تعیین مقاومت و عمق ترک و تخلخل با دستگاه التراسونیک

سرعت پالس مافوق صوت تحت تاثیر خواص الاستیک و مکانیکی بتن است. بنابراین متغیر بودن سرعت پالس در طول مسیرهای مختلف در سازه نشانه تغییر کیفیت بتن میباشد. در مواردی که قسمتی از بتن تحت آزمایش دارای تراکم کم و تخلخل زیاد باشد، سرعت پالس کاهش یافته و در نتیجه تعیین وسعت نارسایی امکان پذیر است. برخی از کاربردهای آزمایش اولتراسونیک در بتن شامل بررسی خواص بتن و اندازه گیزی تغییرات آن در طول زمان، تعیین یکنواختی بتن در یک عضو یا بین اعضای سازه ، تشخیص عیوبی مانند ترک ها، وجود منافذ و تخلخل در بتن و اندازه گیری آن میباشد. آزمایش اولتراسونیک به دلیل آزمایش مستقیم بر روی بتن سازه نسبت به آزمایش مکانیکی که بر روی نمونه های مکعبی و استوانه ای کنترل انجام میشود ارجحیت دارد [۷].

 

این روش شامل پراکندن قسمتی از موج ماورای صوت است که با سرعت متوسط ۳ تا ۵ کیلومتر بر ثانیه از میان بتن عبور میکند. در مقایسه با آزمایش مکانیکی روی نمونه های مکعبی و استوانه ای که ممکن است نماینده مناسبی از بتن سازه نباشند، آزمایش سرعت پالس مستقیما با بتن موجود در سازه ارتباط داشته و نتایج صحیح تری بدست می دهد.
در این روش با استفاده از روابطی که محققین مختلف پیشنهاد کرده اندمانند روابط باگس و سامارین و غیره برای یک بتن مشخص سرعت امواج و مقاومت فشاری توسط روابط زیر به یکدیگر مرتبط میشوند.

F_c=ae^bv

در رابطه فوق a و b ثابت های تجربی، fc مقاومت فشاری بتن و v سرعت امواج می باشد.

روش انجام آزمایش:

هنگام عبور پالس از بتن در آزمایش تعیین مقاومت و عمق ترک و تخلخل با دستگاه التراسونیک، اگر فضای خالی در بتن وجود داشته باشد، مقدار نسبتا زیادی از انرژی پالس در آن فضای خالی در بتن وجود داشته باشد، مقدار نسبتا زیادی از انرژی پالس در ان فضای خالی به هدر می رود و سرعت ان کاهش پیدا میکند. بنابراین اگر پالس های ارسالی بر روی یک نمونه سالم زمان بیشتری را برای عبور صرف کرد نتیجه این خواهد بود که بتن دارای ترک خوردگی یا اسیب دیدگی است و با داشتن تفاوت زمان در عبور از بتن میتوان به عمق ترک خوردگی ها نیز دست پیدا کرد. البته این روش تنها زمانی کاربرد دارد که محل خالی بتن پر شده از هوا باشد و درآن مایعی وجود نداشته باشد.

آزمایش الترا سونیک بتن ( سرعت پالس بتن)

آزمون سرعت پالس یا الترا سونیک بتن یکی از آزمایش های غیر مخرب بتن Concrete Non-destructive testing است که برای ارزیابی کیفیت و سلامت بتن استفاده می شود. در آزمایش الترا سونیک در بتن ( سرعت پالس بتن ) یک موج صوتی به بتن فرستاده می شود.

زمانی که یک نبض فراصوتی از یک فرستنده به یک گیرنده از بتن عبور میکند، اندازه گیری می شود. این امواج بوسیله یک مبدل الکتروآکوستیک که از یک طرف با بتن در حال آزمون در تماس است بعد از عبور از بتن پالس ها دریافت می شوند و به وسیله یک مبدل ثانویه به انرژی الکتریکی تبدیل می شوند.

با توجه به سرعت پخش شدن و باز تابیدن آن خواص مکانیکی بتن همچون چگالی بتن (وزن مخصوص بتن ) ، مقاومت فشاری و تراکم بتن قابل بررسی است. همچنین نتایج حاصل از این آزمایش می تواند اطلاعاتی درباره یکنواختی و همگنی بتن، و همچنین وجود ترک ها، حفرات یا عیوب دیگر ارائه دهد.

به طور کلی آزمایش التراسونیک بتن ( موج فراصوت در بتن) از جمله آزمایش های غیر مخرب بتنConcrete NDT Tests  است که با توجه به دامنه اطلاعاتی بالایی که برای ما فراهم می کند در صنایع عمرانی  و ساخت و ساز بتنی بسیار مورد استفاده و مفید است.

این آزمایش معمولا بر روی بتن سخت شده مانند کف، دیوار، ستون و تیرهای بتنی انجام می شود. آزمایش التراسونیک بتن را می توان جهت استفاده در محل یا استفاده در آزمایشگاه بتن انجام داد. از این رو معمولا برای ارزیابی ساخت و نگهداری و تعمیرات در سازه های بتنی استفاده می شود. سرعت پالس فراصوت (سرعت التراسونیک بتن ) به چگالی و خواص الاستیک مربوط است.

این روشی همچنین برای مشخص کردن فضای خالی و ترک و همینطور سنجش کارایی تعمیرات آن ها است. اگر لازم است کنترل آن می تواند در بازه های زمانی مختلف صورت بگیرد. میزان رطوبت نیز بر سرعت پالس تاثیر می گذارد و لازم است در نظر گرفته شود.

شکل ۱: انجام آزمایش اولتراسونیک بر روی ستون مخزن بتنی توسط مرکز تحقیقات بتن – پروژه خلیج فارس

آزمایش التراسونیک بتن ( سرعت پالس ) در بتن براورد مقاومت فشاری را نیز به ما می دهد. یک همبستگی بین سرعت صوت در بتن و مقاومت فشاری آن وجود دارد.

بطور کلی آزمایش التراسونیک بتن ( سرعت پالس فراصوت ) در موارد زیر می تواند کاربرد داشته باشد.

کاربرد آزمایش اولتراسونیک بتن

۱-کنترل کیفیت در طول ساخت و ساز: تست التراسونیک بتن ( سرعت پالس فراصوت ) می تواند برای تایید طرح اختلاط صحیح بتن و روش درست ترمیم بتن استفاده می شود. این مورد از آزمایش غیر مخرب بتن NDT می تواند به کمک تضمین کیفیت و مقاومت بتن مورد نظر کمک کند.

۲-آزمایش غیر مخرب بتن در سازه های بتنی: آزمایش التراسونیک بتن (سرعت پالس فراصوت ) می تواند برای ارزیابی شرایط و کیفیت سازه های بتنی موجود مانند پل ها، ساختمان ها و تونل های بتنی استفاده می شود. که می تواند به کمک شناسایی عیوب مانند ترک ها، حفرات و جداشدگی ها به همراه ارزیابی سلامت سازه بتنی کمک کند.

۳- ارزیابی مقاومت بتن: آزمایش التراسونیک بتن ( سرعت پالس فراصوت ) با اندازه گیری سرعت موج های صوتی از طریق بتن برای تخمین مقاومت فشاری بتن در مواردی مانند سازه های تاریخی یا میراث مفید باشد.

۴-ارزیابی ویژگی های بتن: آزمایش التراسونیک همچنین می تواند برای ارزیابی ویژگی های دیگری از بتن مانند چگالی، پوروسیته و مدول الاستیک استفاده شود این می تواند به شناسایی مشکلات پایداری و تصمیمات مربوط به نگهداری و تعمیرات یا مقاوم سازی تعیین کند.

۵-وجود و اندازه گیری عمق ترک: روش آزمایش التراسونیک ( سرعت پالس فراصوت ) می تواند برای تشخیص و اندازه گیری ترکیب های بتن استفاده شود. برای این منظور موج الترلسونیک بتن با انعکاس امواج مواجه می شود.این روش نیاز به سطح صاف و بدون ترک برای قرار گیری سنسور ها دارد همچنین شکل و عمق ترک و ترکیب می تواند از بررسی نتایج این آزمایش حاصل شود.

شکل ۲: انجام آزمایش اولتراسونیک بتن توسط مرکز تحقیقات بتن – پروژه نیروگاه اهواز

عوامل مختلفی می تواند بر نتایج آزمایش التراسونیک بتن ( سرعت پالس فراصوت) تاثیر گذار باشند.

عوامل تاثیرگذار بر نتایج آزمایش اولتراسونیک بتن

• ویژگی های بتن: ویژگی های مختلف بتن مانند مقاومت فشاری ، نوع سنگدانه، نسبت آب به سیمان و نوع مواد پر کننده می تواند بر سرعت پالس در بتن و در نتیجه نتایج آزمایش تاثیر بگذارد. خواص سنگدانه از نظر شکل و حجم سنگدانه ها می تواند بر توضیع و چگالی آن ها در بتن و در نتیجه بر خصوصیات التراسونیک بتن تاثیرگذار باشد. همچنین نوع سنگدانه مثلا سنگدانه هایی با دانسیته بالا می تواند باعث تضعیف امواج شود و در نتیجه دقت تست کاهش می یابد. همچنین خواص فیزیکی و سطح سنگدانه ها نیز می تواند بر نتایج آزمایش التراسونیک بتن ( سرعت پالس فراصوت ) تاثیر بگذارد. میزان رسوبات و گرده های موجود در سنگدانه هنگام اختلاط سنگدانه نیز میتواند تاثیر گذار باشد. مواد آلی و رسوبات آب می تواند باعث کاهش خصوصیات التراسونیک بتن شود. مقاومت فشاری بتن ما نشان دهنده خواص زیادی از بتن به ما است که با توجه به آن می توان دقت آزمایش را بیشتر کرد. نسبت سنگدانه ما به سیمان از جمله ویژگی های بتن است که تاثیر زیادی دارد و با توجه به خاصیت عبور دهندگی بیشتر سنگدانه ها، هر چقدر نسبت سنگدانه های ما به سیمان بیشتر شود سرعت آزمایش التراسونیک ( سرعت پالس فراصوت ) بیشتر می شود.
• رطوبت بتن: رطوبت بتن نیز می تواند بر نتایج التراسونیک بتن ( سرعت پالس  فراصوت ) بتن های خشک تر می توانند باعث کاهش سرعت امواج انتشار موج شود که منجر به کاهش دقت تست می شود. با کاهش دمای بتن سرعت پالس در بتن افزایش دارد. نتیجه ی کاهش دما و کاهش هوای محبوس نیز باعث بالا رفتن این سرعت می شود.
• نوع سنجنده: نوع سنجنده (پراب) امواج استفاده شده برای تولید و دریافت امواج التراسونیک نیز می تواند بر دقت تست تاثیر بگذارد.این مبدل الکترو استاتیکی که از یک طرف با بتن در تماس است. این پالس ها بعد از عبور از بتن و دریافت می شود به وسیله مبدل ثانویه که به فاصله L از مبدل انتقال دهنده قرار گرفته به انرژی الکتریکی تبدیل می شود . طول زمان این انتقال T است که سرعت پالس از تقسیم L بر T بدست می آید.   که همانطور که گفتیم به خواص الاستیک و چکالی مربوط است.
• شرایط محیطی: شرایط محیطی مانند دما ، رطوبت و شدت نور یز می توانند بر دقت تست التراسونیک بتن تاثیر بگذارد. مثلا دمای مواد در هنگام تولید بتن و در فرآیند التراسونیک بتن نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. در دما های بالاتر روانیت بتن افزایش می یابد و نیاز به آب بیشتری دارد که باعث کاهش کیفیت و کارایی و دقت تست التراسونیک می باشد
• سن بتن: هیچ سن مشخصی برای انجام این تست تعریف نشده اما باید توجه داشت که نتایج این تست می تواند تحت تاثیر عواملی مانند بارگذاری و فرسایش قرار بگیرد که در نتایح تست التراسونیک بتن موثر است. با توجه به فرایند هیدراتاسیون سیمان با افزایش سن بتن و تراکم بیشتر و پرشدن خلل و فرج های بتن می توان انتظار داشت سرعت پالس بیشتری شاهد باشیم.
• شرایطی که میتوان با دقت بیشتری به نتیجه تست التراسونیک بتن تکیه کرد.

رطوبت بتن: رطوبت بتن باید در حدود ۵۰ تا ۷۵ درصد رطوبت نسبی باشد. در صورتی که بتن خیلی خشک باشد ، شرعت انتشار موج صوتی کاهش می یابد و دقت آزمایش کاهش می یابد.

دمای محیط: دمای محیط بیشتر از ۳۸ درجه سانتیگراد باعث می شود سرعت انتشار موج خود به خود کمتر شود و نتایج ما از دقت پایین تری برخوردار باشد.

شکل و اندازه نمونه: برای بدست آوردن نتایج قابل اعتماد ، حداقل اندازه نمونه استاندارد باید قطر ۱۰۰ میلیمتر داشد

تعداد نقاط آزمایش باید برای هر نمونه بتن حداقل ۳ نقطه آزمایش شود.

سطح بتن باید حتی الامکان صاف و بدون هیچ گونه خراش و خط و خش و برآمدگی و فرو رفتگی اضافی باشد زیرا هرگونه نا همواری می تواند باعث خطا در آزمایش شود.

برای دقت بیشتر در نتایج آزمایش ، باید از وجود مواد خارجی مانند آهن، فولاد ، درز ها و ناخالصی های دیگر در نمونه بتن جلوگیری شود.

همچنین برای بدست آوردن نتیجه دقیق باید قبل از شروع آزمایش ، نوع ارتعاش امواج التراسونیک تولیدی را به شکل مناسب و مطلوب تنظیم نمود.

شکل ۳: انجام آزمایش اولتراسونیک بر روی ستون مخزن بتنی توسط مرکز تحقیقات بتن – پروژه خلیج فارس

تعیین عمق ترک بتن:

از کاربرد های دیگر تست التراسونیک بدست آوردن عمق ترک در بتن است. برای بررسی عمق ترک در بتن با استفاده از تست التراسونیک بتن که مرسوم ترین آزمایش غیرمخرب بتن برای بررسی عمق ترک در بتن است، از پالس-اکو استفاده می شود.  برای بدست آوردن عمق ترک در بتن با استفاده از تست التراسونیک می توان از ترک شکنی صوتی استفاده کرد.

در این روش ابتدا با استفاده از دستگاه تست التراسونیک، سرعت انتشار موج های صوتی در بتن اندازه اندازه گیری می شود. سپس با استفاده از یک ترک شکن صوتی موج صوتی روی سطح بتن فرستاده میشود و در نقاطی که ترک وحود دارد، موج صوتی از از مسیر خود منحرف می شود و بصورت تارشه هایی دریافت میکند. به طور کلی روش پالس – اکو شامل یک پالس فراصوتی به بتن و اندازه گیری زمان لازم برای بازتاب پالس از ترک می باشد.

زمانی که پالس به ترک می رسد و باز می گردد با عمق ترک رابطه مستقیم دارد. برای انجام این آزمایش، دستگاه التراسونیک بتن  امواج صوتی با فرکانس بالا تولید میکند که از طریق یک پروب به بتن منتقل می شود. پروب بر روی سطح بتن قرار داده میشود و در طول ترک حرکت می کند.

هنگامی که موج فراصوت از طریق بتن حرکت می کند با ترک برخورد خواهد کرد و بخشی از انرژی به پروب باز خواهد گشت دستگاه زمانی که موج صوتی برای رسیدن به ترک و رسیدن به پروب طی می کند باعث می شود بتوان عمق ترک را بر اساس سرعت صوت در بتن با استقاده از امواج التراسونیک حساب کرد.

نتایج آزمایش عمق ترک التراسونیک که روی صفحه ما نشان داده می شود قابل ثبت و اندازه گیری است. همچنین می توان با محاسبه عمق ترک با ضخامت بتن ( ضخامت کاور بتن که با آزمایش اسکن آرماتور یا اسکن میلگرد قابل اندازه گیری است ) شدت آسیب را تعیین کرد.

شکل ۴: انجام آزمایش تعیین عمق ترک بتن با آزمایش اولتراسونیک – پروژه برج های آپادانا

عمق ترک بتن نیز از پرکاربرد ترین کاربرد های تست التراسونیک است و روش پالس – اکو مرسوم ترین آزمایش غیر مخرب بتن برای این مورد است. لازم است بدانید هرچند تست التراسونیک بتن یک آزمایش غیر مخرب بتن Concrete Non-Distructive Testاست اما نیاز به دسترسی به دو طرف رد بتن یا ترک دارد. در صورتی که یک طرف بیشتر قابل دسترسی نباشد می توان از آزمایش هایی مثل ترموگرافی فرسرخ یا رادار نفوذ خاک استفاده کرد.

کاربرد دیگر تست التراسونیک بتن، یافتن مقاومت فشاری بتن است. برای یافتن مقاومت فشاری بتن با استفاده از التراسونیک بتن از روش ارتعاشی استفاده می شود. که مجددا بستگی به ارسال یک موج التراسونیک (فراصوت) و اندازه گیری زمان لازم برای عبور این امواج از بتن است.

برای انجام ای آزمایش پروب دستگاه التراسونیک بر روی سطح بتن قرار داده می شود و امواج صوتی التراسونیک از آن عبور می کند و زمان آن اندازه گیری می شود. برای این کار ابتدا یهک نمونه مقاومت فشاری که به اندازه کافی بزرگ است ، تهیه شود.

سپس به این نمونه امواج التراسونیک ( فراصوت) ارسال می شود . همچنین در مورد بتن هایی که سخت شده و اجرا شده به شرط دسترسی به دو طرف یا دسترسی به بتن می توان با اندازه گیری سرعت برگشت این امواج و به دانسیته و مقاومت فشاری آن پی برد.

هرچه امواج التراسونیک ( امواج فراصوت) با سرعت بیشتری از بتن عبور کنند، مدول الاستیسیته بالاتر و مقاومت فشاری نیز بالاتر است. می توان از سرعت موج التراسونیک برای محاسبه مدول الاستیسیته بتن استفاده کرد. مدول الاستیسیته یک اندازه گیری از سختی بتن است و به طور مستقیم با مقاومت فشاری آن مرتبط است.

می توان با فرمول زیر مقاومت فشاری بتن را محاسبه کرد.

مهم است بدانید که دقت نتایج حاصل از تست التراسونیک بتن به عواملی مانند کیفیت بتن ، اندازه و شکل نمونه و شرایط محیطی در طول آزمایش بستگی دارد که در بالا به آن پرداخته شد.البته این روش آزمایش غیر مخرب تنها می تواند معیاری برای سنجش مقاومت فشاری بتن باشد و نمی تواند به عنوان یک روش برای ارزیابی خواص دیگر مانند مقاومت خمشی یا پایداری استفاده شود.

منابع:

ASTM C597

BS EN 12504

ISIRI 3201-7