雷達法在大厚度鋼筋保護層檢測中的應用

蘇忠純，曹忠露，李俊毅，洪志軍，趙衛(wèi)民

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋保護層厚度是指從鋼筋公稱直徑外邊緣到混凝土表面的最小距離[1]，不同的設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)保護層厚度中“鋼筋”定義不同，JTS 151—2011《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JTS 153—2015《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》指的是縱向受力的普通鋼筋及預應力鋼筋，GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》、JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》、JTG/T 3310—2019《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》中還包括箍筋、構(gòu)造筋、分布筋等，鋼筋只要發(fā)生銹脹就會對混凝土造成破壞，因此筆者認為現(xiàn)行國家標準和公路標準對“鋼筋”的定義更為準確。保護層厚度對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力和耐久性有重要影響，事關(guān)工程質(zhì)量、使用壽命和結(jié)構(gòu)安全，保護層厚度過小，隨著時間的推移，混凝土碳化或氯化物滲透會造成鋼筋銹脹，破壞混凝土表面結(jié)構(gòu)，維修成本高，加固維修難度大；保護層厚度過大，主筋位置改變，受力后構(gòu)件表面易產(chǎn)生裂縫，鋼筋發(fā)揮不出應有的結(jié)構(gòu)效應[2]。

為保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)合理使用年限，我國住建、水運、公路、鐵路和水利等各行業(yè)有關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和耐久性設(shè)計規(guī)范或標準根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限和使用環(huán)境對鋼筋保護層最小厚度進行限制。JTS 151—2011《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JTS 153—2015《水運工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護層厚度范圍為40～65 mm，GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》對處于氯化物環(huán)境設(shè)計使用年限100 a 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護層厚度范圍為45～60 mm，JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》對Ⅲ類近?；蚝Ｑ舐然锃h(huán)境設(shè)計使用年限100 a 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護層厚度范圍為35 ～65 mm，TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》對處于Ⅲ類氯鹽環(huán)境下橋涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最小保護層厚度范圍為45～60 mm，以上設(shè)計規(guī)范對處于氯鹽環(huán)境下鋼筋保護層厚度設(shè)計范圍為35～65 mm。

深中通道西人工島隧道段屬于海洋氯化物環(huán)境，環(huán)境作用等級Ⅲ-D、Ⅲ-E，隧道結(jié)構(gòu)鋼筋密集，主筋直徑40 mm，側(cè)墻內(nèi)側(cè)主筋直徑32 mm，鋼筋間距150 mm，為保證混凝土的使用年限，內(nèi)外墻設(shè)計鋼筋保護層厚度分別為66 mm 和86 mm，保護層厚度相對較大。

電磁法是國內(nèi)應用比較廣泛的保護層厚度無損檢測方法，錢樹波等人對國產(chǎn)和進口電磁法保護層厚度測定儀進行對比發(fā)現(xiàn)部分設(shè)備測量誤差嚴重偏大、有效測量范圍也在70 mm 以下[3]，劉雨等人用電磁法鋼筋探測儀對鋼筋密集和較大的保護層厚度進行檢測時發(fā)現(xiàn)鋼筋探測儀直接測得保護層厚度與實際厚度相差超出±3 mm 的要求[4]，因此精準檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護層厚度，保證其合理使用年限不發(fā)生銹蝕破壞是亟待解決的問題。

1 檢測方法確定

1.1 檢測原理

JTS 239—2015《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)實體檢測技術(shù)規(guī)程》和JGJ/T 152—2019《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)標準》中鋼筋混凝土保護層厚度的無損檢測方法有電磁感應法和雷達法。電磁感應法的基本原理是：儀器本身或探頭由大電流激勵發(fā)射線圈產(chǎn)生脈沖磁場，當磁場下方存在鋼筋時，鋼筋會在磁場作用下產(chǎn)生渦流進而形成二次感應磁場，接收線圈將接收到的感應磁場轉(zhuǎn)換成電磁波強度，儀器對其進行實時分析運算，以判斷鋼筋的位置和保護層厚度等信息[5]；雷達法是通過發(fā)射和接收到的毫微秒級電磁波來檢測保護層厚度，基本原理是：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射器經(jīng)天線被定向送入檢測體內(nèi)，經(jīng)存在電性差異的目標體反射后返回結(jié)構(gòu)體表面被接受天線接收到接收器，根據(jù)反射回波在波幅及波形上變化的原理形成圖像并進行分析。由于金屬是良導體，電導系數(shù)和磁導率很大，微波很難穿透，反射回波基本上為全反射，波形曲線形狀明顯，容易判讀[6]。

1.2 儀器設(shè)備

1.2.1 LR-G200 一體式鋼筋檢測儀

該設(shè)備是電磁法原理的便攜式智能無損檢測設(shè)備，儀器設(shè)備適用于φ6～φ50 mm 的鋼筋，第一量程2～100 mm，第二量程2～200 mm，保護層厚度最大允許誤差見表1。

表1 LR-G200 一體式鋼筋檢測儀保護層厚度最大偏差Table 1 Maximum deviation of concrete cover by LR-G200 integrated reinforced detectomr m

1.2.2 NJJ-95B 鋼筋混凝土雷達

該設(shè)備是主機與天線一體化的便攜式雷達法檢測設(shè)備，可探測范圍為5～300 mm，保護層厚度最大允許誤差見表2。鋼筋混凝土雷達的電磁波從天線向混凝土表面?zhèn)鞑r，穿透內(nèi)部的電磁波遇到與混凝土電性能不同的鋼筋而反射，并被天線再次接收，通過電磁波反射測量反射體的深度和水平位置，并將鋼筋深度和位置顯示為圖像，檢測示意見圖1。

圖1 雷達法檢測混凝土保護層厚度示意圖Fig.1 Indication diagram of concrete cover detected by radar mehtod

表2 雷達法檢測混凝土保護層厚度的最大偏差Table 2 Maximum deviation of detected by radar method mm

1.3 對比分析

暗埋段縮尺模型構(gòu)件為西人工島大體積混凝土澆筑工藝性試驗構(gòu)件，內(nèi)外墻設(shè)計保護層厚度與主體結(jié)構(gòu)一致，保護層厚度允許偏差為-5~+15 mm。分別采用LR-G200 一體式鋼筋檢測儀和NJJ-95B 鋼筋混凝土雷達對暗埋段縮尺模型構(gòu)件保護層厚度進行檢測，采用剔槽直接測量的方法對保護層厚度進行驗證，比對試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 直接法和保護層厚度測定儀比對試驗數(shù)據(jù)Table 3 Comparison of test data between direct method and concrete cover detector mm

經(jīng)過比對分析，發(fā)現(xiàn)LR-G200 一體式鋼筋檢測儀保護層厚度測定儀所測數(shù)據(jù)與直接法相差2~6 mm，對個別保護層厚度超過100 mm 且有其他鋼筋干擾的情況下檢測不出數(shù)據(jù)，不滿足JTS 239—2015《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)實體檢測技術(shù)規(guī)程》中第7.1.3 條規(guī)定保護層厚度測定儀對檢測誤差±3 mm 的要求；NJJ-95B 鋼筋混凝土雷達與直接法最大相差為2 mm，滿足JTS 239—2015《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)實體檢測技術(shù)規(guī)程》中第7.1.3 條檢測允許誤差的規(guī)定，精度較高，可對現(xiàn)場大厚度混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋保護層厚度進行檢測。為準確測定本工程大厚度鋼筋保護層厚度，及時發(fā)現(xiàn)保護層厚度不合格的區(qū)域，有效指導現(xiàn)場鋼筋綁扎施工質(zhì)量，決定采用雷達法對現(xiàn)場鋼筋保護層厚度進行檢測。

2 鋼筋混凝土雷達的校準

2.1 鋼筋混凝土雷達

通過對混凝土雷達的探測深度、探測精度、水平方向分辨率、顯示模式、一次探測存儲距離、無存儲平滑探測、狹窄空間探測、存儲容量、電池持續(xù)時間等性能進行比選，最終選定NJJ-200K鋼筋混凝土雷達。該設(shè)備是NJJ 系列的最新產(chǎn)品，也是世界上第一款采用智能手機作為顯示器的遙控雷達，配備3.4 GHz 的天線，可探測范圍為5～450 mm，間距分辨率高達1∶0.2，在探測深度≤75 mm 時鋼筋最小間距為15 mm，探測深度75～175 mm 時鋼筋最小間距為40 mm，一次可存儲300 根鋼筋的數(shù)據(jù)，在不保存數(shù)據(jù)的情況下可實現(xiàn)無距離限制的平滑檢測，通過分類主單元、顯示單元和加長桿，可以實現(xiàn)狹窄空間和一定高度范圍的各種鋼筋探測，完全滿足本工程鋼筋直徑大、間距密、保護層厚度大的要求。

2.2 校準板的制作

鋼筋混凝土雷達探測時需要預先輸入現(xiàn)場混凝土的相對介電常數(shù)，對同一介質(zhì)不同的儀器設(shè)備測的混凝土相對介電常數(shù)也會有所區(qū)別。根據(jù)西人工島主體工程內(nèi)外墻混凝土保護層厚度制作校準板2 個，設(shè)計尺寸為1 600 mm×500 mm×300 mm 的鋼筋混凝土板，混凝土采用與主體工程相同的配合比進行澆筑，養(yǎng)護方式與主體工程相同。校準板為單層鋼筋，鋼筋分別采用直徑φ32 和φ40 的螺紋鋼，埋置深度分別為86 mm、66 mm、46 mm 和106 mm、86 mm、66 mm，鋼筋間距與主體工程一致，在保證鋼筋間距的前提下，將每根鋼筋穿過兩端側(cè)模固定，并保證測試鋼筋水平，兩端均外露校準板50 mm。

水基淬火液不同于淬火油，由于聚合物淬火劑本身有機物質(zhì)的屬性，使其不得不面對嚴峻的細菌滋生困擾，德州思科研究發(fā)現(xiàn)，并非某些種類的殺菌劑能夠完全解決這一問題，需要從淬火液整體配伍體系綜合考慮，抵抗細菌滋生，增強穩(wěn)定性。細菌的滋生則會對淬火液產(chǎn)生十分不良影響，是其冷卻性能不穩(wěn)定的開始，主要危害有以下幾點：

校準板鋼筋布置見圖2。

2.3 相對介電常數(shù)的確定

2.3.1 相對介電常數(shù)確定方法

混凝土相對介電常數(shù)是鋼筋混凝土雷達能準確測定保護層厚度的關(guān)鍵，以外露鋼筋量測校準板鋼筋的實際保護層厚度為基準，通過調(diào)整混凝土的相對介電常數(shù)使鋼筋混凝土雷達測定的保護層厚度與基準一致的方法確定混凝土的相對介電常數(shù)[7-8]。具體步驟如下：

1） 用游標卡尺對測試板外漏鋼筋進行準確測量，確定實際保護層厚度；

2） 在儀器中預先輸入一個相對介電常數(shù)對鋼筋保護層厚度進行測定；

3） 根據(jù)量測的實際保護層厚度對相對介電常數(shù)進行調(diào)整，直至儀器顯示值與實際保護層厚度結(jié)果一致或滿足規(guī)范要求的允許偏差；

4） 根據(jù)調(diào)整后的介電常數(shù)重新對校準板鋼筋保護層厚度進行測定，與實際保護層厚度進行對比，再次確認相對介電常數(shù)；

2.3.2 不同齡期的混凝土相對介電常數(shù)

用NJJ-200K 鋼筋混凝土雷達對不同養(yǎng)護齡期校準板的保護層厚度進行檢測，以確定混凝土不同養(yǎng)護齡期的相對介電常數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 不同齡期相對介電常數(shù)值Table 4 Relative dielectric constant of different ages

從表4 數(shù)據(jù)可知，早齡期混凝土因內(nèi)部含水量較大，相對介電常數(shù)變化明顯，隨著混凝土膠凝材料的水化和水分的蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部自由水逐漸減少，混凝土相對介電常數(shù)也隨之下降，14 d齡期后相對介電常數(shù)在測試深度46~106 mm 的深度范圍內(nèi)沒有差異，均為7.1；同時也可看出隨著混凝土保護層厚度的增大，混凝土內(nèi)部自由水損失較慢，介電常數(shù)趨于穩(wěn)定的齡期也相應增大。

3 現(xiàn)場應用

現(xiàn)場檢測要確?；炷帘砻嫣幱诟稍餆o水狀態(tài)，否則介電常數(shù)會發(fā)生變化，影響檢測結(jié)果。當混凝土中含有鋼筋、管線、鋼管等金屬材質(zhì)時，其介電常數(shù)大于混凝土的介電常數(shù)，最大波形峰值從表面向右側(cè)最大突出；當混凝土內(nèi)含有空洞或其他非金屬材質(zhì)時，其介電常數(shù)小于混凝土的介電常數(shù)，最大峰值向左側(cè)突出?，F(xiàn)場檢測過程中根據(jù)波形峰值的突出狀況對混凝土內(nèi)部情況進行判斷，通過手機顯示的橫坐標移動距離標尺和縱坐標深度標尺可隨時對空洞的位置、鋼筋間距和鋼筋保護層厚度進行讀取和判定。

大體積混凝土灑水養(yǎng)護14 d 后，拆除養(yǎng)護用一布一膜土工布，待混凝土表面風干后采用NJJ-200K 鋼筋混凝土雷達（介電常數(shù)設(shè)置7.1）對主筋保護層厚度進行檢測，同時采用取芯直接量測的方法對保護層厚度進行驗證，比對數(shù)據(jù)見表5。鋼筋混凝土保護層厚度檢測結(jié)果與實測值偏差為±1 mm，檢測結(jié)果準確，滿足規(guī)范的要求。采用鋼筋混凝土雷達對每一施工段的鋼筋保護層厚度和間距進行檢測，通過檢測數(shù)據(jù)為下一施工段的鋼筋綁扎施工進行優(yōu)化調(diào)整提供參考，現(xiàn)已施工完成的暗埋度、敞開段和匝道隧道各結(jié)構(gòu)段混凝土鋼筋保護層厚度檢測結(jié)果均滿足設(shè)計≥80%的要求，為本工程順利通過竣工驗收提供有力的保證。

表5 雷達法和取芯法保護層厚度比對結(jié)果Table 5 Comparison of concrete cover between radar method and cores method mm

4 結(jié)語

通過對電磁法和雷達法鋼筋保護層厚度測定儀的比對分析，對鋼筋混凝土雷達使用前的校準和現(xiàn)場的應用，得出以下結(jié)論：

1） 對于在60～105 mm 鋼筋保護層厚度的無損檢測宜采用雷達法，不宜采用電磁法。

2） 混凝土的介電常數(shù)14 d 后趨于穩(wěn)定，混凝土保護層厚度越大，介電常數(shù)趨于穩(wěn)定的時間越長。

3） 鋼筋混凝土雷達實測偏差小，精度高，可準確測定大厚度鋼筋混凝土的保護層厚度，指導現(xiàn)場施工。