بررسی انتشار پالس به وسیله التراسونیک در بتن

کنکاشی پیرامون تئوری انتشار پالس به وسیله التراسونیک در بتن

انتشار پالس به وسیله التراسونیک در بتن دارای روش ها  مراحل مخصوص می باشد. در این مقاله سعی داریم کنکاشی پیرامون تئوری انتشار پالس به وسیله التراسونیک در بتن بررسی کنیم.
سه نوع از امواج توسط یک محرک آنی بر روی حجمی از یک ماده جامد اعمال می شود. امواج سطحی با یک جایگزینی ذرات بیضوی کمترین سرعت را دارند در حالی که امواج برشی و یا مخالف با جایگزینی ذرات در زوایای صحیح هم مسیر با حرکت، مهم و سریع ترین نوع امواج هستند (که گه گاه به عنوان امواج هم فشار شناخته می شوند) و به صورت کلی اطلاعات بسیار مفیدتری را ارائه می دهند. هدایت کننده های الکتروصوتی عمدتاً امواجی از این نوع را تولید می کنند و انواع دیگر به دلیل سرعت کمتر آنها به صورت کلی منجر به تداخل کمی می شوند. سرعت امواج بستگی به ویژگی های کشسانی و جرم دستگاه دارد و از این رو اگر توده و سرعت تکثیر امواج شناخته شده باشد ارزیابی ویژگی های الاستیکی امکان پذیر است. برای یک محیط الاستیک ایزوتروپیک، همگن و نامحدود، سرعت موج فشاری توسط فرمول زیر بیان می شود:

(3-1)                                                 (km/s) √((K.E_d  )/p) = v

که 

• Ed = مدول دینامیک الاستیسیته (N/mm2)
  
• P = چگالی (kg/m3) 
• v = ضریب پواسون دینامیک       

                                                    ((1-v))/((1+v)(1-2v)) = K

در این عبارت مقدار K نسبتاً برای تنوع در ضریب پواسون دینامیک غیرحساس است و از این رو برآورد منطقی از این مقدار و تراکمی ایجاد شده ارائه می دهد، محاسبه Ed با استفاده از یک مقدار اندازه گیری شده از سرعت موج u امکان پذیر است. از آنجایی که V و P برای اختلاط بتن با تراکم های طبیعی کمی متفاوت هستند، رابطه بین سرعت و نوسان الاستیک دینامیکی ممکن است که به صورت منطقی سازگار باشد با وجود این حقیقت که بتن ضرورتاً یک محیط ایده آل نیست که در آن رابطه ریاضی اعمال گردد.

تجهیزات سرعت پالس و استفاده از آن

تجهیزات آزمایش باید پالسی را ایجاد نماید و بتواند آن را به بتن منتقل کند و پالس های دریافتی را تقویت نموده و اندازه گیری و نمایش دهد، شرایط اصلی مداربندی این نوع تجهیزات در شکل 3-1 نشان داده شده است.
پالس های ولتاژ تکراری به صورت الکترونیکی تولید شده است و به امواجی منتقل شده است که از انرژی مکانیکی با انتقال هدایت کننده ها برخوردار است، که باید از طریق یک انتقال دهنده مناسب به سطح بتن همراه گردد. یک ترانسفورماتور دریافت کننده نیز با بتن در یک فاصله شناخته شده از یک انتقال دهنده قرار دارد و انرژی مکانیکی به پالس های الکتریکی از فرکانسی مشابه تبدیل شده است. دستگاه زمان بندی الکترونیکی فاصله زمانی بین آغاز و پذیرش پالس ها را اندازه گیری می کند و این مسئله همچنین بر روی نوسان سنج و یا یک قرائت گر دیجیتال نیز نمایش داده شده است. این تجهیزات باید قادر به اندازه گیری زمان انتقال با دقت %1± باشد. برای اطمینان از آغاز پالسی حاد، پالس های الکترونیکی به انتقال دهنده ها باید زمان را از کمتر از یک ربع از دوره طبیعی آن افزایش دهد. فرکانس تکراری پالس باید به اندازه کافی برای جلوگیری از تداخل بین پالس های پی در پی کم باشد و کارایی آن باید در یک دامنه مستدل از تغییرات آب و هوایی و شرایط اجرایی حفظ گردد.

شکل 3-1- تجهیزات آزمایش اولتراسونیک معمول

ترانسفورماتورهایی با فرکانس های طبیعی بین 20 تا 150 کیلو هرتز برای استفاده در بتن بیشترین تناسب را دارند و اینها ممکن است از هر نوعی باشند، اگرچه که کریستال های پیزوالکتریک محبوب ترین آنها هستند. اندازه گیری زمان بر مبنای شناسایی پالس امواج هم فشار است، اولین بخش از آن ممکن است تنها یک دامنه بسیار کوچک داشته باشد. اگر که از نوسان سنج استفاده شود، پالس دریافت شده تقویت شده و آغاز به صورت یک نقطه تانژانت بین منحنی سیگنال و خط زمانی مبنا افقی می باشد، درحالی که برای ابزارهای دیجیتال، پالس تقویت شده و برای گرفتن تایمر از یک نقطه بر روی حاشیه ای از پالس شکل گرفته است.
ابزارهای جدیدی به صورت تجاری در سال های اخیر تولید و در دسترس است به طوری که این نیازهای مورد نظر را در این زمینه برطرف می کند. محبوب ترین این دستگاه ها V سنج تولید شده در آمریکا و دستگاه پاندیت آزمایش اولتراسونیک (آزمایش کننده شاخص دیجیتال غیرمخرب فراصوت قابل حمل) است، که در انگلستان تولید شده است که شباهت های بسیاری دارند، مثلاً هر دو 160×110×180 میلی متر داشته، 3 کیلوگرم وزن را اندازه گیری می کنند و صفحه نمایشی دیجیتال دارند همچنین باتری های قابل شارژ نیکلی – کادمیومی به آنها اجازه عملیات مداوم 9 ساعته را می دهد.
هر دو شارژهای رایج یکنواختی را دارند که شارژ از حالت منبع متناوب را ممکن می کند و به صورت مستقیم با نیروی برق از طریق یک واحد تامین نیرو اجرا می گردد یک واحد آنالوگ برای استفاده در آزمایشگاه اضافه می شود که می تواند برای نظارت آزمایشگاهی مداوم به یک ثبت کننده اطلاعات متصل گردد. دستگاه پاندیت پلاس آزمایش اولتراسونیک نیز اخیراً تولید و در دسترس قرار گرفته و یک مانیتور بزرگ دارد، از باتری های نیکل هیدریدی با عمر بالای 8 ساعت استفاده می نماید که البته این میزان بستگی به مقدار استفاده دارد. همچنین این دستگاه یک حافظه داخلی برای ذخیره داده ها داشته و به وسیله یک اتصال کامپیوتری و ترانسفورماتورهای ویژه با میکروسوئیچ های نتصل به آن ضبط داده ها را به راحتی انجام می دهد. تجهیزات دیگر قابل دسترس آن یک نوسان سنج تلفیقی است که اجازه بازرسی و نظارت بر دامنه ها و مطالعه نوسانات را فراهم می کند.
مجموعه دستگاه پاندیت پلاس آزمایش اولتراسونیک را در آزمایشگاه برای اندازه گیری ویژگی های نمونه بتن نشان می دهد. این حالت عادی کاوش ها ابتدا با استفاده از یک میلگرد مرجع فولادی ویژه مندرج با یک سری ویژگی های شناخته شده و برای تنظیم کالیبراسیون ابزارها با استفاده از واحد کنترل تاخیرهای متغیر در هر زمان استفاده شده است، اما دستگاه پاندیت پلاس آزمایش اولتراسونیک به صورت کارخانه ای مدرج شده و صفر کردن آن به سادگی انجام می پذیرد. نمایش این قرائت، زمان عبور مستقیم در میکرو ثانیه را می دهد. اگر چه نسخه های 54 و 82 کیلوهرتز به صورت نرمال برای یک زیرساخت و یا آزمون های آزمایشگاهی از بتن انجام می شود، دامنه گسترده ای از ترانسفورها بین 24 و 200 کیلوهرتز قابل دسترسی است. مدل های ضد آب و حتی قابل استفاده در دریاهای عمیق از این ترانسفورماتورها قابل دسترس است.
نوع دیگری از آنها نیز وجود دارد که ترانسفورماتور را به صورت نمایی جستجو می کند و با ایجاد یک نقطه تماس مزیت های اجرایی را در یک ترانفورماتور صاف بر روی سطوح ناهموار و یا منحنی ایجاد می نماید. این تجهیزات به صورت کلی قوی، نمونه های قابل حملی برای استفاده در زیر بنا ارائه می نمایند. در جایی که طول مسیر طولانی است تقویت کننده های سیگنال وجود داشته و مورد استفاده قرار می گیرد و دامنه ای از دماهای محدود قابل پذیرش 0 تا 45 درجه سانتی گراد را ایجاد می کند که باید موقعیت های عملی تر را پوشش دهد. این تجهیزات تجاری از یک آرایه از ترانسفورماتورها استفاده می کنند که برسطح اعمال شده و با استفاده از امواج برشی عمل می کند و در انگلیس استفاده شده اند.

کاربرد ترانسفورماتور 

کاربرد این دستگاه ها با کمی توجه بیشتر و در صورت وجود نتایج قابل اعتماد، نسبتاً آسان و سهل است. ضروری است بین سطح بتن و نمای ترانسفورماتور یک هماهنگ سازی صوتی خوبی باشد که با استفاده از محیطی همچون صابون مایع و یا روغن ایجاد شده است. کیسه های هوا باید حذف شوند و مهم است که تنها یک محیط سبک نظیر وازلین و یا صابون مایه به عنوان بهترین مورد برای سطوح نرم شناخته شده است اما برای سطوح ناهموارتر لایه ضخیم تر روغن توصیه شده است که در مقابل دیافراگم های نرم معین نشده است. اگر یک سطح بسیار هموار و یا ناهموار باشد، خرد کردن و پیش آماده سازی با خمیر مخصوص پاریس و یا ملات تسریعی ممکن است برای سطوح صاف و کاربرد ترانسفورماتور ضروری باشد. برای به دست آوردن مقدار حداقل برای زمان گذار مهم است که قرائت با حذف کامل و کاربرد مجدد ترانفورماتور تکرار گردد. ادعا می شود که اندازه گیری تجهیزات با دقت 1/0± میکرو ثانیه است، اگر دقت زمان گذار %1± باشد، ممکن است لازم شود برای طول مسیر بیش از 300 میلی متر عدد 7/0± میکروثانیه قرائت شود.
باتوجه ویژه به حذف هرگونه منبع دیگری از لرزش ناچیز در طول آزمون این تنها می تواند با دقت بالا برای تکنیک اندازه گیری به دست آید و باید هرگونه قرائت مورد تردیدی تکرار گردد. محققین لازم می دانند که سطح به صورت کامل آماده سازی شود تا احتمال اشتباهات در قرائت ها کاهش یابد. همچنین طول مسیر نیز باید با دقت اندازه گیری شود. این مساله دشواری کمتری را در مسیرهایی بیش از 500 میلی متر نشان می دهد، البته توصیه شده است برای مسیرهای کوچک تر باید از کولیس استفاده شود. ابعاد اسمی اعضا ترسیم هایی که به ندرت کافی خواهند بود را نشان داده اند.

تنظیم مبدل

ترتیب ترانسفورماتورها مانند آنچه در شکل 3-4 نشان داده شده است در سه مدل اصلی وجود دارد، که عبارتند از:

• نماهای مخالف (انتقال مستقیم)
  
• نماهای مجاور (انتقال نیمه مستقیم)
  
• نماهای مشابه (انتقال غیرمستقیم)

از آنجایی که ماکزیمم انرژی پالس در زوایای قائم در برخورد با نمونه منتقل می شود، قابل اعتماد ترین روش از نقطه نظر اندازه گیری زمان انتقال روش مستقیم می باشد. در این روش مسیر به وضوح تعریف شده و می توان آن را به صورت دقیق اندازه گیری کرد و در هر زمان ممکن برای ارزیابی کیفیت بتن باید این روش استفاده شود.
گاهی روش نیمه مستقیم به صورت مطلوبی استفاده استفاده می شود البته اگر زاویه بین مبدل ها خیلی بزرگ نباشد و اگر طول مسیر بسیار زیاد نباشد، حساسیت نیز کمتر خواهد بود و اگر این شرایط وجود نداشته باشد ممکن است که هیچ سیگنال واضحی دریافت نشود، این مساله به دلیل تضعیف پالس منتقل شده است. همچنین طول مسیر نیز به خوبی واضح بوده که ناشی از اندازه مبدل است، اما به صورت کلی این مورد به گرفتن کافی نمای انتقال از مرکزی به مرکز دیگر مربوط است.

شکل 3-4 انواع قرائت a) مستقیم b) نیمه مستقیم c) غیرمستقیم

مسلماً روش غیرمستقیم از کیفیت کمتری برخوردار است، چون دامنه سیگنال دریافت شده کمتر از 3 درصد از آن است برای انتقال مستقیم قابل مقایسه می باشد. سیگنال دریافت شده بستگی به انتشار پالس با استفاده از عدم اتصال دارد و بنابراین بیانگر دلیل این خطاها است. غالباً سرعت پالس تحت تاثیر ناحیه سطح بتن بوده که نماینده این بخش نیست و طول مسیر حقیقی در آن نامشخص است.
برای محاسبه این کمی دقت، یک روش ویژه در طول مسیر مورد نیاز است که نیازمند یک سری از قرائت ها با فرستنده ثابت و دریافت کننده جای گرفته در یک سری از نقاط افزایشی ثابت است، به طوری که در طول یک خط شعاعی معلوم قرار دارد (شکل 5-3). نتایج در شکل 6-3 ترسیم و سرعت پالس میانگین با شیب بهترین خط مستقیم داده شده است. در صورت وجود عدم پیوستگی در این روش احتمال دارد که هر دو سطح ترک خورده یا یک لایه سطحی پایین تری به وجود آید. برخلاف اندازه گیری هایی که برای شناسایی چنین ویژگی هایی انجام شده است، اگر در همه بخش های ممکن و مورد استفاده که در آنها تنها سطح قابل دسترس باشد، از کاربرد این روش باید اجتناب گردد.

شکل 3-5 آرایش قرائت – مبدل غیرمستقیم

شکل 3-6 طرح نتایج قرائت غیر مستقیم

انتخاب مبدل

معمول ترین مبدل های مورد استفاده دارای فرکانس طبیعی 54 کیلوهرتز هستند. آنها سطح صافی با 50 میلی متر شعاع داشته و بنابراین تماس خوبی در یک ناحیه قابل ملاحظه دارند. به هر حال استفاده از مبدل تحقیقاتی تنها نقطه تماسی را ایجاد نموده و به صورت نرمال هیچ پرداخت سطح و یا عملیات خاص و ویژه پیشنهاد شده ای نمی باشد. ممکن است صرفه جویی قابل ملاحظه باشد و دقت طول مسیر برای قرائت های غیرمستقیم افزایش یابد اما این نوع از مبدل ها متاسفانه نسبت به فشار اپراتور حساس تر است. دریافت کننده هایی برای کاربرد مورد نیاز در این زمینه تولید شده است اما مقاومت سیگنال از یک هدایت گر انتقال دهنده از این نوع قابل دسترس است بنابراین کم کردن کاربرد آن به صورت نرمال برای آزمون های پایه ای قابل تمرین نمی باشد. ممکن است گیرنده تحقیقاتی نمایی با شعاع نوک 6 میلی متری، در یک سطح بسیار صاف و انجام کارهای مقدماتی ضروری به گونه دیگری مفید باشد. احتمالاً عوامل مهم نیازمند انتخاب یک فرکانس مبدل دیگر، مربوط به ابعادی از اعضای تحت آزمون می باشد. مشکلاتی ناشی از اعضای کوچک وجود دارد که به عنوان مساله ای خاص تحت بررسی های مورد نیاز است و به صورت موثری نامحدود نیست. این مسئله زمانی اتفاق می افتد که پهنای مسیر کمتر از طول موج λ است. با توجه به اینکه λ سرعت سرعت پالس به فرکانس لرزش است، حداقل ابعاد جانبی از جدول 3-1 پیروی می کند. ندازه تراکمی باید به صورت مشابهی کمتر از λ باشد تا مانع از کاهش انرژی موج و از بین رفتن گیرنده گردد، اگر چه انجام این کار به صورت معمول دشور است. استفاده از فرکانس های بالاتر ممکن استماکزیمم طول قابل پذیرش مسیر (10 متر برای 54 کیلوهرتز تا 3 متر برای 82 کیلوهرتز) را کاهش دهد که این ناشی از انرژی کمتر خروجی مربوط به فرکانس بالاتر می شود اما این مساله را می توان به راحتی با استفاده از تقویت کننده سیگنال ارزان قیمتی حل کرد.

جدول 3-1 حداقل مسیر جانبی و حداکثر ابعاد مصالح

کالیبراسیون تجهیزات

برای تنظیم قرائت صفر از تنظیم تاخیر زمانی با تجهیزات لازم استفاده می گردد، همچنین باید به صورت منظم در طی آن و در پایان هر دوره کنترل شود. ویژگی های استفاده از مبدل های منفرد و اتصالی بر این تعدیل اثر می گذارد که با کمک میلگرد مرجع فولادی کالیبره و انجام روشی نرمال اجرا می گردد و تضمین می کند که تنها یک لایه بسیار نازک از مجزا کننده های میلگرد و هدایت کننده وجود دارد. همچنین پیشنهاد می گردد که دقت زمان انتقال توسط سنجش نمونه مرجع دوم با زمان انتقال حدود 100 میکروثانیه بررسی گردد.

کالیبراسیون آزمایش و تفسیر نتایج

مشکل اصلی این ست که مواد تحت بررسی شامل دو بخش مجزا با ماتریکس و توده هستند که دارای ویژگی های کشسانی و مقاومتی متفاوتی می باشند. رابطه بین سرعت پالس و نوسان الاستیکی دینامیکی در شکل 3-7 نشان داده شده، مشاهده می شود اگرچه این رابطه با مقدار نسبت دینامیک تحت تاثیر قرار م یگیرد ولی برای اکثر بتن های اجرایی تشکیل شده در میان تراکم هایی طبیعی نوسان کشسانی را تا 10 درصد دقت تخمین می زند.

تنظیم مقاومت

رابطه بین مدول الاستیسیته و مقاومت مواد ترکیبی نمی تواند به سادگی با در نظر گرفتن ویژگی ها و نسبت های اجزای سازنده اش به صورت مجزا تعریف کرد. به این دلیل که تاثیر شکل ذرات متراکم، کارایی روابط مصالح، خمیر و قابلیت تغییرپذیری توزیع درات با تغییراتی از ویزگی های خمیر با ول عمر آنها ترکیب می گردد. اگرچه برخی تلاش ها برای نشان دادن این مساله به صورت تئوری انجام شده است، پیچیدگی درون رابطه ها چنان است که تنظیم آزمایشی برای مدول الاستیسیته و روابط مقاومت به سرعت به صورت نرمال ضروری می باشد.

شکل 3-7- پالس سرعت در مقابل مدول الاستیک دینامیکی

تراکم ممکن است در نوع، شکل، اندازه، کمیت، نوع سیمان، نسبت آب به سیمان، کامل شدن آن متفاوت بوده و همه اینها عوامل مهمی هستند که بر ویژگی های خمیر اثر می گذارند و از این رو همبستگی هایی در مقاومت ایجاد می کند. یک منحنی پالس به سرعت به این صورت به دست می آید که برای مثال تنها متغیر موجود با نسبت های متفاوتی از سیمان به آب برای ترکیب های مشابه دیگر متفاوت است اما کامل شدن روش های آزمون قابل مقایسه دیگری را می طلبد (شکل 3-8). همچنین وابستگی های مجزایی برای تنوع انواع مصالح و نسبت ها و نیز ویژگی های سیمان وجود دارد که شامل بتن های سبک وزن و سیمان های ویژه هم می شود.

شکل 3-8 اثر نسبت آب/سیمان برای بتن ها در دوره های زمانی مختلف

تنظیم مقاومت برای ترکیب ویژه باید به صورت نرمالی در آزمایشگاه انجام شود که با توجه به عوامل فهرست شده در بالا است. سرعت قرائت های پالس بین جفت هایی از نمای مخالف مکعبی از شرایط رطوبتی شناخته شده می باشد که به روش غیرمعمولی متراکم شده است. به صورت ایده آل حداقل 10 مجموعه از سه نمونه باید استفاده شود که دامنه گسترده ای از مقاومت های ممکن را پوشش دهد و برابر با متوسط نتایج هر گروه می باشد. برای هر مکعب باید حداقل سه معیار سرعت پالس وجود داشته باشد و هر قرائت مجزا بین 5 درصد میانگین آن مکعب باشد. در جایی که این مسئله امکان پذیر نیست، مغزه هایی از بتن سخت شده مورد استفاده برای تنظیم برش داده می شود، اگرچه این خطر وجود دارد که آسیب مته زنی بر قرائت سرعت پالس اثر بگذارد بایستی توجه شود که در هر جای ممکن، قرائت ها باید در جایگاه مغزه ای پیش از برش رخ دهد به گونه ای که مغزه ها بزرگتر از 100 میلی متر در شعاع بوده و انتهای آن به صورت مناسبی پیش از آزمون آماده سازی و برای گرفتن کالبراسیون خوب آماده باشد، اگر چه معمولاً این کار تنها دامنه مقاومت محدود را پوشش می دهد. اگر ضرورت داشته باشد ممکن است برای استفاده از مغزه هایی با شعاع کوچکتر، هدایت گرهای فرکانس بیشتر استفاده گردند و دقت مقاومت در برابر خرد شدن نیز کاهش یافته است. لین و همکارانش پیش بینی سرعت پالس را در بتن برمبنای نسبت های اختلاط، مطابق شکل 3-8 مورد مطالعه قرار دادند که نتایج بسیار خوبی در آزمایشگاه به دست آمد. آنها روشی پیشنهاد کردند که برای پیش بینی دقیق مقاومت در این سازه ها استفاده شود. روش آنها از یک مدل ریاضی برمبنای رفتار اولتراسونیک و از مولفه های مجزایی از بتن با وزن مشخص برای هر مقداری از اختلاط استفاده کرده است.
اگر چه رابطه دقیقی با متغیرهای بسیاری تحت تاثیر قرار گرفته است ولی منحنی باید برای یک شکل عمومی پذیرفته شود.                                                            AeBV = f_c   

• f_c مقاومت معادل مکعب،
  
• e مبنای الگوریتم طبیعی،
  
• V سرعت پالس،
  
• A و B هم اعداد ثابت هستند

از این رو نمودار مقاومت یک مکعب لگاریتمی در مقابل سرعت پالس برای یک بتن خاص، خطی است. بنابراین برون یابی از یک دامنه محدود شده از نتایج از مغزه ها برای استفاده از یک منحنی مشتق شده نمونه های مرجع، ممکن است. بتن تولید شده با مصالح سبک وزن احتمالاً سرعت پالس کمتری را در یک سطح از مقاومت نشان می دهد. این مسئله در شکل 3-9 اثبات شده است و در آن می توان اثرات سبکی را دید. باید شاره کرد که احتمالاً برای اکثر توده های سبک باید تغییر پذیری مقادیر اندازه گیری شده را کاهش داد. شرکت کلینیک بتن ایران با ارائه و انجام تست بتن، آزمایش های مخرب و آزمایش های غیر مخرب بتن و کلیه خدمات آزمایشگاهی، مشاوره و ارائه محصولات در خدمت شما همراهان گرامی می باشد. 

نحوه انشار دادن پالس به وسیله التراسونیک در بتن  

شما می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر از دیگر مقالات ما بازدید نمایید:

• فاکتورهای عملی بر نتایج اندازه گیری التراسونیک بتن
• انواع روش های ارزیابی سرعت پالس اولتراسونیک
• انجام انواع تست های غیر مخرب بتن التراسونیک