Oznaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku dla kamienia naturalnego

Transkrypt

1 TECHLGIE znaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku dla kamienia naturalnego Fot. I. Hager Fot. 1. Urządzenie PUDIT Plus do badań prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej oraz próbka o wymiarach normowych 50 x 75 x 300 mm Wraz z rozwojem technik pomiarowych nieniszczące metody badań materiałów budowlanych stają się coraz powszechniejszym i dostępniejszym narzędziem diagnostycznym. Pośród technik nieniszczących stosowanych do określania w sposób pośredni właściwości mechanicznych kamienia na szczególną uwagę zasługują techniki oparte na analizie prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej. W artykule omówiono sposób badań prędkości rozchodzenia się fali ultradźwię ko wej dla materiałów kamiennych według obowiązującej normy P-E 14579:005 Metody badań kamienia naturalnego. znaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku. W tekście przedstawiono podstawowe założenia tej normy dotyczące: wyboru aparatury pomiarowej, sposobu przygotowania próbek do badań i ich kształtu, sposobu przeprowadzania pomiarów prędkości rozchodzenia się dźwięku i szacowania na jej podstawie wartości wytrzymałości na ściskanie. Zastosowanie metody ultradźwiękowej Ultradźwięki to drgania mecha niczne o częstotliwości większej od granicy słyszalności ucha ludzkiego, to jest >0 khz, które mogą się rozchodzić w ośrod kach gazowych, ciekłych i stałych. Ultradźwięki, podobnie jak fale świetlne, rozchodzą się w postaci wiązek, ulegają odbiciu na granicy faz, załamaniu i ugięciu. W badaniach kamienia naturalnego sto suje się fale ultradźwiękowe o czę stotliwościach od 0 khz do około 150 khz [1]. Im wyższa jest częstotliwość drgań, tym dokładniejszy jest pomiar, lecz mniejsza energia impulsu i większe jego tłumienie. Z tego względu preferowane są głowice o wysokiej częstotliwości dla krótkich odcinków pomiarowych (poniżej 50 mm) i głowice o niskiej częstotliwości (od 10 khz do 40 khz) do dłuższych odcinków pomiarowych. Stosuje się zatem fale o możliwie największej często tliwości drgań, tak aby po przejściu przez badany element możliwe było odebranie wyraźnego sygnału o dostatecz nej energii. W praktyce stosowane są głowice o częstotliwości od 40 do 8 khz, które uważane są za uniwersalne i nadające się do większości zastosowań [1]. Ciała stałe charakteryzują się sprężystością objętościową i postaciową. Mogą się w nich rozchodzić fale podłużne L, czyli lokalne rozrzedzenia i zgęszcze nia, o prędkości CL, oraz fale poprzeczne T, o prędkości CT, gdzie przemieszczenia ośrodka odbywa ją się w kierunku prostopadłym do kierunku propagacji fal. W badaniach ultradźwiękowych mate 10 ŚWIAT KAMIEIA nr 67

2 riałów kamiennych określa się prędkość rozchodzenia się impulsów podłużnych, które generowane są przez elektroakustyczną głowicę nadawczą umieszczoną na powierzchni próbki badanego materiału. Po przejściu drogi o znanej długości impuls drgań jest przetwarzany na sygnał elektryczny za pomocą głowicy odbiorczej, a elektroniczne urządzenie określa czas przejścia impulsu. Znajomość czasu przejścia impul su między głowicą nadawczą i odbiorczą oraz drogi, jaką przebył, umożliwia wyznaczenie prędkości rozchodzenia się fal podłużnych. Podstawą stosowania metody ultradźwię ko wej w ciałach stałych jest zależność fizyczna pomiędzy prędkością rozchodzenia się impulsów podłużnej fali ultra dźwiękowej w ciele a właściwościami tego ciała stałego [4]. Istnieje wyraźna zależność między właściwościami mechanicznymi a prędkością fali rozprzestrzeniającej się w kamieniu [5, 6]. Przykładowe zależności między prędkością fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na rozciąganie (ft) i ściskanie (fc) pokazuje rys. 1, przedstawiający badania granitów. Jak wyraźnie wynika z rys. 1, wraz ze wzrostem wytrzymałości na ściskanie rośnie prędkość ultradźwięków i maleje tłumienie, co jest spowodowane większą zwartością i niską porowatością materiału o wyższej wytrzymałości. Ta zależność stanowi podstawę dla wykorzystywania tej metody nieniszczącej do pośredniej oceny właściwości mechanicznych kamienia oraz innych materiałów konstrukcyjnych, jak na przykład beton cementowy. W przypadku naturalnych materiałów kamiennych prędkość ultradźwięków zawiera się w granicach poniżej,5 km/s do ponad 5,0 km/s [7]. Klasyfikację kamieni naturalnych według prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej zaproponowaną przez International Society for Rock Mechanics (ISRM) [7] przedstawia tabela 1. Badania mające na celu znalezienie zależności między właściwościami mechanicznymi kamienia (wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie, moduł sprężystości) 10 ft [MPa] ft=0.701e ( V) 10 fc [MPa] fc= V r =0.89 r = a V [m/s] V [m/s] Rys. 1. Zależność między prędkością fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na rozciąganie (ft) i ściskanie (fc) granitów (Vasconcelos et al. [5]) a właściwościami fizycznymi (prędkością dźwięku, gęstością) przedstawiono m.in. w [5, 6]. Aparatura i badanie orma [1] precyzyjnie opisuje aparaturę badawczą, jaka powinna być stosowana do wykonania pomiarów, podając także szczegółowe wymagania prowadzenie pomiarów. Urządzenie składać się powinno z elektrycznego generatora impulsów, pary głowic wzmacniacza i elektronicznego miernika czasu, jaki upłynął od momentu wygenerowania impulsu przez głowicę nadawczą () do chwili dotarcia jej do głowicy odbiorczej (). Do pomiaru czasu stosować można oscyloskop z wyświetlaczem przedstawiającym przebieg impulsu w czasie lub miernik czasu z bezpośrednim odczytem cyfrowym. Stosowane urządzenie powinno umożliwiać pomiar czasu przejścia w próbce kalibracyjnej z dokładnością do ± 0,1 μs oraz zapewnić wyraźny odczyt początku impulsu generowanego przez głowicę nadawczą. Częstotliwość powtórzeń impulsu powinna być niska, aby uniknąć zakłóceń fali docierającej do głowicy odbiorczej. Częstotliwość dźwięku generowanego przez głowice nadawcze powinna mieścić się w zakresie od 0 do 150 khz, a ich rozmieszczenie powinno odpowiadać jednej z przedstawionych na rys. konfiguracji [1]. Mimo że maksymalna energia jest emitowana prostopadle do powierzchni Klasa Prędkość V km/s pis 1 <,5 Bardzo niska prędkość,5 3,5 iska prędkość 3 3,5-4,0 Średnia prędkość 4 4,0-5,0 Wysoka prędkość 5 >5,0 Bardzo wysoka prędkość Tabela 1. Klasyfikacja skał wg prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej wg ISRM [7] głowicy nadawczej, możliwe jest wykrycie impulsu przechodzącego przez kamień również w innym kierunku. Stąd też możliwe jest prowadzenie pomiarów nie tylko w sposób bezpośredni (rys. a), ale również częściowo bezpośredni (rys. b) oraz pośredni (nazywany również powierzchniowym rys. c). Brak współosiowości głowic w wypadku prowadzenia badań przy ich przeciwległym ustawieniu (rys. a) może być przyczyną niedo kładności szacowania prędkości propagacji ultradźwięków ze wzglę du na ukośny kierunek transmisji w odniesieniu do osi obu głowic, jednak norma [1] dopuszcza warunkowo takie ich ułożenie (rys. b). Badania ultradźwiękowe mogą być prowadzone przy użyciu urządzeń, które popularnie nazywane są defektoskopami lub betonoskopami. Przykładowy wygląd współczesnego urządzenia pozwalającego na realizację badań zgodnie z normami [1, ] przedstawia fot. 1. W celu zapewnienia dobrego kontaktu powierzchni głowicy z badanym materiałem oraz uniknięcia dużych strat energii impulsu ultradźwiękowego na skutek odbicia, głowice sprzę ga się z badanym b ŚWIAT KAMIEIA nr 67 11

3 TECHLGIE materiałem za pomocą środka sprzęgającego, jak np. żel, smar, płynne mydło, gliceryna, towot itp. Czynniki wpływające na pomiar prędkości dźwięku W materiałach kamiennych prędkość fal podłużnych zależy od ich budowy wewnętrznej, porowatości i obecności nieciągłości jam i kawern. Jeśli impuls ultradźwię kowy napotka na granicę nieciągłości powietrze kamień (pęknięcie, szczelina), napotyka na przeszkodę znacząco osłabiającą falę ultradźwiękową. Impuls docierający do głowicy odbiorczej ulega dyfrakcji na krawędzi nieciągłości, wydłużając czas przejścia fali w porównaniu do pomiaru prowadzonego w kamieniu bez szczelin i porów. Prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w materiale kamiennym zależy w sposób istotny od jego wilgotności. Dla materiału wilgotnego może wzrosnąć nawet o 50% wartości oznaczanej na suchej próbce [1, 5]. Jest bardzo istotne prawidłowe określenie korelacji, która istnieje między wilgotnością a innymi właściwościami fizycznymi kamienia, m.in. prędkością fali ultradźwiękowej w przypadku prowadzenia oceny stanu materiału kamiennego w konstrukcji. W praktyce laboratoryjnej pomiary prowadzi się na próbkach materiału wysuszonego do stałej masy przed rozpoczęciem badań, eliminując w ten sposób wpływ stanu wilgotnościowego na uzyskany wynik [1]. Kolejnymi czynnikami wpływającymi na pomiar prędkości fali ultradźwiękowej w materiałach kamiennych są stosowane wymiary próbek do badań. ie należy stosować próbek o kształtach, w których minimalny poprzeczny wymiar jest mniejszy niż długość fali. Zakłada się dla głowicy o danej częstotliwości oraz prędkości fali ultradźwiękowej przyjmowanie próbek o wymiarach poprzecznych większych niż te podane w tabeli. a c Rys.. Ułożenie głowic ultradźwiękowych do oznaczania prędkości fali ultradźwiękowej, głowica nadawcza, głowica odbiorcza, a) sposób bezpośredni, b) częściowo bezpośredni, c) pośredni Częstotliwość głowicy khz Przygotowanie próbek do badań Sposób przygotowania i przechowywania próbek do badań laboratoryjnych prędkości rozchodzenia się fali ultra dźwięko wej określa norma P-E [1]. Przewiduje ona stosowanie próbek prostopadłościennych o wymiarach 50 x 75 x 300 mm. Do badań pobiera się co najmniej 6 próbek z jednorodnej partii materiału. Jeżeli kamień wykazuje naturalne płaszczyzny anizotropii (np. widoczne uwarstwienia, rozwarstwienia), próbki powinny być przygotowane tak, aby ich dłuższa oś była równoległa lub prostopadła do tych płaszczyzn. Sprawozdanie z badań powinno wyraźnie określać kierunek rozchodzenia się impulsu ultradźwiękowego podczas badania w stosunku do kierunku Prędkość (V) rozchodzenia się fali ultradźwiękowej (fala podłużna) V = 3,50 km/s V = 4,00 km/s V = 4,50 km/s ajmniejsze przyjęte poprzeczne wymiary próbek do badania [mm] Tabela. Wpływ wymiarów próbki na pomiar prędkości rozchodzenie się fali ultradźwiękowej [1] b przebiegu płaszczyzn uwarstwienia. Faktura powierzchni próbek powinna być piłowana lub drobno szlifowana; jeśli faktura jest bardzo szorstka i nierówna, należy ją wygładzić i wyrównać za pomocą szlifowania lub stosując szybko twardniejącą żywicę epoksydową. Do powierzchni nierównych można stosować specjalne głowice stożkowe umożliwiające punktowe przyłożenie głowicy. Głowice takie znaleźć można w ofercie handlowej większości producentów defektoskopów. Warto zwrócić uwagę, iż norma dotycząca badania prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w kamieniu naturalnym [1] przewiduje przed rozpoczęciem badań suszenie próbek do stałej masy w temperaturze 70 (± 5) C, przyjmując, że osiągnięcie stałej masy oznacza stwierdzenie różnicy między dwoma kolejnymi ważeniami wykonanymi w ciągu 4 (± ) h nie większej niż 0,1% pierwszej z dwóch mas. 1 ŚWIAT KAMIEIA nr 67

4 Zapewniając odpowiednie sprzężenie akustyczne pomiędzy powierzchnią próbki kamiennej i powierzchnią każdej z głowic pomiarowych za pomocą np. żelu lub gliceryny, wykonuje się kolejne odczyty czasu przejścia aż do uzyskania wartości minimalnej, świadczącej o zredukowaniu do minimum grubości środka sprzęgającego. Prędkość impulsu w przypadku pomiaru bezpośredniego i częściowo bezpośredniego należy obliczyć ze wzoru (1): X1 X X3 gdzie: (1) V prędkość fali ultradźwiękowej w km/s, L długość drogi w mm, T czas przejścia impulsu przez drogę L, w μs. W przypadku niektórych defektoskopów po wprowadzeniu do urządzenia danej dotyczącej długości drogi pomiarowej wynik pomiaru podawany jest bezpośrednio w postaci wartości prędkości fali ultradźwiękowej z jednostką m/s. Taką charakterystykę posiada m.in. urządzenie typu PUDIT Plus przedstawione na fot. 1. Prędkość impulsu ultradźwiękowego wg wytycznych [1] należy wyrazić z dokładnością do 0,01 km/s. W przypadku stosowania pomiaru pośredniego prędkość należy obliczyć na podstawie nachylenia linii powstałej przez naniesienie wyników serii pomiarów z głowicami w różnych odległościach od siebie, tak jak przedstawia to wykres na rys. 3. Pomiar pośredni oparty jest na realizacji pomiarów czasu przejścia fali ultradźwiękowej w przewidzianych odległościach x1, x,,xn, wzdłuż wybranej linii na badanej powierzchni kamienia. prędkość fali dźwiękowej a wytrzymałość na ściskanie orma P-E 14579:005 [1] nie podaje zależności korelacyjnej pomiędzy pomiarem prędkości fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na ściskanie kamienia czas, µs X1 X X3 rozstaw głowic, mm Rys. 3. znaczanie prędkości impulsu w przypadku pomiaru pośredniego, głowica nadawcza, głowica odbiorcza, a objaśnienie w tekście naturalnego, jedynie powołuje się na normę P-E :005 []. W normie tej w załączniku C znajdziemy zalecenia ustalona na podstawie pomiaru prędkości dźwięku w MPa, V prędkość fali ultradźwiękowej w km/s. dotyczące procedur korelacyjnych (np. z wykorzystaniem odwiertów rdzeniowych). Jednak znalezienie zależności korelacyjnej pomiędzy wytrzymałością na ściskanie a prędkością fali ultradźwiękowej wymaga zapoznania się z zapisami kolejnej z norm poświęconych badaniom betonu, a dotyczącej oceny jego wytrzymałości na ściskanie na podstawie wyników badań nieniszczących P -E 13791:008 [3]. Szczegółowemu opisowi zależności między wartościami prędkości fali ultradźwiękowej a wytrzymałością na ściskanie przedstawiono m.in. w [4]. W metodzie zaproponowanej w normie P-E 13791:008 [3] ocenę wytrzymałości prowadzi się na podstawie przyjęcia krzywej bazowej, stanowiącej wykres równania kwadratowego o postaci () i jej skorygowanie poprzez przesunięcie o pewną wartość Df wynikającą z porównania krzywej z wynikami uzyskanymi w badaniach niszczących (rys. 3). ależy podkreślić, iż krzywa bazowa jest wynikiem doświadczalnych pomiarów prowadzonych dla betonów różnych klas, a nie dla kamienia naturalnego. Ponadto równanie to ma zakres stosowania jedynie dla materiałów o prędkościach impulsu z zakresu 4,0 4,8 km/s. W przypadku materiałów kamiennych uzyskiwane prędkości fali ultradźwiękowej znajdują się często poza zakresem 4,0 4,8 km/s (co, jak pokazano w [5, 6, 7] oraz na rys. 1, dotyczy licznej grupy materiałów kamiennych); konieczne jest wyznaczenie, na drodze doświadczalnej, innej niż przedstawiona w normie zależności korelacyjnej (przykładową zależność korelacyjną fc(v) przedstawia rys. 1[5]). Przypadek ten dotyczyć będzie również materiałów kamiennych uszkodzonych działaniem mrozu, środowisk agresywnych, temperatury pożarowej lub innych niekorzystnych warunków eksploatacji. Znalezienie właściwej zależności korelacyjnej stanowi f v =6,5V - 497,5V () istotny element procesu oceny właściwości gdzie: f v wytrzymałość na ściskanie materiału kamiennego. α ŚWIAT KAMIEIA nr 67 13

5 TECHLGIE Sprawozdanie z badania Sprawozdanie z badania prędkości fali ultradźwiękowej według normy P-E 14579:005 powinno zawierać następujące informacje: a) Informacje przekazane przez klienta zlecającego badania: nazwę dostawcy, nazwisko osoby lub nazwę instytucji pobierającej próbki 1 oraz petrograficzną i handlową nazwę kamienia, nazwę kraju oraz regionu wydobycia kamienia. W przypadku obecności płaszczyzny anizotropii jej kierunek powinien zostać wyraźnie oznaczony na każdej próbce dwiema równoległymi liniami. b) Informacje przygotowane przez laboratorium prowadzące badania: dane dotyczące numeru badania wg systemu umożliwiającego jego jednoznaczną identyfikację, numer, tytuł i datę wydania normy [1], nazwę i adres laboratorium wykonującego badania, nazwisko i adres zleceniodawcy, datę dostarczenia próbek do badania, datę przygotowania próbek do badania (jeśli to istotne) i datę badania, wymiary próbek do badań i ich liczebność. c) Dane dotyczące badania i stosowanego urządzenia pomiarowego: typ i producenta aparatury, dane dotyczące wymiarów powierzchni kontaktu głowic, naturalną częstotliwość impulsu głowic oraz inne specjalne charakterystyki stosowanego urządzenia. Ponadto w sprawozdaniu powinna się znaleźć informacja dotycząca ustawienia głowic i metody pomiaru (wraz z rysunkiem), faktura powierzchni kamienia i sposób przygotowania powierzchni kamienia w punktach badania (jeśli jest to istotne), zastosowane medium sprzęgające, orientacja kierunku rozchodzenia się impulsu względem ułożenia płaszczyzn anizotropii, zmierzona wartość długości drogi (dla pomiaru bezpośredniego i pomiaru częściowo bezpośredniego) z uwzględnieniem metody pomiaru, zmierzone wartości czasów przejścia oraz obliczone wartości prędkości impulsu wzdłuż każdej drogi, potwierdzenie niepewności pomiaru (jeśli to właściwe). Sprawozdanie powinno zawierać opis wszystkich odstępstw od zapisów zawartych w ww. normie wraz z uzasadnieniem tych odstępstw oraz uwagi. Sprawozdanie powinno zawierać podpisy i stanowiska osób odpowiedzialnych za badanie wraz z datą przygotowania opracowania. ależy zawrzeć w sprawozdaniu stwierdzenie, iż sprawozdanie nie powinno być częściowo powielane bez zgody pisemnej laboratorium badawczego. Podsumowanie W artykule przedstawiono metodę badania prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej według normy P-E :005 Metody badań kamienia naturalnego. znaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku [1] oraz sposób szacowania wytrzymałości na ściskanie na podstawie uzyskanych wyników pomiarów, które zgodnie z wytycznymi normy [1] powinny być prowadzone w zgodzie z normami dotyczącymi badań betonu: P-E :005 [] oraz P-E 13791:008 [3]. Warunkiem uzyskania na podstawie pomiarów ultradźwiękowych prawidłowej szacunkowej informacji dotyczącej wytrzymałości mechanicznej materiału jest wyznaczenie prawidłowej korelacji pomiędzy prędkością fali ultradźwiękowej (V) a wytrzymałością na ściskanie (fc). Stopień odwzorowania wytrzymałości na ściskanie na podstawie badań prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej dla kamienia naturalnego zależy od prawidłowości przyjętych założeń. W przypadku materiałów kamiennych, dla których uzyskiwane prędkości fali ultradźwiękowej znajdą się poza zakresem wyników pomiarów określonym przez normę [3], konieczne jest wyznaczenie na drodze doświadczalnej innej niż przedstawiona w normie zależności korelacyjnej. Przypadek ten dotyczy licznej grupy materiałów kamiennych, jak również materiałów, które zostały uszkodzone działaniem mrozu, wysokiej temperatury lub innych niekorzystnych warunków eksploatacji. Znalezienie zależności korelacyjnej jest istotnym elementem procesu oceny właściwości materiału kamiennego. Dr inż. Izabela Hager Politechnika Krakowska, Instytut Materiałów i Konstrukcji Budowlanych 1. Wg [1] laboratorium badawcze nie jest odpowiedzialne za pobieranie próbek z wyjątkiem przypadków, gdzie przeprowadzenie tej czynności jest wymagane. ormy [1] P-E 14579:005 Metody badań kamienia naturalnego. znaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku [] P-E :005 Badania betonu. Część 4. znaczenie prędkości fali ultradź więkowej [3] P-E 13791:008 cena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach i prefabrykowanych wyrobach betonowych Literatura [4] Drobiec Ł., Jasiński R., Piekarczyk A., Diagnostyka konstrukcji żelbetowych, t. 1, Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali, Wydawnictwo aukowe PW 010, str. 658 [5] Vasconcelos G., Lourenço P.B., Alves C.A.S., Pamplona J., Ultrasonic evaluation of the physical and mechanical properties of granites, Volume 48, Issue 5, September 008, str [6] Yasar E., Erdogan Y., Correlating sound velocity with the density, compressive strength and Young s modulus of carbonate rocks, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 41, 004, str [7] Rock Characterization, Testing And Monitoring: ISRM Suggested Methods, (ed) Pergamon Press, xford ŚWIAT KAMIEIA nr 67