A Computed Tomography (továbbiakban CT) alkalmazása hozzájárul számos mérnöki (anyag­tani) probléma (szulfátduzzadás, belső leromlással járó fagyasztás, alkáliszilikát-duzzadás) megoldásához, vagy bizonyos folyamatok (fagyhámlás, savhatás) megértéséhez. Fontos kér­dés, hogy a CT-vel behatárolható lehet-e egy adott degradáció mértéke például tűz, illetve magas hőmérséklet hatására bekövetkezett károsodott réteg vastagsága.

A CT a vonatkozó szakirodalomban gyakran számítógépes tomográfia néven ismert, mely a radiológiai diagnosztika egyik ága. A számítógépes tomográfiavizsgálatokkal a minták háromdimenziós elemzése válik lehetővé (1. ábra).

1. ábra. A CT alkalmazása az építőanyagoknál egy világszínvonalon is új, innovatív ötletnek számít.

Egy minta kis (milliméter) léptékű térbeli belső felépítéséről a legtöbb módszerrel nehéz megbízható módon, roncsolásmentes vizsgálati eljárással képet alkotni. Hagyományos optikai vagy elektronmikroszkóppal roncsolásmentesen csak felületi kép készíthető. A minta felszeletelése után lehetőség van egy-egy vékony szeletről további képek készítésére is, de ez meglehetősen időigényes, és a szeletek elkészítésekor megváltozhat a minta belső szerkezete, emiatt a háromdimenziós eredeti belső szerkezetre a legtöbb esetben nehéz megbízható módon következtetéseket levonni. A hagyományos röntgenképek tartalmazzák a teljes háromdimenziós belső szerkezet vetületi képét, azonban egyetlen ilyen felvételből nem nyerhető ki a mélységi információ. A röntgen számítógépes tomográfiával (X-ray computed tomography, CT) lehetővé válik a teljes háromdimenziós belső szerkezetről a képalkotás anélkül, hogy szükség volna a minták különleges előkészítésére vagy kémiai fixálására.

A CT-készülékek röntgensugárzást használnak a felvételek elkészítéséhez, de a sugarak nem filmet exponálnak, hanem detektorok segítségével érzékelik a sugárzást, majd a detektorokból nyert elektromos jelekből készül el számítógép segítségével a rekonstruált keresztmetszeti kép. A tomográfiás felvételek kialakításának igen változatos módjai is léteznek.

A CT alapelve, hogy a vizsgált testet több irányból is meg lehet vizsgálni, majd a létrejött abszorpciós profilokból egy számítógépes algoritmus segítségével rekonstruálható a test keresztmetszete. Ahhoz, hogy több irányból is felvétel készülhessen a vizsgálandó objektumról, rendszerint a sugárforrást mozgatják a test körül, míg a mozgását követi a detektorsor az átellenes oldalon.

Ha meg akarjuk vizsgálni egy objektum belső struktúráját és felépítését (becslést szeretnénk mondani az anyagokról, amelyekből felépül), de nem szeretnénk roncsolni sem az anyag szerkezetét, sem a benne lévő anyagokat, akkor korlátozott az eszköztárunk, amit bevethetünk. Ha a vizsgált objektumnak nemcsak a felületét, hanem 2D, illetve 3D tulajdonságait is tudni szeretnénk, ebben az esetben jó megoldást nyújthat a CT alkalmazása. A CT, azaz a komputertomográfia ezért jött létre, hogy síkszerű röntgensugárnyalábbal információt szerezzünk a megismerni kívánt objektum belső tulajdonságairól (2. ábra).

2. ábra. Fa növekedési irányának meghatározása.

A komputertomográfia legelterjedtebb és legismertebb alkalmazási területe az orvosi vizsgálatokra terjed ki. Ma már nem kérdés, hogy ha részletes képet szeretne kapni a szakorvos páciense egyik szervéről, akkor fejlett diagnosztikai eszközöket használ. Ezek közül az egyik legkiemelkedőbb a CT-készülék. Alkalmazását az 1970-es években kezdték el, azonban ekkor még rendkívül fejletlen, homályos képet eredményezett a vizsgálat, mely hosszú idő alatt készült el. A készített felvételek minősége és a vizsgálat ideje meg sem közelítette a mai szintet. 80 × 80 felbontású képek készültek, öt percet igényelt a rögzítése egy-egy képkockának. Összehasonlításként: ma körülbelül 1024 × 1024 mátrixú képeket szeletenként akár 0,3 másodperc alatt tudnak a szakorvosok készíteni.

Felmerül a kérdés, hogy vajon működhet-e ez a vizsgálati módszer építőanyagokon (esetleg fémekben) is, nem csak emberi szerveken, testrészeken. A válasz igen, bár az építő­anyagok sűrűségtartománya más, mint az emberi testé, viszont nagyban közelíti a csontok sűrűségét. Így lehet az, hogy eredményes vizsgálatokat végezhetnek – például építőanyagokon is (beton, aszfalt stb.) – orvosi célra fejlesztett berendezések igénybevételével.

A CT alkalmazása az építőanyagoknál egy világszínvonalon is új, innovatív ötletnek számít, számos ipari megbízás is alátámasztja a kutatás piacképességét és aktualitá­sát. Tekintettel arra, hogy ez egy új kutatási terület, nagyon fontos, hogy a régi, hagyományos labormérések és az új módszer közötti összefüggést világosan definiálni kell, hogy ez a módszer majd később önálló mérési módszerként is használható legyen. Gondoljunk bele, milyen piaci előnnyel járna, ha egy épület vagy egy hídszerkezet állapotát egy mérés alapján meg tudnánk ismerni.

3. ábra. Az adalékanyag- (fehér körvonal) és pórusrendszer (fekete körvonal) CT rétegfelvételen (beton próbatest). (Balázs, Lublóy, 2014; Lublóy, Balázs, Kapitány, Barsi, Földes, 2014)

A komputertomográfiás felvételeken a vizsgálat tárgya szeletekre bontva látható, ez első közelítésben úgy kezelhető, mint egy szeletfelbontásnak megfelelő sűrűségtérkép az adott anyagokról (3. ábra). Ezen a sűrűségképen jól kirajzolódnak a vizsgált tárgy különböző sajátos­ságai (alkotók, pórusok, repedések). A szeletek egymás utáni lejátszásával gyakorlatilag beleláthatunk az anyag szerkezetébe. A szeletek egymás utáni elemzésével feltérképezhető a vizsgált test térbeli szerkezete (4. ábra).

4. ábra. A minta 3 dimenziós felvétele: a) adalékanyag-eloszlás, b) póruseloszlás, c) adalékanyag- és a póruseloszlás. A számítógépes tomográfiával lehetővé válik a teljes háromdimenziós belső szerkezetről a képalkotás.

Tudjuk, hogy az orvosi CT-készülék nem alkalmazható abban az esetben, ha sok fém (acél) van az anyagban, de kérdés az, meddig alkalmazható, mennyi acélt tartalmazhat a vasbeton szerkezet vagy a szálerősítésű beton, hogy megbízhatóan használhassuk a módszert. Hogyan lehet a módszert használni más anyagok, például fa, műanyagok, gumi, üveg vagy szige­telőanyagok esetén? A módszer korlátainak feltérképezése elengedhetet­len az alkalmazhatóságot illetően.

A tervezett megoldás forradalmasíthatná az anyagvizsgálatokat, hiszen – a folyamatok pontos megértése alapján – a tartóssági vizsgálatokat lényegesen felgyorsíthatnánk.

Az említett folyamatok kalibrálása után célszerű lenne mobil CT-készülék kifejlesztése, ami számos előnnyel járhatna a szerkezetek helyszíni diagnosztikája során. Például azonosítani lehetne a jövőben a hidak esetén az elszakadt feszítőbetétek helyét, illetve a keresztmetszet-csökkenés mértékét, a fagyás okozta pórusszerkezet változását is.

Az anyagok belső szerkezetének háromdimenziós leképezése új lehetőségeket nyújt a numerikus modellezésben is. Ez kitűnő lehetőséget teremt nagy ipari beruházások (erőművek, gyártóüzemek) betonozott szerkezeteinél a beton tulajdonságainak gyors és megbízható megismeréséhez. Különösen aktuális lehetne ez a módszer az építés alatt álló Paks II. Erőmű betonminősítésénél, ahol ezek a munkálatok már folynak.

Eddigi eredmények

Acélbetétek állapotának felmérése és a korrózió okának megmagyarázása

A CT-méréseknek nagy jelentőségük van a rekonstrukciós munkák során. Vasbeton szerkezetek esetén az acélbetétek állapota fontos, hiszen az acélbetétek veszik fel a húzóerőt. Más vizsgálati módszerrel az állapotukra vonatkozóan keveset, szinte semmit sem tudunk mondani. A Sentab-csövekről (feszített vasbeton cső) készült CT-felvételen jól látható, hogy a rozsdásodott foltok (3 folt) alatt az acélbetétek elszakadtak (5. ábra).

5. ábra. Az elszakadt acélbetétek.

A nagy rozsdafolt alatt a beton károsodását (kiüregelődését) is megfigyeltük. Az üreg közvetlen környezetéről felvételeket készítettünk. Megállapíthatjuk, hogy az acélbetétek környezetében kisebb sűrűségű rész látható. A 6. ábrán az elszakadt acélbetétek keresztmetszetét láthatjuk. A felvételeken megfigyelhető, hogy az acélbetétek közepén kiüregelődés van.

6. ábra. A szakadási környezet vizsgálata. (BME, 2012)

Acélszálak elhelyez­ke­­dése és geometriájá­nak vizsgálata

A száltartalom és a keverési idő szálorientációra, szálelhelyezkedésre való hatásának vizsgálatához CT-vizsgálatot végeztünk szálerősítésű betonokon (7. ábra). Az ábrán jól látható, hogy a 150 × 150 × 600 milliméter élhosszúságú próbatestek zsaluzott oldalain a szálak a zsaluzat irányába rendeződtek, míg a próbatest közepén véletlen irányultságúak voltak.

7. ábra. Az acél szálerősítésű betonok száleloszlás-elemzése. (Balázs, Czoboly, Lublóy, Kapitány, Barsi, 2017)

Aszfaltösszetétel vizsgálata, bedolgozási hiba­helyek felmérése

A CT segítségével meghatározható lesz a rétegeken belüli adalékanyag szemeloszlása, amit laboratóriumi vizsgálatokkal nem lehet meghatározni. Mindezek mellett károsodott (repedezett, nyomvályús) szerkezetek vizsgálata is lehetővé válik.

A felvételeken a különböző sűrűségű anyagokat szét­választottuk, szegmentáltuk (8. ábra). Aszfaltminta esetén a hézagtartalom-eloszlás alapján a réteg­határok is egyértelműen beazonosíthatóak (8. ábra), mivel a réteghatároknál a hézagtartalom jelentősen megnő. Ennek oka, hogy a burkolat készítésekor hideg aszfaltfelületre meleg réteget visznek fel, és az összedolgozás során a két réteg között egy nagy hézagtartamú rész keletkezik.

8. ábra. a) Egy keresztmetszetről készült CT-felvétel, és azonos területről készült keresztmetszeti csiszolat. b) Aszfaltmintában az adalékanyag-, a hézag- és a kötőanyag- tartalom eloszlása, valamint a réteghatárok azonosítása. A minta szegmentálása és kiértékelése a CT-felvételek alapján. (Lublóy, Ambrus, Kapitány, Barsi, 2015; Lublóy Ambrus, Kapitány, 2014; Lublóy, Földes, Ambrus, Kapitány, Barsi, 2014; Lublóy, Ambrus, Földes, 2014)

Gyártási hibák és a degra­dációs állapot tényle­ges felmérése

A 9. ábrán az azbesztcement csőről készült komputertomográfiás felvétel látható. A felvételen a károsodott helyen a cső teherbíró részének elvékonyodása tapasztalható. A CT-felvétel élességének módosítása után a levált felület jól elkülöníthető a képeken, ahogy a metszetről készült fényképfelvételen is. A képen a világosabb színek a magasabb Hounsfield-értékű (sűrűségű) területeket adják meg, a sötétebb részek pedig az alacsonyabb sűrűségű részeket. A sűrűségcsökkenésből mindig valamilyen anyagszerkezeti romlásra következtethetünk.

A 9. ábrán a károsodott rész környezetét láthatjuk. Jól látszik, hogy a károsodott sűrűség értéke számottevően csökkent, ami azt jelenti, hogy az anyagsűrűség is jelentősen csökkent. A sűrűségcsökkenés nem egyenletesen következik be, hanem rétegesen, ez a réteges sűrűségcsökkenés magyarázza azt a tényt, hogy más roncsolásmentes vizsgálat meglehetősen nehezen kivitelezhető.

9. ábra. Az azbesztcsövekről készült felvételek: a) az azbesztcső keresztmetszete; b) a károsodott rész környezete. (BME, 2012)

Cikkünkben röviden áttekintettük a komputertomográfia anyagvizsgálati célú alkalmazásának néhány speciális alkalmazási területét. Az írás rámutat arra, hogy az orvosi alkalmazásokra kifejlesztett CT-berendezések egyes építőipari anyagok szerkezeti tulajdonságainak megismerésére is alkalmasak, sőt egyes kompozitok (acélszál­lal kevert betonok, vasbeton szer­kezetek) vizsgálatára is használhatók, megfelelő peremfeltételek teljesülése esetén.

A cikk fontos üzenete, hogy bár a roncsolásmentes vizsgá­latok fogalmát (ultrahangos vizsgálat, radiográfiai vizsgálat stb.) jellemzően fémszerkezetek vizsgálatához társítják az ipari gyakorlatban, az épített környezetünk számtalan, nem fémből készült anyagainak tulajdonságmegismerésére is kiválóan alkalmazható.•

Címlapkép: BME