混凝土結(jié)構(gòu)檢測中探地雷達和超聲波法的運用研究

陳仕坤

摘要：目前，混凝土的結(jié)構(gòu)檢測越來越重要。若是混凝土內(nèi)部存在有空洞或是不密實的區(qū)域，勢必會嚴重影響建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性能。無損檢測主要用于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中，其中以探地雷達和超聲波法的使用最為普遍，檢測結(jié)果也比較準確。本文主要介紹了這兩種方法在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測中的使用原理，表明探地雷達和超聲波法在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中是可行的，在此基礎上總結(jié)出兩種方法使用的側(cè)重點和優(yōu)勢。希望通過這兩種方法的簡要介紹，可以給其具體使用帶來一定程度的指導意義。

關(guān)鍵詞：探地雷達；超聲波；無損檢測；混凝土結(jié)構(gòu)

引言

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部若存在不密實區(qū)或空洞等缺陷，必然會嚴重影響結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。我國的建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)模越來越宏大，當建筑物由于某種原因不能滿足某項功能的要求或?qū)M足某項功能的要求產(chǎn)生懷疑時，就需要對建筑物的整體結(jié)構(gòu)、某一部分結(jié)構(gòu)或者是某構(gòu)件進行檢測與改造。本文列舉出了用標準試件評價混凝土質(zhì)量的劣勢，接著介紹了探地雷達和超聲波兩種方法在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的具體應用。

1標準試件評價混凝土質(zhì)量的缺點

傳統(tǒng)的混凝土質(zhì)量檢測方法為用標準試件評價混凝土質(zhì)量，這種方法存在一些顯而易見的缺點，主要有：不能反映混凝土的施工和養(yǎng)護質(zhì)量；不能反映結(jié)構(gòu)各部位混凝土強度質(zhì)量，評價的均勻性不強；當沒有試件或者對試件的制作、養(yǎng)護、抗壓實驗等條件有懷疑時，沒有辦法評價驗收混凝土強度；不能反映混凝土結(jié)構(gòu)老化或意外損傷后的強度；不能反映特殊工藝生產(chǎn)的構(gòu)件混凝土強度，例如噴射、離心、擠壓、振動模式等等；不能進行多次試驗，例如在觀測混凝土強度發(fā)展或者檢測外界因素的實驗的時候等等方面。這些方面的缺點都限制了這種方法的應用，并促進了新的檢測方法的發(fā)展。

2無損檢測技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，一些無損檢測技術(shù)越來越多地應用在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中。無損檢測技術(shù)是指不破壞混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的條件下，在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件原位上對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度和缺陷進行直接定量檢測的技術(shù)。在檢測混凝土的強度方面有回彈法、綜合法；在檢測混凝土內(nèi)部缺陷的方面有超聲法、沖擊回波法、雷達波反射法、紅外熱譜法等，本文主要介紹的是探地雷達和超聲波兩種方法的具體應用。

2.1探地雷達檢測法原理

探地雷達技術(shù)探測識別混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)部缺陷和埋設物并不是一項新技術(shù)，國外很多學者和檢測機構(gòu)都對其進行了一定程度的研究。探地雷達是一種高效的淺層地球物理探測技術(shù)，它通過發(fā)射高頻電磁脈沖波，利用地下介質(zhì)電性參數(shù)（見表1電磁波在部分常見介質(zhì)中的傳播參數(shù)）的差異，根據(jù)回波的振幅、波形和頻率等運動學和動力學特征來分析和推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征，即不同的介質(zhì)在電磁特性上的差異會造成雷達反射回波在波幅、波長及波形上有相應的變化?；炷僚c金屬和空氣間均存在明顯的電磁性能差異，因此可以將探地雷達用于混凝土結(jié)構(gòu)的檢測中，來探測混凝土中的空洞、裂縫等。

雷達的發(fā)射天線向被探測混凝土的內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波，在電磁特性發(fā)生變化的地方，雷達波一部分被反射回來并由接收天線接收，一部分發(fā)生散射，剩下的繼續(xù)向內(nèi)透射。由天線接收到的雷達信號經(jīng)計算機和雷達專用軟件處理后形成雷達圖像，從而可以對介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行描述，比如混凝土厚度，內(nèi)部埋藏物的深度，內(nèi)部缺陷的深度、大小、形狀、走向以及分界面等。

根據(jù)電磁學理論：非磁性介質(zhì)如混凝土的磁導率為1，當天線頻率很高時，被探

測介質(zhì)的導電率σ又較小時，雷達波的傳播速度如下式所示：

在上式中，V0 是雷達波在空氣中的傳播速度，為一定值：v0 = 0.3 m/ns，根據(jù)波長 ，可以得出當使用某一固定頻率的天線進行雷達探測時，如果被探測的混凝土的相對介電常數(shù)有發(fā)生任何變化，那么雷達波的波速就會發(fā)生變化，波長也會變化。電磁波在介質(zhì)中的傳播能量衰減系數(shù)為 ，當電磁波的頻率一定的前提下，如果介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電導率都比較大，雷達波的能量衰減的會很快。因為空氣的介電常數(shù)比混凝土的要小得多，所以，在有內(nèi)部缺陷的混凝土中雷達波的能量衰減較慢，在有孔洞的地方波幅衰減速度減慢，甚至會出現(xiàn)波幅異常增大的現(xiàn)象。根據(jù)這種現(xiàn)象我們就能有效并且準確地檢測混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2超聲波檢測法原理

超聲波檢測技術(shù)目前普遍運用于我國的工程建筑行業(yè)，2000年由中國工程建設標準化協(xié)會批準頒布了《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》，在一定程度上為超聲波檢測技術(shù)的應用提供了技術(shù)標準。超聲波檢測技術(shù)主要用于對混凝土材料、構(gòu)件的檢測，其目的是檢測混凝土材料內(nèi)部是否存在裂縫、空洞等。混凝土是由多種材料組合的非均質(zhì)材料，對超聲脈沖的吸收、散射衰減較大，因此，當混凝土的材料、內(nèi)部質(zhì)量和檢測距離一定時，超聲波在混凝土中傳播的速度、首波幅度等聲學參數(shù)的數(shù)值應該保持基本的一致，例如對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說，聲速高則混凝土密實，相反則混凝土不密實。但如果混凝土內(nèi)部出現(xiàn)空洞或者裂縫時，混凝土完整性被破壞，超聲波的聲速、信號頻率會有所變化，超聲脈沖波只能繞過裂縫或空洞傳播到接收換能器，因此傳播路

程增大，測得的聲時必然偏長或聲速降低。而且由于超聲波在缺陷的層面產(chǎn)生復雜的反射、折射等現(xiàn)象，會使得聲能衰減，成分中頻率越高的部分其聲能衰減地越快，從而使得接收信號的波幅很大程度地降低，導致頻率明顯減小以及整個頻率譜中高頻率成分大大減少，信號經(jīng)過缺陷發(fā)生反射或繞過缺陷傳播得到的的脈沖波和直接到達的脈沖波信號之間相互疊加，因為存在聲程和相位差，二者會產(chǎn)生干擾，從而會使得接收到的信號的波形發(fā)生變化，超聲波測試正是根據(jù)這些變化綜合混凝土聲學參數(shù)測量值的相對變化分析、判定內(nèi)部缺陷的位置和范圍并估算缺陷的尺寸大小。

在利用超聲波技術(shù)檢測混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，需要注意的是由于混凝土本身的不均勻性，即使混凝土內(nèi)部沒有缺陷，測得的聲時、波幅等一些參數(shù)值也會在一定范圍內(nèi)波動，更不用說混凝土原材料品種、用量和混凝土的濕度測距等都會在不同程度上影響聲學參數(shù)值，因此我們不可以確定一個固定的臨界指標作為標準判斷缺陷是否存在，而是需要根據(jù)所測得數(shù)據(jù)在經(jīng)過應用抽樣檢驗理論和數(shù)學推導以及適當?shù)暮喕?，根?jù)得到的樣本平均值和標準差來確定完整的混凝土和缺陷混凝土的波幅和聲速的分解值。

陜西某建筑結(jié)構(gòu)的混凝土質(zhì)量檢測中就重點使用了超聲波法。該項目通過超聲波探測混凝土內(nèi)部密實度和混凝土實際強度，并掌握了混凝土的整體澆注質(zhì)量和實際強度。在此基礎上，還結(jié)合了回彈法，綜合起來對重點區(qū)域混凝土表面層缺陷進行探測，掌握混凝土蜂窩、麻面和缺陷層的厚度和疏松狀況。

3應用分析比較

超聲波和探地雷達兩種方法都可以檢測混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，它們的檢測范圍大致相同。但是二者的應用范圍仍然有差別。探地雷達可以粗略地判斷出混凝土的缺陷，而超聲波則能以相對低速區(qū)和低幅區(qū)更好地顯示不密實的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而更加精確地確定混凝土缺陷的位置和尺寸。在實際應用中，要根據(jù)情況而具體確定使用單一方法還是兩種方法結(jié)合使用。單一的應用一種檢測技術(shù)會對工程檢測產(chǎn)生一定的局限性，但是綜合利用各種有效的方法會大大提高工作的準確性和結(jié)果的公正性。這兩種方法在監(jiān)控混凝土的施工質(zhì)量、消除工程不安全隱患以及加快施工監(jiān)督等方面具有很重要的意義。目前在混凝土檢測中主要使用的是無損檢測，雖然檢測手段和檢測效率、準確性等方面都有惡很大的提高，然而根據(jù)國內(nèi)外的使用實例，這一方面的研究還是不完整的。因此，我們要在日常運用中總結(jié)經(jīng)驗，進一步完善這兩種方法的使用。

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