混凝土結構檢測中探地雷達和超聲波法的運用研究

吳永清

摘要：若混凝土結構內部有空洞或不密實區等缺陷，會嚴重影響結構的使用性能。為保證保證大型結構安全服役，混凝土結構的無損檢測是重要的檢測方法。本文結合工程實例，介紹了混凝土結構檢測中探地雷達和超聲波法運用的原理和方法，表明用探地雷達結合超聲波檢測混凝土不密實區和空洞的效果較理想，用于無損檢測是可行的。

關鍵詞：探地雷達；超聲波；無損檢測

1引言

混凝土結構中會出現裂縫，這只是缺陷形式之一，混凝土的無損檢測技術是為了探測結構內部和表面缺陷，并對缺陷的性質分布及其變化等作出判斷和評價，然后在不損傷混凝土結構的前提下，就是利用結構內部異常或缺陷存在所引起的對聲、熱、電、光、磁等反應的變化，對結構進行檢測。無損檢測是工業發展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個國家的工業發展水平，其重要性已得到公認。它一般有三種含義，即無損檢測、無損檢查和無損評價。目前雷達技術和超聲波技術已經被運用于混凝土結構的無損檢測中。

2 探地雷達檢測混凝土結構的基本原理

探地雷達檢測具有方便快捷和無損的特點，是原理是利用電磁波在介質中的傳播，通過記錄傳播的波形、傳播時間以及電磁場強度等屬性，推斷混凝土結構特征的一種物理探測方法，也是目前應用最廣泛的無損檢測方法之一。雷達系統主要由發射機、接收機、天線和顯示器等部分組成，其中天線部分又分為發射機和接收機兩部分。用探地雷達檢測混凝土結構的方法為反射法，檢測時，雷達的發射天線向混凝土的內部發射高頻脈沖電磁波，電磁波會集中在一個很窄的方向形成波束傳播。遇到鋼筋，孔洞時電磁屬性就會發生變化，從而使部分雷達波被反射回來，這些信號就會被接收機接收（原理圖如圖1），然后通過收發轉換開關送到接收機，形成雷達的回波信號，信號經計算機和雷達專用軟件處理后形成雷達圖像，據此就可對所檢測的混凝土結構（如混凝土結構內部的孔洞，鋼筋的位置，混凝土保護層的厚度等）進行描述。在混凝土缺陷的研究中，由于不同結構的含水量及孔隙率不同，物質會表現出不同的介電性質，在雷達掃描圖中，將會出現互異的雷達波形圖。表1是工程中不同介質的電磁參數檢測結果。

圖1 探地雷達原理

表1工程中常見介質的電磁參數

介質名稱 電導率 相對介電常數

空氣 0 1

淡水冰 4

石灰巖（濕） 2.5 8

混凝土（潮濕） ～ 10～20

混凝土（干燥） 4～10

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

3超聲波檢測混凝土結構的基本原理

超聲波主要采用“穿透法”來檢測混凝土空洞或不密實區。超聲波檢測混凝土結構的基本原理是通過研究超聲波在物體內部傳播時，聲波在通過物體內部不同界面時表現出的衰減、繞射和反射等物理特性，測定物體內部缺陷的一種無損檢測方法。當超聲波在傳播過程中遇到裂縫、空洞、蜂窩等缺陷時，發射換能器發射的大部分超聲波會在缺陷界面產生散射、反射等現象，在到達接收換能器時聲波能量（波幅）就會發生顯著減小，所以可根據波幅變化結構內部缺陷做出判斷。當超聲波遇到尺寸比其波長小的缺陷時會產生繞射，繞射的結果便是超聲波傳播的時間增長。超聲波在穿過缺陷區時，超聲波波速和振幅會發生衰減，再加上被測物體內部結構的不均勻性，從而使得聲波的傳播路徑不確定，造成波形的畸變。由此可根據超聲波聲速的變化及其波幅以對結構內部缺陷進行判斷。在穿過缺陷區時，不同幅度的超聲波在缺陷界面產生不同的衰減，規律表明，波的幅度越高，衰減就會越大。因此，當有缺陷的混凝土的超聲脈沖波被接收換能器接收時，接收到的主信號的幅度會發生顯著降低。通過接收信號的振幅變化情況即可分析判斷缺陷情況。

4應用實例

4.1探地雷達技術在混凝土結構無損檢測中的應用實例

本次試驗使用瑞典MALA公司的RAM-AC/GPR CUII高端多通道通用探地雷達。該機是當今世界上唯一可以單人操作的探測雷達。

檢測前，要弄清楚測區的周圍環境，盡量減少對雷達波干擾，所以要壓制隨機的和規則的干擾，以可能的最大分辨率在地質雷達圖像剖面上顯示反射波，以便更精確的反應介質內部的情況。在檢測嶺澳核電站安全殼時，利用該雷達的屏蔽式抗干擾天線向混凝土內發射1.2GHz的電磁波，分析混凝土內部的缺陷只需判讀回波圖象。其它的設定參數為：采樣頻率34878MHz，天線間隔0.20m，采樣間隔0.10m，時窗大小8.0ns。采取網格式掃描的方法，利用該雷達在筒壁表面進行掃描，連續發射信號到混凝土結構中，每單位長度掃描一定的道數，用計算機將檢測結果同步顯示并儲存。在建筑質量工程檢測中，裂縫的問題擺在突出的位置，但有時會由于裂縫的細微和雜亂，使得較難檢測到裂縫。但雷達技術就在裂縫的位置及深度的檢測中發揮了很大的作用。在本次檢測中，我們也對安全殼2RX筒底水平向進行了雷達探測，從雷達圖像可以清晰地看到，在距起始點0.62m和2.21m處，雷達圖像同相軸錯斷，該現象說明已有裂縫在這兩處出現，通過右側縱坐標我們可以觀察到裂縫的延伸趨勢，右側裂縫從0.26m延伸至0.58m，左側裂縫從0.18m延伸至0.42m，由于這兩個裂縫縱向延伸長度并不大，在結構工程中是安全的。

圖4 雷達截面圖

4.2超聲波技術在混凝土結構無損檢測中的應用

此次檢測所用的儀器為RSM-SY5聲波儀，換能器頻率采用50 kHz。

一般采用波幅-聲速綜合分析法進行混凝土結構的無損檢測，即通過測得的波幅值及波速值的大小來反映混凝土質量的好壞。當混凝土內部結構出現裂縫和空洞等缺陷時，波幅值和聲速值會降低較多。即使是沒有缺陷的混凝土，測得的聲時、波幅等參數值也會在一定范圍波動，這是由于混凝土本身的不均勻性，同時混凝土的濕度和測距、混凝土原材料品種及用量等都不同程度地影響到聲學參數值。在檢測的過程中，不可能確定一個固定的臨界指標作為判斷缺陷的標準，需要根據所測數據來做詳細的分析與判斷。較為嚴謹的做法是應用抽樣檢驗理論，經過適當形式的簡化和嚴密的數學推導，建立根據樣本平均值和標準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中應用更具科學性說服性。

5結論

在很多工程實例中可以總結出這樣一個結論，雷達測試和超聲波綜合測試的結果相互吻合，其探測出的混凝土結構缺陷的范圍大致是相同的，而超聲波能夠更加精確的反應出缺陷混凝土存在的位置，從而確定此區域混凝土存在不密實或空洞等缺陷。由此可以發現，對于工程檢測而言，使用單一的手段和方法難免會有一定的局限性。而當綜合利用各種有效手段進行工程結構檢測時，將大大提高結果的公正性和工作的準確性。對結構或構件混凝土進行不密實區和空洞缺陷檢測是非常重要的，不僅在加快施工進度、消除工程隱患以及監控混凝土的施工質量等方面具有很重要的義，而且也從側面反映出工程注重施工過程將會優于結果控制的道理，對于工程建設具有借鑒意義。

參考文獻：

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[3]徐瑩等.探地雷達和超聲波法在混凝土結構檢測中的應用[J].土木工程與管理學報，2012