metodă nedistructivă pentru evaluarea caracteristicilor ... - IPA SA

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
METODĂ NEDISTRUCTIVĂ PENTRU EVALUAREA
CARACTERISTICILOR STRATURILOR RUTIERE
Contract CEEX nr. X1C15
Prof.dr.ing. Constantin ROMANESCU, Conf.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL, asist.drd.ing. Adrian
BURLACU – U.T.C.B.
Dr.Fiz. Irinela CHILIBON – INOE 2000
Dr.Fiz. Vasile TRIPĂDUŞ, Dr.Fiz. Dorina CONSTANTINESCU – IFIN HH
Prof.dr.ing. Velizar SORESCU, Prof.dr.ing. Neculai GROSU – UPB - CO
1. INTRODUCERE
Acest studiu a avut in vedere identificarea caracteristicilor geometrice si mecanice a
straturilor rutiere folosind metode nedistructive complexe cu ultrasunete. Scopul lucrarii este acela
de a elabora o metoda nedistructiva moderna, necostisitoare si precisa de control a calitatii
straturilor rutiere cu un echipament portabil usor de utilizat, flexibil, care sa evidentieze in timp util
zonele unde nu sunt indeplinite conditiile tehnice si care pot sa constituie puncte de amorsare a
degradarilor. Sistemul va furniza informatii utile privind starea de deteriorare a elementelor si
straturilor rutiere, in functie de coeficientii de siguranta impusi de proiectant, pentru prevenirea
unor distrugeri si dezastre (distrugerea marfurilor transportate, poluare cu substante radioactive,
deseuri, substante chimice toxice, etc.).
2. DESCRIEREA METODEI SI CONCEPTUL APARATULUI
Metodele acustice nedistructive pe baza de ultrasunete pentru incercarile materialelor de
constructii sunt: metoda cu impulsul ultrasonic, metoda de rezonanta, si metoda impuls ecou.
Aparatul este destinat măsurării grosimii a două straturi asfaltice de acoperire a părţii
carosabile de pe drumurile publice.
Pentru masurarea grosimii straturilor cu unde ultrasonice s-a ales metoda cu emisie in
impuls-ecou prin determinarea timpului de propagare a semnalului reflectat de diversele zone de
separatie intre straturi. In Fig. 2.1 se prezintã metoda impuls-ecou de analiza de frecventa bazata pe
principiul reflexiei: unda - impuls are reflexii multiple intre suprafetele reflectoare. Unda - ecou
soseste la suprafata testata la intervale periodice, rezultand o caracteristica de frecventa cu forma de
unda care este dependenta de distanta pana la suprafata reflectoare.
Fig. 2.1 Metoda impuls-ecou
Principiul de masura este urmatorul: un generator ultrasonor emite un impuls care se va
propaga prin stratul asfaltic pana cand intalneste suprafata de separatie dintre doua straturi, moment
în care o parte din semnal se reflecta iar cealalta parte va trece prin refractie in stratul urmator în
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
43

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
care fenomenele de reflexie şi refractie se vor repeta la întâlnirea urmatoarei suprafete de separatie
şi aşa mai departe. Semnalele reflectate sunt receptionate cu ajutorul unui traductor ultrasonic
receptor, amplificate şi prelucrate de sistem. Masurand timpul scurs între momentul emisiei şi
momentul receptiei se poate determina grosimea stratului. In figura 2. 2 se prezinta cazul ideal,
adica cel in care suprafata de separatie a celor doua straturi este perfect plana si cele doua materiale
sunt uniforme. Fasciculele reflectate 1, 2, 3 corespund reflexiilor care se produc la trecerea dintr-un
mediu in altul, respectiv aer-stratul 1, stratul 1- stratul 2, stratul 2 – stratul urmator. In acelasi timp
fasciculul sufera si o refractie functie de compozitia celor doua straturi. In cazul real suprafata de
separatie dintre cele doua straturi nu este perfect plana ceea ce determina aparitia unui efect de
dispersie a fasciculului de intrare care se accentueaza la reflexia pe stratul emitator fapt care duce la
aparitia unor diferente de drum. In plus, existenta unor neuniformitati datorate unor incluziuni de
agregate sau goluri in material poate duce la aparitia unor fascicule parazite (Fig. 2.2).
44
Fig. 2.2 Principiul metodei de masurarea grosimii straturilor cu unde
ultrasonice
Modul de realizare a unei masuratori pentru un punct consta realizarea unei serii de n
masuratori pentru aceiasi pozitie a traductoarelor, realizarea mediei timpilor masurati, obtinandu-se
în acest mod timpul t n dupa care se repeta operatia de N ori cu schimbarea poziţiei traductoarelor în
jurul aceluiasi punct, dupa care urmează medierea timpilor t n rezultatul acestei medieri fiind timpul
de propagare prin strat. Datorita faptului ca sunt mai multe straturi succesiunea operaţiilor de
masurare trebuie sa fie urmatoarea:
1. Se pozitioneaza traductorii pentru efectuarea primei masuratori din cele N care se
efectueaza.
2. Se efectueaza cele n masuratori pentru primul strat fără a utiliza o mască de timp.
3. Se stabileşte timpul maxim de raspuns pentru acest prim strat, timp care va servi drept
masca pentru stratul urmator şi se efectueaza medierea timpilor pentru primul strat.
4. Se repeta operatiile 2 şi 3 pentru celelalte straturi, la operatia 2 folosindu-se ca masca de
timp timpul maxim determinat in etapa anterioara.
5. Se pozitioneaza traductorii pe o alta pozitie in jurul punctului de masura si se efectueaza
operatiile 2, 3 si 4 pana cand se obtine numarul Ν de masuratori.
6. Se calculeaza media timpilor obtinuti pentru fiecare strat.
Fiind vorba de un aparat ce va fi utilizat in conditiile grele de mediu, vibratii si socuri, s-a
ales varianta unui echipament format dintr-o consola si o cutie metalica in care se afla traductorii
(emitator si receptor) si acumulatorul de 12 V, care sunt fixate pe un carucior portabil, ce se poate
deplasa pe suprafata asfaltului (Fig. 2.3). S-a ales aceasta solutie deoarece permite deplasarea mai
usoara a dispozitivului de masura in locurile stabilite de operator. Aparatul poate fi utilizat
independent, cu operare prin tastele de pe panou si vizualizarea pe afisajul LCD alfanumeric. Poate
fi conectat la un calculator, comenzile fiind date de la tastatura, iar vizualizarea datelor se face pe
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
monitorul acestuia. Nu exista conexiune prin fire intre aparat si calculator, transmisia de date fiind
wireles (Bluetooth). Se poate plasa astfel standul de masura in alta incapere decat calculatoarele,
micsorandu-se posibilitatile de contaminare de la probele analizate. Distanta maxima permisa este
de 100 m in aer liber, micorandu-se la (10-20) m in conditiile ecranarii prin ziduri de beton armat.
Software-ul de calculator permite programarea tuturor parametrilor de lucru, crearea de baze de date
pentru masurarile pe o anumita perioada, modificarea acestor baze de date, vizualizarea datelor
sortate dupa optiunea operatorului, generarea de rapoarte de masurare pe o perioada selectata,
pornirea si oprirea ciclului de masurare. Aparatul este alimentat din acumulatorii interni sau din
retea, prin intermediul unui alimentator special ce asigura si incarcarea corecta a bateriei.
Fig. 2.3 Imaginea de ansamblu a aparatului
S-au studiat mai multe tipuri de traductori posibili si s-a ales varianta unei combinatii disc
piezoceramic si element de atenuare vibratii folosit ca emitator. Sistemul realizat utilizeaza doua
traductoare piezoceramice: traductor emitator si traductor receptor, care sunt compatibile cu
interfata la blocul de comanda (consola), asigura introducerea si extragerea semnalului acustic din
materialul studiat. Traductorul emitator converteste energia electrica de la un generator de impulsuri
de inalta tensiune in energie acustica (pulsata) in materialul studiat, convertind pulsurile electrice in
pulsuri mecanice cu frecventa ultrasonica. Intensitatea acustica obtinuta cu traductorul piezoceramic
are o valoare limitata, determinata de urmatorii factori: tipul si modul de constructie al
traductorului, caracteristicile materialului piezoceramic din care este confectionat discul si
dimensiunile acestuia.
3. REZULTATE EXPERIMANTALE
Masuratorile de grosimi au fost efectuate pe probe de asfalt de diferite grosimi: 60 mm, 120
mm si contact direct intre traductori. S-au facut masuratori in laborator in doua geometrii diferite
pentru traductori : traductorii asezati de o parte si de alta a probei (metoda prin transmisie) si
traductorii asezati pe aceeasi parte a probei (metoda prin reflexie). Rezultatele obtinute sunt aratate
in figura 3.1.
Se observa ca raspunsul sistemului este linear ceea ce permite implementarea unei curbe de
calibrare, grosime = f (timp), destul de usor. Metoda prin reflexie este metoda utilizata la realizarea
sistemului automatizat. Prezentele rezultate au demonstrat fezabilitatea metodei de masurare a
grosimii imbracamintilor asfaltice prin metoda ultrasonica impuls-ecou.
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
45

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
Fig. 3.1 Functiile de raspuns ale sistemului
4. CONCLUZII
Aparatul este foarte simplu si poate fi folosit de catre firmele de constructii fara personal
specializat si nu prezinta probleme privin protectia mediului inconjurator.
Performantele tehnice ale echipamentului propus sunt:
‣ Echipament de control nedistructiv cu manevrabilitate usoara (carucior)
‣ Echipament portabil (baterii acumulatoare de 12 V, cu incarcator DC/DC de la baterie de 12V)
‣ Consum redus = maxim 50 W (regim continuu) si 20 W (regim impulsuri)
‣ Determinarea grosimii a 2 starturi asfaltice
o g max strat 1 = 5 cm
o g max strat 2 = 10 cm
‣ Grosimea minima masurata = 2 cm
‣ Numar maxim de masurari = 100
‣ Software specializat
5. BIBLIOGRAFIE
o Sansalone, M., Carino, N.J.,Hsu, N.N., "A Finite Element Study of Transient Wave
Propagation in Plates," National Bureau of Standards Journal of Research, July/Aug., 1987,
pp. 267-278
o Carino, N.J., Sansalone, M., Hsu, N.N., "Flaw Detection in Concrete by Frequency
Spectrum Analysis of Impact-Echo Waveforms," International Advances in ondestructive
Testing", 12 th Edition, W.J. McGonnagle, Ed., Gordon&Amp; Breach Science Publishers,
New York, 1986, pp. 117-146.
o Carino, N.J., Sansalone, M., Hsu, N.N., "A Point Source - Point Receiver Technique for
Flaw Detection in Concrete," Journal of the American Concrete Institute, Vol. 83, No. 2,
April, 1986, pp. 199-208.
o Sansalone, M., Carino, N.J., Hsu, N.N., "Flaw Detection in Concrete and terogeneous Materials
Using Transient Stress Waves," Journal of Acoustic Emission, Vol. 5, No. 3, July-Sept., 1986, pp.
S24-S27.
o Pessiki, S.P., Carino, N. J., "Measurement of the Setting Time and Strength of oncrete by
the Impact-echo Method," NBSIR 87-3575, National Bureau of Standards, July 1987, 121
pp.
46
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007