طور باحثون نظام تصوير مبتكر باستخدام الموجات فوق الصوتية قادر على رصد العيوب الداخلية في الخرسانة بدقة ثلاثية الأبعاد، دون الحاجة إلى إتلاف المنشآت أو إجراء تعديلات يدوية على النظام تبعاً لنوع الخرسانة. يمثل هذا الاختراق العلمي خطوة مهمة في مجال الاختبارات غير الإتلافية، خاصةً في الطرق والجسور والمنشآت الخرسانية الحيوية التي تتطلب مراقبة دقيقة لضمان سلامتها.
الخرسانة: حجر الزاوية في البنية التحتية وتحديات فحصها
تعتبر الخرسانة المادة الأساسية في البنية التحتية الحديثة، حيث تستخدم على نطاق واسع في بناء الجسور والأنفاق والسدود والمباني السكنية والصناعية. ورغم بساطة مظهرها الخارجي، إلا أن تركيبها الداخلي معقد للغاية. فالخرسانة عبارة عن مزيج غير متجانس من الزلط والرمل والأسمنت والماء، وأحياناً معادن مثل خام الحديد. هذا التعقيد يجعل فحصها من الداخل أمراً صعباً، حيث يتفاعل كل مكون بشكل مختلف مع الموجات الصوتية.
رؤية ما داخل الخرسانة: الحاجة إلى تقنيات متقدمة
مع مرور الوقت، تبدأ التشققات الدقيقة والفراغات والانفصالات الداخلية في الظهور في المنشآت الخرسانية، مما يهدد سلامتها إذا لم يتم اكتشاف هذه العيوب مبكراً. لذلك، تبرز الحاجة إلى تقنيات فحص قادرة على “رؤية” ما بداخل الخرسانة دون الحاجة إلى تدميرها أو تعطيل استخدامها. تعتمد معظم طرق الفحص غير الإتلافي للخرسانة على إرسال موجات صوتية أو فوق صوتية داخل المادة، ثم تحليل الموجات المرتدة لتكوين صورة عن البنية الداخلية، وهي عملية مشابهة لفحوصات الموجات فوق الصوتية الطبية.
التحديات التي تواجه الأنظمة التقليدية لفحص الخرسانة بالموجات فوق الصوتية
على الرغم من التشابه مع الفحوصات الطبية، تواجه أنظمة فحص الخرسانة بالموجات فوق الصوتية تحديات فريدة. فبينما تتميز أنسجة الجسم البشري بخصائص صوتية متقاربة نسبياً، فإن الخرسانة مادة شديدة التباين، مما يؤدي إلى تشتت الموجات فوق الصوتية وامتصاصها، وبالتالي صعوبة الحصول على صورة واضحة. تعتمد الأنظمة التقليدية غالباً على تردد واحد أو نطاق ضيق من الترددات، مما يتطلب من الفني اختيار التردد المناسب مسبقاً بناءً على نوع الخرسانة وسمكها، وهو أمر ليس سهلاً دائماً.
نظام التصوير بالموجات فوق الصوتية عريضة النطاق: حل مبتكر
لمواجهة هذه التحديات، قام فريق بحثي مشترك من جامعة توهوكو في اليابان، ومختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة، وجامعة تكساس إي أند إم بتطوير نظام تصوير فوق صوتي يعتمد على استخدام نطاق واسع جداً من الترددات بدلاً من تردد واحد ثابت. الفكرة الأساسية، كما أوضح الباحث الرئيسي يوشيكازو أوهارا، هي إرسال موجات فوق صوتية “عريضة النطاق” إلى داخل الخرسانة، مما يسمح للنظام بالتعامل مع مختلف أنواع الخرسانة تلقائياً.
كيف يعمل نظام التصوير الجديد؟
يتكون النظام من جزأين رئيسيين: مصدر يولد موجات فوق صوتية عريضة النطاق، وجهاز استقبال متطور يعرف باسم مقياس الاهتزاز بالليزر دوبلر. يتميز هذا الجهاز بأنه لا يحتاج إلى ملامسة سطح الخرسانة، بل يستخدم الليزر لقياس الاهتزازات الدقيقة جداً على السطح الناتجة عن مرور الموجات الصوتية من الداخل إلى الخارج. لا يتطلب هذا النظام أي ضبط يدوي للترددات، ولا يحتاج إلى تبديل المجسات الصوتية عند الانتقال من نوع خرسانة إلى آخر، مما يوفر الوقت والجهد ويقلل من احتمال الخطأ.
معالجة البيانات الحاسوبية وتكوين الصورة ثلاثية الأبعاد
بعد التقاط الموجات الخارجة من الخرسانة، يتم استخدام خوارزميات تصوير متطورة لمعالجة البيانات. قام الباحثون بتطوير هذه الخوارزميات وتعديلها لتناسب البيانات عريضة النطاق. تستطيع هذه الخوارزميات دمج المعلومات القادمة من ترددات مختلفة، وإعادة بنائها في صورة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة تظهر العيوب الداخلية ومواقعها بدقة كبيرة. النتيجة ليست مجرد صورة مسطحة، بل نموذج ثلاثي الأبعاد يوضح عمق العيب وحجمه وشكله وامتداده داخل الكتلة الخرسانية.
أهمية النظام الجديد وتطبيقاته العملية
تكمن أهمية هذا التطور في أنه يوفر بيانات عملية يمكن استخدامها مباشرة في اتخاذ القرارات المتعلقة بصيانة وإصلاح المنشآت الخرسانية. معرفة عمق العيب وحجمه ونطاقه يسمح بتخطيط أعمال الصيانة بدقة أكبر، وتحديد ما إذا كانت هناك حاجة إلى إصلاح موضعي بسيط أو تدخل إنشائي أوسع. تزداد أهمية تقنيات الفحص المبكر في ظل الحوادث المتكررة لانهيار الجسور أو تضرر الطرق حول العالم، والتي غالباً ما تعود إلى عيوب داخلية لم تكتشف في الوقت المناسب.
مستقبل تقنية فحص الخرسانة بالموجات فوق الصوتية
يرى الباحثون أن نظام التصوير بالموجات فوق الصوتية عريضة النطاق يمكن أن يساهم في تقليل هذه الأخطار من خلال توفير أداة أكثر ثقة ومرونة لفحص الخرسانة، خاصةً في المنشآت القديمة. ورغم أن الدراسة لا تزال في الإطار البحثي، إلا أن مكونات النظام تعتمد على تقنيات معروفة نسبياً، مما يفتح الباب أمام تحويله إلى نظام عملي قابل للاستخدام في المواقع الميدانية. هذا النظام المبتكر يمثل نقلة نوعية في مجال فحص الخرسانة، ويعد بتحسين سلامة البنية التحتية حول العالم.
