การทดสอบแบบไม่ทำลาย ในการตรวจสอบคุณภาพของการซ่อมแซมรอยแตกด้วยอีพอกซี อ่าน 25,026

การทดสอบแบบไม่ทำลาย
ในการตรวจสอบคุณภาพของการซ่อมแซมรอยแตกด้วยอีพอกซี

Nondestructive Evaluation (NDE) Methods
for
Quality Assurance of Epoxy Injection Crack Repair

โดย
Yajai Promboon, Ph.D,
Larry D. Olson, P.E., และ
John Lund, P.E.

บทความนี้ถอดความมาจาก CONCRETE REPAIR BULLETIN ฉบับที่ 15 มกราคม 2002
โดย
ชูเลิศ จิตเจือจุน
ปรนิก จิตต์อารีกุล

เมื่อเร็วๆนี้ สะพานคอนกรีตแห่งหนึ่งบนทางหลวง Interstate 70 สายตะวันตกนอกเมือง Denver มลรัฐ Colorado ถูกชนด้วยรถบรรทุกที่แล่นด้วยความเร็ว 75 ไมล์ต่อชั่วโมง (120 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) แรงกระแทกทำให้คานสะพานคอนกรีตอัดแรงรูปตัวไอ ที่วางอยู่ด้านทิศตะวันออกของสะพานเกิดรอยแตกร้าว (Crack) และรอยกะเทาะ (Spalling) ขึ้นทั้งสองด้าน ความเสียหายเกิดขึ้นรุนแรงทั้งผิวคานทางทิศตะวันตกและตะวันออก โดยเกิดความรุนแรงมากกว่าที่ผิวคานทางทิศตะวันออก ดังแสดงในรูปที่ 1 การซ่อมแซมความเสียหายของคานดังกล่าวได้ใช้การปะซ่อมด้วยโพลีเมอร์โมดิฟายด์มอร์ตาร์ร่วมกับการฉีดอัดด้วยอีพอกซี หลังจากการซ่อมแซมเสร็จสิ้นแล้วได้ทำการทดสอบแบบไม่ทำลายกับบริเวณที่ซ่อมแซมเพื่อตรวจสอบคุณภาพของการซ่อม โดยเป็นการตรวจหาบริเวณรอยแตกที่ไม่ได้รับการฉีดอัดด้วยอีพอกซี วิธีการทดสอบที่ใช้ประกอบด้วย วิธี Impact Echo (IE), Ultrasonic Pulse Velocity (UPV) และ Spectral Analysis of Surface Waves (SASW) เนื่องจากการตรวจสอบการซ่อมแซมคานในครั้งนี้ การใช้วิธี IE ร่วมกับวิธี UPV เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการตรวจหารอยแตกที่ยังหลงเหลืออยู่ ดังนั้น ในบทความนี้จะเน้นไปที่การใช้งานร่วมกันของสองวิธีนี้เท่านั้น สำหรับวิธี SASW นั้นมีบทบาทที่จำกัดกว่า กล่าวคือ ใช้ในการตรวจหารอยแตกในแนวตั้ง จึงเป็นวิธีการทดสอบเพื่อเพิ่มความมั่นใจในกระบวนการตรวจสอบคุณภาพเท่านั้น การทดสอบแบบไม่ทำลายในที่นี้ไม่สามารถใช้ทดสอบแรงยึดเหนี่ยว (Bond Strength) ระหว่างวัสดุที่ยึดด้วยอีพอกซีได้ แต่เป็นการใช้งานเพื่อระบุตำแหน่งของรอยแตกในเนื้อคอนกรีต บทความนี้จะกล่าวถึง ขั้นตอนการซ่อมแซม, พื้นฐานของวิธี IE และ UPV, การทดสอบในสนาม และผลการทดสอบ

รูปที่ 1 ความเสียหายบนคานคอนกรีตด้านทิศตะวันออกก่อนได้รับการซ่อมแซม

รูปที่ 2 คานคอนกรีตที่เสียหายก่อนได้รับการซ่อมแซมโดยการอัดฉีดด้วยอีพอกซี

ขั้นตอนการซ่อมแซม
แรงกระแทกที่เกิดขึ้นที่ปีกคานสะพานด้านล่างทำให้คานหมุนตัวเข้าด้านในสู่แนวกึ่งกลางสะพาน การหมุนของคานนี้ถูกต้านทานจากแผ่นไดอะแฟรมคอนกรีตที่ค้ำยันอยู่ระหว่างคาน ทำให้เกิดรอยแตกและการกะเทาะขึ้นมากบริเวณที่คานติดกับแผ่นไดอะแฟรม รอยบิ่นกะเทาะทั้งที่เกิดเต็มความลึกและเกิดลึกเพียงบางส่วนในส่วนที่เป็นตัวคานได้ถูกปรับแต่งด้วยเครื่องสกัดไฟฟ้าขนาดเบา (15 ปอนด์) เพื่อให้บริเวณที่ต้องการซ่อมแซมมีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยม แล้วทำการตัดขอบของพื้นที่ซ่อมให้เรียบตั้งฉากกับตัวคานโดยมีความลึกอย่างน้อย ? นิ้ว ต่อมาทำให้พื้นผิวของพื้นที่ซ่อมเปียกชุ่มด้วยน้ำแล้วทิ้งไว้ให้แห้งในอากาศเพื่อให้พื้นผิวของพื้นที่ซ่อมอยู่ในสภาวะเปียกชุ่มถึงแห้ง จากนั้นใช้โพลิเมอร์โมดิฟายด์มอร์ตาร์เติมลงไปในพื้นที่ซ่อมที่ได้ตัดแต่งไว้แล้วในลักษณะของการหล่อคอนกรีตเข้าในแบบหล่อ แล้วบ่มทิ้งไว้ 7 วัน หลังจากซ่อมแซมตัวคานเสร็จเรียบร้อย ก็ทำการใส่น้ำหนัก (Preload) แก่ตัวคาน จากนั้นดำเนินการซ่อมบริเวณปีกคานด้านล่างต่อไปด้วยวิธีการเดียวกันกับที่ได้กล่าวมาแล้ว เมื่อเสร็จสิ้นกระบวนการซ่อมแซมตัวคานและปีกคานแล้วจะเป็นการฉีดอีพอกซีเข้าไปตามรอยแตกซึ่งมีความยาวรวมกันประมาณ 800 ฟุต (รูปที่ 2 แสดงรูปคานก่อนที่จะทำการอัดฉีดอีพอกซี, รูปที่ 3 แสดงการติดตั้งอุปกรณ์การอัดฉีดอีพอกซี) ในกระบวนการซ่อมแซมทั้งหมดนี้ ได้มีการตรวจสอบโดยวิศวกรโครงสร้างในขั้นตอนก่อนที่จะมีการหล่อมอร์ตาร์และในขั้นตอนที่สำคัญๆ อื่น เพื่อเป็นการควบคุมคุณภาพด้วย

รูปที่ 3 การติดตั้งอุปกรณ์อัดฉีดอีพอกซีบนคานคอนกรีตที่เสียหาย

การตรวจสอบคุณภาพโดยวิธีทดสอบแบบไม่ทำลาย

           เมื่อทำการซ่อมแซมคานเสร็จเรียบร้อยแล้ว ได้ทำการตรวจสอบคุณภาพของการซ่อมแซมโดยใช้วิธีการทดสอบแบบไม่ทำลายร่วมกัน 2 วิธี คือวิธี IE และวิธี UPV ซึ่งในหัวข้อต่อไปนี้จะได้กล่าวถึงหลักการพื้นฐานทั่วๆ ไปของการทดสอบ IE และ UPV, การทำการทดสอบในสนามตลอดจนผลการทดสอบจากการทดสอบด้วยวิธีดังกล่าว

IE
           IE เป็นวิธีการที่ใช้คลื่นความเค้น (Stress Wave) ที่ได้จากตัวกระแทก (Impactor) ซึ่งทำจากเหล็กชิ้นเล็กๆ ในการกำเนิดแรงกระแทกบริเวณพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ต้องการทดสอบและใช้ตัวรับสัญญาณ (Receiver) ซึ่งอยู่ใกล้ๆ กันเก็บข้อมูลคลื่นที่สะท้อนออกมา ข้อดีของการทดสอบ IE ก็คือต้องการการเข้าถึงตัวโครงสร้างเพียงด้านเดียวเท่านั้น คลื่นการกระจัดที่สะท้อนออกมาเป็นความสัมพันธ์กับเวลาจะถูกบันทึกโดย Transducer ที่ติดตั้งอยู่บนพื้นผิวของชิ้นส่วนทดสอบใกล้ๆ กับบริเวณที่กำเนิดแรงกระแทก คลื่นการกระจัดที่สะท้อนกลับมาเนื่องจากความหนาของโครงสร้าง และ/หรือ รอยแตกต่างๆ ในวัสดุจะสังเกตเห็นได้ไม่ชัดเจนนักเมื่อพิจารณาจากความสัมพันธ์กับเวลา (Time Domain) แต่จะสามารถระบุได้อย่างง่ายมากยิ่งขึ้นเมื่อพิจารณาจากความสัมพันธ์กับความถี่ (Frequency Domain) เพื่อให้เป็นเช่นนี้ จึงต้องคำนวณ Linear Frequency Spectra ของคลื่นสะท้อนโดยวิเคราะห์สัญญาณที่ได้รับโดย Fast Fourier Transform (FFT) เพื่อให้เกิดจุดสูงสุดที่เด่นชัด
           รูปที่ 4 แสดงแผนผังหลักการของวิธีการนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่สูงสุดของคลื่นสะท้อน (f), ความเร็วของคลื่น (Vp) และความลึกของการสะท้อน (D) สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

(1)

สัมประสิทธิ์ b มีค่าตั้งแต่ 0.75 สำหรับเสากลม ไปจนถึง 0.96 สำหรับโครงสร้างในลักษณะของผนังหรือแผ่นพื้น (เช่น กรณีตัวคานของคานรูปตัวไอ)1 โดยปกติจะใช้วิธี IE ในการตรวจวัดความหนาของโครงสร้างคอนกรีต, การทดสอบคุณภาพคอนกรีตและการตรวจหาความบกพร่องของเนื้อคอนกรีต เป็นต้น วิธี IE นี้เหมาะสำหรับการตรวจสอบรอยแตกที่มีทิศทางขนานกับพื้นผิวของโครงสร้างที่ทดสอบ

รูปที่ 4 แผนผังวิธีการทดสอบ IE

UPV
วิธี UPV ประกอบด้วยการวัดความเร็วของคลื่นและการกระจัดสูงสุด (Amplitude) ในคอนกรีต โดยการจับเวลาโดยตรงและวัดค่าการกระจัดสูงสุด โดยทั่วไปเมื่อคลื่นมีความเร็วและการกระจัดสูงสุดต่ำ จะแสดงให้เห็นถึงเนื้อคอนกรีตที่มีคุณภาพต่ำ (หรือเกิดรอยแตก) วิธีนี้ต้องการการเข้าถึงตัวโครงสร้าง 2 ด้าน โดยปกติจะใช้ Transducer 54 kHz จำนวน 2 ตัวเป็นตัวส่งและตัวรับสัญญาณติดอยู่ที่พื้นผิวทั้งสองด้านของโครงสร้าง โดยต้องทราบระยะทางระหว่าง Transducer ทั้งสอง รูปที่ 5 แสดงหลักการของวิธีทดสอบ UPV ความเร็วของคลื่น Ultrasonic สามารถคำนวณได้โดยการหารระยะทาง (d) ด้วยระยะเวลาในการเคลื่อนที่ของคลื่น (t) ดังสมการต่อไปนี้

(2)

รูปที่ 5 การจัดอุปกรณ์ทดสอบวิธี UPV

การทดสอบในสนาม
           รอยแตกที่ไม่ได้รับการอุดด้วยอีพอกซีในเนื้อคอนกรีต ปกติแล้วจะไม่สามารถตรวจสอบได้ด้วยสายตา ดังนั้น ในการตรวจสอบคุณภาพของการซ่อมแซมด้วยอีพอกซี จึงได้ใช้วิธีการทดสอบแบบไม่ทำลายในการตรวจหารอยแตกในเนื้อคอนกรีตที่อีพอกซีฉีดเข้าไปไม่ถึง การทดสอบแบบไม่ทำลายที่จะกล่าวถึงในที่นี้มี 2 วิธี คือ IE และ UPV
           วิธี IE เหมาะสมกับการตรวจหารอยแตกที่มีทิศทางขนานกับผิวของชิ้นส่วนที่ต้องการทดสอบ ในขณะที่วิธี UPV เหมาะสมกับการตรวจหารอยแตกที่อยู่ในทิศทางอื่นๆ แต่ทั้งวิธี IE และวิธี UPV จะไม่ไวต่อรอยแตกที่มีทิศทางตั้งฉากกับทิศทางที่ทำการทดสอบ อย่างไรก็ตาม เมื่อปรับทิศทางการทดสอบแบบ UPV ให้เอียงเป็นมุมต่างๆ วิธี UPV ก็สามารถใช้ตรวจหารอยแตกที่มีทิศทางตั้งฉากได้ การใช้วิธีทั้งสองวิธีร่วมกันนี้พบว่าเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงมากในการตรวจสอบการอุดรอยแตกด้วยอีพอกซี การทดสอบในสนามของวิธีการทั้งสองวิธีแสดงในรูปที่ 6(a) ถึง (c)
           ช่วงที่คานสะพานคอนกรีตเกิดความเสียหายมีระยะทางยาวประมาณ 70 ฟุต รอยแตกและรอยบิ่นกะเทาะเกิดขึ้นรุนแรงมากบริเวณตัวคานและปีกคานด้านทิศตะวันออกของคานที่เกิดความเสียหาย การทดสอบแบบไม่ทำลายนี้ทำการทดสอบในลักษณะเป็นจุดๆ (Spot Check) โดยการตีตารางขนาด 6 6 ตารางนิ้ว บนพื้นที่ 1 1 ตารางฟุต ในแต่ละสถานีทดสอบซึ่งสุ่มเลือกจากตำแหน่งบนตัวคานที่ได้รับการซ่อมแซมแล้วทั้งหมด 16 แห่ง ทั้งนี้สถานีทดสอบทั้งหมดอยู่ในช่วงที่มีการซ่อมแซมโดยการอุดรอยแตกด้วยอีพอกซี การทดสอบ IE กระทำที่ผิวคานด้านทิศตะวันออกที่ทุกๆ จุดของตารางของสถานีทดสอบทุกแห่ง จุดที่ทำการทดสอบ IE และทิศทางการทดสอบดังแสดงในรูปที่ 7(a) ถ้าหากว่าผลการทดสอบ IE แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ที่จะพบรอยแตกในเนื้อคอนกรีตที่ยังไม่ได้รับการฉีดอีพอกซี ก็จะใช้การทดสอบ UPV กับบริเวณนั้นเพื่อยืนยันและตรวจหาขนาดของรอยแตกที่มีอยู่ การทดสอบ UPV ดำเนินการโดยใช้ Transducer 54 kHz 2 ตัว Transducer ตัวส่งสัญญาณติดตั้งอยู่ที่จุดกึ่งกลางของสถานีทดสอบที่ผิวคานด้านทิศตะวันออก ในขณะที่ Transducer ตัวรับสัญญาณติดตั้งอยู่ที่ทุกๆ จุดของตารางบนผิวคานด้านทิศตะวันตก การทดสอบ UPV จะทดสอบทั้งหมด 9 เส้นทางในแต่ละสถานี รวมทั้งสิ้น 144 เส้นทางในคานทั้งตัว ตำแหน่งของการทดสอบ UPV และเส้นทางการทดสอบในแต่ละสถานีทดสอบแสดงในรูปที่ 7(b) รูปที่ 7(b) นี้แสดงให้เห็นเฉพาะส่วนตัวคานของคานรูปตัวไอเท่านั้น

รูปที่ 6 การทดสอบด้วยวิธี IE และ UPV

รูปที่ 7 ตำแหน่งของการทดสอบและเส้นทางการทดสอบในแต่ละสถานีทดสอบ

ตัวอย่างผลการทดสอบ
ในหัวข้อนี้จะเสนอตัวอย่างผลการทดสอบ IE และ UPV จากสถานีทดสอบแห่งหนึ่ง (สถานีทดสอบ O) บนคานที่ได้รับการซ่อมแซม ผลความถี่ที่ได้จากการทดสอบ IE จากสถานีทดสอบ O ที่ทดสอบกับตัวคานแสดงไว้ในรูปที่ 8 ผลทดสอบ IE ของจุดทดสอบ 5 แสดงลักษณะของการมีรอยแตกในเนื้อคอนกรีต (ไม่ได้อุดด้วยอีพอกซี) เพราะสังเกตได้จากคลื่นสะท้อนที่มีจุดสูงสุดหลายแห่ง ส่วนผลการทดสอบ IE ที่แสดงถึงเนื้อคอนกรีตที่ดีดังที่จุดทดสอบ 9 แสดงไว้ในรูปที่ 8 ข้อมูลจากจุดทดสอบอื่นๆ ของสถานีทดสอบ O เป็นไปในลักษณะเดียวกันกับผลของจุดทดสอบ 9 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงเนื้อคอนกรีตที่ดี จะมีจุดสูงสุดของคลื่นสะท้อนที่เกิดที่ผิวด้านหลังของตัวคาน ซึ่งเป็นความถี่ที่สอดคล้องกับความลึก 6.3 นิ้ว ใกล้เคียงกับความหนาของคานตามแบบที่เท่ากับ 6.0 นิ้ว ผลการทดสอบ IE ที่แสดงให้เห็นถึงการมีรอยแตกในเนื้อคอนกรีตจะมีลักษณะคลื่นสะท้อนที่มีจุดสูงสุดหลายๆ จุดที่ความลึกแตกต่างกัน แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ว่าที่ความลึกนั้นจะมีรอยแตกเกิดขึ้นและไม่มีอีพอกซีฉีดเข้าไปถึง

รูปที่ 8 ตัวอย่างผลการทดสอบ IE แสดงให้เห็นถึงคอนกรีตที่ดีและคอนกรีตที่มีรอยแตก

ผลการทดสอบ UPV จากสถานีทดสอบ O แสดงในรูปที่ 9 ผลการทดสอบ UPV แบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทตามความเร็วของ UPV ประเภทแรกคือ UPV ที่มีความเร็วมากกว่า 11,000 ฟุตต่อวินาที ประเภทที่สองคือ UPV ที่มีความเร็วระหว่าง 11,000 ถึง 10,000 ฟุตต่อวินาที และประเภทสุดท้ายคือ UPV ที่มีความเร็วต่ำกว่า 10,000 ฟุตต่อวินาที ดังที่ได้กล่าวไว้แล้วก่อนหน้านี้ว่า โดยปกติความเร็วของคลื่นยิ่งสูง ยิ่งแสดงให้เห็นถึงคุณภาพของเนื้อคอนกรีตที่ดี และจากผลการทดสอบจากสถานีทดสอบ O ผลการทดสอบ UPV แสดงให้เห็นว่าคุณภาพของคอนกรีตในเส้นทาง 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 และ 5-7 มีคุณภาพดี และคอนกรีตในเส้นทาง 5-5, 5-8 และ 5-6 มีคุณภาพต่ำลงมา ส่วนเส้นทาง 5-9 คอนกรีตมีคุณภาพต่ำที่สุด
จากผลการทดสอบ UPV บริเวณที่มีรอยแตกจะอยู่ที่มุมทางทิศใต้ของสถานีทดสอบ O และจากการทดสอบ IE ผลการทดสอบที่จุดทดสอบ 9 ปรากฏว่าคอนกรีตมีคุณภาพดี ไม่มีรอยแตกภายใน เมื่อพิจารณาผลการทดสอบร่วมกัน จะคาดได้ว่ารอยแตกในเนื้อคอนกรีตวางตัวทำมุมพาดผ่านเส้น 5-5, 5-6 และ 5-9 โดยที่รอยแตกจะอ้ากว้างมากที่เส้น 5-9 และแคบลงจนถึงส่วนปลายที่เส้น 5-5 รอยแตกนี้ไม่แผ่ขยายไปถึงปลายทางด้านทิศใต้ (จุดทดสอบ 9) ของสถานีทดสอบ O เนื่องจากผลการทดสอบ IE จากจุดทดสอบ 9 มีผลออกมาว่าคอนกรีตมีคุณภาพดี

รูปที่ 9 ตัวอย่างผลการทดสอบ UPV ที่สถานีทดสอบ O

เครื่องมือทดสอบที่มีประโยชน์
           การทดสอบแบบไม่ทำลายได้พิสูจน์ให้เห็นว่ามีประโยชน์ทั้งในการตรวจสอบคอนกรีตใหม่ และตรวจสอบคุณภาพของการซ่อมคอนกรีตที่รอยแตกภายในเนื้อคอนกรีตไม่สามารถตรวจสอบได้ด้วยสายตา แต่สามารถตรวจหาได้ด้วยคลื่นความเค้น การนำเอาการทดสอบแบบไม่ทำลายมาใช้ในการตรวจสอบคุณภาพของการซ่อมแซมคอนกรีตนี้เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพมาก ผลการทดสอบจากหลายวิธีสอดคล้องกันเป็นอย่างดีเป็นการเพิ่มความมั่นใจในการประมาณตำแหน่งและขนาดของเนื้อคอนกรีตที่เกิดรอยแตก วิธีการทดสอบแบบไม่ทำลายทำให้ระดับความเชื่อมั่นในการประเมินคุณภาพคอนกรีตเพิ่มขึ้นอย่างมาก รายละเอียดของวิธีการทดสอบแบบไม่ทำลายได้กล่าวไว้ใน ACI 228.2R-982 การทดสอบแบบไม่ทำลายที่ใช้ในการตรวจสอบคุณภาพนี้ สามารถใช้ตรวจหารอยแตก, โพรง และความบกพร่องอื่นๆ ในเนื้อคอนกรีตได้ แต่ไม่สามารถตรวจสอบความแข็งแรงของการซ่อมแซมได้ ในกรณีที่ต้องการทดสอบความแข็งแรงของอีพอกซีและแรงยึดเหนี่ยวของการปะซ่อม ควรใช้การทดสอบแบบกึ่งทำลาย (Semidestructive Test) เช่น การทดสอบ Pull-Off (ACI 228.1R-95)3 หรือต้องทำลายเนื้อคอนกรีตโดยการเจาะแท่งตัวอย่างแล้วนำไปทดสอบในห้องทดลอง ความเร็วของคลื่นความเค้นสามารถใช้ทำนายความแข็งแรงของคอนกรีตที่ยังไม่เสียหายได้ถ้ามีการเทียบความสัมพันธ์กับผลการทดสอบแท่งคอนกรีตหรือแท่งคอนกรีตที่เจาะมาตามมาตรฐาน ACI 228.1R-95

เอกสารอ้างอิง
           1. Sansalone, M.J., and Streett, W.B., Impact-Echo Nondestructive Evaluation of Concrete and Mansory, Bullbrier Press, 1977, Ithaca, N.Y.
           2. ACI Committee 228, “Nondestructive Test Methods for Evaluation of Concrete in Structures (ACI 228.2R-98)”, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich., 1998, 62 pp.
           3. ACI Committee 228, “In-Place Methods to Estimate Concrete Strength (ACI 228.1R-95)”, American Concrete Institute, Farmington Hills, Mich., 1995, 41 pp.

คะแนน:

ร่วมแสดงความคิดเห็น (Post Comment)