混凝土淺層鋼筋對雷達(dá)檢測的屏蔽作用

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)檢測是近年來在結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域新興的一項(xiàng)檢測技術(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)探測了較小尺寸的混凝土缺陷，且混凝土齡期越短，探測效果越明顯。魏超等[2]采用地質(zhì)雷達(dá)探測了隧道襯砌，總結(jié)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及資料處理分析應(yīng)注意的問題。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)性地針對混凝土檢測的粗糙界面雷達(dá)信號特征、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)來獲取混凝土的密實(shí)度、含水量等特性。丁亮等[5]針對水利水電工程中混凝土構(gòu)件的無損檢測問題，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]通過合理布置測線，正確選取天線頻率和測試參數(shù)，對鋼筋混凝土中的各類缺陷進(jìn)行檢測。凌同華等[9]采用ARMA(自回歸滑動平均模型)功率譜分析法識別異常反射信息，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)問題亟待解決。因?yàn)榻饘贂﹄姶挪ㄆ鹌帘巫饔茫噪x檢測面較近的淺層鋼筋會對雷達(dá)檢測信號產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時甚至無法進(jìn)行有效檢測。筆者以混凝土結(jié)構(gòu)檢測為例，探討如何在淺層鋼筋的影響下進(jìn)行雷達(dá)檢測。

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

對淺層鋼筋干擾下雷達(dá)檢測效果產(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)考慮淺層鋼筋對于雷達(dá)波屏蔽的影響，選取4個對檢測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，探究這些因素對最終檢測效果的影響。

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×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)過翻曬，已干燥至無可見水。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)檢測試驗(yàn)方法示意

試驗(yàn)開始前確保雷達(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，無可見水；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雷達(dá)檢測的影響

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)識別到的α的最大值。各個試驗(yàn)組的α1均值如表2所示。因而，可以通過對α值的計算，評判雷達(dá)檢測的適用性。

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，當(dāng)探測深度在100 mm以內(nèi)時，淺層鋼筋產(chǎn)生的屏蔽面積不宜超過檢測面積的10%；當(dāng)探測深度大于100 mm的時候，淺層鋼筋產(chǎn)生的屏蔽面積宜控制在總檢測面積的11%15%以內(nèi)。

2.2 目標(biāo)物深度對雷達(dá)檢測的影響

通過圖4可以直觀地看出，無論是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會發(fā)生反射，這個反射回波逆向回到檢測表面(即混凝土與空氣的分界面)時，又會發(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)波在多次反射的過程中，能量最終會被耗盡，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)物較淺的時候，如A1,B1試驗(yàn)組，目標(biāo)物的深度為100 mm，其反射波組會被淺層鋼筋多次疊加的反射回波所干擾，不易識別；而當(dāng)目標(biāo)物較深的時候，比如A2,A3,B2,B3試驗(yàn)組，目標(biāo)物的深度都在200 mm及以上，其反射波避開了淺層鋼筋多次疊加反射回波的干擾，反而較易識別，不同深度目標(biāo)物雷達(dá)檢測效果對比如圖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)檢測效果對比

2.3 目標(biāo)物水平位置對雷達(dá)檢測效果的影響

目標(biāo)物水平位置對雷達(dá)檢測效果的影響主要體現(xiàn)在對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，理論上由目標(biāo)鋼筋正上方的測點(diǎn)發(fā)射的雷達(dá)波是無法照射到目標(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，需要檢測人員在進(jìn)行目標(biāo)識別的時候加以注意，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

3.1 檢測方案

某商用建筑北區(qū)的A塔樓設(shè)計層數(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。混凝土柱截面尺寸為1 300 mm×900 mm(長×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)計標(biāo)號為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)法對其內(nèi)部進(jìn)行檢測。

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

3.2 檢測結(jié)果

(1) 雷達(dá)剖面圖

對混凝土柱進(jìn)行雷達(dá)法檢測，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)一步地對雷達(dá)法檢測的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對疑似有問題的部位進(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)深度法對被測柱的混凝土雷達(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，測量實(shí)際箍筋埋深并對雷達(dá)法檢測的疑似缺陷部位進(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

(1) 在采用雷達(dá)法對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測時，淺層鋼筋的屏蔽效應(yīng)會對最終檢測結(jié)果造成影響，可用屏蔽面積與檢測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，其雷達(dá)反射圖像會受到淺層鋼筋多次疊加反射回波的影響，在進(jìn)行判斷時，應(yīng)多加注意，必要時可結(jié)合多個相鄰剖面的雷達(dá)圖像，找到數(shù)據(jù)的相關(guān)性，或轉(zhuǎn)換測線或雷達(dá)天線的極化方向進(jìn)行復(fù)測，避免漏判和誤判。

(3) 目標(biāo)物的水平位置對雷達(dá)檢測效果的影響主要體現(xiàn)在對其自身雷達(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，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。