Desenvolvimento e avaliação de um sistema portátil para inspeção de estruturas de concreto utilizando a técnica de retroespalhamento Compton

Abstract

Estruturas de concreto armado estão sujeitas a uma variedade de fatores ambientais de degradação que podem limitar sua vida útil. Há uma grande demanda por métodos de avaliação não destrutiva que possam medir, in situ, as propriedades do concreto com objetivo de assegurar sua qualidade e avaliar as condições das estruturas já existentes. O espalhamento Compton de raios gama é uma técnica não destrutiva usada para a detecção de defeitos e inclusões em materiais e que pode ser empregada no concreto armado. A metodologia permite a inspeção acessando um só lado de uma grande estrutura e pode ser implementada com um aparato experimental compacto, portátil e de relativo baixo custo. O conceito é baseado na detecção da radiação retroespalhada produzida por um feixe colimado que incide sobre a amostra. O espectro de energia dos fótons retroespalhados pode ser usado para se determinar perturbações de densidade locais. Neste trabalho avaliamos, teórica e experimentalmente, um sistema de inspeção de materiais que utiliza a técnica de retroespalhamento Compton. A avaliação teórica foi feita através de simulação de Monte Carlo, na qual foram estudados parâmetros geométricos e de equipamento, objetivando a otimização da contagem líquida, contraste e resolução espacial. Na parte experimental do trabalho amostras de acrílico, gesso e concreto contendo defeitos e inclusões foram irradiadas com raios gama provenientes de uma fonte de 241Am (100 mCi) com feixe colimado de Ø2 mm. Os fótons inelasticamente espalhados foram coletados no ângulo de 135° por um detector semicondutor de CdTe de alta resolução com uma colimação de Ø7 mm × 30 mm. Varreduras foram realizadas através do movimento lateral das amostras na direção perpendicular em relação ao feixe incidente em passos de 1 mm e 2 mm. O dispositivo avaliado foi bem-sucedido em identificar inclusões superficiais em acrílico, gesso e concreto, sendo que podemos afirmar que o mesmo princípio pode ser empregado para uma gama maior de materiais. A resolução na localização de defeitos foi de 3~5 mm para o acrílico e 6,5~8,5 mm para o gesso e concreto e esta resolução é fortemente dependente da colimação utilizada. Os testes nas amostras de gesso e concreto com inclusões de aço sugerem que, para uma fonte de baixa atividade e energia, a atenuação do feixe tem um maior efeito sobre a intensidade espalhada do que o aumento da densidade do material. Foi verificado que agregados que comumente são adicionados ao concreto, tais como a brita, podem esconder inclusões sob investigação em estruturas reais, se utilizado fontes de baixa energia. A análise de densidade de contraste pode ser utilizada para a determinação da profundidade da armadura. Além disso, os resultados experimentais concordaram com os dados teóricos obtidos através da simulação de Monte Carlo.Reinforced concrete is susceptible to a range of environmental degradation factors that can limit its service life. There has always been a need for nondestructive test methods to measure, in situ, the properties of concrete for quality assurance and to evaluate the condition of existing structures. Compton scattering of gamma radiation is a nondestructive technique used for the detection of defects and inclusions in materials and it can be employed on reinforced concrete. The methodology allows for one-side inspection of large structures and can be implemented with a relatively inexpensive, compact and portable apparatus. The concept is based on detection of backscattered radiation produced from a collimated beam aimed at the sample. The energy spectrum of backscattered photons can be used to determine local density perturbations. In this work we evaluate, theoretically and experimentally, a system of inspection of materials that uses the Compton backscattering technique. The theoretical evaluation was performed through Monte Carlo simulation, in which geometric and equipment parameters were studied in order to optimize the net counts, contrast and spatial resolution. In the experimental part of this work, acrylic, plaster and concrete samples with defects and inclusions were irradiated with gamma rays from a Ø2 mm collimated 241Am (100 mCi) source. The inelastically scattered photons were collected at an angle of 135° by a high-resolution CdTe semiconductor detector with a Ø7 mm × 30 mm collimation. Scanning was achieved by lateral movement of the sample blocks in the direction perpendicular to the incident beam in steps of 1 mm and 2 mm. The evaluated device was successful in identifying surface inclusions in acrylic, plaster and concrete, and we can state that the same principle can be used for a wider range of materials. The resolution for void positioning was of 3~5 mm for the acrylic and 6.5~8.5 mm for plaster and concrete and this resolution is strongly dependent on the collimation. The tests on plaster and concrete samples with steel rod inclusions suggest that, for a low-energy and low-activity gamma source, beam attenuation has greater effects on the scattered intensity than does increased material density. It was found that aggregates that are commonly added to concrete, such as crushed rocks, can hide inclusions under investigation in real structures, if low energy sources are used. Density contrast analysis can be used to determination of the size and depth of steel rods. Furthermore, the experimental results agree with theoretical data obtained through Monte Carlo simulation