استاندارد آزمایش سرعت پالس مافوق صوت بتن(التراسونیک)

-1 هدف

این استاندارد توصیه هایی درباره آزمایش غیر مخرب اندازه گیری سرعت های پالس مافوق صوت نمونه هایی آزمایشی بتنی ساده ، مسلح و پیش تنیده ، قطعات پیش ساخته و سازه را ارائه می دهد.

2- تعاریف

2-1 زمان انتقال

مدت زمانی که طول میکشد تا پالس مافوق صوت از مولد فرستنده تا گیرنده ، از میان بتن عبور کند.

2-2 آغازه ی پالس

زودترین قسمت پالس که توسط مولد گیرنده دریافت می شود.

2-3 طول مسیر

مقدار طولی از بتن است که پالس از آن عبور می کند.

3- دامنه ی کاربرد

اندازه گیری پالس های مافوق صوت در بتن برای کاربردهایی به شرح زیر مورد استفاده قرار می گیرد :

الف- تعیین یکنواختی بتن در یک عضو یا بین اعضای سازه

ب- کشف وجود ترک و اندازه گیری عمق آن و دیگر نارسایی ها مانند منافذ

ج- اندازه گیری تغییرات خواص بتن با زمان

د- تعیین مقاومت بتن

ر- تعیین مدول الاستیستیه و ضریب پواسون دینامیکی

سرعت پالس مافوق صوت تحت تاثیر خواص الاستیک و مکانیکی بتن است. بنابراین متغیر بودن سرعت پالس در طول مسیرهای مختلف در سازه نشانه ی تغییرات در کیفیت بتن می باشد. در مواردی که قسمتی از بتن تحت آزمایش ، دارای تراکم کم ، تخلخل زیاد ، و آسیب دیدگی باشد ، سرعت پالس کاهش یافته و در نتیجه تعیین وسعت نارسایی امکان پذیر است. تغییرات در ساختار بتن که به دلیل کسب مقاومت و یا آسیب دیدگی ایجاد می گردد ، در سرعت پالس انعکاس می یابد و باعث افزایش یا کاهش آن می شود. بنابراین با اندازه گیری سرعت پالس در فواصل مناسب زمانی تشخیص تغییرات در ساختار بتن امکان پذیر است. اندازه گیری سرعت پالس به منظور کنترل کیفیت قابل استفاده است. در مقایسه با آزمایش مکانیکی روی نمونه های مکعبی و استوانه ای کنترل و از آنجا که نمونه های مکعبی و استوانه ای کنترل ممکن است نماینده بتن در سازه نباشند ولیکن آزمایش سرعت پالس مستقیماً با بتن در سازه ارتباط دارد. بنابراین اندازه گیری سرعت پالس در مقایسه با آزمایش مکانیکی روی نمونه هایی کنترل ارجحیت دارد چنانچه رابطه ی بین سرعت پالس با خواص بتن در سازه مورد آزمایش به دست آید ، نتایج حاصل از این آزمایش به دست آید ، نتایج حاصل از این آزمایش قابل اعتماد خواهد بود.

برقراری رابطه ی تجربی بین سرعت پالس با مدول الاستیسیته استاتیکی و دینامیکی و مقاومت بتن امکان پذیر است. ولی این روابط تحت تاثیر تعدادی عوامل شامل نوع سیمان ، مقدار سیمان ، مواد افزودنی ، نوع و اندازه ی سنگدانه ها ، شرایط عمل آوری و س بتن است. در بررسی نتایج سرعت پالس در تعیین خواص الاستیک و مقاومت براساس نتایج سرعت پالس باید دقت کرد ، به خصوص در مواردی که مقاومت بتن بیشتر از MPa 60 باشد.

- اساس کار دستگاه

مولد الکترو- صوتی ، تولید کننده ی پالس ارتعاشات طولی است. این مولد روی سطح بتن تحت آزمایش قرار داده می شود. پس از عبور پالس از طول معین L از بتن ، ارتعاشات پالس توسط مولد ثانویه (گیرنده) به علامت های الکتریکی تبدیل می گردد. مدار الکترونیکی دستگاه قادر است که زمان عبور پالس را برحسب میکروثانیه T اندازه گیری کند. سرعت پالس V (برحسب  یا  KM/S-M/S) از رابطه ی زیر به دست می آید :

                                                                                                                                   v=L/T

که در آن :

L = طول مسیر پالس

T = زمان عبور پالس ، مدت زمانی که پالس از طول L عبور می کند.

به دلایل زیر از ارتعاشات پالس مافوق صوت به جای (بسامد) صوت استفاده می شود :

الف- پالس ها به صورت دقیق و کامل در بتن منتقل می شود.

ب- در امتداد توسعه پالس ها ، حداکثر انرژی ایجاد گردد.

بتن از فازهای مختلف تشکیل شده است و وقتی که پالس به بتن اعمال شود ، آن پالس در فازهای بتن ، تحت بازتاب های مختلف قرار می گیرد. در نتیجه سیستم پیچیده ای از امواج ایجاد می شود که شامل موج طولی و برشی است.

5- شرح دستگاه

5-1 کلیات

دستگاه شامل تولید کننده ی پالس الکتریکی ، دو عدد مولد ، تقویت کننده (آمپلی فایر) و وسیله ای الکترونیکی برای اندازه گیری زمان عبور پالس بین مولد فرستنده و گیرنده است.

5-2 خصوصیات دستگاه

خصوصیات دستگاه باید به شرح زیر باشد :

الف- دستگاه باید قابلیت اندازه گیری زمان عبور در طول 100 میلیمتر تا 3 میلیمتر را با دقت 1± درصد داشته باشد.

ب- دستگاه باید عملکرد خود را در محدوده ی رطوبت ، دما و ولتاژ که توسط سازنده اعلام شده است ، حفظ کند.

5-3 مولدها

معمولاً بسامد طبیعی مولدها بین 20 تا KHz 150 است ، هر چند بسامدهای کمتر ، مانند KHz10 برای مسیر طولانی عبور و بسامدهای زیادتر تا MHz1 برای ملات و دوغاب مورد استفاده می گیرند.

پیشروی پالس های بسامد بالا در بتن ، در ابتدا مناسب است ولی در حالی که از میان بتن عبور می کنند از مقدار پالس ها کاسته می شود و در مقایسه با پالس های بسامد پایین سرعت کاهش پالس ها بیشتر است. بنابراین ، مولد با بسامد زیاد برای مسیر کوتاه و مولد با بسامد کم برای مسیر طولانی ترجیح داده می شود. در اکثر موارد ، مولدهایی با بسامد 50 تا KHz60 مناسب است.

5-4 تنظیم دستگاه

قبل از شروع آزمایش ، ضروری است که دستگاه تنظیم و کالیبره شود. به عبارت دیگر ، دستگاه روی قرائت مبنای صفر قرار داده می شود به همین منظور مولدها در دو طرف میله مخصوص مرجع قرار داده می شوند و سپس براساس مدت زمان حکاکی شده بر روی آن میله ، قرائت دستگاه تنظیم می گردد. چنانچه قرائت دستگاه مساوی با مدت زمان میله مرجع باشد ، نشانه ی تنظیم و کالیبره شدن دستگاه است. معمولاً میله هایی که برای تنظیم دستگاه مورد استفاده قرار می گیرد ، دارای مدت زمان عبور پالس برابر با µs25 است. برای برقراری ارتباط بین مولدها و میله ی مرجع باید از مواد مخصوص اتصال به حداقل مقدار ممکن استفاده نمود.

5-5 آزمایش دقت دستگاه

دقت در اندازه گیری زمان عبور پالس به دقیق بودن ابزار الکترونیکی بستگی دارد. برای آزمایش دقت دستگاه از دو میله مرجع استفاده می شود. زمان عبور پالس در میله های مرجع باید حدود µs25 و µs100 باشد. میله ی کوچکتر برای تنظیم و کالیبره کردن دستگاه مورد استفاده قرار می گیرد. میله ی بزرگتر برای آزمایش دقت دستگاه در اندازه گیری زمان عبور پالس به کار می رود.

معمولاً استفاده از میله ی بزرگ ضرورت ندارد زیرا فرض بر این است که دستگاه توسط سازنده مورد آزمایش قرار گرفته است. به هر حال نتایجی که با آزمایش میله ها به دست می آید نباید بیش از 0/5± درصد با مقادیر ذکر شده روی میله ها تفاوت داشته باشد.

5-6 دقت در اندازه گیری طول مسیر

اندازه گیری طول مسیر پالس باید از دقتی بیشتر از 1± درصد برخوردار باشد. در مواردی که عملاً اندزه گیری طول مسیر امکان پذیر نیست باید اندازه اسمی همراه با رواداری آن گزارش گردد.

6- تعیین سرعت پالس

6-1 آرایش قرارگیری مولدها

مولد گیرنده آن قسمتی از پالس را کشف می کند که زودتر برسد. در واقع ارتعاشات پیش رونده طولی سریعتر می رسند. هر چند در امتداد عمود بر سطح مولد فرستنده ، حداکثر انرژی به بتن منتقل می شود. ولی دریافت پالس ها در امتدادهای دیگر امکان پذیر است. بنابراین نحوه ی قرار دادن مولدها به صورت های زیر امکان پذیر است.

شکل 1- روش های انتقال و دریافت پالس های مافوق صوت

-2 تعیین سرعت پالس در روش انتقال مستقیم

روش انتقال مستقیم مطلوب ترین آرایش قرار گیری مولدهاست و در مواردی که امکان پذیر است باید از این روش استفاده کرد زیرا حداکثر انرژی پالس ها منتقل و دریافت می شود. بنابراین تعیین دقیق سرعت پالس اساساً تابع دقت در اندازه گیری طول مسیر است. به عبارت دیگر ، چنانچه طول مسیر با دقت اندازه گیری شود ، سرعت پالس تعیین شده از دقت کافی برخوردار خواهد بود.

6-3 تعیین سرعت پالس در روش انتقال نیمه مستقیم

در مواردی که از این روش استفاده می شود نباید فاصله ی بین مولدها چندان زیاد باشد ، در غیر این صورت امکان عدم دریافت پالس ها وجود دارد. برای تعیین طول مسیر باید فاصله بین مراکز مولدها اندازه گیری شود. این روش اندازه گیری از دقت کافی برخوردار است.

6-4 تعیین سرعت پالس در روش انتقال غیر مستقیم

روش انتقال غیر مستقیم باید در موارد زیر استفاده گردد :

الف- فقط یک طرف بتن قابل دسترسی است.

ب- عمق ترک باید تعیین گردد.

ج- ضخامت لایه ی سطحی بتن که کیفیت نامطلوب دارد باید اندازه گیری شود.

دامنه ی علائمی که در این روش دریافت می شود فقط حدود 3 درصد نسبت به روش مستقیم است.

بنابراین ، روش انتقال غیرمستقیم نسبت به روش های دیگر دارای حساسیت کمتری است. علاوه بر این ، اندازه گیری سرعت پالس در این روش تحت اثر لایه سطحی بتن است. این ناحیه اغلب دارای ساختاری متفاوت از توده ی بتن بوده و ممکن است که نتایج حاصل نماینده ی کل بتن نباشد. سرعت غیرمستقیم کمتر از سرعت مستقیم در همان عضو سازه ای است. این اختلاف بسته به کیفیت بتن ، بین 5 تا 20 درصد است. در مواردی که امکان پذیر است ، باید با اندازه گیری در محل ، اختلاف مذکور تعیین شود.

در روش غیرمستقیم ، اندازه گیری طول دقیق مسیر انتقال همراه با عدم قطعیت است. بنابراین برای دقت بیشتر باید یک سری اندازه گیری با تغییر دادن وضعیت مولدها ، انجام شود. نحوه ی آزمایش به این صورت است که ابتدا محل مولد فرستنده ثابت نگه داشته می شود و محل مولد گیرنده در فواصل معین و در طول یک خط تغییر می یابد. هر دفعه که محل مولد تغییر می کند ، زمان انتقال پالس اندازه گیری می شود. فاصله ی بین دو مولد در محور x و زمانهای انتقال پالس در محور y نمودار ترسیم می گردد. در واقع شیب خط براساس نمودار برابر با سرعت پالس است. چنانچه خط رسم شده غیرپیوسته (غیرمستقیم) باشد نشانه وجود ترک در لایه ی سطحی است و یا کیفیت لایه ی سطحی بتن نامطلوب است.

6-5 اتصال دادن مولدها بر سطح بتن

به منظور اطمینان از اینکه پالس های تولید شده در مولد فرستنده به درون بتن وارد می شود و سپس توسط مولد گیرنده دریافت می گردند ، ضروری است که اتصال صوتی مناسب بین مولدها و سطح بتن برقرار باشد. در بسیاری از موارد ، سطح پرداخت شده بتن به اندازه کافی صاف است و با استفاده از ماده ی مخصوص اتصال و با فشار دادن مولدها روی سطح بتن ، تماس صوتی بر قرار می گردد. در صورت عدم تماس کافی بین مولدها و سطح بتن در سطح مشترک ممکن است حباب هوا ایجاد شود و باعث خطا در اندازه گیری زمان انتقال گردد.

مواد مخصوص اتصال تنوع زیادی دارند مانند وازلین ، گریس ، مایع صابون و خمیر کائولین- گلیسرول که مناسب ترین آنها وازلین است. مواد اتصال باید تا حد امکان در ضخامت کم اعمال گردد و در یک محل باید چندین قرائت گرفته شود تا حداقل مقدار زمان انتقال به عنوان نتیجه آزمایش به دست آید.

در مواردی که امکان پذیر است باید مولدها روی سطح قالب بندی شده بتن قرار داد. ممکن است سطوح ماله کشی شده دارای خواصی متفاوت از توده ی بتن باشد. اگر آزمایش روی چنین سطوحی ضروری است باید طول بزرگتر مسیر انتخاب شود. برای سطوح قالب بندی نشده توصیه می شود که حداقل طول مسیر 50 میلیمتر و 400 میلیمتر به ترتیب برای روش انتقال مستقیم و غیر مستقیم انتخاب گردد.

شکل 2- تعیین سرعت پالس به روش انتقال غیرمستقیم

وقتی که سطح بتن زبر و ناهموار است ، قسمتی از سطح بتن که قرار است مولدها روی آن قرار داده شود باید تراز و صاف گردد. روش دیگر استفاده از رزین اپوکسی و گچ با گیرش سریع است ، ولی بین سطح بتن و این مواد صاف کننده باید پسبندگی مناسب باشد تا از انتقال سریع پالس به بتن اطمینان حاصل شود. ضخامت لایه صاف کننده باید حد امکان کم و نازک باشد. اگر به ناچار ماده ی صاف کننده به ضخامت زیاد اعمال می شود ، باید سرعت پالس در این مواد در محاسبه به منظور گردد.

7- عوامل موثر در اندازه گیری سرعت پالس

7-1 کلیات

اساساً مقدار سرعت پالس به خواص بتن تحت آزمایش بستگی دارد. ضروری است که عوامل مختلف که

برخواص بتن و سرعت پالس اثر می گذاند ، در نظر گرفته شود.

7-2 مقدار رطوبت

مقدار رطوبت دو اثر فیزیکی و شیمیایی بر سرعت پالس دارد. این آثار در هنگام تخمین مقاومت بتن براساس سرعت پالس مهم هستند. ممکن است سرعت پالس در نمونه ی استاندارد و عضو سازه ای که از یک نوع بتن ساخته شده اند ، تفاوت چشمگیری داشته باشد. قسمت عمده ای از این اختلاف به دلیل شرایط متفاوت عمل آوری و درجه هیدراتاسیون است و قسمتی از این اختلاف ناشی از وجود آب آزاد در منافذ است. در هنگام تخمین مقاومت این آثار باید در نظر گرفته شوند.

7-3دمای بتن

تغییرات دمای بتن بین 10 تا C°30 اثر مهمی بر سرعت پالس ندارد. برای دمای خارج از این محدوده باید سرعت پالس براساس جدول 1 تصحیح گردد.

جدول 1- ضرایب تصحیح اثر دما برانتقال پالس 

7-4 طول مسیر

طول مسیری که سرعت پالس در آن اندازه گیری می شود باید به اندازه کافی طویل باشد به طوری که پالس تحت تاثیر ناهمگنی بتن قرار نگیرد. به جز در شرایطی که در بند 7-5 ارائه شده است ، توصیه

می شود که برای بتن با حداکثر اندازه ی سنگدانه 20 میلیمتر ، حداقل طول مسیر 100 میلیمتر و برای بتن حاوی حداکثر اندازه ی سنگدانه بین 20 تا 40 میلیمتر حداقل طول مسیر 150 میلیمتر انتخاب گردد. به طور کلی ، سرعت پالس تحت تاثیر تغییرات طول مسیر قرار نمی گیرد. هر چند ، ابزار الکترونیکی اندازه گیری زمان (این وسیله در دستگاه مافوق صوت تعبیه شده است) ممکن است با افزایش طول مسیر اندکی کاهش در سرعت را نشان دهد. دلیل این پدیده مولفه های بسامد بالاتر پالس است که بیشتر از مولفه های بسامد پایین تر کاهش می یابند و شکل آغازه ی پالس با افزایش فاصله طی شده ، زاویه خود را بیشتر از دست می دهد. معمولاً این کاهش ظاهری سرعت به مقدار کم است و محدوده ی رواداری ارائه شده در بند 5-2 است.

7-5 شکل و اندازه ی نمونه

سرعت پالس های کوتاه مستقل از اندازه و شکل نمونه ای است که پالس از آن عبور می کند ، مگر آنکه حداقل بعد جانبی آن کمتر از حداقل مقدار معین باشد. اگر طول نمونه کمتر از حد مشخص باشد ممکن است از سرعت پالس در حد محسوسی کاسته شود. مقدار این کاهش به طور عمده به نسبت طول موج پالس به حداقل بعد جانبی نمونه بستگی دارد. ولی اگر نسبت مذکور کمتر از واحد باشد ، مقدار کاهش سرعت قابل توجه نخواهد بود. به عبارت دیگر ، حداقل بعد جانبی نمونه باید بزرگتر از طول موج پالس باشد . رابطه ی بین سرعت پالس در بتن ، بسامد مولد و حداقل مجاز بعد جانبی نمونه در جدول 2 ارائه شده است.

جدول 2- اثر ابعاد نمونه بر انتقال پالس

مقادیر مندرج در جدول 2 از رابطه زیر به دست آمده است:

λ=VC/F

که در آن :

λ = طول موج

Vc = سرعت پالس

f = بسامد ارتعاشات پالس

7-6 اثر آرماتور

7-6-1 کلیات

سرعت پالس در بتن مسلح بیشتر از بتن معمولی با همان نوع بتن است. به دلیل آنکه سرعت پالس در فولاد حدود دو برابر سرعت آن در بتن است و در مواردی که اولین پالس را مولد گیرنده دریافت می نماید بخشی از بتن و بخش دیگر از فولاد عبور می کند.

افزایش ظاهری در سرعت پالس به زدیکی مولد به آرماتور ، قطر و تعداد میلگردها و امتداد آنها نسبت به مسیر انتشار پالس بستگی دارد. به هر حال تصحیح اندازه گیری شده دقت تخمین سرعت را کاهش می دهد. بنابراین تا آنجایی که امکان دارد باید از نزدیک بودن مولدها به آرماتور اجتناب شود.

7-6-2 محور آرماتور موازی با مسیر پالس

در مواردی که محور آرماتور به موازات مسیر پالس است ، ضریب تصحیح از نمودار شکل 3 به دست می آید. در این شکل ، Vc سرعت واقعی پالس و V سرعت ظاهری پالس است.

شکل 3- اثر میلگرد در سرعت پالس : میلگرد به موازات مسیر پالس

7-6-3 محور آرماتور عمود بر مسیر پالس

چنانچه محور آرماتور عمود بر مسیر پالس است ، ضرائب تصحیح از نمودار شکل 4 به دست می آید. در این شکل  طول مسیر پالس در آرماتور یا به عبارت دیگر مجموع قطر میلگردها می باشد. Vc و V در بند 7-6-2 تعریف شده است.

8- تعیین یکنواختی بتن

ناهمگنی بتن ، در عضو یا اعضاء باعث تغییر در سرعت پالس می شود که به نوبه ی خود نشانه ی تغییر در کیفیت بتن است. اندازه گیری سرعت پالس می تواند وسیله ای باشد که بررسی همگنی بتن را فراهم کند ، به همین منظور باتوجه به حجم بتن ، تعدادی نقاط سرعت پالس در سازه انتخاب می گردد.

شکل 4- اثر میلگرد در سرعت پالس : میلگرد عمود بر مسیر پالس

تعداد نقاط آزمایش به اندازه ی سازه ، دقت مورد نیاز و محدوده ی تغییرات در بتن بستگی دارد.

معمولاً محدوده ی آزمایش در شبکه ای 1 متری (متر 1 × 1) کافی است ولی در مواردی که عضو کوچک است یا تغییرات کیفی بتن زیاد می باشد ، بهتر است شبکه ای کوچکتر انتخاب گردد. می توان زمان انتقال اندازه گیری شده را برای ارزیابی یکنواختی مورد استفاده قرار داد ، که در این صورت نیاز به محاسبه سرعت پالس نیست. این روش بخصوص در مواردی که اندازه گیری با روش غیر مستقیم انجام می شود ، مناسب است.

همگنی در بتن را می توان به صورت پارامتر آماری ، مانند انحراف معیار یا ضریب تغییرات سرعت پالس در محدوده ی شبکه آزمایش نشان داد. هر چند ، این پارامترها فقط در مواردی کاربرد دارند که تغییرات در اعضای بتنی با ابعاد مشابه تحت بررسی می باشد.

9- کشف نارسائی ها در بتن

9-1 کلیات

استفاده از روش مافوق صوت برای کشف و وسعت آسیب دیدگی بتن باید منحصراً به افراد باتجربه واگذار شود. همچنین باید توجه داشت که نتیجه گیری نباید براساس فقط یک قرائت انجام گردد.

از آنجایی که پالس قادر نیست از هوا عبور کند ، وجود ترک یا منافذ در مسیر سبب می گردد که طول مسیر افزایش یابد زیرا پالس از پیرامون ترک یا منافذ عبور می کند و در نتیجه زمان انتقال افزایش می یابد و از سرعت پالس کاسته می شود. از همین پدیده می توان برای بررسی این نارسائی ها در بتن استفاده نمود. باید توجه داشت که منافذ و ترک اشباع شده از آب قادرند که امواج را از خود عبور دهند و در نتیجه در بتن های اشباع استفاده از این روش توصیه نمی شود. همچنین در صورت کم بودن قطر منافذ و عرض ترک احتمال عبور پالس از آن منافذ وجود دارد. به طور کلی این روش برای کشف منافذی مناسب است که طول ترک عمود بر مسیر حرکت پالس ، بزرگتر از طول موج و قطر مولدها باشد.

9-2 کشف منافذ و حفره ها

برای کشف حفره بزرگ در بتن ، شبکه ای بر سطح بتن باید رسم گردد و سپس چندین نقطه از شبکه تحت آزمایش به روش مستقیم انجام شود. در صورت وجود حفره در نقطه مورد نظر ، سرعت پالس کاهش

می یابد. تخمین اندازه ی حفر بر این اصل استوار است که پالس ها از کوتاهترین مسیر عبور می کنند و از پیرامون حفره می گذرند.

9-3 تخمین عمق ترک سطحی

برای تخمین عمق ترک عمود بر سطح بتن ، از روش انتقال غیرمستقیم استفاده می گردد. دو مولد گیرنده و فرستنده در دو طرف ترک در فاصله ای مساوی X بر سطح بتن قرار داده می شود (شکل 5).

  موارد در فرمول:   

X = فاصله مولد از ترک ، mm

T1 = زمان انتقال پالس در بتن ترک خورده ، µsec

T2 = زمان انتقال پالس در بتن سالم (بدون ترک) ، µsec

طول مسیر سطحی برای T1 و T2 باید مساوی انتخاب گردد.

برای حصول اطمینان از عمود بودن ترک بر سطح بتن باید روش به شرح زیر را اتخاذ نمود : ابتدا دو مولد در نزدیک ترک و در دو طرف آن قرار داده می شود. سپس با حرکت دادن فقط یکی از مولدها (مولدها به نوبت حرکت داده شوند) ، زمان انتقال اندازه گیری می گردد. اگر زمان انتقال کاهش یابد به معنی آن است که ترک در امتداد آن مولدی بوده که حرکت داده شده است (شکل 6).

شکل 5 و 6- نحوه ی آزمایش برای تعیین عمق ترک

-4 تخمین عمق لایه آسیب دیده

ممکن است لایه ی سطحی بتن دارای کیفیت نامطلوب باشد ، این پدیده ممکن است به دلیل ساخت نامناسب یا به دلیل آسیب دیدگی ناشی از آتش سوزی ، یخ زدگی ، حمله سولفاتها و غیره باشد. ضخامت لایه ی آسیب دیده را می توان با استفاده از اندازه گیری مافوق صوت محاسبه نمود.

شکل 7- نحوه ی آزمایش تعیین عمق لایه آسیب دیده و نمودار مربوط

مطابق بند 6-4 و براساس روش انتقال غیرمستقیم ، مولدها بر روی سطح بتن قرار داده می شوند و زمان انتقال اندازه گیری می شود ، سپس تغییر دادن فاصله مولدها و اندازه گیری زمان انتقال به دفعات تکرارمی گردد. نتایج حاصل به صورت نمودار ، مانند شکل 7 ترسیم می شود. موقعی که مولدها در فاصله کم از یکدیگر قرار دارند. پالس از میان لایه سطحی عبور می کند و شیب خط نمودار نشانه ی سرعت پالس در لایه سطحی است. اما با افزایش مولدها از مقداری معین ، پالس از لایه عمیق با کیفیت بهتر بتنی عبور می کند و شیب خط به دست آمده ، سرعت پالس در آن لایه را نشان می دهد

10- تعیین تغییرات در خواص بتن

چنانچه در خواص بتن تغییری با گذشت زمان ایجاد گردد و دلیل آن تغییر ، فرایند هیدراتاسیون ، اثر محیطی یا بارگذاری بیش از حد باشد با اندازه گیری مکرر سرعت پالس در زمان های مختلف می توان آن تغییر را تعیین کرد. اگر آزمایش سرعت پالس روی یک نمونه معین و در طول مدت دوره ای انجام شود ، در صورت تغییر در مقدار سرعت پالس معمولاً نشانه ی تغییر در مقاومت آن نمونه می باشد.

اندازه گیری سرعت پالس بخصوص برای تعقیب روند سخت شدن بتن مفید است ، به ویژه اگر آزمایش در مدت 36 ساعت اول انجام پذیرد. در این مدت تغییرات در سرعت پالس به دلیل تغییرات فیزیکی – شیمیایی در ساختار خمیر سیمان بوده و بهتر است که اندازه گیری در فواصل زمانی 1 و 2 ساعت انجام شود. پس از طی مدت 36 ساعت می توان مدت اندازه گیری را طولانی کرد و به 1 روز یا بیشتر افزایش داد.

11- رابطه بین سرعت پالس و مقاومت

11-1 کلیات

معمولاً کیفیت بتن ، برحسب مقاومت آن ذکر می شود ، بنابراین اندازه گیری سرعت پالس برای تخمین مقاومت گاهی اوقات مفید واقع می شود.

رابطه بین سرعت پالس و مقاومت تحت تاثیر تعدادی عوامل مانند سن ، شرایط عمل آوری ، شرایط رطوبت ، نسبت های مخلوط ، نوع سنگدانه و سیمان می باشد. اگر نیاز به تخمین مقاومت است ضروری است که بین مقاومت و سرعت رابطه ای برای نوع بتن تحت آزمایش برقرار گردد. برای برقرار کردن رابطه باید بر روی تعداد نمونه کافی آزمایش انجام شود. نمونه ها باید با مقاومت های مختلف در محدوده ی مورد انتظار ساخته شوند تا نتیجه دارای قابلیت آماری باشند. درجه اعتماد به تعداد نمونه های آزمایش بستگی دارد. همچنین قابلیت رابطه بستگی دارد که تا چه حد نمونه ها با بتن واقعی در سازه تشابه دارند. برای تهیه نمونه ها می توان از نمونه های قالب گیری شده (ساخته شده در قالب) استفاده کرد و یا اقدام به مغزه گیری از سازه نمود.

11-2 برقراری رابطه با استفاده از نمونه ها

مقاومت مخلوطی معین از سیمان و سنگدانه ممکن است توسط یکی از عوامل زیر تغییر داده شود :

الف- نسبت آب به سیمان ، ب- سن بتن

انتخاب هر یک از عوامل فوق برای تغییر دادن مقاومت نمونه ها بر رابطه همبستگی اثر می گذارد (منظور رابطه سرعت پالس و مقاومت است). بنابراین ضروری است که فقط یک روش برای تغییرات مقاومت مورد استفاده قرار گیرد. انتخاب روش بستگی به نوع کاربرد دارد. چنانچه مقاومت بتن رو به افزایش است ، بهتر است که رابطه با تغییرات سن بتن برقرار گردد. ولی برای کنترل  کیفیت برقراری رابطه با تغییر دادن نسبت آب به سیمان ترجیح دارد. برای هر پیمانه بتن باید حداقل سه نمونه ساخته شود و اندازه گیری سرعت باید در سطوح قالب بندی شده (سطوحی که در مجاور قالب بودند) انجام شود. تغییرات در زمان انتقال برای هر یک از نمونه ها باید در محدوده ی 5± درصد از مقدار میانگین سه نمونه باشد ، در غیر این صورت باید آن سه نمونه را حذف نمود. باید میانگین سرعت پالس و میانگین مقاومت سه نمونه به عنوان یک نقطه از منحنی رابطه مورد استفاده قرار گیرد.

11-3 برقراری رابطه با استفاده از مغزه ها

معمولاً در مواردی که رابطه همبستگی بر مبنای مغزه ها به دست می آید امکان تغییرات اختیاری مقاومت بتن وجود ندارد. بنابراین باید آزمایش سرعت پالس در نقاط مختلف سازه انجام شود تا محل هایی که کیفیت تفاوت دارند مشخص شوند ، سپس از آن نقاط مغزه گیری می گردد. قبل از انجام دادن آزمایش مقاومت فشاری روی مغزه ها باید اجرا گردد، سپس منحنی رابطه بین مقاومت فشاری و سرعت پالس ترسیم شود.

11-4 تخمین مقاومت قطعات پیش ساخته

وقتی که تطابق مقاومت قطعات پیش ساخته با مقدار مقاومت مورد نظر ضروری است می توان از منحنی رابطه همبستگی استفاده کرد. سرعت پالس باید در نقاطی از قطعه اندازه گیری شود که آن نقاط احساسیت بیشتری دارند و در هنگام بارگذاری تحت تنش بیشتری قرار می گیرد. روش به دست آوردن منحنی رابطه طبق بند 11-2 می باشد.

12- تعیین مدول الاستیسیته و نسبت پواسون دینامیکی

که در آن :

Ed= مدول الاستیسیته دینامیکی ) = µ,( نسبت پواسون دینامیکی ، =ρ دانسیته بتن () و

 =V سرعت پالس ()

اگر مقادیر ρ و V مشخص باشد می توان مقدار Ed را از فرمول فوق به دست آورد.

همین طور چنانچه مقادیر Ed و ρ نامحسوس است در این صورت با تعیین سرعت پالس V می توان Ed را به آسانی محاسبه نمود.

با تعیین مدول دینامیکی و با استفاده از جدول 3 می توان مدول استاتیک را به دست آورد. مقادیر مندرج در جدول 3 برپایه تجربی به دست آمده است و فقط برای بتن های معمولی کاربرد دارد. تخمین مدول ها براساس جدول 3 دارای دقت 10± درصد است.

جدول 3- رابطه تجربی بین مدول الاستیسیته استاتیک و دینامیک و سرعت پالس

13- گزارش

گزارش سرعت مافوق صوت باید حاوی اطلاعات به شرح زیر باشد :

الف- تاریخ ، زمان و مکان آزمایش

ب- ترکیب بتن شامل :

1- نوع سیمان

2- مقدار سیمان

3- نسبت آب به سیمان

4- نوع و اندازه سنگدانه

5- نوع مواد افزودنی

ج- شرایط عمل آوری ، دما و سن بتن در هنگام آزمایش

د- شرایط محیطی که بتن برای آن طراحی شده است.

هـ- شکل محل موقعیت مولدها. در صورت وجود آرماتور باید در شکل ، محل آن مشخص باشد.

و- شرایط سطح آزمایش (مثلاً صاف ، زبر ، ماله کشی شده ، وجود ترک سطحی و غیره)

ز- تخمین شرایط رطوبت بتن (مثلا مرطوب ، اشباع و خشک)

ح- طول مسیر انتقال و روش آزمایش (مستقیم و غیره)

ط- مقادیر سرعت پالس و در صورت تصحیح مقادیر به دلیل وجود آرماتور باید ذکر گردد.

مراجع :

1- ASTM, C597-83. “Pulse Velocity, Through Concrete”, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1990.

2- BS 1881, Part 203. “Recommendations for Measurement of Velocity of Ultrasonic Pulses in Concrete”, British Standards Institation, London, 1986.

3- Bungey, G.H. “The Testing of Concrete in Structure”, Surry University Press, New York, 1989.