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混凝土密实度的雷达检测方法
摘要: 混凝土的密实度是混凝土耐久性及抗 渗性的 一个重 要指标。由 于探地 雷达检 测具有 无损、检测速 度快、扫描面积大、效率高等优点, 故作者尝试用探地雷达对 混凝土的密实度进行检测。针对 三种不同 外观质量的 混凝土路面, 对其密实度进行了雷达扫描检测, 发现雷达图像有明显差别。并利用渗 水性检测仪, 对这 些路面的抗渗性作了现场测试。结果表明, 两种方法的结论是一致的, 这表明探地雷达对混凝土 的密实度检 测, 是 一种可行的方法。
1．前言
在工程建设中, 混凝土的质量对整个工程质量有着举足轻重的影响。硬化后的混凝土应具有足够的强度和耐久性指标以承担荷载和抵抗外部环境的侵蚀。而判断混凝土耐久性好坏的一个重要指标就是混凝土的密实度。混凝土的密实度可通过对混凝土直接取芯进行外观判断, 也可以用超声波进行无损检测, 或用渗水性测定仪器间接判定, 但这些检测方法都有速度慢、效率低的缺点。相比之下探地雷达方法具有无损、扫描面积大、检测速度快、效率高、检测表面无需进行特殊处理、无需耦合剂而且结果可用图像直观显示的优点。基于上述认识, 作者用探地雷达对三种不同外观质量的混凝土路面进行了检测, 发现雷达图像有明显差别。经渗水性试验验证后表明, 探地雷达能较准确地判断出不同质量的混凝土的密实度。
2 .探地雷达检测混凝土密实度的基本原理
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, 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, 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。
由电磁学可知, 对于非磁性介质( 如混凝土) 有磁导率 µ=µ0 = 1, 当天线频率 f 很高而且被探测介质的导电率 较小时雷达波的传播速度 [ 1] 为
ν≈ν0
( 1)式中v 0 = 0 3 m/ ns 为雷达波在空气中的传播速度, 又因波长 ! f , 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。
r
又电磁波在介质中的传播能量衰减系数为 W= 2∀ r , 可见, 当电磁波的频率一定时, 介质的相f对介电常数 r 和电导率 都较大时, 雷达波能量会很快衰减 。因为空气的 r 比混凝土的 r 要小得多, 而且密实度差的混凝土内部小孔洞较多, 因此,其相对介电常数 r 会比密实度好的混凝土要小; 而且由于混凝土内各个部分的小孔洞分布不均匀, 使r 在各处的大小也会有变化。因此, 结合上述分析及能量衰减公式可知, 雷达波在密实度差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 r , 在混凝土内各处都较一致, 所以, 波幅衰减会比较有规律。
3． 混凝土路面密实度检测实例
本次试验 使用加拿 大 SSI 公司的 EKKO1000型探地雷达, 并选 用频率 为 1200 MH z 的 天线对。探地雷达的数据通过笔记本电脑在现场自动采集和
存储。采用反射法对汕头大学校内三段不同外观质量的混凝土路面进行了检测。采集到的雷达数据经滤波、增益等各种后期数字处理及参数调整后, 分别
生成灰度剖面图、波形剖面图以及单个波的波形图。
下面, 图 2~ 4 对应的混凝土路面密实度依次为差、较好、好。图中横坐标为水 平位 置, 单 位是cm , 纵坐标是深度, 单位是 m。每幅灰度图中 2 根水平白线之间部分即为路面的混凝土层。从各图左边深度坐标可知, 图 2 的混凝土路面厚度约为 12 6cm , 图 3 的混凝土路面厚度约为 12 7 cm, 图 4 的混凝土路面厚度约为 11 9 cm。
将图 2~ 4 的灰度及波形雷达剖面图进行对比分析后可以看出, 混凝土密实度较差的路面的雷达图像扰动很多, 同相轴较杂乱, 各道波的波形之间变化较大, 而波长也有变化, 这可能是因为其内部混凝土骨料和水泥砂浆分布不均匀, 之间结合不够紧密,存在较多的小孔洞和微裂缝, 致使内部各处混凝土的 r 不一致,进而使雷达反射波的波形和波长都发生变化; 混凝土密实度较好的路面的雷达图像扰动减少, 同相轴的连续性较好, 波形、波长较为一致; 混凝土密实度最好的路面的雷达图像同相轴连续性和一致性都很好, 波形和波长都很稳定一致, 特别是面层的首波几乎没有扰动, 这反映了内部混凝土的较一致, 密实度好。另外, 作者也对每个剖面的所有单个波形进行了分析, 在这里各拿出每个剖面的其中一道波形图,
如图 5~ 7 所示。图 中横坐标为时 间坐标, 单 位是ns, 纵坐标是幅值( 反射能量) 。其 中横坐标的 3~4 5 ns 间为混凝土层的反射波。经分析比较发现,
三段混凝土路面的混凝土层的雷达反射能量都差不多, 首波最大幅值都在 15000~ 18000 之间。
密实度差的路面的雷达反射波在同一时段内的各道波形相差很大, 这反映出混凝土内沿水平方向的密实度差; 同一道波在各时段的波幅变化也很大，能量的衰减也没规律性, 这些间接反映了混凝土内沿深度方向的密实度差。密实度较好的路面的雷达反射波在同一时段内的各道波形较为一致,同一道波在各时段的波幅基本稳定, 只有少数波形有较大的不同。这些表明混凝土在沿水平横向及沿深度纵向密实度都较好。密实度好的波形很一致, 各时段的波幅也较稳定( 图 7) , 而且反射能量主要集中在混凝土层, 混凝土层之后( 垫层和土层)能量衰减很大, 幅值很小。这说明混凝土层很密实,而且与垫层的分界面很明显, 因而在界面雷达能量反射较大, 进而垫层内反射能量就小。
4、路面渗水性测定
为验证探 地雷 达的 探测 成果, 作 者 使用 丹麦Germann 仪器公司的GWT - 4000 渗水性测定仪,在三段路的雷 达测线上各取出一点进 行渗水性检
测。渗水速率 q 按该仪器的说明书 内公式计算:
B ( g 1- g 2)
q== 0. 026( g 1 - g 2 ) / t( 2)
At式中B = 78 6 mm 2 为压入渗水仪腔体的螺旋测
2
微器的面积; g 1, g2 分别为螺旋测微器的起始和终
止读数; A = 3018 mm 为压力水与被测表面的接触
面积; t 为测试所用时间。检测的结果见表 1。
从表 1 中 3 个路面的渗水速率可以看出, 外观质量差的路面的渗水速率最大, 即抗渗性最差; 外观质量较好的路面的渗水速率居中, 但和外观质量好
的路面的渗水速率相差不大, 这表明其渗水性较好且和外观质量好的路面较接近。由于混凝土抗渗性的好坏间接反映了混凝土路面密实度的好坏, 因此,路面渗水性试验的结果也验证了探地雷达的结果。
5、结语
本文作者采用探地雷达方法检测了混凝土路面的密实度, 并用渗水性仪器的检测结果作验证, 两种检测结论一致。这表明探地雷达在混凝土密实度的检测中具有较好的适用性。探地雷达 具有非接触性、可单面检测、检测速度快、检测结果直观等优点,随着检测行业的发展, 必将得到更广泛的应用。