A1040 MIRA, tomografia ultrasonica per calcestruzzo e non solo!

A1040 MIRA, tomografia ultrasonica per calcestruzzo e non solo!
In di Boviar

Il tomografo portatile A1040 MIRA rappresenta un salto di qualità nelle prove Pulse Echo a ultrasuoni.

Realizzato dalla Acoustic Control System di Mosca in collaborazione con l’Istituto Federale per la Ricerca e le Prove sui Materiali (BAM) di Berlino, grazie alle esclusive innovazioni di cui è dotato, questo strumento ad ultrasuoni a 48 trasduttori DPC (Dry Point Contact) rappresenta la soluzione migliore e più veloce per misurazioni di spessore, individuazione di difetti e localizzazione di oggetti difficilmente rilevabili con altre tecnologie.

Il sistema, appositamente progettato per il calcestruzzo ed altri materiali per eseguire la tomografia ad ultrasuoni con restituzione imaging della struttura interna, consente la valutazione di elementi in calcestruzzo di spessore elevato, quali rivestimenti di gallerie e guaine di post-compressione, oltre lo strato dell’armatura. Ne parliamo con Marco Ciano, Technical Director di Boviar.

Qual è la sostanziale differenza tra il tomografo ad ultrasuoni ed uno strumento ad ultrasuoni tradizionale?

Il metodo ad ultrasuoni tradizionale in ambito civile, consiste nel misurare il tempo impiegato da onde ultrasoniche di compressione (onde P) di adeguata frequenza ad attraversare un mezzo compreso tra due trasduttori collocati ad una data distanza, ricavandone la velocità di propagazione al fine di stimare la qualità media del materiale.

Rispetto ad uno strumento ad ultrasuoni, il tomografo lavora in modo differente principalmente per due motivi: non usa le onde P bensì le onde di taglio (S), che sono energeticamente meno potenti e più lente rispetto alle onde P, ma si prestano meglio ad una caratterizzazione del materiale, che solitamente è un calcestruzzo, ed è, parlando del tomografo A1040, dotato di un array di 48 sensori distribuiti.

Occorre premettere che con uno strumento di tipo tradizionale, altre applicazioni più avanzate rispetto alla valutazione della velocità delle onde nel materiale, presentano una notevole difficoltà dovuta all’eterogeneità intrinseca del mezzo.

Le interfacce all’interno del materiale, cemento-aggregato e cemento-pori, o eventuali altre forti disomogeneità acustiche, rappresentate dalla presenza di una o più fessure, inducono riflessioni secondarie e rifrazioni, che disturbano la propagazione delle onde nel mezzo (fenomeno dello scattering) e rendono difficoltosa la misura, in quanto il rumore “strutturale” e l’attenuazione condizionano i risultati.

Queste discontinuità infatti attivano diversi modi di propagazione (conversione di modo d’onda), ognuno dei quali caratterizzato da una diversa velocità di propagazione, che provocano la dispersione e distorsione delle onde durante la propagazione. Per risolvere queste problematiche possiamo utilizzare il tomografo A1040, il cui funzionamento si basa sulla sola prima riflessione di brevi impulsi di onde elastiche emessi da trasduttori piezoelettrici molto smorzati ad opera di una superficie di interfaccia che può essere rappresentata dal fondo del manufatto come da fessure, cavità, armature e altre discontinuità presenti nel materiale (metodo pulse-echo).

L’intensità delle onde riflesse da queste disomogeneità dipende dal loro contrasto rispetto al materiale di base in termini di impedenza acustica (impedenza acustica Z = densità ∙ velocità delle onde elastiche). In particolare, l’aria presente nei vuoti ha un’impedenza acustica praticamente nulla e gli impulsi vengono riflessi integralmente: R = (Z2 – Z1) / (Z1 + Z2) = – 1.

Il segno negativo è indicativo anche di una inversione della polarità dell’onda. Indicazioni più deboli (R ~ 0.5) si ottengono in corrispondenza delle barre d’armatura, la cui impedenza acustica è circa 4-5 volte quella del calcestruzzo. Questo significa che le interfacce aria-calcestruzzo comportano la riflessione completa con inversione di fase degli impulsi (per esempio un impulso di compressione viene riflesso come impulso di trazione).

Viceversa, all’interfaccia verso le barre d’acciaio e i cavi di post-tensione, che presentano un’impedenza acustica superiore rispetto al calcestruzzo, avviene una riflessione parziale e con la stessa fase. In questo modo possono essere ispezionati elementi strutturali di geometria più complessa, a condizione che il rilievo venga ripetuto su una griglia regolare di punti di misura. 

Grazie alla ripetuta applicazione del principio mediante un serie di 12 sensori equispaziati di emissione-ricezione degli impulsi, lo strumento elabora in pochi secondi una tomografia 2D lungo una sezione ortogonale alla superficie del manufatto (B-scan: ripetizione delle misure lungo un allineamento), permettendo di identificare difetti e patologie anche su strutture accessibili da un solo lato (pavimentazioni, gallerie, ecc.), mentre ripetendo il rilievo su una griglia regolare di punti è possibile generare un modello 3D della struttura interna dell’elemento indagato. 

Quali sono le caratteristiche del tomografo MIRA A1040?

La principale caratteristica di questo strumento è la matrice di 48 trasduttori piezoelettrici fortemente smorzati e con contatto puntiforme. In questo strumento, i sensori sono organizzati in 12 blocchi di 4 trasduttori ciascuno. Lo strumento lavora in linea. Ogni blocco funziona come un singolo sensore che emette/riceve onde di taglio.

Il vantaggio principale che deriva dall’adozione delle onde di taglio è di non subire conversioni di modo quando vengono riflesse e di essere caratterizzate da lunghezze d’onda più corte, quindi con una risoluzione più elevata, rispetto alle onde di compressione della stessa frequenza.

Inoltre, riflettori anche di piccole dimensioni, circa 10-15 mm nel piano della scansione tomografica, ma con geometria allungata nella direzione di polarizzazione delle onde, ad esempio nel caso di armature e cavi annegati nel calcestruzzo, possono essere rilevati abbastanza agevolmente.

Come funziona l’acquisizione?

In generale, l’opzione di acquisire in rapida sequenza i segnali impulsivi riflessi da eventuali discontinuità presenti nell’elemento strutturale su cui si basa il metodo pulse-echo, considerando le possibili combinazioni di emettitori/ricevitori all’interno della serie di 12 blocchi di trasduttori, consente di combinare molte osservazioni dell’oggetto indagato.

Questo, come detto, si traduce in una significativa riduzione del rumore strutturale che condiziona l’implementazione delle indagini acustiche nei materiali eterogenei come il calcestruzzo armato e il ferro battuto. 

Per quanto riguarda l’acquisizione dei dati, ciascun blocco di trasduttori agisce a turno come ricevitore o emettitore. Quindi 4 sensori emettono un’onda, che si propaga nel materiale, ed i restanti 11 blocchi di sensori fungono da ricevitore, poi si ripete la misura commutando l’emissione dell’onda sui 4 sensori paralleli alla prima linea mentre i restanti 10 blocchi la ricevono, e così via, a scalare.

In sintesi, in circa 3 secondi vengono generate 66 forme d’onda (scansioni di tipo A) ed elaborate sotto forma di sezione tomografica (scansione B) che restituisce una distribuzione di velocità all’interno del materiale e non più una velocità puntuale. La composizione delle 66 forme d’onda riduce il rumore e permette una localizzazione più precisa dei riflettori (tecnica SAFT).

Quindi, diversamente dallo strumento ad ultrasuoni tradizionale, non abbiamo più una misura diretta, ma una informazione che descrive una sezione larga approssimativamente 30 cm, con una profondità che dipende dalle dimensioni dell’oggetto indagato.

È molto importante ai fini della misura, appoggiare lo strumento su una superficie il più possibile pulita, di calcestruzzo a vista, e lavorare a diretto contatto con il materiale da indagare. Laddove non ci sia diretto contatto, per via della presenza di una qualsiasi superficie di copertura, potrebbe non esserci trasmissione di energia o quella trasmessa potrebbe essere inferiore.

Tuttavia, quando si lavora su ponti o in galleria, elementi sui quali questo strumento viene largamente impiegato, il materiale è quasi sempre al vivo, non essendo presente alcun tipo di copertura. 

Che cosa si intende con “tecnica SAFT”?

La Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) è una delle tecniche di elaborazione per tradurre le misurazioni in immagini tomografiche, con conseguente riduzione del rumore strutturale intrinseco.

La focalizzazione delle immagini si ottiene con algoritmi che si basano sulla trigonometria con un modesto onere computazionale. Con queste tecniche si focalizza un generico punto dell’immagine tomografica sommando ciascun segnale al tempo corrispondente alla distanza geometrica percorsa da un impulso che venga riflesso da quel punto (riflettore corrispondente). Si possono adottare griglie di acquisizione lineari o planari, che restituiscono rispettivamente rappresentazioni bidimensionali e tridimensionali.

Le immagini SAFT bidimensionali sono sezioni ortogonali alla superficie di prova (scansioni B), mentre nel caso 3D si possono produrre sezioni parallele alla superficie di prova (scansioni C). Con la SAFT si può anche ricostruire il contorno degli elementi (riflettore perfetto). Inoltre, gli effetti del rumore strutturale e delle conversioni di modo vengono attenuati dalla composizione di più segnali, portando a una significativa riduzione dei disturbi.

Qual è la frequenza con cui solitamente lavora il tomografo?

La frequenza centrale nominale dei sensori è 50 kHz, ideale per lavorare su un materiale come il calcestruzzo, ma durante le indagini può essere impostata tra i 20 e gli 80 KHz.

Per una maggiore profondità e una risoluzione inferiore si possono utilizzare frequenze intorno ai 20 KHz, qualora ad esempio si debba indagare lo spessore di vecchie gallerie con spessori importanti di volta, mentre, per una risoluzione maggiore nella parte superficiale si andrà sempre più verso le alte frequenze, attestandosi ad un massimo di circa 80 KHz.

Ricordo ancora una volta che proprio il tipo di vibrazioni generate, brevi impulsi di onde taglio, permette un maggiore dettaglio nella restituzione tomografica (minor lunghezza d’onda), un più agevole adattamento alle diverse qualità di calcestruzzo e agli spessori da indagare, oltre alla capacità di identificare anche fessure sature d’acqua. 

Come sono fatti i trasduttori?

Ogni trasduttore ad ultrasuoni può lavorare con contatto a secco senza richiedere l’uso di gel o altri materiali accoppianti (DPC – Dry Point Contact), cosa che consente un notevole risparmio di tempo, mediante punte in ceramica resistenti all’usura.

Grazie a questi innovativi trasduttori, ognuno dotato di sospensione a molla indipendente per una migliore trasmissione dell’energia attraverso un migliore contatto con la superficie da indagare anche quando questa non dovesse essere perfettamente liscia o piana, lo strumento può essere utilizzato anche su superfici ruvide ed irregolari (entro una tolleranza di 8 mm).

Non è quindi richiesta alcuna preparazione particolare della superficie di prova, oltre alla normale rimozione di polvere e colature cementizie. 

Come viene utilizzato questo strumento?

A differenza dello strumento ad ultrasuoni tradizionale, che, come detto, utilizza il metodo diretto con emettitore e ricevitore a cavallo del materiale da indagare, poter lavorare da un solo lato della struttura, in riflessione, permette di identificare, all’interno del materiale, spessori, da cui l’uso frequente dello strumento in galleria, la presenza di elementi strutturali, quali ferri di armatura, o la localizzazione di cavi di precompressione e di eventuali difetti, ovvero la presenza di una frattura, nidi di ghiaia, vuoti o disomogeneità del materiale.

I limiti di questo tipo di indagine possono derivare dalla presenza di una superficie non “buona” da un punto di vista qualitativo, contenente dei difetti nei primi due/tre cm di spessore del materiale che non consentono la corretta trasmissione dell’energia all’elemento. In questo caso lo strumento perde di efficacia.

Mi spiego meglio. I difetti a cui faccio riferimento sono riconducibili alla presenza di una interfaccia aria che comporta una completa riflessione dell’onda (aria all’interno di un difetto, frattura, distacco tra la copertura di una galleria e la roccia sovrastante). Occorre fare presente che il tomografo non riesce ad andare oltre ad un’interfaccia parallela o quasi alla superficie di indagine, perché tutta l’onda viene riflessa.

A differenza del radar, lo strumento si ferma alla prima interfaccia aria di questo tipo e non consente di indagare oltre. Se quindi lo scopo dell’indagine fosse la determinazione dello spessore, non riuscirei a stimare il dato ma sarei comunque in grado di individuare la presenza del difetto e di fornire una risposta qualitativa sulla bontà del materiale.

Va detto che nel caso di tecniche indirette, non sempre l’utilizzo di una unica metodologia riesce a fornire il risultato finale richiesto. È buona abitudine abbinare più metodologie, ad esempio, la combinazione di georadar e tomografo, per avere un risultato migliore.

Viceversa, ci sono delle situazioni in cui il georadar, il cui funzionamento si basa su onde elettromagnetiche, non è particolarmente indicato perché le onde non riescono a penetrare il materiale, mentre con il tomografo si ottengono buoni risultati.

Per un’indagine il più possibile accurata i risultati delle indagini indirette dovrebbero essere sempre correlati a dei carotaggi per verificare gli spessori reali e tarare al meglio la velocità delle onde utilizzate all’interno del materiale. 

Quali sono le differenze più significative tra georadar e tomografo?

In linea di principio, il metodo pulse echo presenta alcune affinità con la tecnica georadar, con la differenza che è molto più sensibile ai vuoti e alle fessure e meno sensibile alla presenza di metalli.

Si potrebbe dire che il radar sta ai metalli come il pulse echo sta ai vuoti. La lunghezza d’onda degli impulsi elastici, in media compresa tra i 50 e i 70 mm a 50 KHz, dà la possibilità di identificare difetti dell’ordine di 30 mm alla profondità di mezzo metro, di identificare un riflettore piano di diametro 20 mm e lunghezza 200 mm ad una profondità compresa tra i 50 e 400 mm, e di misurare spessori fino ad un massimo = 2 m circa utilizzando frequenze intorno ai 20 KHz (λ compreso tra i 150 e i 200 mm).

Quali sono i campi di impiego?

Il tomografo ad ultrasuoni si presta a diverse applicazioni nel campo dei controlli non distruttivi sulle strutture in calcestruzzo armato. Come abbiamo già detto, il metodo pulse-echo è molto sensibile alla presenza di interfacce calcestruzzo-aria, grazie al notevole contrasto tra i due mezzi in termini di impedenza acustica.

Motivo per il quale è particolarmente adatto alla determinazione dello spessore di elementi ispezionabili da un solo lato (pavimentazioni, cassoni, rivestimenti di gallerie, ecc.), localizzazione di barre d’armatura, cavi di precompressione, condotte, cavità, ecc. Lo strumento ha un sistema di misura della velocità automatico: noti la distanza tra i sensori e il tempo necessario all’onda per andare da un sensore all’altro, viene misurata in modo corretto la velocità delle onde nel materiale.

L’operatore può decidere se lavorare in modalità automatica o settare una velocità fissa e lavorare con quella. Inoltre è sempre possibile utilizzare la modalità automatica per stimare la velocità dell’elemento e fare un’indagine di confronto tra le varie parti dell’elemento al fine di individuare eventuali porzioni ammalorate del materiale.

Il tomografo può essere impiegato anche nella valutazione della qualità delle iniezioni cementizie all’interno delle guaine per cavi di post-tensione oppure tra il rivestimento di gallerie in conci prefabbricati e il suolo circostante e, infine, nel ripristino delle impermeabilizzazioni di opere sotterranee.  

La velocità delle onde in superficie può essere utilizzata anche in altri impieghi?

Il tomografo A1040 consente anche la valutazione della velocità delle onde di taglio nello strato più superficiale dell’elemento indagato, dato utile per la creazione di mappe tomografiche in elementi la cui qualità del materiale sia sconosciuta.

Questa informazione è acquisibile sfruttando la trasmissione diretta delle onde in superficie tra i 12 blocchi di sensori. Un’interessante applicazione riguarda le indagini su elementi in calcestruzzo esposti a incendio, per i quali la velocità delle onde elastiche sulla superficie è un indicatore molto significativo del danneggiamento subito.

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