تست التراسونیک بتن

جستجوی کلمه تست التراسونیک بتن در سایت کلینیک فنی و تخصصی بتن ایران با کد 6155


 

 

 

تست التراسونیک بتن

 

با سلام و شادباش ، از جمله پر کاربردترین تست های غیرمخرب بتن ، تست التراسونیک بتن می باشد. این تست که عملکرد آن براساس صوت می باشد با توجه به خصوصیات منحصر به فرد خود از جمله سرعت و هزینه پایین طرفداران روز افزونی در بین مهندسین ساختمان و دست اندرکاران صنعت بتن یافته است.

از جمله اطلاعات قابل استخراج توسط تست غیرمخرب التراسونیک بتن می توان به موارد ذیل اشاره کرد :

 

  1. ارزیابی کیفی بتن
  2. جانمایی ترک های بتن
  3. اندازه گیری عمق ترک بتن
  4. اندازه گیری مدول الاستسیته و مقاومت بتن
  5. اندازه گیری ابعاد عضو بتنی

 

برای مشاوره و  بهره گیری از خدمات آزمایشگاهی غیرمخرب بتن از جمله تست التراسونیک بتن با بخش فنی و مهندس کلینیک بتن ایران تماس حاصل نماید. 

 

 

 

 

روش‌های تست و آزمایش سرعت پالس یا  اولتراسونیک بتن

اولین گزارش‌های اندازه‌گیری سرعت پالس‌هایی که به صورت مکانیکی در بتن تولید شده است اواسط دهه 1940 در آمریکا چاپ شد. مشخص شد سرعت در اصل به خواص الاستیک ماده وابسته است و به هندسه تقریبا هیچ وابستگی ندارد. ارزش احتمالی این روش واضح بود اما مشکلات اندازه‌گیری در آن قابل توجه بود و چند سال بعد به توسعه تجهیزات مکانیکی پالس تکراری در فرانسه منجر شد. تقریبا در همین زمان کاری با استفاده از مبدل‌های الکترواکوستیکی در کانادا و انگلیس انجام شد که مشخص شد بر نوع و فرکانس پالس‌های ایجادشده کنترل بیشتری دارد. این نوع آزمون به صورت روش التراسونیک پیشرفته توسعه یافته است که پالس‌هایی در محدوده فرکانس 150-20 کیلوهرتز را بکار می‌برند که به وسیله مدارات الکترونیکی تولید و ثبت شده است. در آزمون التراسونیکی فلزات معمولا از تکنیک پالس انعکاسی با فرکانس‌های خیلی بالا استفاده می‌شود اما به دلیل پراکندگی زیادی که در رابط‌های ماتریس/سنگدانه و ترک‌های ریز دیده می‌شود، کاربرد این آزمون در مورد بتن آسان نیست. بنابراین، آزمون بتن در حال حاضر عمدتا مبتنی بر اندازه‌گیری سرعت پالس با استفاده از تکنیک‌های فرافرستادن فراصوتی است. این روش به طور گسترده در سراسر جهان مورد قبول بوده و ابزار سبک و قدرتمند مناسبی است که راحت در سایت و نیز آزمایشگاه می‌توان از آن استفاده کرد.

اندروز (53) اظهار داشت با توسعه مبدلهایی با بازده بهبودیافته و تفسیر رایانه‌ای، طیف وسیعی از کاربردهای جدید در دسترس قرار گرفته است. نویسندگان نشان داده‌اند مطالعه مشخصات تضعیف پالس، داده‌های مفیدی درباره خرابی بتن ناشی از واکنش‌های آلکالی – سیلیکا ارائه می‌کند (54)، هر چند عملا برای دستیابی به اتصال محکم در سایت مشکلاتی وجود دارد. هیلر (55) و کروگل (56) توسعه تکنیک‌های پالس – اکو را برای امکانپذیر کردن شناسایی نقائص و ترک‌ها طبق آزمون‌ روی یک سطح و نیز استفاده از سیستم اتصال وکیوم را ترسیم کرده‌ و کاربرد تکنیک‌های پردازش سیگنال جهت دستیابی به اطلاعاتی درباره نقائص و ویژگی‌های داخلی در حال حاضر در دست تحقیق است. توسعه جالب دیگر که ساک و اولسون (57) توصیف کرده‌اند شامل استفاده از اسکنرهای فرستنده و گیرنده rolling است که برای اتصال به سیستم رایانه‌ای کسب داده‌ به هیچ واسطه‌ای نیاز ندارد که این سیستم اسکن خط راست را تا 9 متر در مقیاس زمانی کمتر از 30 ثانیه میسر می‌کند.

با اینکه احتمال دارد این پیشرفت‌ها تا استفاده تجاری این روش در آینده نزدیک گسترش پیدا کند، باقیمانده این فصل بر تکنیک‌های متعارف سرعت پالس متمرکز خواهد بود.

اگر یک اپراتور باتجربه از این روش بدرستی استفاده کند، می‌تواند درباره داخل یک عضو بتن  مقدار قابل توجهی اطلاعات بدست آورد. با این حال، از آنجا که محدوده سرعت‌های پالس مربوط به کیفیات عملی بتن نسبتا کم (km/s 3.5-4.8) است، کاربرد این روش به خصوص در سایت دقت زیادی را می‌طلبد. به علاوه، از آنجا که خواص الاستیک بتن که بر سرعت پالس تاثیر می‌گذارد، بررسی کامل رابطه بین مدول الاستیک و مقاومت در زمان تفسیر نتایج اغلب ضرورت دارد. پیشنهاد استفاده از این روش در BS 1881:Part 203 (58) و نیز در ASTM C597 (59) آمده است.

1.3 نظریه انتشار پالس در داخل بتن

ضربه بر یک حجم جامد، سه نوع موج تولید می‌کند. امواج سطحی دارای جابجایی ذرات بیضوی، کندترین امواج هستند در صورتی که امواج برشی و عرضی با جابجایی ذرات در زوایای قائم به سمت حرکت، سریعتر هستند. امواج طولی دارای جابجایی ذرات در جهت حرکت (که گاهی به امواج فشاری معروف است) مهم‌ترین امواج هستند زیرا سریع‌ترین موج‌ها بوده و به طور کلی اطلاعات مفیدتری ارائه می‌کنند. مبدل‌های الکترو-اکوستیکی در اصل این نوع امواج را تولید می‌کنند؛ انواع دیگر به دلیل سرعت پایین آن‌ها به طور کلی تداخل چندانی ایجاد نمی‌کند.

سرعت پالس به خواص الاستیک و حجم واسطه وابسته است و از اینرو اگر حجم و سرعت انتشار موج معلوم باشد، می‌توان خواص الاستیک را ارزیابی کرد. در مورد واسطه الاستیک ایزوتوپی بی‌نهایت و همگون، سرعت موج فشاری این گونه بدست می‌آید:

(1.3)                                

که در آن V سرعت موج فشاری (کیلومتر بر ثانیه) است

Ed مدول دینامیک الاستیسیته (kN/mm2)

ρ چگالی (kg/m3)

و v نسبت پواسون دینامیک است.

در این عبارت، مقدار K به تغییرات نسبت پواسون دینامیکی v تقریبا حساسیتی ندارد و از اینرو به شرط اینکه بتوان این مقدار و چگالی را به طور منطقی برآورد کرد، محاسبه Ed با استفاده از مقدار محاسبه شده سرعت موج V امکانپذیر خواهد بود. از آنجا که v و p در ترکیب با سنگدانه‌های طبیعی چندان تغییری نخواهد کرد، همان طور که در بخش 3.3 بیان شده است، می‌توان انتظار داشت علی رغم اینکه بتن لزوما یک واسطه‌ «ایده‌آل» نیست که بتوان رابطه ریاضی را بر آن اعمال کرد، رابطه بین سرعت و مدول الاستیکی دینامیک به طور منطقی محکم نیست.

2.3 ابزار سرعت پالس و کاربرد آن

1.2.3 ابزار

ابزار آزمون باید وسیله‌ای برای تولید پالس فراهم کند که آن را به بتن فرستاده، پالس را دریافت و تقویت کرده و مدت آن را نشان می‌دهد. شرایط اساسی مدارات در شکل 1.3 نشان داده شده است.

پالس‌های ولتاژ تکراری به صورت الکترونیکی تولید شده و به وسیله مبدل انتقال‌دهنده، به انفجار موجی انرژی مکانیکی تبدیل می‌شوند که باید از طریق یک واسطه مناسب به سطح بتن متصل شود (به بخش 2.2.3 رجوع کنید). یک مبدل گیرنده مشابه نیز در یک فاصله معلوم از فرستنده به بتن متصل شده و انرژی مکانیکی دوباره به پالس الکتریکی با همان فرکانس تبدیل می‌شود. دستگاه زمانبندی الکترونیکی، فاصله زمانی بین آغاز و دریافت پالس را اندازه‌گیری می‌کند و روی نوسان‌نما یا به صورت بازخوانی دیجیتالی نمایش داده می‌شود. این ابزار باید بتواند زمان انتقال را با دقت 1٪± اندازه‌گیری کند. برای اطمینان از آغاز پالس تند، زمان خیز پالس الکترونیک به فرستنده باید کمتر از یک چهارم مدت طبیعی آن باشد. فرکانس تکرار پالس باید آنقدر کم باشد که از تداخل بین پالس‌های متوالی جلوگیری کند و عملکرد باید در یک محدوده شرایط جوی و عملیاتی معقول حفظ شود.

 

شکل 1.3 ابزار معمولی آزمون UPV.

مبدل‌ها با فرکانس طبیعی بین 20 و 150 کیلوهرتز برای استفاده در بتن مناسب‌تر هستند. این مبدل‌ها ممکن است از هر نوعی باشد هر چند بلور فیزوالکتریکی متداول‌ترین نوع آن است. اندازه‌گیری زمان بر مبنای شناسایی پالس موج فشاری است که اولین بخش آن ممکن است صرفا دامنه بسیار کوچکی داشته باشد. اگر نوسان‌سنج مورد استفاده قرار گیرد، پالس دریافتی تقویت شده و آغاز آن به عنوان نقطه مماس بین منحنی سیگنال و خط مبنای زمان افقی به شمار می‌رود در حالی که در صورت استفاده از ابزارهای دیجیتالی، پالس تقویت شده و طوری شکل می‌گیرد که تایمر را از یک نقطه روی لبه پالس به کار می‌اندازد.

تعدادی از ابزارهایی که به صورت تجاری تولید می‌شود در سال‌های اخیر در دسترس قرار گرفته است که این نیازها را برآورده می‌کند. متداول‌ترین این ابزارها V-meter تولید آمریکا (60) و PUNDIT (تستر آلتراسونیک قابل حمل با نمایشگر دیجیتالی) (61) تولید انگلیس است. این دو ابزار شباهت‌های زیادی دارد: اندازه هر دو 180×110×160 میلیمتر و ‌وزن آن‌ها 3 کیلوگرم است و دارای نمایشگر دیجیتالی هستند. باتری‌های قابل شارژ نیکل – کادمیوم بیش از نه ساعت کار مداوم را میسر می‌کند. شارژ فعلی هر دو ثابت است که شارژ مجدد از منبع شبکه a.c. را میسر می‌کند و همچنین به واسطه یک واحد منبع تغذیه شبکه می‌توان به طور مستقیم آن را به کار انداخت. برای استفاده در آزمایشگاه، می‌توان یک واحد آنالوگ را افزود و برای کنترل تجربی مداوم می‌توان آن را به نوبه خود به یک دستگاه ضبط متصل کرد. یک ابزار دیگر شامل یک نوسان‌سنج است و کنترل دامنه را میسر می‌کند.

شکل 2.3 ساختار PUNDIT را در آزمایشگاهی با مبدل‌های 54 کیلوهرتز و نوار کالیبراسیون مرجع نشان می‌دهد. مشخصات این نوار فولادی معلوم است و هر بار که مورد استفاده قرار گیرد برای تنظیم صفر ابزار به وسیله واحد کنترل تاخیر متغیر بکار می‌رود. این صفحه نمایش یک بلور مایع چهار رقمی است و خوانش زمان انتقال مستقیم را به میکروثانیه نشان می‌دهد. طیف وسیعی از مبدل‌ها بین 24 و 200 کیلوهرتز موجود است، هر چند نسخه‌های 54 و 82 کیلوهرتز به طور طبیعی برای تست آزمایشگاهی یا آزمون بتن در محل مورد استفاده قرار خواهد گرفت. انواع ضد آب یا حتی عمق دریای این مبدل‌ها نیز موجود است. جایگزین دیگر، مبدل پروب تصاعدی است که یک نقطه تماس ایجاد می‌کند (شکل 3.3) و نسبت به مبدل‌های مسطح در سطوح ناهموار یا خمیده دارای مزایای عملیاتی هستند (به بخش‌های 2.2.2.3 رجوع کنید). این ابزار مقاوم بوده و به همراه یک محفظه حامل برای استفاده در سایت ارائه می‌شود. وقتی طول مسیر زیاد در سایت مطرح باشد،‌ تقویت‌کننده‌های سیگنال نیز در دسترس است و محدوده دمای محیط قابل قبول 45-0 درجه سانتیگراد عملا باید قسمت عمده محل را دربر گیرد.

2.2.3 کاربرد

طرز کار نسبتا آسان است اما اگر بخواهیم نتایج قابل اطمینانی بدست آوریم به دقت بسیار زیادی نیاز دارد. اتصال آکوستیک مناسب بین سطح بتن و سطح مبدل یک ضرورت است و این امر به وسیله یک واسطه نظیر وازلین، صابون مایع یا گریس میسر می‌شود. بسته‌های هوایی باید حذف شود و این نکته حائز اهمیت است که تنها یک لایه جداکننده نازک وجود دارد و هر گونه لایه مازاد را باید حذف کرد. ثابت شده است یک واسطه سبک نظیر وازلین یا صابون مایع بهترین واسطه برای سطوح صاف است اما برای سطوح ناهموارتری که در مقابل شاترهای صاف قالب‌گیری نشده است گریس غلیظ  پیشنهاد می‌شود. اگر سطح بسیار ناهموار یا ناصاف باشد، ساییدن یا تهیه با خمیر ملات پاریس یا زودگیر ممکن است برای ایجاد یک سطح صاف برای کاربرد مبدل ضروری باشد. با برداشتن کامل و کاربرد مجدد مبدل‌ها برای بدست آوردن حداقل مقدار زمان انتقال، تکرار خوانش‌ها اهمیت دارد. با اینکه ادعا می‌شود این ابزار اندازه‌گیری تا 0.1± میکروثانیه دقیق است، اگر بخواهیم به دقت زمان انتقال 0.1±  دست یابیم، معمولا ممکن است بدست آوردن یک خوانش تا 0.7±  در طول مسیر 300 میلیمتری لازم باشد که تنها با دقت زیاد در شیوه اندازه‌گیری می‌توان به آن دست یافت و هرگونه خوانش نامفهوم طی آزمون در صورت لزوم باید با دقت ویژه تا حذف هر منبع ارتعاش دیگر،‌هر چند خفیف، تکرار شود.

 

شکل 2.3 PUNDIT در آزمایشگاه (عکس از شرکت ابزارآلات C.N.S).

 

شکل 3.3 مبدل پروب تصاعدی.

 

طول مسیر را نیز باید با دقت 0.1± اندازه‌گیری کرد. این کار در مورد مسیرهای حدود 500 میلیمتری چندان دشوار نیست اما برای مسیرهای کوتاه‌تر، استفاده از کولیس پیشنهاد می‌شود. ابعاد اسمی عضو که در نقشه‌ها آمده است به ندرت کافی است.

1.2.2.3 ترتیب مبدل: مبدل‌ها را می‌توان به سه روش اصلی مرتب کرد که در شکل 4.3 نشان داده شده است. این روش‌ها عبارتند از:

(الف) وجوه مقابل (انتقال مستقیم)

(ب) وجوه مجاور (انتقال نیمه مستقیم)

(ج) وجه یکسان (انتقال غیرمستقیم).

از آنجا که حداکثر انرژی پالس در زوایای قائم به وجه فرستنده انتقال می‌یابد، روش مستقیم از نظر اندازه‌گیری زمان انتقال قابل اطمینان‌ترین روش است. به علاوه، مسیر به وضوح مشخص شده و می‌توان دقیقا آن را اندازه‌گیری کرد و هر جا امکان داشته باشد این رویکرد را باید برای ارزیابی کیفیت بتن بکار برد. گاهی اگر زاویه بین مبدل‌ها خیلی زیاد نباشد و اگر طول مسیر خیلی بزرگ نباشد، می‌توان روش نیمه مستقیم را با رضایت بکار برد. حساسیت کمتر خواهد بود و اگر این نیازها برآورده نشود ممکن است به دلیل تضعیف پالس انتقال‌یافته، هیچ سیگنال مشخصی دریافت نشود. طول مسیر نیز به دلیل اندازه محدود مبدل چندان به روشنی تعریف نمی‌شود اما به طور کلی برای گرفتن آن از مرکز به مرکز وجوه مبدل، کافی قلمداد می‌شود.

روش غیر مستقیم مسلما کمترین رضایت‌بخشی را دارد زیرا دامنه سیگنال دریافتی کمتر از 3 درصد انتقال مستقیم مشابه است. سیگنال دریافتی به انتشار پالس به وسیله ناپیوستگی‌ها وابسته است و لذا به شدت در معرض خطا است. سرعت پالس عمدتا تحت تاثیر بتن ناحیه سطح قرار دارد که ممکن است معرف بدنه نباشد و طول دقیق مسیر نامعلوم باشد. برای توجیه این عدم دقت در طول مسیر روش خاصی لازم است که مستلزم مجموعه‌ای از خوانش‌ها با فرستنده ثابت و گیرنده واقع در مجموعه نقاط افزایشی ثابت در امتداد خط شعاعی انتخابی است (شکل 5.3). نتایج روی نقشه مشخص شده است (شکل 6.3) و میانگین سرعت پالس با شیب راست‌ترین خط بدست می‌آید. اگر در این نقشه عدم پیوستگی وجود داشته باشد احتمال دارد ترک سطحی یا یک لایه سطح زیرین وجود داشته باشد (به بخش 4.3 رجوع کنید). اگر این روش امکانپذیر باشد و تنها زمانی بکار رود که فقط یک سطح وجود دارد، باید از آن اجتناب کرد مگر اینکه برای شناسایی این ویژگی‌ها اندازه‌گیری انجام شود.

شکل 4.3 انواع خوانش، (a) مستقیم، (b) نیمه مستقیم، (c) غیرمستقیم.

                                          محل گیرنده‌های متوالی                            فرستنده 

شکل 5.3 خوانش مستقیم – ترتیب مبدل.

 

                                 → فاصله‌گذاری مبدل x (میلیمتر)

شکل 6.3 خوانش غیرمستقیم – نقشه نتایج.

 

2.2.2.3 انتخاب مبدل: فرکانس طبیعی مبدل‌هایی که بیشترین کاربرد را دارند 54 کیلوهرتز است (شکل 2.3). سطح آن‌ها صاف و قطر آن‌ها 50 میلیمتر است و لذا در یک مساحت قابل توجه تماس مناسب باید تضمین شود. با این حال، استفاده از مبدل پروب که فقط تماس نقطه‌ای ایجاد کرده و به هیچ عملیات سطحی یا کوپلنت نیاز ندارد دارای مزایایی است. صرفه‌جویی در زمان ممکن است قابل توجه باشد و دقت طول مسیر در خوانش‌های غیر مستقیم را می‌توان افزایش داد اما متاسفانه این نوع مبدل به فشار اپراتور حساس‌تر است. ثابت شده است عملکرد گیرنده‌ها (که در شکل 3.3 مشخص است) در این زمینه رضایت‌بخش است اما توان سیگنال که از این نوع مبدل فرستنده فراهم می‌شود آنقدر کم است که استفاده از آن معمولا برای آزمون در محل عملی نیست. گیرنده پروب تصاعدی که قطر نوک آن 6 میلیمتر است، ممکن است در سطوح بسیار ناهموار نیز مفید باشد که در غیر اینصورت کارهای مقدماتی ممکن است ضرورت داشته باشد.

مهم‌ترین عواملی که احتمالا انتخاب فرکانس مبدل جایگزین را ایجاب می‌کند با ابعاد عضو مورد آزمون ارتباط دارد. در مورد اعضای کوچک مشکلاتی پیش می‌آید زیرا واسطه مورد آزمون را نمی‌توان به طور موثر نامحدود تصور کرد. این امر زمانی روی می‌دهد که عرض مسیر کمتر از طول موج λ باشد. از آنجا که λ سرعت پالس یا فرکانس ارتعاش است، در نتیجه کمترین ابعاد جانبی که در جدول 1.3 آمده است باید برآورده شود. به همین ترتیب اندازه سنگدانه باید کمتر از λ باشد تا از کاهش انرژی موج و اتلاف احتمالی سیگنال در گیرنده جلوگیری کند هر چند این موضوع معمولا مساله‌ای ایجاد نخواهد کرد. با اینکه به دلیل خروجی انرژی پایین‌تر مربوط به فرکانس بالاتر، استفاده از فرکانس‌های بالاتر می‌تواند حداکثر طول مسیر قابل قبول (10 متر به ازای 54 کیلوهرتز تا 3 متر به ازای 82 کیلوهرتز) را کاهش دهد، این مساله را می‌توان با استفاده از یک تقویت‌کننده سیگنال ارزان قیمت رفع کرد.

3.2.2.3 کالیبراسیون ابزار: برای تنظیم خوانش صفر در ابزار قبل از استفاده، تاخیر زمانی را باید تنظیم کرد و همچنین باید به طور منظم طی هر دوره استفاده و در پایان آن کنترل کرد. هر مبدل و مشخصات اصلی مربوط به آن بر این تنظیم تاثیر خواهد گذاشت که با کمک نوار مرجع فولاد کالیبره انجام می‌شود که زمان انتقال آن حدود μs 25  است. خوانش به وسیله این نوار (شکل 2.3) به شیوه معمولی صورت می‌گیرد که تضمین می‌کند تنها یک لایه نازک کوپلنت، نوار و مبدل‌ها را جدا می‌کند. همچنین پیشنهاد می‌شود دقت این ابزار در اندازه‌گیری زمان انتقال با اندازه‌ آن در یک نمونه مرجع دوم ترجیحا با زمان انتقال حدود  μs100 بررسی شود. 

3.3 کالیبراسیون آزمون و تفسیر نتایج

مساله اصلی این است که ماده مورد آزمون از دو ماده تشکیل‌دهنده، ماتریس و سنگدانه تشکیل می‌شود که خواص الاستیک و مقاومت متفاوتی دارند. رابطه بین سرعت پالس و مدول الاستیک دینامیکی ماده کامپوزیت که با آزمون‌ رزنانس روی منشور بلورین اندازه‌گیری می‌شود نسبتا قابل اطمینان است به طوری که در شکل 7.3 مشخص است. با اینکه این رابطه در عملی‌ترین بتن‌های ساخته شده از سنگدانه‌، تحت تاثیر مقدار نسبت پواسیون دینامیکی قرار می‌گیرد، برآورد مدول الاستیسیته باید در حدود 10٪ دقیق باشد.

جدول 1.3 حداقل مسیر جانبی و حداکثر ابعاد سنگدانه.

فرکانس مبدل (کیلوهرتز)