探地雷达和超声波法在混凝土结构检测中的应用.pdf

第 2 9 卷第 1期 2 0 1 2年 3月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 2 9 N o 1 Ma r 201 2 探地 雷达和超声 波法在 混凝土结构检 测 中的应 用 徐 莹 ， 徐宏武 ( 1 重庆交通大学土木建筑学院， 重庆4 0 0 0 7 4 ； 2 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 ) 摘要： 混凝土结构内部若存在不密实区或空洞等缺陷， 必然会严重影响结构的承载能力和耐久性。混凝土 结构的无损检测一直是工程界普遍重视的问题 ， 也是保证大型结构安全服役的关键。结合工程实例 ，阐述了 采用探地雷达和超声波检测混凝土不密实区和空洞的原理、 方法，并详细介绍了检测数据处理过程， 通过现场 检测试验和数据处理与分析， 检测得到的结果与实际破损的混凝土缺陷情况基本一致 ， 表明用探地雷达结合超 声波检测混凝土不 密实 区和空洞效果较理想 ， 用于无损检测是可行 的。 关键词 ： 探地 雷达 ； 超声波 ； 结构缺 陷； 无损检测 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 1 -0 0 9 7 -05 App l i c a t i o n o f Gr o u nd- p e n e t r a t i n g Ra d a r a n d Ul t r a s o ni c M e t h o ds i n t he Co nc r e t e S t r u c t ur e s De t e c t i o n XU Y i n g ，XU Ho n g Wl t 。 ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 C h i n a Me r c h a n t s C h o n g q i n g C o m m u n i c a t i o n s R e s e a r c h& D e s i g n I n s t i t u t e C o L t d ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 6 7 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：I f t h e r e a r e n o n d e n s e a r e a s，ho l e s a n d o t he r d e f e c t s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e，i t wi l l s e rio u s l y a f f e c t t h e l o a d i ng b e a r c a p a c i t y a n d d u r a b i l i t y o f t he s t r u c t ur e Ho w t o ma ke n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g o n c o n c r e t e s t ru c t u r e i s t h e pr e v a l e n t p r o b l e m i n c i v i l e n g i n e e r i n g fie l d，wh i c h i s r e g a r d e d a s t h e d i ffi c u l t y t o e n s u r e t h e s a f e t y a nd d u r a bi l i t y o f l a r g e c o n c r e t e c o ns t r uc t i o n W i t h p r a c t i c a l e x a mp l e s ，t h e p a p e r p r e s e n t s t h e t he o r y a n d me t h o d t h a t i t u s e s g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r a n d u l t r a s o n i c t o d e t e c t no n d e n s e a r e a s a n d h o l e s a n d s h o ws t h e de t a i l e d p r o c e s s o f d e a l i n g wi t h t h e da t a Th r o u g h o f fie l d t e s t i n g a n d d a t a p r o c e s s i n g a n d a n a l y z i n g，t h e pa pe r p r e s e n t s t h a t t h e t e s t r e s u l t i s b a s i c a l l y t h e s a me t o d e f e c t s whi c h t h e f a c t d a ma g e t o c o n c r e t e I t s h o ws t he me t h o d t o d e t e c t c o n c r e t e i s e ffi c a c i o us ，f e a s i b l e a n d a p p l i c a b l e Ke y wo r d s：g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r；u l t r a s o ni c；s t r u c t u r a l d e f e c t s；n o n d e s t r uc t i v e t e s t i n g 对于混凝土质量的评价 ， 由于受技术发展的 限制 ， 一直以来 ， 基本是通过混凝土强度指标和外 观的优劣来评价。通过观察混凝 土外观 的优劣 ， 可以定性评价工程构件的质量好坏 ， 然而评价结 果受实际经验等多种因素的影响较大 。通过 回弹 强度 ， 可 以得到混凝 土表 面 35 c m 内混凝土质 量的好坏 ， 然而对于混凝土内部的缺陷， 却无法得 知 。 随着技术 的进 步 ， 各种大体积混凝 土以及 高 质量的商品混凝 土得 到发展 。然 而 ， 混凝 土在施 工过程 中，有时因漏振、 漏浆或因石子架空在钢 筋骨架上等浇注原因， 易导致混凝 土内部形成蜂 窝状不密实区或空洞等缺陷。这种缺陷往往会使 结构或构件的整体承载力严重下降 ， 结构耐久性 大大降低 ， 因此采用有效方法查 明混凝土结构缺 陷的性质 、 范 围及 尺寸 ，以便进 行技术处理 ，是 工程建设中一个亟待解决的问题。 目前 ， 雷达技术和超声波技术 已被运用于混 凝土构件无损检测中， 雷达系统根据 电磁脉冲传 播到 目标物反射回来的时间来确定 目标物的深度 和位置 ，传播速度取决于物质的电磁特性 ；而超 声波成像根据低频弹性波对空隙产生绕射现象使 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 1 6 修 回 日期 ： 2 0 1 1 - 1 1 - 2 9 作者简 介 ： 徐莹 ( 1 9 8 7 ) ， 男 ， 四川苍溪人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为岩土工程与结 构检测 ( E m a i l ： x u y i n g 1 2 5 6 8 1 6 3 c o m) 9 8 土木工程与管理学报 2 0 1 2年 得首波时 间变 长， 从而确定混凝 土 中的缺 陷 。 本文将综合运用探地雷达技术 和超声波技术 ， 来 检测混凝土结构的内部缺陷。 1 超声波检测混凝土缺陷的原理 采用超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的基本 原理是 ： 利 用脉冲波在技 术条件相 同( 指混 凝土 的原材料 、 配合比、 龄期和测试距离一致 ) 的混凝 土 中传播 的时间( 或速度 ) 、 接收波的振 幅和频率 等声学参数的相对变化 ，来判定混凝土的缺 陷。 由于超声脉冲波传播速度的快慢 ，与 昆凝土的密 实程度有直接关系，对于原材料 、 配合 比、 龄期及 测试距离一定的混凝土来说 ，声速高则混凝土密 实 ， 相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在 时， 便破坏了混凝土的整体性 ，超声脉冲波只能 绕过裂缝或空洞传播到接收换能器 ，因此传播路 程增大 ， 测得的声时必然偏长或声速降低 。 另外 ，由于空气的声阻抗率远小于混凝土 的 声阻抗率 ，脉 冲波在 混凝 土 中传播 时 ，遇 着蜂 窝 、 空洞或裂缝等缺陷 ，便在缺 陷界面发生反射 和散射 ，声能衰减 ， 其 中频率较高的成分衰减更 快 ，因此接收信号的波幅明显降低 ，频率明显减 小或者频率谱 中高频 成分 明显减少 _ 3 J 。再者 经 缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波 信号之间存在声程和相位差， 叠加后互相干扰， 致使接收信号的波形发生畸变 。 根据 以上原理 ，可以利用混凝土声学参数测 量值 的相对变化综合分析、 判别其缺陷的位置和 范 围， 或者估算缺陷的尺寸 。 2 探 地雷达检测混凝 土缺 陷的原理 探地雷达主要是利用不同的介质在电磁特性 上的差异会造成雷达反射 回波在波幅、 波长及波 形上有相应的变化这一原理。物体 的电磁特性主 要由相对介电常数和电导率决定。与混凝土结构 有关 的介质电磁参数见表 1 。混凝土与金属和空 气问均存在明显 的电磁性能差异 ， 因此用雷达法 探 贝 0 昆 凝土中的空洞 、 裂缝是可行 的。由雷达的 发射天线 向被探测介质 的内部发射高频 电磁波 ， 在电磁特性有变化 的地方 ， 雷达波一部分被反射 回来 ， 部分则发生散射 ， 剩下的继续向内透射 ， 反 射回波由接收天线接收( 图 1 ) 。接收到的雷达信 号经计算机 和雷 达专用软件处 理后形成雷达 图 像 ， 以此对 介质 的 内部 结构 ( 如介质 厚度 ， 分界 面 ， 内部埋藏物或缺陷的埋藏深度、 大小 、 形状 、 走 向等) 进行描述 。 表 1 常见介质的电磁参数一览表 图 1电磁波传播 不恿 由电磁学可知， 对于非磁性介质( 如混凝土) 有磁导率 u =u 。 =1 ， 当天线频率，很高 ， 而且被探 测介质 的导 电率 o r 较小 时， 雷达 波的传播速度 为 ： 0 V _二 0 T 式中， V 。 = 0 3 m n s ， 为雷达波在空气 中的传播速 度， 又因波长 A= 号， 故当使用某一固定频率的天 ， 线进行雷达探测 时， 被探测 的混凝 土的相对介电 常数 有任何变化都将使雷达波波速发生变化 ， 而且在波形上可以看到波长也有变化。 电磁波在介质 中的传播能量衰减系数为 W= 2 w f 6 o r ， 可见 ， 当电磁波的频率一定 ， 介质 的相对 介 电常数 和 电导率 or都较大 时 ， 雷达 波能量 会很快衰减 J 。因为空气的 比混凝土的 s 要 小得多 ， 因此， 雷达波在有内部缺陷的混凝土中衰 减较慢 ， 而且在有孔洞的地方波幅衰减减缓 ， 甚至 会有波幅异常增大的现象。而密实度好的混凝土 由于 占 和 or在混凝土内各处都较一致 ， 波幅衰减 会 比较有规律 l 6 j 。 3 工程 实例 在云南元双公路 ， 作者开展 了大量的关 于预 应力 T梁的混凝土结构检测 的工作。其中， 在某 标段的随机抽检 中， 作者通过探地雷达 和超声波 1 0 0 土木工程与管理学报 2 0 1 2年 此次检测所用 的仪器为中科院武汉岩土所生 产的 R S M S Y 5声波仪 ， 换能器频率采用 5 0 k H z 。 根据实际情况， 采用对测法进行平 面测试。测试 时需要保证发射换能器与接收发射器处于正对位 置 ， 这样才能保证测试 的准确性。检测前需要对 T梁的厚度进行读数 ， 在换能器与 T梁之间需 要 加入耦合剂耦合 ( 选用黄油作为耦合剂) ， 以保证 声波大部分都能进入待检测梁板中。为了较真实 地反应混凝土的缺陷， 我们将扩大超声波测试的 范围 ， 将雷达检测结果确定的缺陷区域扩大 ， 即测 网布置将包含部分合格混凝土和缺陷混凝土 ， 其 中测线布置如图 2 。 3 2 2 数据处理及判断 对于混凝土缺 陷的超声波检测法 ， 一般采用 波幅 声速综合分 析法 ， 即在超声 波无损检 测法 中， 通过测得的波速值及波 幅值的大小来反映混 凝土质量 的好坏 J 。当混凝 土 内部结 构 出现空 洞和裂缝等缺 陷时， 声速值及波幅值即降低较多。 由于 昆 凝土本身的不均匀性 ，即使是没有缺 陷的混凝土 ， 测得 的声时、 波幅等参数值也会在 一 定范 围波动 ， 更何况混凝土原材料 品种 、 用量 及混凝土的湿度和测距等都不 同程度地影响到声 学参数值 ； 因此 ，不可能确定一个 固定 的临界 指标作 为判断缺陷的标准，需要根据所 测数据 ， 首先应用抽样检验理论 ， 经过数学推导和适当简 化 ， 建立根据样本平均值及标准差来确定完好混 凝土和缺陷混凝 土的波幅和声 速的分界值 A 和 。 波速分界值 ： V =V i 一2 s ( 1 ) 波幅分界值 ： A ：A 一2 S ( 2 ) 一 1 1 式中， 波速平均值 = 厂 二一 波 速 标 准 差s = l_( 一 V i ) V 一 I 1 1 波幅平均值A =一 1 ，A 凡 ： _ = = _ 波 幅 标 准 差S 一 = l_( A 一 A i ) 其中， 为合 格混凝土每测点 的波 速值 ( m s ) ； A 为合格混凝土每测点 的波 幅值 ( m m) ； n为参 与统计的测点数。 为了防止合格混凝土实测值的分布规律和变 异性与假设前提相差太远 ， 一般需要根据抽样的 最小测量值来确定分界值 ， 参考混凝土强度质量 的正常变异性并加 以适 当简化 ，可建立根据样本 最小值来确定分界值 4 ： 和 的计算公式 ： 波速分界值： V ：=V ( 3 ) 波幅分界值 ： A =A ( 4 ) 式 中， V im in 为在合格混凝土各测点波速值 中的最 小值 ； A 为在合格混凝土各测点波 幅值中的最 小值。 最后根 据式 ( 1 ) 及 式 ( 3 )的结 果 及 ： ， 取其中的最大值作 为完好混凝土和缺 陷混 凝土间的波速分界值 V ； 同理 ， 根据式( 2 ) 及式 ( 4 ) 的结果 A 及 A ： ， 取其中的最大值作为完 好混凝土和缺陷混凝土间的波幅分界值 A 。 本次检测中， 共得到 4 0个测点的超声波测试 数据 ( 图4 ) ， 根据合格混凝土的波速及波幅测量 值确定完好混凝土和缺陷混凝土间的分界值 和 A ， 计算步骤如下 ： ( 1 ) 波速分界值 的确定 根据样本平均值及标准差确定 ： 已知 ： v i = 4 6 6 5 m s S =1 5 5 m s 式( 1 ) 中 V =V i 2 S = 4 6 6521 55 =41 6 0 m s 根据样本最小值 ， 确定分界值 ： 已知 ： V i = 4 2 2 0 m s 式 ( 3 ) 中 V ： =V i = 4 2 2 0 m s 取 和 ：的最大值 即为波 速分界值 ， 因此 V = 4 2 2 0 m s 。 ( 2 ) 波幅分界值 A 的确定： 根据样本平均值及标准差确定 A ： 已知 ： A =8 9 5 mm S A =2 2 5 mm 式 ( 2 ) 中 A ： A 一 2 Js =8 9 52 2 2 5 = 8 4 mm 根据样本最小值 ，确定分界值 A ： ： 已知 ： A i = 6 4 I T l m 式( 4 ) 中 A = A i = 6 4 m m 取 4 和 A ：中的最大值即为波幅分界值 A ，因此 A =8 4 m m。 由此可 以得出完好混凝土和缺陷混凝土的分 界值为 V = 4 2 2 0 m s 及 4 =8 4 m m。 由波速- 波幅曲线 图( 图 4 ) 分析可知 ： 在测点 7至测点 1 3区域 ， 存在波幅及声速低值 区， 可以 断定 ， 此区域混凝土存在严重不密实。同时， 分析 超声波波形 ， 可 以看出波速正常区域 的典型波形 规则 ， 首波判读正常 ； 而缺陷混凝土典 型波形杂 乱 ， 无法 自动判读首波 ， 进一步说明此区域存在不 第 1期 徐莹等： 探地雷达和超声波法在混凝土结构检测中的应用 1 0 1 密实或空洞等缺陷。 3 3 检测结果分析及验证 综合探地雷达法和超声 波法 的检测结果 ， 可 以看 出， 超声波和雷达探测 出的混凝土结构缺陷 的范围大致相 同， 而超声波更加精确的反应 出缺 陷混凝土存在的位置 ， 同时 ， 雷达测试和超声波综 合测试的结果相互 吻合 ， 确定此 区域混凝土存在 不密实或空洞等缺陷。为了验证实际情况 ， 将混 凝土缺陷区域 破损 ， 我们 发现在 T梁距 离 B端 2 3 1 2 3 6 m范围内 ， 出现一段空波纹管 ， 埋 在 混凝土中。这将严重影响 T梁结构承载力 ， 需要 将 T梁重新处理才能使用 ， 处理方法可以将脱空 区注满水泥浆或者用 环氧砂浆混凝土补强 ， 并重 新加固 T梁 。 4 结 论 ( 1 ) 超声波和探地雷达均可反 映混凝土 内部 的结构缺陷 ， 但在混凝土质量检测 中的应用 范围 有 区别 ， 雷达可以较粗略的判断出混凝土的缺陷 ， 但对于不密实的混凝土内部区域， 超声波以相对 低速区和低 幅区可较好地显示 出来 ， 从 而精确 的 确定 出缺陷混凝土的位置和尺寸。 ( 2 ) 单一的借助一种手段 和方法 ， 对 于工程 检测有一定的局限性 。而综合利用各种有效手段 进行工程结构检测 ， 将 大大提高工作 的准确性和 结果的公正性 。 ( 3 ) 对结构或构件混凝土进行不密实区和空 洞缺陷检测 ， 不仅在监控混凝土的施工质量、 消除 工程隐患 、 加快施工进度等方面具有很重要 的意 义 ， 而且也从侧面反映出施工过程控制将 优于结 果控制， 对于工程建设具有借鉴意义。 ( 4 ) 混凝土 内部缺陷有空洞 、 夹杂、 离析 、 疏 松等多种类型 ， 目前 ， 无损检测可以运用于混凝土 质量的检测 ， 但是 ， 针对混凝土缺陷类型的判断还 需要进一步的实践与研究。 参考文献 1 刘寒冰， 杨勇， 马立学 超声波测量混凝土密实度 在桥梁承载力评价 中的应用 J 公路交通科技， 2 0 0 7 ， ( 1 1 ) ： 5 5 - 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