تست التراسونیک بتن

تست التراسونیک بتن موسوم به تست UPV است. این تست به عنوان یکی از روش های غیر مخرب تست بتن قلمداد می شود. روش سرعت امواج التراسونیک شامل پراکندن قسمتی از موج ماورای صوت است که با سرعت متوسط ۳ تا ۵ کیلومتر بر ثانیه از میان بتن عبور می کند.

کاربرد تست UPV بر روی بتن

اندازه گیری سرعت امواج ماورای صوت (تست التراسونیک )، در موارد زیر مورد استفاده قرار می گیرد:
۱- تعیین یکنواختی بتن در یک عضو یا بین اعضای سازه.
۲- کشف وجود ترک بتن و اندازه گیری عمق آن و تعیین دیگر نارسایی ها مانند منافذ.
۳- اندازه گیری تغییرات خواص بتن با گذشت زمان
۴- تعیین مقاومت بتن
۵- تعیین مدول ارتجاعی و ضریب پواسون دینامیکی
دستگاه PUNDIT معروف ترین دستگاهی است که در این روش به کار می رود. در این روش توسط دستگاه التراسونیک، پالس های الکترونیکی ایجاد می گردد. سپس توسط مبدل های فرستنده، این پالس های الکترونیکی به صورت امواج ارتعاشی با فرکانسی بین ۲۰ تا ۵۰ کیلو هرتز تبدیل شده و پس از عبور از بتن، امواج توسط یک مبدل گیرنده دریافت و به صورت سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. مدت زمان طی شده برای حرکت امواج در بتن توسط دستگاهی با دقت ۰/۱±میکرو ثانیه اندازه گیری می شود.

مدار الکترونیکی دستگاه قادر است زمان عبور موج را بر حسب میکروثانیه (T) اندازه گیری کند. سرعت موج (V) بر حسب (km⁄s یا m⁄s ) از رابطه زیر بدست می آید:

V=L/T

که در آن :
L = طول مسیر موج
T = زمان عبور موج، مدت زمانی است که موج از طول L عبور می کند.
سرعت موج مافوق صوت تحت تاثیر خواص الاستیک و مکانیکی بتن است. بنابراین متغییر بودن سرعت موج در طول مسیرهای مختلف در سازه نشانه تغییرات در کیفیت بتن می باشد. تغییرات در ساختار بتن که به دلیل کسب مقاومت و یا آسیب دیدگی ایجاد می گردد در سرعت امواج، انعکاس می بابد و موجب افزایش یا کاهش آن می گردد. به طور کلی رابطه منحصر به فردی بین این سرعت و مقاومت بتن وجود ندارد، ولی تحت شرایط مشخصی این دو کمیت توسط عامل مشترک وزن مخصوص به یکدیگر مربوط می شوند.
تغییر در وزن مخصوص منجر به تغییر در سرعت امواج می گردد. همچنین در مورد مخلوطی معین ، نسبت وزن مخصوص واقعی به وزن مخصوص کاملا متراکم شده و مقاومت حاصله رابطه نزدیکی با یکدیگر دارند.
بنابراین اگر با افزایش نسبت آب به سیمان وزن مخصوص را کمتر نماییم هم مقاومت فشاری آن و هم سرعت امواج عبور کننده از آن کاهش می یابد.
هرچند که هیچ رابطه تئوری بین سرعت امواج و مقاومت بتن وجود ندارد و ارتباط بین سرعت امواج و مقاومت بتن تحت تاثیر عوامل زیادی نظیر عمر، شرایط عمل آوری ، محتوای رطوبتی، اندازه سنگدانه ها، نوع سنگدانه ،نوع سیمان، نسبت آب به سیمان و … می باشد اما منحنی های کالیبراسیون به صورت تجربی برای یک بتن مفروض وجود دارد. مشاهده شده که با این روش می توان مقاومت فشاری را در بهترین شرایط با ۲۱ درصد دقت به دست آورد.

اعدادی که توسط وایت هرست برای بتن با وزن مخصوص تقریباً برابر ۲۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب پیشنهاد شده در جدول زیر ارائه می شود.

برای نسبت های اختلاط مختلف ، روابط مختلفی بین مقاومت و سرعت امواج به دست خواهد آمد.
گستره کاربرد:
-در تعیین تخمین کیفیت بتن
-تخمین عمق ترک های سطحی
-تعیین وجود ناپیوستگی ها در مقطع عرضی مانند ترک لایه لایه شدن پوشش بتن
فرکانس طبیعی مولدها معمولاً بین ۲۰ تا ۱۵۰ کیلو هرتز است. فرکانس های کمتر مانند ۱۰ کیلوهرتز برای مسیرهای طولانی و فرکانس های زیادتر تا ۱ مگاهرتز برای ملات و دوغاب نیز مورد استفاده قرار می گیرند. پیشروی موج های فرکانس بالا در بتن، در ابتدا مناسب است ولی در عین حال که از میان بتن عبور می کند، از مقدار امواج کاسته می شود و در مقایسه با موج های فرکانس پایین، سرعت کاهش امواج بیشتر است بنابراین مولد با فرکانس بالا برای مسیرهای کوتاه و مولد با فرکانس کم برای مسیرهای طولانی ترجیح داده می شود. در اکثر موارد، مولدهایی با فرکانس ۵۰ تا ۶۰ کیلوهرتز مناسب است.
گوها و ودپاتاک در سال ۱۹۸۱ ، بیان کردند که در عمل، مبدل های با فرکانس ۲۰ تا ۱۰۰ کیلوهرتز برای آزمایش بتن مناسب تر هستند.

روش های تست التراسونیک:

روش های التراسونیک به دو گروه قابل تقسیم بندی هستند. اول روش هایی که براساس اندازه گیری مشخصات، از جمله سرعت پالس عبوری عمل می کنند و برای عملی کردن آنها باید به دو سوی قطعه مورد تست، دسترسی داشته باشیم. دوم روش هایی که مشخصات پالس انعکاس یافته از دیواره پشت نمونه، یا مرزهای داخل قطعه مانند دیواره ترک ها و یا مرز مابین بتن و تقویت کننده های بتنی را اندازه گرفته، از روی آنها برخی ویژگی های الاستیکی سازه را به دست می دهند. سطح هر سازه بتنی در طول زمان و در اثر ساز و کارهای شیمیایی دچار پوسیدگی و تخریب تدریجی می شود. اندازه گیری تضعیف امواج سطحی، تقریبی از میزان آسیب های ناشی از فرآیندهای شیمیایی در سطح سازه بتنی را به دست می دهد. استفاده امواج التراسونیک به شیوه های متعدد دیگری در ترکیب با امواج ضربه ای و یا ارتعاش سنج های لیزری و توأم با سبک های پیشرفته پردازش سیگنال به اشکال متنوعی مورد استفاده قرار گرفته است که در مراجع مورد بحث قرار گرفته اند. استفاده از امواج التراسونیک رایلی (Rayleigh) نیز در تست بتن تحت بررسی می باشد.

استفاده از تست التراسونیک با محدودیت هایی نیز همراه است. از جمله اینکه جهت انتقال مؤثر پالس التراسونیک به داخل قطعه استفاده از مواد واسط(Couplants) و آماده سازی و صاف بودن سطح تماس پروب لازم است. اخیراً به منظور اجتناب از این مشکل، با استفاده از خاصیت الکترواستاتیک، پروب هایی طراحی شده است که از هوا به عنوان ماده واسط بهره می گیرند. طراحی این گونه پروب ها، که پهنای باند فرکانسی آنها وسیع است و مزیت خود را در امکان جاروب کردن سطح بیشتری از قطعه نشان می دهند، صرفاً در مرحله تحقیقاتی قرار دارد.

مزیت های روش تست التراسونیک بتن

１- تعیین سایز و عمق عیوب میسر می باشد.
２- در روش التراسونیک تنها دسترسی به یک طرف قطعه مورد آزمایش لازم می باشد.
３- عیب یابی به روش التراسونیک حساسیت زیادی در آشکار سازی عیوب صفحه ای از جمله ترک و ذوب ناقص دارد بخصوص زمانی که راستای صوت بر آنها عمود باشد.
۴- به دلیل اینکه قابلیت نفوذ موج التراسونیک زیاد می باشد با این روش امکان بازرسی و تست قطعات ضخیم تا حدود ۲۰۰ اینچ در فولاد میسر می باشد.
۵- این روش دقت بالا در تشخیص محل ناپیوستگی و شکل و سایز آن دارد.
۶- دستگاه های عیب یاب التراسونیک بسیار سبک می باشند و به دلیل مجهز بودن آنها به باطری نیازی به جریان برق ندارند و از اینرو کار بازرسی و تست حتی در شرایط نامناسب به خوبی امکان پذیر می باشد.

محدودیت های روش التراسونیک

۱-کار و اپراتوری یک دستگاه عیب یاب التراسونیک و تفسیر دقیق علائم، نیاز به دانش فنی و تجربه بالا دارد.
۲- سطح تست باید تقریبا صاف باشد و در روش تست های به شیوه تماسی نیاز به کوپلنت می باشد تا موج التراسونیک بتواند به درون قطعه منتشر شود.
۳- حساسیت روش التراسونیک در تشخیص ناپیوستگی های حجمی کوچک مانند حفرات گازی، پایین است.
۴-بازرسی و انجام تست غیرمخرب بر روی قطعات با سطح ناصاف، اشکال پیچیده و قطعات خیلی کوچک یا خیلی نازک با روش اولتراسونیک بسیار پیچیده و در بعضی موارد ناممکن میباشد.
۵- بازرسی و تست قطعات ریخته گری و دیگر قطعاتی که دارای دانه بندی درشت می باشند به دلیل میزان بالای میرایی موج، با روش التراسونیک بسیار مشکل می باشد.

رابطه بین سرعت امواج التراسونیک و مقاومت فشاری بتن

بسیاری از محققین بر روی ارتباط میان سرعت امواج و مقاومت فشاری بتن تحقیق کرده اند. نکته قابل توجه این است که از این میان، بانگی در سال ۱۹۸۰ ، سامارین و دیر در سال ۱۹۸۴ و زیوکوویک و کواکویچ، بیان داشتند، برای یک بتن مشخص سرعت امواج و مقاومت فشاری توسط رابطه زیر باهم مرتبط می شوند.

که در آن:
a , b : ثابت های تجربی، f_c مقاومت فشاری بتن و v : سرعت امواج می باشند.

دستگاه التراسونیک وسیله ای بسیار سبک و قابل حمل ونقل برای ارزیابی کیفیت بتن می باشد. در این دستگاه پالس های ماورا صوت به وسیله یک تغییر سریع در پتانسیل از یک فرستنده محرک به یک کریستال مبدل پیزو الکتریک که ارتعاشاتی با فرکانس طبیعی خود ایجاد می کنند حاصل می شود. مبدل را در تماس مستقیم با بتن قرار می دهیم به صورتی که ارتعاشات آن از بتن عبور کرده و توسط مدل گیرنده که در تماس با سطح مقابل نمونه مورد آزمایش است گرفته می شود.
بیش ترین امتیاز این روش نسبت به سایر آزمایشات غیر مخرب این است که پالس ها از میان ضخامت کامل بتن عبور کرده و چون از تمام ذرات عبور می کند، عیوب عمده کار مشخص می شود.

سوالات متداول