نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

شناسایی آسیب در نمونه‌های ملات‌سیمانی با تحلیل تبدیل موجک نتایج آزمون غیرمخرب اولتراسونیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران.
چکیده
در بسیاری از مطالعات پیشین در حوزه ارزیابی غیرمخرب مصالح سیمانی، تمرکز اصلی بر اندازه‌گیری سرعت پالس امواج فراصوت بوده و تحلیل سیگنال عمدتاً به‌صورت کیفی یا در سطح کلی انجام شده است. در حالی‌که انرژی سیگنال‌های اولتراسونیک در باندهای فرکانسی مشخص با استفاده از ابزارهای موجک، تاکنون تحلیل کمی نشده است. این تحقیق به بررسی استفاده از آزمایش غیرمخرب فراصوتی بر شناسایی عوارض و نواقص در نمونه‌های ملات‌سیمان با طرح اختلاط‌های مختلف می‌پردازد. در این تحقیق، نمونه‌های ملات‌سیمان با محتوای سیمان (CC) متغیر مورد تحلیل قرار گرفتند تا رابطه بین ترکیب مواد، سرعت موج و زمان عبور بررسی شود. سیگنال‌های اولتراسونیک با استفاده از تبدیل موجک گسسته (DWT) و تبدیل بسته موجک (WPT) پردازش شدند تا توزیع انرژی در باندهای فرکانسی مورد ارزیابی قرار گیرد. نتایج نشان داد که انرژی نسبی در بازه فرکانسی سالم در نمونه‌های سالم 95.5 درصد و در نمونه‌های آسیب‌دیده 80.55 درصد است، در حالی که انرژی در بازه فرکانسی آسیب‌دیده از2.42 درصد به حدود 11.26 درصد افزایش یافته است. همچنین، افزایش محتوای سیمان تا حدود 20 درصد موجب بهبود همگنی نمونه‌ها شد، به‌طوری که سرعت پالس اولتراسونیک از 4007.62 متر بر ثانیه در نمونه CC10 به 9768.5 متر بر ثانیه در نمونه CC20 افزایش یافت. نوآوری این پژوهش در ترکیب روش اولتراسونیک با تحلیل انرژی موجک در باندهای فرکانسی و بررسی کمی تأثیر درصد سیمان بر دقت تشخیص آسیب است، که امکان شناسایی دقیق آسیب‌ها حتی در نمونه‌های کم‌مقاومت را فراهم می‌سازد. این پژوهش بر پتانسیل پردازش سیگنال برای شناسایی مؤثر نواقص و بررسی همگنی مواد در نمونه‌های ملات‌سیمان با محتوای سیمان متغیر تأکید می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1]    J. Chakraborty and M. Stolinski, “Signal-level fusion approach for embedded ultrasonic sensors in damage detection of real RC structures,” Mathematics, vol. 10, no. 5, p. 724, 2022.
[2]    F. A. J. Mohamad et al., “NDT-Defect Detection on Concrete using Ultrasonic: A Review,” J. Tomogr. Syst. Sensors Appl., 2021.
[3]    G. Karaiskos, A. Deraemaeker, D. G. Aggelis, and D. Van Hemelrijck, “Monitoring of concrete structures using the ultrasonic pulse velocity method,” Smart Mater. Struct., vol. 24, no. 11, p. 113001, 2015, doi: 10.1088/0964-1726/24/11/113001.
[4]    L. Ge et al., “High-resolution ultrasonic imaging technology for the damage of concrete structures based on total focusing method,” Comput. Electr. Eng., vol. 105, p. 108526, 2023.
[5]    R. Jones, “The ultrasonic testing of concrete,” Ultrasonics, vol. 1, no. 2, pp. 78–82, 1963, doi: 10.1016/0041-624X(63)90058-1.
[6]    I. Ivanchev and V. Slavchev, “About the possible limitations in the usage of the non-destructive ultrasonic pulse velocity method for assessment of cracks in reinforced concrete structures, subjected to direct environmental exposure,” Buildings, vol. 9, no. 9, p. 202, 2019, doi: 10.3390/buildings9090202.
[7]    A. Lorenzi, J. Campagnolo, and L. C. P. Silva Filho, “Application of artificial neural network for interpreting ultrasonic readings of concrete,” Int. J. Mater. Prod. Technol., vol. 26, no. 1–2, pp. 57–70, 2006, doi: 10.1504/IJMPT.2006.008980.
[8]    A. Lorenzi, L. C. P. da Silva Filho, L. Somensi Lorenzi, R. Shimomukay, and C. J. Argenta, “Monitoring Concrete Structures through UPV Results and Image Analysis,” e-Journal Nondestruct. Testing, Ger., vol. 16, p. 12, 2011.
[9]    S. Hannachi and M. N. Guetteche, “Application of the Combined Method for Evaluating the Compressive Strength of Concrete on Site,” Open J. Civ. Eng., vol. 02, no. 01, pp. 16–21, 2012, doi: 10.4236/ojce.2012.21003.
[10]    S. Mindess, J. F. Young, and D. Darwin, “Application of wavelet transform in ultrasonic testing for concrete crack detection,” Englewood Cliffs, NJ, vol. 481, p. 939, 1981.
[11]    S. A. Stel’makh et al., “Composition, technological, and microstructural aspects of concrete modified with finely ground mussel shell powder,” Materials (Basel)., vol. 16, no. 1, p. 82, 2022.
[12]    J. Xu and H. Wei, “Ultrasonic testing analysis of concrete structure based on S transform,” Shock Vib., vol. 2019, pp. 1–9, 2019.
[13]    S. Hassani, M. Mousavi, and A. H. Gandomi, “Structural health monitoring in composite structures: A comprehensive review,” Sensors, vol. 22, no. 1, p. 153, 2021.
[14]    B. B. Tefera and A. G. Tarekegn, “Non-Destructive Testing Techniques for Condition Assessment of Concrete Structures: A Review,” 2025.
[15]    X. Xu et al., “Advanced Nondestructive Monitoring and Detection Apparatus against Marine Concrete Durability: A Review,” J. Struct. Des. Constr. Pract., vol. 30, no. 2, p. 4025011, 2025.
[16]    T. Hu, J. Zhao, R. Zheng, P. Wang, X. Li, and Q. Zhang, “Ultrasonic based concrete defects identification via wavelet packet transform and GA-BP neural network,” PeerJ Comput. Sci., vol. 7, p. e635, 2021.
[17]    S. Grabke, F. Clauß, K.-U. Bletzinger, M. A. Ahrens, P. Mark, and R. Wüchner, “Damage detection at a reinforced concrete specimen with coda wave interferometry,” Materials (Basel)., vol. 14, no. 17, p. 5013, 2021.
[18]    J. A. Mukhti, K. P. V Robles, K.-H. Lee, and S.-H. Kee, “Evaluation of early concrete damage caused by chloride-induced steel corrosion using a deep learning approach based on RNN for ultrasonic pulse waves,” Materials (Basel)., vol. 16, no. 9, p. 3502, 2023.
[19]    M. N. A. B. G. Taj, N. Alruwais, H. M. Alshahrani, J. Vijayalakshmi, N. Shanmugapriya, and S. Jayaprakash, “Precision crack analysis in concrete structures using CNN, SVM, and KNN: a machine learning approach,” Matéria (Rio Janeiro), vol. 29, p. e20240551, 2024.
[20]    C. ASTM, “192/C 192M Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Laboratory,” Annu. B. ASTM Stand., vol. 4, 2007.
[21]    N. S. M. Ravi Kumar, T. Barkavi, and C. Natarajan, “Structural health monitoring: detection of concrete flaws using ultrasonic pulse velocity,” J. Build. Pathol. Rehabil., vol. 3, pp. 1–9, 2018.
[22]    D. W. Dunker and J. Farny, “Your Pipe Lining Has a New Cement—ASTM C150 Compared to ASTM C595,” in Pipelines 2024, pp. 312–320.
[23]    S. A. Proceq, “Operating Instructions Pundit Lab,” Pundit Lab+ Ultrason. Instrum., vol. 32, 2017.
[24]    S. Hannachi and M. N. Guetteche, “Review of the ultrasonic pulse velocity Evaluating concrete compressive strength on site,” in Proceedings of Scientific Cooperation International Workshops on Engineering Branches, Istanbul, Turkey, 2014, no. August, pp. 103–112.
[25]    A. Ezzodin, G. Ghodrati Amiri, H. Naderpour, and M. Raissi Dehkordi, “A Novel Damage Detection Method of Reinforced Concrete Frames Using Signal Processing and Extracted Near-Fault Fling-Step Pulses,” Shock Vib., vol. 2022, 2022.
[26]    S. Huang, H. Sun, S. Wang, K. Qu, W. Zhao, and L. Peng, “SSWT and VMD linked mode identification and time-of-flight extraction of denoised SH guided waves,” IEEE Sens. J., vol. 21, no. 13, pp. 14709–14717, 2021.
[27]    H. Jahangir, M. Khatibinia, and M. Mokhtari Masinaei, “Damage detection in prestressed concrete slabs using wavelet analysis of vibration responses in the time domain,” J. Rehabil. Civ. Eng., vol. 10, no. 3, pp. 37–63, 2022.
[28]    J. Zhao, T. Hu, R. Zheng, P. Ba, C. Mei, and Q. Zhang, “Defect recognition in concrete ultrasonic detection based on wavelet packet transform and stochastic configuration networks,” IEEE Access, vol. 9, pp. 9284–9295, 2021.
[29]    N. Burud and J. M. C. Kishen, “Damage detection using wavelet entropy of acoustic emission waveforms in concrete under flexure,” Struct. Heal. Monit., vol. 20, no. 5, pp. 2461–2475, 2021.
[30]    X. Xu et al., “A systematic review of ultrasonic techniques for defects detection in construction and building materials,” Measurement, p. 114181, 2024.
[31]    N. N. Kencanawati, B. Anshari, A. G. Paedullah, and M. Shigeishi, “The study of ultrasonic pulse velocity on plain and reinforced damaged concrete,” in MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 195, p. 2026.