ir.K.VerhulstTechnisch Physische Dienst TNO-TH,DelftAkoestische inspectie vanoffshore constructies1Proefneming bij de Noordersluis teUmuiden. Een onderwaterrobot metdaaraan gemonteerd een inspectieframewordt neergelaten in het zeewaterVervolg van blz. 172 (Corrosiedetectie)4Afbeelding van een co'rrosiestroom op eenvideoschermInleidingDe toepassing van gewapend en voorgespannen beton in dieper zeewater stelt ons voorenkele problemen die in de kustwaterbouw niet zijn ontmoet. E?n van deze problemen betreftde inspectie van de betonconstructie op wapeningscorrosie. Tot nu toe treedt de eersteschade-indicatie op als de corrosie zover is gevorderd, dat de afbrokkeling of scheurvormingvisueel wordt waargenomen door duikers of via onderwatercamera's. Hoewel er nog geenduidelijke aanwijzingen zijn dat wapeningscorrosie in betonconstructies in dieper zeewatereen werkelijk grote rol gaat spelen, is het evenwel van groot belang over technieken tebeschikken die in een vroeger stadium waarschuwen voor potenti?le schade.In het kader van het Marien Technologisch Speurwerk (MaTS) is onderzoek uitgevoerd naarmogelijkheden om oppervlaktescheuren in beton op te sporen met akoestische technieken.In hoofdzaak kunnen drie verschillende methoden worden onderscheiden..Met akoestische technieken is het mogelijk een afbeelding te maken van een doorsnedeover de buitenste betonlaag. Dit is te vergelijken met de wijze waarop bij seismische explo-ratie de bovenste lagen van de aardkorst worden onderzocht. Met deze akoestische techniekkunnen bij beton ook andere discontinu?teiten dan oppervlaktescheuren worden opge-spoord..Vooral onder water is het mogelijk op enige afstand van het betonoppervlak scheuren tedetecteren en karakteriseren, zonder een volledige afbeelding van het inwendige van hetconstructiedeel te maken. De methode berust op een combinatie van twee technieken. Voormeting van de diepte van een scheur wordt gebruik gemaakt van de eigenschappen vanzgn. Rayleigh-golven. Dit zijn oppervlaktegolven, vergelijkbaar met de golven die op eenwateroppervlak kunnen ontstaan. Deze oppervlaktegolven dringen slechts over een zeerkleine afstand in het beton.. Het verloop en de wijdte van de scheur kan worden vastgesteld door met een akoestischebundel het oppervlak af te tasten en de gemeten reflectiviteit in beeld te brengen (akoestischeDoor met de corrosiedetector langs een betonoppervlak te bewegen en het potentiaalverschil(amplitude en fase) tussen de2 elektroden vast te leggen, kunnen de corrosieplaatsen wordengelokaliseerd. De gegevens zijn met een computerte verwerken. Daarna kunnen bijvoorbeeldvideoplaatjes gemaakt worden van delen van het oppervlak met de grootste corrosiestroomen potentiaalverschillen in het zeewater. In figuur 4 is een videobeeld te zien van de stroom-dichtheid ter plaatse van de scheur bij de kunstmatige corrosiecellen. De plaatsen met degrootste stroomdichtheid zijn lichter afgebeeld.Andere toepassingenZoals reeds is vermeld is het principe van deze techniek voor het eerst gebruikt bij de inspec-tie van kathodische beschermingssystemen. Dit betekent dat het systeem ook gebruikt kanworden om de effectiviteit van opofferingsanoden te controleren of beschadigingen aancoatings van stalen oppervlakken op te sporen.OpmerkingenOf scheuren kleiner dan 1 mm onder water werkelijk problemen opleveren ten aanzien vanwapeningscorrosie moet worden nagegaan. In de literatuur wordt aangegeven dat dezescheuren geen problemen zullen geven. Scheuren groter dan 1 mm nabij de wapening zoudenwel aanleiding kunnen geven tot corrosie.Naast corrosiestromen kunnen in het zeewater ook zwerfstromen en/of kathodische-be-schermingsstromen aanwezig zijn. Deze stromen zullen in zeewater eveneens potentiaalver-schillen veroorzaken. In welke mate deze stromen storend voor de meetsituatie werken isniet bekend. Een praktijkmeting kan binnenkort uitsluitsel geven over de mate van corrosiebij scheuren in een gewapend betonnen sluiswand alsmede over de mate van verstoring vande meetsignalen door kathodische bescherming. Over de resultaten daarvan zal in een vande komende nummers van Cement worden gepubliceerd.Cement XXXVI (1984) nr.3 1732Meetopstelling op een betonblok metkunstmatig aangebrachte scheur, voor hetverkrijgen van een seismische dataset3Simulatie van responsies in eenseismische dataset, voor het betonblok uitfiguur 1. De sprong in het patroon van deRayleighgolf, aangegeven met een cirkel,/'s maatgevend voor de scheurdiepte4Videobeeld van een seismische dataset,verkregen op het betonblok uit figuur 1microscopie). Hierbij wordt de diameter van de bundel minimaal gehouden. Het resultaat isvergelijkbaar met een fotografische opname, zij het dat deze methode veel minder gevoeligis voor troebel water, zachte aangroeiing en losse vulling van de scheur.Interpretatie van de meetresultaten vergt inzicht in de werking van de methode. Zonderverdere bewerking van de gegevens is de methode niet geschikt voor routinematige inspec-tie.Achtergronden en mogelijkheden van deze akoestische technieken worden hierna besprokenaan de hand van laboratoriumproeven.Seismische datasetEen seismische dataset wordt verkregen door met een vaste transducent (omvormer vanelektrische signalen) op het betonoppervlak een akoestische impuls uit te zenden en op eenreeks aansluitende posities de responsies daarop te registreren. Dit kan gelijktijdig plaats-vinden met een reeks ontvangers of door het zendsignaal te herhalen nadat de ontvangst-transducent is verplaatst naar een volgende positie (fig. 2). ledere meting bestaat uit eentijdregistratie, volgend op de puls van de zender.De tijdregistratie wordt grafisch weergegeven in verticale lijnen, waarbij de positie van deontvanger horizontaal is uitgezet. De verzameling van aldus verkregen meetwaarden heeteen 'common shot gather', maar wordt ook wel seismische dataset genoemd, omdat dezemethode veel wordt toegepast bij seismisch onderzoek.In de grafische weergave ontstaan patronen van responsies die afhankelijk zijn van de typenakoestische golven en eventuele discontinu?teiten in het medium (betonoppervlak). Door hettoepassen van signaalverwerkingstechnieken wordt de resolutie verhoogd en de signaal/stoorverhouding verbeterd.In figuur 3 zijn gesimuleerde responsies weergegeven voor metingen aan een betonoppervlakmet een kunstmatige scheur van 2 cm diep. De figuur vertoont karakteristieke patronen.Golven die langs het oppervlak lopen, veroorzaken patronen langs rechte lijnen. De hellingvan de lijn wordt bepaald door de voortplantingssnelheid van de golf. Patronen langs hyper-bolen ontstaan bij responsies vanuit posities onder het oppervlak, zoals bij diffracties aande scheurtip (einde scheur in de diepte) en van de aan de bodem van het beton gespiegeldebron. Wanneer zich binnen het bereik van de transducenten een scheur bevindt, ontstaandiscontinu?teiten in de patronen. Een sprong in de responsies voor de Rayleighgolf (opper-vlaktegolf) geeft de diepte van de scheur aan. Wanneer de scheur voldoende diep is, dat wilzeggen meer dan een golflengte, wordt diffractie aan de scheurtip zichtbaar. Hierdoor ont-staat een hyperbool-vormig patroon, waarvan de top of apex de positie van de scheurtipaangeeft.In een proef voor het verkrijgen van een seismische dataset op een blok beton, zijn tweetransducenten gebruikt, ??n als zender en ??n als ontvanger. In het betonblok is een scheuraangebracht met een diepte van 2 cm. De posities van de ontvangsttransducent zijn uitgezetlangs een lijn loodrecht op de scheur. Om strooisignaal, veroorzaakt door inhomogeniteitenin het beton, te onderdrukken, is de meting 6 maal herhaald, door de hele meetlijn evenwijdigaan de scheurrichting te verplaatsen en de resultaten op overeenkomstige posities te mid-delen. De aldus verkregen seismische dataset is weergegeven in een videobeeld (foto 4)door middel van helderheidsmodulatie. Middengrijs komt overeen met de waarde nul. Detijdas loopt van boven naar beneden, de positie op het oppervlak van links naar rechts.Een nadere evaluatie van de scheur is mogelijk op basis van de volgende aspecten:looptijdvertraging van de Rayleighgolven. De Rayleighgolf loopt langs de scheurwand naarde tip van de scheur. Vanaf de tip loopt een Rayleighgolf langs de andere scheurwand weerCement XXXVI (1984) nr. 3 1745Schematische weergave van een LeakyRayleigh Wave meting. Afhankelijk van deplaats van de ontvanger wordt eenspeculaire reflectie gemeten en/of eenLeaky Rayleigh golf6Inspectie volgens de Leaky Rayleigh Wavemethode van een blok beton met eenkunstmatige gleuf. Het videobeeld toonthet scheurgebied. De positie op hetoppervlak is horizontaal uitgezet; de lengteervan bedraagt circa 25 cm7Schematische weergave van akoestischemicroscopienaar het oppervlak, maar er loopt ten gevolge van diffractie ook een schuifgolf rechtstreeksnaar de ontvanger. Vanwege de geringe scheurdiepte zijn deze twee niet te onderscheiden.Wel is een duidelijke indicatie van de scheurdiepte aanwezig;-spectrale verbreding van Rayleighgolven. Bij nadere analyse van de responsies voor en nade scheur blijkt er sprake te zijn van een filterende werking. Hierdoor krijgt de responsie viaRayleighgolven een meer laag-frequent karakter. Een significante kantelfrequentie is nietvast te stellen; door de onregelmatige structuur van het materiaal beton levert de methodealleen kwalitatieve informatie. De scheurdiepte kan wel in ordegrootte worden bepaald.Methode met afstraling van Rayleighgolven (Leaky Rayleigh Wave)In de seismische dataset blijkt een oppervlaktescheur het grootste effect te hebben op devoortplanting van Rayleighgolven. Steeds loopt de oppervlaktegolf tot aan de scheur ensplitst dan in verschillende componenten: een gereflecteerde Rayleighgolf, een longitudinalegolf die in het materiaal verdwijnt en een Rayleighgolf die verder langs de scheurwand loopt.Aan de scheurtip treedt diffractie op: een Rayleighgolf loopt langs de scheurwand weer naarhet oppervlak en bereikt via het oppervlak de ontvangende transducent. Vanaf de scheurtiploopt ook een golf rechtstreeks naar de transducent. Voor toepassing op beton kan steedsde looptijdtoename vlak achter de scheur worden bepaald. De bij de looptijdtoename beho-rende omloopweg verloopt van ??n maal de scheurdiepte voor ondiepe scheuren (in deordegrootte van ??n golflengte) tot twee maal de scheurdiepte voor scheuren met een dieptevan meer dan enkele malen een golflengte.Rayleighgolven kunnen worden opgewekt en gedetecteerd vanuit water. Door het betonop-pervlak onder de juiste hoek aan te stralen wordt een Rayleighgolf opgewekt. De opgewekteRayleighgolf straalt weer onmiddellijk af in het water, tenzij dit door de aanwezigheid vaneen scheur wordt verhinderd. Omdat een zuivere Rayleighgolf verliesvrij is en bij deze metho-de essentieel gebruik wordt gemaakt van afstraling en daardoor verzwakking van de opper-vlaktegolf, wordt dit golftype van de literatuur aangeduid met 'Leaky Rayleigh Wave'.Wanneer onder de 'kritische Rayleigh hoek' wordt ingestraald, is de projectie van de golfleng-te van de invallende golf gelijk aan de golflengte van de bijbehorende Rayleighgolf. Ook deprojectie van de golflengte van de afgestraalde golf is hieraan gelijk. De afgestraalde golfheeft daarom dezelfde hoek met het oppervlak als de invallende golf, alleen in tegenoverge-stelde richting. Door de breedte van de invallende bundel zal de gereflecteerde golf de weerafgestraalde golf gedeeltelijk overlappen. Om de direct gespiegelde golfbundel (speculairereflectie) te onderdrukken, dient de afstraling op enige afstand (langs het oppervlak) gede-tecteerd te worden, waardoor de gereflecteerde golf onder een kleinere hoek op de transdu-cent invalt (fig.5). Het is dan van belang een goed gerichte transducent te gebruiken.Een experiment is uitgevoerd op een betonblok met een oppervlak van 1 2 m2en een diktevan 0,5 m. Het oppervlak wordt in twee gelijke vlakken van 1 1 m2gescheiden door eengleuf. De gleuf heeft een diepte van 2 cm, terwijl de wapening zich op 6 cm diepte bevindt.De transducenten zijn verplaatst in de richting dwars op de gleuf. De onderlinge afstand vande transducenten wordt daarbij constant gehouden. Bij het begin en het einde van de metingbevinden beide transducenten zich aan dezelfde zijde van de gleuf. Het resultaat is weerge-geven in figuur 6. Duidelijk is de looptijdtoename te zien van de Rayleighgolf-responsie.Uitgaande van een Rayleighgolf met een golflengte in de ordegrootte van de scheurdiepte,bedraagt de diepte circa 2 cm. Ongeveer 40 na de Rayleighgolf is een zeer sterke specu-laire reflectie te zien. Deze begrenst de kwantitatieve bepaling van de scheurdiepte tot circa8 cm. Deze begrenzing is niet principieel; door betere bundeling met grotere transducentenen een grotere afstand tussen de transducenten langs het oppervlak kan dit bereik wordenvergroot.Akoestische microscopieAkoestische microscopie is het aftasten van een vlak met een gefocusseerde transducent(fig. 7). Deze wordt op een bepaalde afstand van het betonoppervlak gemonteerd, zodathet brandpunt op het betonoppervlak valt. Het uitgezonden signaal wordt gereflecteerd doorhet betonoppervlak en weer opgevangen door dezelfde transducent. Hiertoe wordt een kortzendsignaal gebruikt om de transducent onmiddellijk na het zendsignaal als ontvanger tekunnen gebruiken. Van het gereflecteerde signaal wordt de amplitude bepaald. Deze is even-redig met de reflectieco?ffici?nt van het betonoppervlak. Door de transducent evenwijdigaan het oppervlak te verplaatsen, wordt het verloop van de co?ffici?nt over het oppervlakverkregen. De aldus gevonden waarden kunnen worden samengesteld tot een afbeeldingvan het oppervlak.De breedte en lengte van het brandpunt (laterale en axiale resolutie) zijn afhankelijk van dedoorsnede van de transducent, de kromming (brandpuntafstand) en de gebruikte frequentie.Metingen zijn uitgevoerd aan een betonplaat waarin zich een scheur bevindt met een wijdtevan circa 0,5 mm (foto 8). Voor deze metingen zijn twee verschillende transducenten ge-bruikt.De eerste transducent heeft een resonantiefrequentie van 20 MHz, een diameter van 6 mmen een brandpuntafstand van 32 mm. De diameter van het brandpunt bedraagt volgensberekening circa 0,4 mm. Het verkregen videobeeld is te zien op foto 9. Uit het resultaatblijkt dat het contrast dusdanig groot is, dat uit de scheur geen meetbaar signaal terugkomt,ook niet bij een nauwkeurige analyse van de signalen.Cement XXXVI (1984) r. 3 1758Fotografische opname van een betonblok.De scheurwijdte bedraagt circa 0,5 mm9Afbeelding van dezelfde scheur als op foto8, verkregen met akoestische microscopie.Afgebeeld oppervlak: 128 80 mm2.Gebruikt is een transducent met frequentie20 MHz en brandpuntafstand 32 mm10Fotografische opname van het betonblokvan foto 8, met aangroeiing ten gevolgevan expositie in zeewater11Akoestische opname van het betonblokmet aangroeiing. Gebruikte transducent:20 MHz, afstand 32 mm12Akoestische opname van het betonblokmet aangroeiing, bij gebruik van eentransducent met lagere frequentie, nl. 2,25MHz, op een brandpuntafstand van152 mmDe tweede transducent heeft een resonantiefrequentie van 2,25 MHz, een diameter van38 mm en een brandpuntafstand van 152 mm. De diameter van het brandpunt bedraagtvolgens berekening circa 3 mm. De resolutie is dus minder dan bij de eerste transducent.Het contrast in de afbeelding van de scheuren, kleiner dan de diameter van het brandpuntvlak,is daardoor kleiner. Een reflectie van het betonoppervlak blijft aanwezig; de verlaging inreflectiesterkte door de scheur zal bij een effectieve scheurwijdte van 0,5 mm niet meerbedragen dan circa 5 dB.De lagere frequentie die bij de tweede transducent gebruikt is, gaat gepaard met een gerin-gere gevoeligheid voor zachte aangroeiing. Om een idee te krijgen voor de gevoeligheidvoor aangroeiing, is de betonplaat opgehangen in de haven van Den Helder om natuurlijkeaangroeiing te laten ontstaan. Het blok beton was daarna bedekt met een laag zachte aan-groeiing met een dikte van enkele millimeters. Met het blote oog was de scheur nauwelijksterug te vinden (foto 10). Akoestische microscopie maakt de scheur zichtbaar, met eenduidelijk beter resultaat voor de meting met lagere frequentie (foto's 11-12).DiscussieDe waarde van de drie beschreven inspectiemethoden is afhankelijk van de beoogde toepas-sing.. De seismische dataset is geschikt om zowel onder als boven water te worden toegepast.De resultaten zijn vatbaar voor evaluatie met aangepaste signaalverwerkingstechnieken.Hiermee is het mogelijk de afbeelding te verbeteren zodat de scheur nauwkeuriger kanworden gekarakteriseerd. Ook is het daardoor mogelijk andere fouten in het materiaal op tesporen.!. De methode met afstraling van Rayleighgolven en de akoestische microscopie zijn bij uitstekgeschikt voor toepassing onder water. De transducenten waarmee de inspectie plaatsvindt,maken geen contact met het oppervlak. Omdat de twee methoden elkaar aanvullen, ligt eengecombineerde toepassing voor de hand.i. Een op de toepassing gerichte ontwikkeling is nodig, afhankelijk van omstandigheden en testellen eisen. Belangrijke aspecten zijn bijvoorbeeld minimale scheurwijdte, minimale enmaximale scheurdiepte; ook aftastsnelheid, afmetingen van de transducenten en gevoelig-heid voor aangroeiing spelen een rol. Het is bovendien gewenst de resultaten volgens deRayleighgolf-afstraling automatisch te verwerken, zodat slechts de gewenste informatie,bijvoorbeeld de scheurdiepte, wordt gepresenteerd.ConclusieMet behulp van laboratoriumfaciliteiten zijn drie methoden voor akoestische inspectie onderwater toegepast op betonblokken met kunstmatige scheuren: de seismische dataset, Ray-leighgolf-afstraling en akoestische microscopie. Alle drie de methoden kunnen oppervlakte-scheuren opsporen.De diepte van een scheur en de plaats op het oppervlak in ??n richting kan worden bepaaldmet de seismische dataset. Met de Rayleighgolf-afstraling kan de diepte van de scheur goedworden bepaald, maar de plaats op het oppervlak slechts globaal. Het verloop van eenscheur in twee richtingen over het oppervlak kan worden bepaald met akoestische microsco-pie, waarbij tevens een indicatie wordt verkregen van de scheurwijdte. Scheurdieptebehan-deling is met akoestische microscopie echter niet mogelijk.De methode met de seismische dataset kan zowel onder als boven water worden toegepast.Zonodig dient echter vooraf reiniging van het oppervlak plaats te vinden. Toepassing vande methode met Rayleighgolf-afstraling en akoestische microscopie is eenvoudiger, maarblijft beperkt tot onder water. Beide onderwater-methoden ondervinden tot op zekere hoogtegeen hinder van zachte aangroeiing.Cement XXXVI (1984) nr. 3 176