Ứng Dụng Công Nghệ Phản Xạ Xung Siêu Âm Trong Kiểm Tra Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép

Home / Kiến Thức NDT / Ứng Dụng Công Nghệ Phản Xạ Xung Siêu Âm Trong Kiểm Tra Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép

TÓM TẮT

Ứng dụng rộng rãi của bê tông trong thi công cấu kiện bê tông cốt thép, sữa chữa cấu kiện đòi hỏi sự phát triển của thiết bị và kỹ thuật mới để kiểm tra chất lượng bê tông được tin cậy và hiệu quả. Trong số các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy bằng phương pháp siêu âm hiện có, bao gồm: vận tốc tung siêu âm (UPV), phản xạ xung siêu âm (UPE), radar xuyên đất (GPR), tia X. Trong đó, UPE dựa trên kỹ thuật xung phản xạ xung siêu âm ngày càng trở nên phổ biến hơn do độ tin cậy cao trong việc phát hiện các khuyết tật có trong bê tông được hiển thị ở dạng hình ảnh có độ phân giải tốt và khả năng áp dụng cho các cấu kiện có chiều dày (sâu) lớn hơn.

Trong bài báo này, tác giả ứng dụng công nghệ phản xạ xung siêu âm trong một trường hợp cụ thể là kiểm tra vị trí tiếp giáp của mối nối cấu kiện cột, vách thi công theo biện pháp topdown, semi topdown tại vị trí đổ bù (vữa, bê tông) để liền khối hóa cấu kiện trên các mẫu thử (mockup) và kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp bằng phương pháp phá hủy (khoan lấy mẫu) kiểm tra.

Kết quả siêu âm dự đoán khuyết tật bằng phương pháp phản xạ xung có độ chính xác cao. Tuy nhiên do hạn chế về việc hiển thị (phân biệt) khuyết tật, cần phải kết hợp với các thông tin về kết cấu kiểm tra như: bản vẽ thép, hiện trạng thi công … để loại trừ các khuyết tật đã biết (thép, ống thoát khí …).

TỪ KHÓA: NDT, phản xạ xung siêu âm bê tông, UPE, Ultrasonic Pulse Echo …

ABSTRACT: The wide application of concrete in reinforced concrete structure construction, structural repair requires the development of new equipment and techniques to reliably and effectively test the quality of concrete. Among the non-destructive ultrasonic testing techniques currently available, these include: ultrasonic launch velocity (UPV), ultrasonic pulse reflection (UPE), ground-penetrating radar (GPR), X-ray. In Therefore, UPE based on ultrasonic pulse reflection technique is becoming more and more popular due to its high reliability in detecting defects present in concrete displayed in the form of high resolution images and the ability to Applicability to members with greater thickness (depth).

In this paper, the author applies ultrasonic pulse reflection technology in a specific case to check the contiguous position of the column and wall member joints according to the topdown, semi topdown method at the pouring location. compensation (grout, concrete) to solidify the structure on the test samples (mockup) and verify the reliability of the method by destructive testing (sampling drilling).

Ultrasound results predict defects by pulse reflection method with high accuracy. However, due to the limitation of displaying (distinguishing) defects, it is necessary to combine with information on the inspected structure such as: steel drawings, construction status… to exclude known defects. (steel, exhaust pipe…).

KEYWORDS: NDT, UPE, Ultrasonic Pulse Echo…

1.  MỞ ĐẦU

Phản xạ xung siêu âm (UPE): Là sử dụng các đầu dò phát ra các xung ngắn, các xung siêu âm này truyền vào lớp vật liệu và bị phản xạ lại, thông qua kết quả xung phản xạ (tần số, thời gian) [1]. Phương pháp UPE sử dụng sóng ứng suất âm để nghiên cứu đặc tính của các lớp dưới bề mặt và xác định các khuyết tật bằng cách xác định bất kỳ điểm bất thường nào của trở kháng âm khác với bê tông. Phương pháp thử nghiệm được phát triển để giải quyết các hạn chế thực tế của thử nghiệm Vận tốc xung siêu âm nói chung, chẳng hạn như nhu cầu tiếp cận cả hai mặt của phần tử bê tông. ACI 228.2R Phần 3.2.2 cung cấp một đánh giá toàn diện về sự phát triển của phương pháp dội âm xung siêu âm và các thiết bị trong vài thập kỷ qua. Trong khi các thiết bị UPE truyền thống có khả năng cung cấp A-Scans và B-Scans, các thiết bị Siêu âm Echo Tomography hiện đại có khả năng cung cấp B-Scans thời gian thực cho phép các kỹ sư nhìn thấy các mục tiêu dưới bề mặt với độ rõ nét hơn. Các ứng dụng dựa trên thiết bị di động, cùng với Trí tuệ nhân tạo và các kỹ thuật xử lý tín hiệu hiện đại đã mang lại tốc độ và độ rõ nét vượt trội, dễ sử dụng.

Hình 1 – Mô hình nguyên tắc phương pháp thí nghiệm phản xạ xung siêu âm

Nguyên lý của phương pháp là sử dụng việc truyền sóng qua một lớp chiều dày bê tông nhất định trên kết cấu, trong quá trình truyền tại mỗi vật liệu đặc trưng khác nhau sẽ phản hồi lại xung và được thiết bị tiếp nhận lại. Căn cứ vào thông số đặc trưng của xung, bằng các thuật toán của thiết bị sử dụng thông qua các đại lượng đo lường của thiết bị (thời gian truyền, tần số, màu sắc …) sẽ đưa ra phân tích về phổ ảnh, từ đó có những đánh giá dự đoán khuyết tật.

Các vấn đề liên quan đến kiểm tra cấu kiện bê tông cốt thép bằng phương pháp không không phá hủy luôn được các bên lựa chọn và quan tâm bởi sự tiện dụng, thời gian và độ chính xác tương đối của nó mang lại.

Trong quá trình đô thị hóa ở Việt Nam, việc đẩy nhanh tiến độ thi công được các đơn vị đặc biệt quan tâm, một trong những biện pháp giải quyết bài toán xây dựng các công trình cao tầng là bằng biện pháp thi công topdown, semi topdown. Công nghệ thi công topdown (từ trên xuống) là công nghệ thi công phần ngầm của công trình nhà, theo phương pháp khác với phương pháp truyền thống thi công từ dưới lên. Theo cách thi công này các cột, vách có khoảng hở ở vị trí tiếp giáp giữa cột, vách và sàn tầng phía trên, khoảng hở đó được liền khối hóa bằng vữa không co đảm bảo cường độ lớn hơn cường độ vật liệu của cấu kiện. Việc sử dụng vữa không co trong liền khối hóa đem lại ưu điểm như: thời gian, chất lượng thi công … tuy nhiên qua thực tế hiện nay chất lượng tại mối nối này đặc biệt là lớp tiếp giáp trên còn nhiều khuyết tật như: rỗ, rỗng, liên kết vữa-bê tông yếu…

Trên cơ sở nghiên cứu sơ bộ và ứng dụng triển khai, tác giả nhận thấy việc sử dụng phương pháp UPE trong kiểm tra đối với trường hợp mối nối topdown này có ý nghĩa thực tiễn đáp ứng được các yêu cầu đề ra khi kiểm tra cấu kiện. Các nghiên cứu được thực hiện trên mô hình thí nghiệm tại hiện trường và tại Viện Chuyên ngành Bê tông – Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng.

2.  PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

2.1  Mô Hình Thử Nghiệm

Các mô hình thử nghiệm được chế tạo đại diện theo đúng mô hình cấu kiện khi thi công thực tế, sử dụng bê tông có cấp độ bền B45.

Mô hình thử nghiệm được mô phỏng lại theo đúng điều kiện thi công thực tế hiện nay đang gặp:

Trường hợp 1 – Sử dụng biện pháp liền khối hóa cột vách bằng vữa không co (mô hình 1, 2 và 5).

Trường hợp 2 – Thi công bê tông gián đoạn (mô hình 4).

Hình 2 – Mô hình (M1, M2, M5) thử nghiệm trước khi đổ bù bằng vữa không co

Việc thi công bơm vữa được các bên liên quan thực hiện theo nguyên tắc bơm lấp đầy giống nhau trên các mô hình (bố trí vị trí lỗ thoát khí, áp lực bơm, trình tự bơm …). Công tác chế tạo mô hình thử nghiệm được Nhà thầu thi công thực hiện. Thông tin chế tạo các mô hình thử nghiệm được tập hợp trong bảng 1.

Hình 3 – Mô hình (M1, M2) sau khi được liền khối hóa bằng vữa không co

Hình 4 – Mô hình (M4) thi công bê tông gián đoạn

Hình 5 – Mô hình (M5) sau khi được liền khối hóa bằng vữa không co

Bảng 1 – Thông tin chế tạo mô hình thử nghiệm

2.2  Phương Pháp Thực Hiện 

Để thực hiện các nội dung thử nghiệm trên đây, sử dụng 02 phương pháp kiểm tra chính như được mô tả sau đây.

2.2.1  Phương pháp không phá hủy 

Sử dụng phương pháp phản xạ xung siêu âm (UPE) để dự đoán khuyết tật. Thiết bị sử dụng là máy siêu âm Mira A1020 Lite – ACS-Solutions Gmbh – Germany [2][3].

Hình 6 – Máy siêu âm Mira A1020 Lite và các phụ kiện

Mira A1020 Lite là một hệ thống siêu âm chụp cắt lớp có tần số thấp (10 kHz đến 100 kHz) tương ứng với phạm vi vận tốc sóng âm từ 1.000 m/s đến 10.000 m/s cho kiểm tra đánh giá chất lượng các kết cấu bê tông và BTCT có chiều sâu đo được lên tới 1.000 mm đối với bê tông và 400 mm đối với BTCT. Các chế độ hình ảnh quan sát trực quan hóa dạng 2D (A-Scan, B-Scan, B-C-D Scan Panorama) và Full-3D. Nó là một hệ thống hoàn toàn độc lập được sử dụng để thu thập, xử lý đo vẽ bản đồ địa hình và đánh giá dữ liệu siêu âm bằng kỹ thuật xung dội. Hệ thống cảm biến thế hệ mới chứa một mảng dải ma trận (MAA- Matrix Antenna Array) với 32 đầu dò kiểu tiếp xúc khô (DPC – Dry Point Contact) loại sóng trượt có băng thông rộng tần số thấp với các đầu tiếp xúc được làm bằng gốm ceramic chịu được sự mài mòn khi hoạt động lâu dài và không cần chất tiếp âm trên các bề mặt gồ ghề.

Mira A1020 Lite được thiết kế dành riêng cho kiểm tra không phá hủy các kết cấu BTCT chỉ cần tiếp xúc từ một phía. Nó cho phép ước tính tính toàn vẹn (tình trạng nguyên vẹn) của vật liệu bằng cách phát hiện các tạp chất, khoảng trống, lỗ rỗng, bóc tách, không được phun vữa và vết nứt cũng như đo chiều dày đối tượng đang kiểm tra.

A1020 Mira Lite cho phép thực hiện kiểm tra nhanh chóng và hiệu quả các chi tiết lớn với hình ảnh ba chiều trực quan hóa và tài liệu các kết quả kiểm tra bằng phần mềm INTROVIEW 3D độc đáo của ACS Group.

Hình 7 – Phần mềm chuyên dụng Introview xử lý kết quả ra dạng hình ảnh

2.2.2  Phương pháp phá hủy 

Đánh giá trực quan thông qua mẫu khoan lõi từ trên mô hình và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý mẫu bê tông khoan (TCVN 3105:1993; TCVN 3118:1993; TCXDVN 239:2006 …).

3.  KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN

3.1  Xác Định Khuyết Tật Trong Mô Hình Bằng UPE

Dữ liệu siêu âm được xử lý bằng phần mềm chuyên dụng, kết quả siêu âm đối với các mô hình được thể hiện bằng hình ảnh. Dựa trên dữ liệu hiện trạng của mô hình (vị trí thép, vị trí ống thoát khí (ống nhựa), khuyết tật tại bề mặt kiểm tra …), tác giả tổng hợp phân tích kết quả, đối chiếu thông tin hiện trạng đã biết và đưa ra ước tính tỷ lệ khuyết tật dự đoán, vùng khuyết tật đối với từng mô hình như sau:

  • Tính toán tỷ lệ khuyết tật dự đoán căn cứ trên kết quả hình ảnh 2D tại mặt cắt vùng tiếp giáp, tỷ lệ diện tích vùng khuyết tật (màu đỏ, cam) trên diện tích vùng quét hình ảnh. Việc tính toán diện tích vùng khuyết tật dự đoán trên vùng siêu âm kiểm tra được xử lý bằng phần mềm Autocad.
  • Tỷ lệ vùng khuyết tật không bao gồm các vị trí trùng với các khuyết tật đã biết trong cấu kiện như: thép, ống nhựa … Kết quả tính toán tỷ lệ khuyết tật dự đoán cho với mỗi loại mô hình (M1, M2, M5: Tiếp giáp vữa – bê tông phía trên ; M4 : Tiếp giáp bê tông – bê tông) như sau.

Hình 8 – Kết quả siêu âm dự đoán các vùng khuyết tật tại vị trí tiếp giáp vữa – bê tông phía trên của mô hình M1. Tỷ lệ khuyết tật dự đoán tương đối thông qua diện tích vùng khuyết tật/kiểm tra là 0,098/1,336 = 7,33%

Hình 10 – Kết quả siêu âm dự đoán vùng khuyết tật tại vị trí tiếp giáp bê tông của mô hình M4 (thi công gián đoạn). Tỷ lệ khuyết tật dự đoán tương đối thông qua diện tích vùng khuyết tật/kiểm tra là 0,008/1,250 = 0,64%

Hình 9 – Kết quả siêu âm dự đoán các vùng khuyết tật tại vị trí tiếp giáp vữa – bê tông phía trên của mô hình M2. Tỷ lệ khuyết tật dự đoán tương đối thông qua diện tích vùng khuyết tật/kiểm tra là 0,063/1,200 = 5,26%

Hình 11 – Kết quả siêu âm dự đoán các vùng khuyết tật tại vị trí tiếp giáp vữa – bê tông phía trên của mô hình M5. Tỷ lệ khuyết tật dự đoán tương đối thông qua diện tích vùng khuyết tật/kiểm tra là 0,010/0,436 = 2,32%

Kết quả phân tích bằng hình ảnh trên cho thấy, tỷ lệ vùng khuyết tật của mô hình M4 (thi công gián đoạn) cho kết quả thấp nhất. Các mô hình thi công liền khối bằng vữa không có cho tỷ lệ khuyết tật nhiều hơn dao động từ 2,32% đến 7,33%.

3.2  Vị Trí Khuyết Tật Dự Doán Và Khoan Rút Lõi Kiểm Tra

3.2.1  Mô hình M1

Sau khi kiểm tra và đối chiếu hiện trạng tại hiện trường, vị trí L250, L1300 trùng với thép nên không tiến hành khoan kiểm tra. Vị trí L2200 khoan rút lõi kiểm tra, hiện trạng mẫu khoan khoan kiểm tra như sau.

Hình 12 – Vị trí dự đoán khuyết tật mô hình M1

  • Mẫu khoan tại vị trí dự đoán khuyết tật không có liên kết (bong tách riêng thành 2 lớp vữa, bê tông).
  • Bề mặt tiếp giáp của phần vữa có nhiều bọt khí kích thước từ 2 mm đến 7 mm.

Hình 13 – Mẫu khoan tại vị trí siêu âm dự đoán khuyết tật mô hình M1

 

3.2.2  Mô hình M2

Sau khi kiểm tra và đối chiếu hiện trạng tại hiện trường vị trí L650 có ống nhựa D21 (ống thoát khí) và L1230 trùng với vị trí thép. Vị trí L1500 khoan rút lõi kiểm tra, hiện trạng mẫu khoan khoan kiểm tra như sau.

Hình 14 – Vị trí dự đoán khuyết tật mô hình M2

  • Mẫu khoan tại vị trí dự đoán khuyết tật không có liên kết (bong tách riêng thành 2 lớp vữa, bê tông.
  • Bề mặt tiếp giáp của phần vữa có nhiều bọt khí kích thước từ 2mm đến 12 mm.

Hình 15 – Mẫu khoan tại vị trí siêu âm dự đoán khuyết tật mô hình M2

 

3.2.3  Mô hình M3

Không thí nghiệm kiểm tra, mẫu mô hình không đạt yêu cầu.

3.2.4  Mô hình M4

Vị trí L550 khoan rút lõi kiểm tra, hiện trạng mẫu khoan khoan kiểm tra như sau.

Hình 16 – Vị trí dự đoán khuyết tật mô hình M4

  • Mẫu khoan liên kết tốt giữa 2 lớp bê tông.
  • Trên bề mặt có một số ít bọt khí.

Hình 17 – Mẫu khoan tại vị trí siêu âm dự đoán khuyết tật mô hình M4

Hình 18 – Phá hủy mẫu để kiểm tra khuyết tật bên trong mẫu khoan của mô hình M4

 

3.2.5  Mô hình M5

Vị trí L850 khoan rút lõi kiểm tra, hiện trạng mẫu khoan khoan kiểm tra như sau.

Hình 19 – Vị trí dự đoán khuyết tật mô hình M5

Hình 20 – Mẫu khoan tại vị trí siêu âm dự đoán khuyết tật mô hình M5

  • Mẫu khoan tại vị trí dự đoán khuyết tật không có liên kết (bong tách riêng thành 2 lớp vữa, bê tông.
  • Bề mặt tiếp giáp của phần vữa có nhiều bọt khí phân bố dạng tổ ong.
  • Liên kết vật liệu kết dính sikadur 732 không liên kết với lớp vữa không co.

3.3  Phương Pháp Thử Nghiệm Trên Các Mẫu Lõi Khoan

3.3.1  Hiện trạng mẫu khoan

Tiến hành khoan lấy mẫu kiểm tra tiếp giáp vữa – bê tông đối với mô hình M1, M2, M5 và lớp tiếp giáp bê tông đối với mô hình M4.

Quan sát mẫu khoan lấy từ trên cấu kiện mô hình, ghi nhận hiện trạng vị trí tiếp giáp, chụp ảnh khuyết tật nếu có. Kết quả hiện trạng liên kết sau khi khoan lấy mẫu được tập hợp tại bảng 2.

Bảng 2 – Tổng hợp hiện trạng mẫu khoan kiểm tra

3.3.2  Tính chất cơ lý mẫu khoan

Cường độ nén, cường độ liên kết (kéo dọc trục) …. Các mẫu thử đối với mô hình thi công đổ bù vữa không co không đảm bảo để tiến hành thí nghiệm. Vì vậy công tác thí nghiệm kiểm tra tính chất cơ lý của mẫu khoan tại vị trí tiếp giáp phía trên vữa – bê tông, bê tông – bê tông không thực hiện được. Kết quả kiểm tra bổ sung đối với các mẫu khoan của mô hình thí nghiệm trên mẫu thử liên kết phía dưới vữa – bê tông đối với mô hình thi công bằng vữa đổ bù và liên kết bê tông – bê tông mẫu bê tông gián đoạn.

Bảng 3 – Tính chất cơ lý mẫu khoan phần tiếp giáp phía dưới vữa – bê tông

4.  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1  Kết Luận

  • Kết quả siêu âm dự đoán khuyết tật bằng phương pháp phản xạ xung có độ chính xác cao. Tuy nhiên do hạn chế về việc hiển thị (phân biệt) khuyết tật, cần phải kết hợp với các thông tin về kết cấu kiểm tra như: bản vẽ thép, hiện trạng thi công … để loại trừ các khuyết tật đã biết (thép, ống thoát khí …).
  • Kết quả siêu âm tại vùng tiếp giáp vữa – bê tông phía trên, tỷ lệ khuyết tật dự đoán đối với phương án thi công bơm vữa không co kết quả tương ứng lần lượt đối với các mô hình M1, M2, M5 là 5,26%, 7,23%, 2,32%. Kết quả đối với mô hình thi công bằng đổ bê tông gián đoạn là 0,64%.
  • Vị trí tiếp giáp vữa – bê tông phía trên được liền khối bằng vữa không co, tuy nhiên liên kết có cường độ yếu và dễ bị bong tách riêng thành 2 lớp sau khi lấy ra khỏi cấu kiện. Do đó, mẫu thử không đảm bảo thực hiện thí nghiệm xác định tính chất cơ lý: cường độ nén, cường độ kéo dọc trục.
  • Vị trí tiếp giáp vữa – bê tông phía dưới liên kết và không có khuyết tật.
  • Tuy nhiên, liên kết (bám dính) vữa – bê tông của các mẫu lõi khoan bị phá hủy (tách rời) khi có một số nguyên nhân khách quan tác động như: Thao tác lấy mẫu ra khỏi cấu kiện sau khi khoan, cầm mẫu quan sát, vận chuyển…
  • Cường độ nén mẫu khoan của mô hình thi công bằng vữa không co phần liên kết vữa – bê tông phía dưới cao hơn so với cường độ nén mẫu khoan của mô hình thi công bê tông gián đoạn.
  • Cường độ kéo dọc trục mẫu khoan (trừ mẫu M1.1) của mô hình thi công bằng vữa không co phần liên kết phía dưới vữa – bê tông, nhìn chung cao hơn so với cường độ kéo dọc trục mẫu khoan của mô hình thi công bê tông gián đoạn.
  • Các kết quả phân tích trên cho thấy, việc thi công theo phương pháp đổ bê tông gián đoạn cho kết quả tốt hơn so với phương pháp liền khối hóa bằng vữa không co.

4.2  Kiến Nghị

  • Phương pháp siêu âm UPE cho thấy việc ưu việt trong đánh giá, tìm kiếm khuyết tật trong bê tông cốt thép, tuy nhiên hiện nay để thuận tiên hơn trong công tác đánh giá, kiểm tra cần có công bố trong các tài liệu kỹ thuật của cơ quan chuyên môn cũng như tiêu chuẩn hóa.
  • Do số lượng mẫu hạn chế trong quá trình lấy mẫu, các kết quả thí nghiệm này cũng chưa phản ánh được đầy đủ thực chất về các tính chất của liên kết khi thi công liền khối hóa.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ACI 228.2R-13, Report on Nondestructive Test Methods for Evaluation of Concrete in Structures.

[2]  https://acs-international.com/product/a1020-mira-lite/

[3]  https://saigonic.com/san_pham/a1020_mira_lite_ultrasonic_tomograph/

[4]  https://symetrics-ndt.com/

[5]  Nguyễn Văn Thạnh, RDV 78-2018 “Nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt liệu đặt sẵn trong thi công liền khối hóa đầu cột, vách topdown”

 

TÁC GIẢ SOẠN THẢO

KS. Nguyễn Văn Thạnh

Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng

Email: thanhnv.ibst@gmail.com