混凝土淺層鋼筋對(duì)雷達(dá)檢測(cè)的屏蔽作用

汪 博，曹 曠

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210017;2.南京工大建設(shè)工程技術(shù)有限公司，南京 210002)

雷達(dá)檢測(cè)是近年來(lái)在結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域新興的一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)，其原理是利用不同介質(zhì)電磁屬性和幾何形態(tài)的差異，根據(jù)反射波在波幅及波形上的變化形成圖像，再進(jìn)行分析。其具有高效、高分辨率、操作方便、掃描范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

陳禮偉[1]采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)了較小尺寸的混凝土缺陷，且混凝土齡期越短，探測(cè)效果越明顯。魏超等[2]采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)了隧道襯砌，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及資料處理分析應(yīng)注意的問(wèn)題。CHERIF等[3]采用雷達(dá)研究了保溫混凝土墻體的成型質(zhì)量，并成功檢測(cè)出了保溫材料與混凝土之間的縫隙。吳豐收[4]系統(tǒng)性地針對(duì)混凝土檢測(cè)的粗糙界面雷達(dá)信號(hào)特征、鋼筋網(wǎng)分布等進(jìn)行了研究，并利用探地雷達(dá)的參數(shù)來(lái)獲取混凝土的密實(shí)度、含水量等特性。丁亮等[5]針對(duì)水利水電工程中混凝土構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題，提出了基于Maxwell(麥克斯韋)方程的反演成像方法。陳培[6]制作了混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件來(lái)模擬不同的缺陷，獲得了不同頻率天線雷達(dá)及天線陣?yán)走_(dá)探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)圖譜，采用合適的處理技術(shù)壓制了干擾信息，獲得了較易分辨的雷達(dá)掃描圖像。劉宗輝等[7]采用頻譜方法反演出二次襯砌厚度及脫空層高度，嘗試提高探地雷達(dá)的垂直分辨率。楊威等[8]通過(guò)合理布置測(cè)線，正確選取天線頻率和測(cè)試參數(shù)，對(duì)鋼筋混凝土中的各類缺陷進(jìn)行檢測(cè)。凌同華等[9]采用ARMA(自回歸滑動(dòng)平均模型)功率譜分析法識(shí)別異常反射信息，判斷混凝土構(gòu)件的內(nèi)部空洞。

雷達(dá)法在工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛，但在實(shí)際工程中尚有許多細(xì)節(jié)問(wèn)題亟待解決。因?yàn)榻饘贂?huì)對(duì)電磁波起屏蔽作用，所以離檢測(cè)面較近的淺層鋼筋會(huì)對(duì)雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法進(jìn)行有效檢測(cè)。筆者以混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)為例，探討如何在淺層鋼筋的影響下進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)。

1 淺層鋼筋屏蔽試驗(yàn)

1.1 雷達(dá)設(shè)備

試驗(yàn)所用探地雷達(dá)為意大利IDS公司的RIS系列雷達(dá)，RIS雷達(dá)系統(tǒng)組成如圖1所示。常用的雷達(dá)波天線頻率為1 MHz10 GHz，屬于較高頻率的電磁波。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)中的缺陷特征，選擇的雷達(dá)天線中心頻率為2 000 MHz、檢測(cè)面內(nèi)輻射角度為90°，天線輻射角度及極化方向遵循一般工程中的檢測(cè)習(xí)慣，采用H-H極化方式。

圖1 RIS雷達(dá)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)裝置

對(duì)淺層鋼筋干擾下雷達(dá)檢測(cè)效果產(chǎn)生影響的因素有很多，包括鋼筋的直徑、間距、保護(hù)層厚度等，目標(biāo)物的深度、水平位置、電磁特性等以及雷達(dá)天線的輻射角度、極化方向、參數(shù)設(shè)置等。為了重點(diǎn)考慮淺層鋼筋對(duì)于雷達(dá)波屏蔽的影響，選取4個(gè)對(duì)檢測(cè)效果影響較大的因素：淺層鋼筋直徑;淺層鋼筋間距;目標(biāo)物深度;目標(biāo)物水平位置等，作為試驗(yàn)變量，探究這些因素對(duì)最終檢測(cè)效果的影響。

圖2 砂箱結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物照片

制作尺寸為1 200 mm×600 mm×800 mm(長(zhǎng)×寬×高)的木質(zhì)砂箱，砂箱正面為鋼化玻璃，便于觀察記錄其內(nèi)部的鋼筋分布情況，其余三面及底面為木質(zhì)，內(nèi)壁標(biāo)有刻度，砂箱結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片如圖2所示。在試驗(yàn)之前，砂子經(jīng)過(guò)翻曬，已干燥至無(wú)可見(jiàn)水。取直徑分別為6,12,18,24,30 mm的鋼筋各10根，作為淺層干擾鋼筋及目標(biāo)物(30 mm直徑鋼筋)。

1.3 試驗(yàn)工況

影響淺層鋼筋屏蔽效果的參數(shù)較多，根據(jù)目標(biāo)物的深度H及水平位置的不同，將試驗(yàn)分為6組，每組根據(jù)淺層鋼筋的直徑r及中心距S的不同共采集55次數(shù)據(jù)，雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)方法如圖3所示，試驗(yàn)工況如表1所示。

圖3 雷達(dá)檢測(cè)試驗(yàn)方法示意

試驗(yàn)開(kāi)始前確保雷達(dá)天線及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常，所使用的砂子應(yīng)充分干燥，無(wú)可見(jiàn)水；將淺層鋼筋及目標(biāo)物埋入砂箱中的預(yù)定位置，并用鋼尺測(cè)量淺層鋼筋的中心距，平整砂體表面，使砂體表面與淺層鋼筋頂點(diǎn)保持30 mm的距離；沿垂直鋼筋方向放置薄木板，手持雷達(dá)沿木板進(jìn)行掃描，記錄掃描結(jié)果并生成雷達(dá)剖面圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淺層鋼筋直徑與中心距對(duì)雷達(dá)檢測(cè)的影響

各試驗(yàn)組的雷達(dá)屏蔽區(qū)間如圖4所示。由圖4可以看出，淺層鋼筋的直徑與中心距這兩個(gè)影響因素共同作用決定了屏蔽面積的大小，設(shè)α為屏蔽面積與檢測(cè)面積的比率，則有α=r/S(S為淺層鋼筋中心距，r為淺層鋼筋直徑)。定義α1為某工況下，能使目標(biāo)物被雷達(dá)識(shí)別到的α的最大值。各個(gè)試驗(yàn)組的α1均值如表2所示。因而，可以通過(guò)對(duì)α值的計(jì)算，評(píng)判雷達(dá)檢測(cè)的適用性。

表2 各試驗(yàn)組的α1均值

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，要保證在淺層鋼筋存在的情況下目標(biāo)物能夠被有效地探測(cè)，當(dāng)探測(cè)深度在100 mm以內(nèi)時(shí)，淺層鋼筋產(chǎn)生的屏蔽面積不宜超過(guò)檢測(cè)面積的10%；當(dāng)探測(cè)深度大于100 mm的時(shí)候，淺層鋼筋產(chǎn)生的屏蔽面積宜控制在總檢測(cè)面積的11%15%以內(nèi)。

2.2 目標(biāo)物深度對(duì)雷達(dá)檢測(cè)的影響

通過(guò)圖4可以直觀地看出，無(wú)論是A試驗(yàn)組還是B試驗(yàn)組，隨著目標(biāo)物深度的增加，其屏蔽區(qū)間逐漸縮小，即淺層鋼筋的屏蔽效應(yīng)因目標(biāo)物深度的增加有所削弱。

雷達(dá)波在照射到淺層鋼筋表面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，這個(gè)反射回波逆向回到檢測(cè)表面(即混凝土與空氣的分界面)時(shí)，又會(huì)發(fā)生反射和透射，透射的部分被接收天線獲取，而反射的部分又折回淺層鋼筋表面發(fā)生反射。如此周而復(fù)始，直至雷達(dá)波能量耗散殆盡。在雷達(dá)剖面圖上，就會(huì)顯現(xiàn)出如圖5所示的多次疊加反射回波。因?yàn)槔走_(dá)波在多次反射的過(guò)程中，能量最終會(huì)被耗盡，所以這種多次疊加反射回波的影響距離是有限的。當(dāng)目標(biāo)物較淺的時(shí)候，如A1,B1試驗(yàn)組，目標(biāo)物的深度為100 mm，其反射波組會(huì)被淺層鋼筋多次疊加的反射回波所干擾，不易識(shí)別；而當(dāng)目標(biāo)物較深的時(shí)候，比如A2,A3,B2,B3試驗(yàn)組，目標(biāo)物的深度都在200 mm及以上，其反射波避開(kāi)了淺層鋼筋多次疊加反射回波的干擾，反而較易識(shí)別，不同深度目標(biāo)物雷達(dá)檢測(cè)效果對(duì)比如圖6所示。圖6所示的兩幅雷達(dá)圖像中，淺層鋼筋直徑均為6 mm，中心距均為50 mm。

圖5 多次疊加反射回波

圖6 不同深度目標(biāo)物雷達(dá)檢測(cè)效果對(duì)比

2.3 目標(biāo)物水平位置對(duì)雷達(dá)檢測(cè)效果的影響

目標(biāo)物水平位置對(duì)雷達(dá)檢測(cè)效果的影響主要體現(xiàn)在對(duì)反射波組形狀的影響上，當(dāng)目標(biāo)鋼筋處在淺層鋼筋正下方時(shí)，理論上由目標(biāo)鋼筋正上方的測(cè)點(diǎn)發(fā)射的雷達(dá)波是無(wú)法照射到目標(biāo)鋼筋的，這一點(diǎn)反映在雷達(dá)剖面圖上，目標(biāo)鋼筋反射波組形狀產(chǎn)生畸變，畸變的位置多處于反射波組弧頂處，需要檢測(cè)人員在進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的時(shí)候加以注意，防止漏判和誤判。目標(biāo)物反射波畸變?nèi)鐖D7所示。

圖7 目標(biāo)物反射波畸變

3 現(xiàn)澆混凝土柱實(shí)測(cè)

3.1 檢測(cè)方案

某商用建筑北區(qū)的A塔樓設(shè)計(jì)層數(shù)為29層，樓頂最大層面高度為119.80 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其中第一層有8根混凝土柱在施工中出現(xiàn)局部漏漿及脹模現(xiàn)象?；炷林孛娉叽鐬? 300 mm×900 mm(長(zhǎng)×寬)，高度為5.9 m，鋼骨混凝土形式，1 300 mm邊設(shè)8根φ22 mm單排鋼筋、900 mm邊設(shè)8根φ25 mm單排鋼筋；箍筋為φ12 mm，按100 mm間距均勻布置，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C60。為確定現(xiàn)澆混凝土柱內(nèi)部混凝土施工質(zhì)量，采用雷達(dá)法對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。

考慮到檢測(cè)對(duì)象有大量的淺層鋼筋，在測(cè)線布設(shè)的時(shí)候要盡可能減小淺層縱向鋼筋對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，布設(shè)測(cè)線前先用鋼筋定位儀對(duì)淺層縱筋進(jìn)行定位，由前文知，箍筋的屏蔽率約為0.12，雷達(dá)法適用于此檢測(cè)工程。布設(shè)雷達(dá)測(cè)線時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)這些縱筋在檢測(cè)表面的投影。雷達(dá)掃描方向?yàn)轫樦蜃陨隙隆?/p>

3.2 檢測(cè)結(jié)果

(1) 雷達(dá)剖面圖

對(duì)混凝土柱進(jìn)行雷達(dá)法檢測(cè)，部分疑似混凝土缺陷部位的雷達(dá)剖面圖如圖8所示。

(2) 取芯驗(yàn)證

為了進(jìn)一步地對(duì)雷達(dá)法檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)疑似有問(wèn)題的部位進(jìn)行了取芯驗(yàn)證，疑似缺陷位置芯樣實(shí)物如圖9所示。

圖8 疑似缺陷部位雷達(dá)剖面圖

圖9 疑似混凝土缺陷位置的鉆孔芯樣

(3) 雷達(dá)波速校準(zhǔn)及缺陷判定結(jié)果

采用已知目標(biāo)深度法對(duì)被測(cè)柱的混凝土雷達(dá)波速進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)目標(biāo)物為柱內(nèi)箍筋，結(jié)合取芯驗(yàn)證的結(jié)果，測(cè)量實(shí)際箍筋埋深并對(duì)雷達(dá)法檢測(cè)的疑似缺陷部位進(jìn)行確認(rèn)。雷達(dá)波速校準(zhǔn)及缺陷判定結(jié)果如表3所示。

表3 雷達(dá)波速校準(zhǔn)及缺陷判定結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 在采用雷達(dá)法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，淺層鋼筋的屏蔽效應(yīng)會(huì)對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果造成影響，可用屏蔽面積與檢測(cè)面積的比率加以判斷。

(2) 當(dāng)目標(biāo)物與淺層鋼筋距離較近時(shí)，其雷達(dá)反射圖像會(huì)受到淺層鋼筋多次疊加反射回波的影響，在進(jìn)行判斷時(shí)，應(yīng)多加注意，必要時(shí)可結(jié)合多個(gè)相鄰剖面的雷達(dá)圖像，找到數(shù)據(jù)的相關(guān)性，或轉(zhuǎn)換測(cè)線或雷達(dá)天線的極化方向進(jìn)行復(fù)測(cè)，避免漏判和誤判。

(3) 目標(biāo)物的水平位置對(duì)雷達(dá)檢測(cè)效果的影響主要體現(xiàn)在對(duì)其自身雷達(dá)反射波組形狀產(chǎn)生的影響。當(dāng)目標(biāo)物處在淺層鋼筋正下方時(shí)，易造成目標(biāo)物反射波組形狀的畸變，宜加以注意，避免漏判和誤判。