آشنایی با سیستم های راداری آزمایش بر روی بتن
سه رویکرد اساسی در استفاده از رادار برای بررسی سازه های بتنی وجود دارد که در این مقاله با سیستم های راداری آزمایش بر روی بتن که توسط ما در کلینیک بتن ایران تهیه شده است آشنا خواهید شد:
1. مدولاسیون فرکانس: که در آن فرکانس سیگنال رادار مخابره شده به صورت متناوب شده ی کنونی برای به دست آوردن اختلاف سیگنال برگشتی با سیگنال مخابره شده ی کنونی برای به دست آوردن اختلاف سیگنال مخلوط می شود، که خود بستگی به زمان تاخیر و در نتیجه عمق صفحه انعکاسی دارد. این سیستم تاکنون کاربرد محدودی برای دیوارهای نسبتا باریک دارد.
2. رادار پالس ترکیبی: که در آن فرکانس سیگنال مخابره شده در گام های منقطع تغییر می کند. دامنه و فاز سیگنال برگشتی تحلیل شده و «محدوده زمانی» پالس ترکیبی تولید می شود. این رویکرد تا حدودی در میدان و همچنین مطالعات خط انتقال آزمایشگاهی برای معین کردن خواص الکتریکی بتن در فرکانس های مختلف رادار کاربرد داشته است.
3. رادار ضربه ای: که در آن یک سری پالس های سینوسی گسسته در محدوده باند مخصوصی از درون بتن با نرخ تکرار KHz 50 رد می شود. سیگنال مخابره شده معمولا شامل سه نقطه اوج (شکل 8-3) است که یکی از آنها فرکانس مرکزیست و به خوبی مشخص می باشد. یک آنتن فرکانس مرکزی 1 گیگاهرتزی معمولا برای بررسی اجزای بتنی نسبتا کوچک (تا ضخامت 500 میلی متر) استفاده می شود، در حالی که آنتن 500 مگاهرتز برای عمق بیشتر مناسب تر است. کاهش فرکانس آنتن منجر به افت موج کمتر و در نتیجه قابلیت نفوذپذیری به عمق بیشتر می شود، اما این خود معایبی نیز دارد: کاهش دقت جزئیات و موجگیر که به لحاظ فیزیکی بزرگتر و سنگین تر باشد را می طلبد.
شکل 8-3 بازتاب رادار از یک دال بتن
سیستم های رادار پالسی بیشترین پذیرش را در زمینه کاربرد میدانی در زمان آزمایش بتن به دست آورده و بیشتر سیستم های قابل دستیابی از این نوع هستند، به عنوان مثال در شکل 8-4 نشان داده شده است. مقاومت خروجی سیگنال های مخابره شده بسیار پایین هستند و نیازی به هشدار و احتیاط ندارند. هرچند در انگلستان، مجوز دپارتمان ارتباط صنعتی و خدمات رادیویی برای انجام تحقیقات راداری لازم و ضروری است.
شکل 8-4 سیستم رادار پالس دیجیتال
پربازدیدترین مطالب تکمیلی کلینیک فنی تخصصی بتن ایران را در این بخش دنبال نمایید
سیمان چیست؟
جدول عیار بتن چیست؟
بتن چیست و انواع آن کدام است؟
تجهیز رادار
تجهیزات رادار ضربه ای از منبع اتساع ضربه (پالس) که به آنتن مخابره متصل است تشکیل می شود. این ترکیب معمولا ترکیب دو قطبی پاپیونی است، که در تماس با بتن نگه داشته می شود و اشعه ای منشعب را با درجه ای از پلاریزاسیون فضایی تولید می کند.
جایگزین آنتن تماس سطحی، استفاده از اشعه متمرکز شاخک آنتن است که با فاصله هوایی 300 میلی متر بین شاخک و سطح بتن قرار دارد. این سیستم در آمریکا و کانادا برای عرشه پل ها از روی یک وسیله نقلیه تا 50 کیلومتر بر ساعت سرعت دارد و اصولا برای تشخیص خوردگی و فرسایش تورق در دال های بتن مسلح می باشد. این تکنیک حالا در استاندارد آمریکا به طور کامل تثبیت و به طور دقیق ارائه شده است.
در انگلستان، آنتن مخصوصی برای اهداف خاص مدنظر شرکت های انگلیسی و ای آرآ ساخته شده است، درحالی که دامنه کاملی از تجهیزات با هدف تجاری هم در انگلستان برای بررسی منطقه سطحی موضعی از جمله ارزیابی های ضخامت لایه لایه شدگی موجود است. سیستم فرکانس بالایی (4 گیگاهرتز فرکانس مرکزی) هم در انگلیس برای وارسی های ناحیه های سطحی شامل ارزیابی ضخامت تورق موجود است.
آزمون های راداری بتن
محدودیت ها و کاربردهای ساختاری
علاوه بر ارزیابی عرشه پل های بتنی که در قسمت 8-3-1 توضیح داده شد، رادار برای کشف انواع ویژگی های مدفون درون بتن از میلگردهای تقویتی و حفره ها گرفته تا تلفات مختلف مورد استفاده می باشد. انواع مختلف کاربردهای سازه ای گزارش شده به صورت خلاصه در جدول 8-1 آمده است، اگر چه در عمل استفاده ی آن معمولا به 5 مورد اول در لیست محدود شده است. موقعیت یابی مجراهای پیش تنیده کردن فلزی در تیرهای پس کشیده به طور گسترده با موفقیت خاصی انجام شده است.
جدول 8-1 برنامه های کاربردی سازه رادار
| حداقل | قابلیت اطمینان
 | حداکثر |
| | | تعیین ویژگی های سازه ی اصلی
ارزیابی ضخامت عناصر
قرار دادن میلگردهای تقویتی و با��ت های فلزی
تعیین محل رطوبت
تعیین خلل و فرج/اشباع شدن/ بوجود آمدن ترک
تعیین محل کلرایدها
اندازه میلگردهای تقویتی
اندازه خلل و فرج ها
برآورد غلظت های کلراید
تعیین محل خوردگی آرماتور |
ارزیابی نتایج رادار برای تشخیص و ارزیابی اندازه ویژگی های زیرسطحی همیشه آسان نمی باشد. «تصویر» به دست آمده توسط رادار اغلب به فرم ویژگی های درونی شباهت ندارند. برای مثال مقاطع دایره ای همچون لوله های آهنی یا میلگردهای تقویتی، یک طرح پیچیده ی هذلولی را ارائه می دهد (شکل 8-5 (الف)) که به خاطر خاصیت طبیعت واگرای اشعه می باشد. استفاده از پردازش سیگنالی می تواند تصویر را ساده کند (شکل 8-5 (ب))، اما همچنان سه هذلولی وجود دارد که توسط سه قله سیگنال ورودی بوجود آمده است، که نتیجه انعکاس مستقیم پدیده ی دایره ای شکلی است که آنتن در حین اسکن سطح بدست آورده است. در زیر این سه هذلولی ثانویه است که از انعکاس مجدد بین پدیده مستغرق در بتن و سطح بتن بوجود آمده است.
ارزیابی عمق پدیده مورد نیاز به داشتن دانش پیشین درباره سرعتی که امواج رادار درون بتن دارند را ناگزیر می کند. این اصولا توسط گذردهی نسبی بتن مشخص می شود، که به نوبه خود غالبا به وسیله ی محتوای رطوبت بتن معین می شود. مقدار گذردهی نسبی یا باید فرض شود و یا با بتن واسنجی شده توسط مته زنی و یا مغزه گیری تعیین شود. گذردهی نسبی برای گستره ی بتن بین 5 (بتن خشک شده در اون) و 12 (بتن خیس) مقادیر می دهد. توزیع امواج رادار در میان هر محیطی توسط عبارات پیچیده ریاضی کنترل می شود و اینها به طور کامل تر در مرجع 25 پوشش داده شده است. هر چند برای اکثر موقعیت های مهندسی که اجزای بتن غیر مغناطیسی استفاده می کنند، سرعت سیگنال رادار با معادله ساده شده ی زیر بیان می شود.
که در آن
c= سرعت نور (m/sec 108×3)
r𝜀= گذردهی نسبی مواد
شکل 8-5 رادار اسکن بیش از فولاد تقویت نوار: (الف) نتیجه اصلی؛ (ب) نتیجه پردازش
اگر مشخصات مواد به صورت دقیق شناخته شده باشند می توان عمق را بین 5± میلی متر تخمین زد، اما در عمل عدم قطعیت و تغییرپذیری بتن این بازه را به نحو زیادی دستخوش تغییر میکند. در کاری توسط مولفان با استفاده از سیستم های خط عبور آزمایشگاهی برای آزمودن هدفمند اثر سنگدانه تشکیل دهنده، رطوبت، دماها و محتویات نمک در دامنه ای از فرکانس ها نشان داده شد که به نظر محتوای رطوبت عامل غالب در تعیین گذردهی نسبی و رسانایی تمام بتن ها است. هر دوی این مشخصات با افزایش محتوای رطوبت افزایش می یابد، که نشان دهنده ی اثر غالب خمیر بتن نسبت به سنگدانه ها که سر منشاء طبیعی دارند، می باشد.
سنگدانه های سبک مصنوعی به دلیل جذب بیشتر رطوبت نتایج متفاوتی را ایجاد می کنند. اثر مقاومت بتن یا سنگدانه جایگزین سیمان نسبتا ناچیز است. اثر آلودگی خارجی به کلراید با استفاده از تکنیک اشباع به کمک خلا بررسی شده است و معلوم شد که باعث افزایش در رسانایی می شود اما اثر قابل چشم پوشی بر گذردهی نسبی دارد. مشاهده شد که تغییرات دما در بازه 0 تا 40 درجه سانتی گراد هم اثر کمی بر گذردهی نسبی دارد اما افزایش دما باعث افزایش کوچکی در رسانایی بتن با محتوای رطوبت بالا شد. بعضی نتایج معمول در شکل های 8-6 و 8-7 نشان داده شده اند، که اثر ترکیبی رطوبت و فرکانس و جایگزینی سیمان را نشان می دهد.
به خاطر این مشکلات در تفسیر نتایج رادار، بررسی ها به طور معمول توسط متخصصانی که بیشتر بر تجربیات عملی آنها، داشتن دانش اصول اولیه مربوط و درک واقع گرایانه در مورد محدودیت ها در یک موقعیت عملی تکیه می کنند تهیه می کنند.
شکل 8-6 تاثیر رطوبت بر گذردهی نسبی و رسانایی بتن
شکل 8-7 گذردهی نسبی و هدایت برای نمونه های GGBS, PFA, OPC، و بتن با مقاومت بالا (HSC) در 500 مگاهرتز
تجربه نشان داده که کشف ویژگی هایی همچون حفره ها می تواند دشواری به خصوصی داشته باشد اگر در عمق زیاد و یا زیر لایه ای از میلگردهای تقویتی نزدیک به هم قرار داشته باشد. شبکه "هوش مصنوعی" برای کمک در تفسیر نتایج رادار استفاده شده است و این مطالعات امیدوار کننده می باشد. سیستم های توسعه یافته اند که می توانند به طور خودکار میلگرد تقویتی را تشخیص دهند و می توانند عمق و قطر آن را با دقت قابل قبولی تعیین کنند (شکل 8-8).
شکل 8-8 استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی به منظور تعیین محل تقویت و اندازه
رادار بسیاری از اشیا دور و یا وصل کننده بین دو ماده را با نسبت متفاوتی از گذردهی الکتریکی منعکس می کند. بنابراین فضای خالی پر شده از هوا در بین بتن خشک بسیار دشوار است که کشف شود. مخصوصا اگر فضای خالی کوچک باشد. 50 میلی متر به عنوان حداقل کاربرد یک فضا برای پیشنهاد دادن می باشد. در حالت عکس، پیدا کردن همین مقدار فضای کوچک با آب پر شده بسیار آسان است.
رادار قوی ترین انعکاس را از اشیا فلزی یا از روی سح مشترکی بین دو سنگدانه با گذردهی های بسیار متفاوت از هم ارائه می دهد. در نتیجه یک حفره پر از هوا در یک بتن خشک (6 r ,airdry𝜀,1 r ,air =𝜀) می تواند برای کشف کردن سخت باشد، به خصوص اگر حفره کوچک باشد. ضخامت به عرض حفره در حدود 50 میلی متر به عنوان حد پایین اندازه در عمل پیشنهاد شده است. در عرض، اگر همان حفره با آب پرشده باشد (12 r ,wet𝜀,81 r ,water =𝜀) احتمالا کشف کردنش بسیار آسان تر است.
رطوبت در بتن نه تنها بر سرعت سیگنال های راداری و مقاومت بازتاب های داخلی، بلکه در کنار ایجاد رسانایی بالا، باعث افزایش افت درجه سیگنال می شود، که به کاهش عمق حداکثری نفوذ ممکن منجر می شود. با استفاده از آنتن 1 گیگاهرتزی، محدوده عملی نفوذ حدود 500 میلی متر برای بتن خشک و 300 میلی متر برای بتن اشباع از آب می باشد. اگر بتن با آب نمک اشباع شده باشد، حد نفوذ سیگنال حتی کمتر هم می شود.
تحقیقات آزمایشگاهی توسط نویسندگان در مورد قابلیت تفاوت قائل شدن بین میلگردهای منفرد و اثر اندازه میلگرد و فاصله بین آنها در پوشاندن پدیده های در عمق بیشتر در شکل 8-9 (الف و ب) نشان داده شده است. جهت موج گیر به دلیل اثرات پلاریزاسیون مهم است و نشان داده شده است که برای چیدمان بهینه نسبت به راستای میلگرد با آنتن 1 مگاهرتزی، میلگردهای منفرد معمولا وقتی در فاصله های بیش از 200 میلی متر هستند باید تشخیص داده شوند.
رادار گرافی بتن
در فواصل کمتر بین میلگردها، عمق قرارگیری آنها، همان طور که در شکل 8-9 الف نشان داده شده است، اهمیت پیدا می کند، اما اثرات اندازه میلگرد به وضوح تعریف نشده اند. به دلیل همپوشانی بازتاب سیگنال های رسیده از میلگردهای مجاور، مشکلات خاصی در هنگام برخورد با میلگردها با فاصله ی مرکز به مرکز کمتر از 100 میلی متری پدیدار می شود.
داشتن دقتی در حدود 10± میلی متر ممکن است؛ البته وقتی که سیگنال های واضحی دریافت شده باشد. توان کشف هدفی زیر لایه ای از فولاد تقویتی در نزدیکی سطح در حضور قطرهای بزرگتر و فواصل مرکز به مرکز کمتر در آن لایه سخت تر می شود. برای مقاصد عملی شاید 100 میلی متر به عنوان فاصله ی حداقلی برای جلوگیری از پوشانده شدن میلگردها با قطر کمتر اگر وجود داشته باشند در نظر گرفته شود، این مقدار به 200 میلی متر برای میلگردهای بزرگتر افزایش می یابد. میلگردهای موازی با جهت اسکن کردن اثر نسبتا کمی در قابلیت کشف میلگردهای عرضی یا دیگر پدیده های مدفون دارد.
شکل 8-9 اندازه گیری رادار از میلگردهای تقویتی فولادی
تشخیص مش ثانویه از میلگردها زیر لایه سطحی، مشکلات خاصی در تفسیر دارد. این موضوع اخیرا توسط تافه و میرهوفر که سیستمی را شرح می دهند که می تواند نتایج را به شکل یک اسکن در لایه های مختلف زیر سطح ارائه دهند اگر چه این روش نیازمند اندازه گیری های مکرر روی یک شبکه ی موضعی است و بسیار زمان بر است و نیاز به نرم افزارهای تخصصی دارد. یک فایده واضح نحوه ی نمایش داده های سیتی اسکن این است که تصویر رادار تهیه شده دارای شباهت چشمی به هدف مستغرق است چنانچه در شکل 8-10 نشان داده شده است. این در مورد دیگر نتایج نمایش رادار مرسوم موضوعیت ندارد.
شکل 8-10 برش زمانی (C-اسکن) معرفی سنجش های رادار
تفسیر کردن می تواند با استفاده از نرم افزارهای مدل سازی 2 و 3 بعدی با استفاده از رویکرد المان محدود استفاده شود، که بعضی از آنها به طور رایگان در اینترنت توسط جیانوپولوس ارائه شده است. این باعث می شود تا پاسخ های مورد انتظار برای ترکیبات آزمایش خاص پیش بینی شود. مدل های رهگیری پرتو هم برای پیش بینی موفقیت محتمل یک بررسی راداری در بعضی مواقع موجود است، به خصوص زمانی که اهداف تعیین شده تنها هستند و با فاصله زیاد از هم قرار دارند.
تحقیقات دیگر برای یاری رساندن به تفسیر شامل مطالعات عمیق در مورد مشخصات موج گیر، شامل نقش اثرات کوپلینگ در فرکانس مرکزی سیگنال موثر، که معلوم شده در بتن به شدت کاهش می یابد و گسترش اشعه که معلوم شده در بتن با رطوبت بیشتر کاهش می یابد نیز وجود دارد. بانجی این اواخر تعداد زیادی از این توسعه ها را مرور کرده و لیست جامعی از مراجع کلیدی، شامل کارهایی بر روی تعیین حفرات هوا در مجاری پس تنیده کردن پلاستیکی، را تهیه کرده است. مطالعات تئوری و عملی دیگری هم در مراکز متعدد برای ارزیابی مشخصات عایقی بتن درجا و ارزیابی شرایط رطوبتی در حال انجام است.