混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中探地雷達(dá)和超聲波法的運(yùn)用研究

吳永清

摘要：若混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部有空洞或不密實(shí)區(qū)等缺陷，會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能。為保證保證大型結(jié)構(gòu)安全服役，混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)是重要的檢測(cè)方法。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中探地雷達(dá)和超聲波法運(yùn)用的原理和方法，表明用探地雷達(dá)結(jié)合超聲波檢測(cè)混凝土不密實(shí)區(qū)和空洞的效果較理想，用于無損檢測(cè)是可行的。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；超聲波；無損檢測(cè)

1引言

混凝土結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)裂縫，這只是缺陷形式之一，混凝土的無損檢測(cè)技術(shù)是為了探測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面缺陷，并對(duì)缺陷的性質(zhì)分布及其變化等作出判斷和評(píng)價(jià)，然后在不損傷混凝土結(jié)構(gòu)的前提下，就是利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶?duì)聲、熱、電、光、磁等反應(yīng)的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。無損檢測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，其重要性已得到公認(rèn)。它一般有三種含義，即無損檢測(cè)、無損檢查和無損評(píng)價(jià)。目前雷達(dá)技術(shù)和超聲波技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)中。

2 探地雷達(dá)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理

探地雷達(dá)檢測(cè)具有方便快捷和無損的特點(diǎn)，是原理是利用電磁波在介質(zhì)中的傳播，通過記錄傳播的波形、傳播時(shí)間以及電磁場(chǎng)強(qiáng)度等屬性，推斷混凝土結(jié)構(gòu)特征的一種物理探測(cè)方法，也是目前應(yīng)用最廣泛的無損檢測(cè)方法之一。雷達(dá)系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線和顯示器等部分組成，其中天線部分又分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分。用探地雷達(dá)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的方法為反射法，檢測(cè)時(shí)，雷達(dá)的發(fā)射天線向混凝土的內(nèi)部發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波會(huì)集中在一個(gè)很窄的方向形成波束傳播。遇到鋼筋，孔洞時(shí)電磁屬性就會(huì)發(fā)生變化，從而使部分雷達(dá)波被反射回來，這些信號(hào)就會(huì)被接收機(jī)接收（原理圖如圖1），然后通過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接收機(jī)，形成雷達(dá)的回波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)和雷達(dá)專用軟件處理后形成雷達(dá)圖像，據(jù)此就可對(duì)所檢測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)（如混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞，鋼筋的位置，混凝土保護(hù)層的厚度等）進(jìn)行描述。在混凝土缺陷的研究中，由于不同結(jié)構(gòu)的含水量及孔隙率不同，物質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出不同的介電性質(zhì)，在雷達(dá)掃描圖中，將會(huì)出現(xiàn)互異的雷達(dá)波形圖。表1是工程中不同介質(zhì)的電磁參數(shù)檢測(cè)結(jié)果。

圖1 探地雷達(dá)原理

表1工程中常見介質(zhì)的電磁參數(shù)

介質(zhì)名稱 電導(dǎo)率 相對(duì)介電常數(shù)

空氣 0 1

淡水冰 4

石灰?guī)r（濕） 2.5 8

混凝土（潮濕） ～ 10～20

混凝土（干燥） 4～10

混凝土內(nèi)部出現(xiàn)缺陷損傷是難免會(huì)有的，要想采用無損檢測(cè)確定缺陷的位置、取向和范圍，有需要研究由缺陷邊界不同側(cè)介電常數(shù)的差異所引起反的射波相位和幅度的變化。這樣，通過計(jì)算發(fā)射電磁波至反射波返回的時(shí)間差和混凝土中微波傳播的速度就可確定反射體的位置，從而檢測(cè)出混凝土內(nèi)部缺陷的位置。

3超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理

超聲波主要采用“穿透法”來檢測(cè)混凝土空洞或不密實(shí)區(qū)。超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理是通過研究超聲波在物體內(nèi)部傳播時(shí)，聲波在通過物體內(nèi)部不同界面時(shí)表現(xiàn)出的衰減、繞射和反射等物理特性，測(cè)定物體內(nèi)部缺陷的一種無損檢測(cè)方法。當(dāng)超聲波在傳播過程中遇到裂縫、空洞、蜂窩等缺陷時(shí)，發(fā)射換能器發(fā)射的大部分超聲波會(huì)在缺陷界面產(chǎn)生散射、反射等現(xiàn)象，在到達(dá)接收換能器時(shí)聲波能量（波幅）就會(huì)發(fā)生顯著減小，所以可根據(jù)波幅變化結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷做出判斷。當(dāng)超聲波遇到尺寸比其波長(zhǎng)小的缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射，繞射的結(jié)果便是超聲波傳播的時(shí)間增長(zhǎng)。超聲波在穿過缺陷區(qū)時(shí)，超聲波波速和振幅會(huì)發(fā)生衰減，再加上被測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，從而使得聲波的傳播路徑不確定，造成波形的畸變。由此可根據(jù)超聲波聲速的變化及其波幅以對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷進(jìn)行判斷。在穿過缺陷區(qū)時(shí)，不同幅度的超聲波在缺陷界面產(chǎn)生不同的衰減，規(guī)律表明，波的幅度越高，衰減就會(huì)越大。因此，當(dāng)有缺陷的混凝土的超聲脈沖波被接收換能器接收時(shí)，接收到的主信號(hào)的幅度會(huì)發(fā)生顯著降低。通過接收信號(hào)的振幅變化情況即可分析判斷缺陷情況。

4應(yīng)用實(shí)例

4.1探地雷達(dá)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例

本次試驗(yàn)使用瑞典MALA公司的RAM-AC/GPR CUII高端多通道通用探地雷達(dá)。該機(jī)是當(dāng)今世界上唯一可以單人操作的探測(cè)雷達(dá)。

檢測(cè)前，要弄清楚測(cè)區(qū)的周圍環(huán)境，盡量減少對(duì)雷達(dá)波干擾，所以要壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以可能的最大分辨率在地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，以便更精確的反應(yīng)介質(zhì)內(nèi)部的情況。在檢測(cè)嶺澳核電站安全殼時(shí)，利用該雷達(dá)的屏蔽式抗干擾天線向混凝土內(nèi)發(fā)射1.2GHz的電磁波，分析混凝土內(nèi)部的缺陷只需判讀回波圖象。其它的設(shè)定參數(shù)為：采樣頻率34878MHz，天線間隔0.20m，采樣間隔0.10m，時(shí)窗大小8.0ns。采取網(wǎng)格式掃描的方法，利用該雷達(dá)在筒壁表面進(jìn)行掃描，連續(xù)發(fā)射信號(hào)到混凝土結(jié)構(gòu)中，每單位長(zhǎng)度掃描一定的道數(shù)，用計(jì)算機(jī)將檢測(cè)結(jié)果同步顯示并儲(chǔ)存。在建筑質(zhì)量工程檢測(cè)中，裂縫的問題擺在突出的位置，但有時(shí)會(huì)由于裂縫的細(xì)微和雜亂，使得較難檢測(cè)到裂縫。但雷達(dá)技術(shù)就在裂縫的位置及深度的檢測(cè)中發(fā)揮了很大的作用。在本次檢測(cè)中，我們也對(duì)安全殼2RX筒底水平向進(jìn)行了雷達(dá)探測(cè)，從雷達(dá)圖像可以清晰地看到，在距起始點(diǎn)0.62m和2.21m處，雷達(dá)圖像同相軸錯(cuò)斷，該現(xiàn)象說明已有裂縫在這兩處出現(xiàn)，通過右側(cè)縱坐標(biāo)我們可以觀察到裂縫的延伸趨勢(shì)，右側(cè)裂縫從0.26m延伸至0.58m，左側(cè)裂縫從0.18m延伸至0.42m，由于這兩個(gè)裂縫縱向延伸長(zhǎng)度并不大，在結(jié)構(gòu)工程中是安全的。

圖4 雷達(dá)截面圖

4.2超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)中的應(yīng)用

此次檢測(cè)所用的儀器為RSM-SY5聲波儀，換能器頻率采用50 kHz。

一般采用波幅-聲速綜合分析法進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)，即通過測(cè)得的波幅值及波速值的大小來反映混凝土質(zhì)量的好壞。當(dāng)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫和空洞等缺陷時(shí)，波幅值和聲速值會(huì)降低較多。即使是沒有缺陷的混凝土，測(cè)得的聲時(shí)、波幅等參數(shù)值也會(huì)在一定范圍波動(dòng)，這是由于混凝土本身的不均勻性，同時(shí)混凝土的濕度和測(cè)距、混凝土原材料品種及用量等都不同程度地影響到聲學(xué)參數(shù)值。在檢測(cè)的過程中，不可能確定一個(gè)固定的臨界指標(biāo)作為判斷缺陷的標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)來做詳細(xì)的分析與判斷。較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ㄊ菓?yīng)用抽樣檢驗(yàn)理論，經(jīng)過適當(dāng)形式的簡(jiǎn)化和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立根據(jù)樣本平均值和標(biāo)準(zhǔn)差來確定完好混凝土和缺陷混凝土的波幅和聲速的分界值。這樣使得超聲波在混凝土無損檢測(cè)中應(yīng)用更具科學(xué)性說服性。

5結(jié)論

在很多工程實(shí)例中可以總結(jié)出這樣一個(gè)結(jié)論，雷達(dá)測(cè)試和超聲波綜合測(cè)試的結(jié)果相互吻合，其探測(cè)出的混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的范圍大致是相同的，而超聲波能夠更加精確的反應(yīng)出缺陷混凝土存在的位置，從而確定此區(qū)域混凝土存在不密實(shí)或空洞等缺陷。由此可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于工程檢測(cè)而言，使用單一的手段和方法難免會(huì)有一定的局限性。而當(dāng)綜合利用各種有效手段進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)，將大大提高結(jié)果的公正性和工作的準(zhǔn)確性。對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土進(jìn)行不密實(shí)區(qū)和空洞缺陷檢測(cè)是非常重要的，不僅在加快施工進(jìn)度、消除工程隱患以及監(jiān)控混凝土的施工質(zhì)量等方面具有很重要的義，而且也從側(cè)面反映出工程注重施工過程將會(huì)優(yōu)于結(jié)果控制的道理，對(duì)于工程建設(shè)具有借鑒意義。

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