف شده می‌باشد. این موضوع به دلیل تماس با سطح و چگالی بالای داده‌ها می‌باشد (شکل 6).