混凝土結(jié)構(gòu)檢測中探地雷達和超聲波法的運用研究

韋哲

（廣西華安建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，廣西南寧530033）

0 引言

混凝土劣化的早期識別是一項重要的工程任務(wù)，有許多相關(guān)的監(jiān)測挑戰(zhàn)。探地雷達（GPR）和超聲波法是兩種重要的無損檢測工具，通常被用來定位混凝土內(nèi)部的鋼筋和空隙[1]。

對于探地雷達檢測方法來說，單次探地雷達測量一般不足以確定混凝土劣化的速度和程度，雷達波振幅響應(yīng)的變化可能與電磁材料特性的變化有關(guān)。近二十年來，探地雷達（GPR）被用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康評估，1980年使用的掩埋地雷探測技術(shù)，證明了使用雷達技術(shù)探測和測量混凝土中空隙大小的可行性，這是雷達波在介電不連續(xù)處反射造成的。

對于超聲波法估算混凝土抗壓強度的檢測方法來說，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中，很難確定施工時用于混凝土的材料，也很難獲得類似的材料，因此無法確定混凝土試樣的超聲波速度和抗壓強度之間的關(guān)系[2]。但一般情況下，混凝土的抗壓強度越高，超聲波縱波在混凝土中的傳播速度就越快，當所用材料或其他條件受到限制時，可以確定這兩者之間的高度相關(guān)性。

1 探地雷達在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的運用

1.1 探地雷達傳播的方式

探地雷達數(shù)據(jù)是作為形成振幅時間序列的單個軌跡獲得的。通過蜂巢傳播的透射波比通過周圍材料傳播的波更快，并且具有更早的首次到達特征，這種影響取決于蜂窩的尺寸和介電常數(shù)，但也取決于天線頻率。探地雷達一般由兩種傳播效應(yīng)：傳播時間縮短和穿過空洞的波振幅減小。混凝土中鋼筋的干擾只會導(dǎo)致相應(yīng)的波紋時間和振幅響應(yīng)，鋼筋代表了波傳播的障礙，但由于鋼筋的直徑比波長小，所以它的影響只是次要的。

一般在雷達圖中，我們會觀察到第一次到達預(yù)期蜂巢區(qū)域的時間縮短大約0.3ns，與周圍區(qū)域相比，振幅減小2倍以上。首次到達振幅的第一個最大值可以追溯到很大的測量效果，特別是對于三個蜂巢的較低位置。具有較短時間值的時間信息支持存在一個較低介電常數(shù)范圍的結(jié)論，對時間進行評估表明，觀察到的不均勻性可以是空洞，也可以是蜂窩。

通過改變時間范圍，可以檢測到不同的不均勻性，包括導(dǎo)致波傳播延遲的不均勻性。因此，被檢對象在結(jié)構(gòu)和材料上必須具有一定的同質(zhì)性，否則隨后的時間剖面將變得非常復(fù)雜，解釋將非常困難。一般情況下，構(gòu)件內(nèi)部的空隙深度和尺寸都不顯示。Visualization軟件能夠分析第一個信號在一個時間范圍內(nèi)的不同特性，例如第一個最大值或平均值和累積值，但沒有觀察到顯著差異。通過排除子區(qū)域可以抑制干擾邊緣效應(yīng)，通常振幅表示已被選擇，以便將信號和噪聲之間的對比度最大化，因此，在均勻振幅軸中比較可視化結(jié)果通常是有效的。

1.2 探地雷達的反射模式

圖1 探地雷達的反射模式

圖1 顯示了1.5GHz和2.6GHz天線的偏移雷達數(shù)據(jù)的深度剖面，即探地雷達的反射模式。在雙壁的整個橫截面上選擇深度截面，以了解其結(jié)構(gòu)，并能夠評估觀察到的不均勻性。在圖1中，可以看到雙墻板內(nèi)的各種類型的鋼筋，其中包括結(jié)構(gòu)梁和兩個箍筋以及近表面交叉鋪設(shè)（水平和垂直）鋼筋。圖片中標記了與預(yù)期蜂巢相對應(yīng)的觀察到的不均勻性的位置，這些異常通常在2.6GHz的記錄中更容易識別。在切片中，可以看到金屬的強烈反射，其中1.5GHz天線顯示了最好的成像結(jié)果。

2 超聲波法在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的運用

2.1 含水量對超聲波法檢測的影響

混凝土的超聲波速度受到水含量的強烈影響。如果混凝土試件干燥，減少其含水量能使其超聲波速度降低，但抗壓強度反而增加。因此，如果混凝土的含水量不同，超聲波速度與抗壓強度之間的關(guān)系也會不同，用超聲波法進行混凝土結(jié)構(gòu)檢測時，應(yīng)保證在相同的含水量條件下進行測量。混凝土結(jié)構(gòu)表面部分的含水量因環(huán)境條件而異，但受干燥影響較小的內(nèi)部截面的含水量被認為與密封養(yǎng)護試樣的含水量相似，因此在進行超聲波法檢測時，應(yīng)對內(nèi)部截面進行測量。

2.2 常用超聲波法對比

用常規(guī)和特殊兩種方法測定的巖芯試樣的超聲波速度一般不同。一般會為每個混凝土的齡期和位置繪制多種種混合比例，并且會為每個齡期和試樣繪制穿過原點的回歸線。對于齡期在28d以內(nèi)的混凝土，使用常規(guī)方法測量的結(jié)果與使用特殊方法的測量結(jié)果之間沒有明顯差異。然而，在91d或更高的齡期后，使用特殊方法確定的測量值更大。

此外，干燥狀態(tài)的差異對測量結(jié)果也有重要的影響[3]。隨著芯樣密度下降速率的增加，用特殊方法得到的超聲速度與用常規(guī)方法得到的超聲速度之比也趨于增大。因此，特殊的方法不受干燥的影響，該方法被認為適用于測量內(nèi)部截面的超聲速度。

2.3 超聲聲速與抗壓強度的關(guān)系

密封固化試樣中超聲波速度與抗壓強度之間具有很強悍的函數(shù)關(guān)系。一般來講，按粗骨料類型分類，并隨指數(shù)趨勢線呈現(xiàn)。從粗骨料類型來看，密封養(yǎng)護試件的超聲波速度與抗壓強度之間存在高度相關(guān)性。

圖2 顯示了超聲波速度與混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度之間的關(guān)系。圖2（a）、（b）圖形的水平軸分別顯示了使用常規(guī)方法導(dǎo)出的芯樣的超聲波速度和使用特殊方法導(dǎo)出的超聲波速度。在圖中，密封養(yǎng)護至28d齡期（干燥影響相對較小）的試件的超聲波速度與抗壓強度之間存在高度相關(guān)性，但在91d或更大的齡期，當干燥效應(yīng)較大時，在相同的抗壓強度下，與密封養(yǎng)護試件相比，超聲波傳播速度較低，這是因為巖芯樣本表面部分干燥，超聲波速度較低。

但基于超聲波聲速的混凝土靜彈性模量估算方法一般偏差較小，且能較好地應(yīng)用于抗壓強度的估算。因此，接下來將討論這些類型的密封固化試件和其他試件中超聲波速度和抗壓強度之間關(guān)系的差異與超聲波速度和靜態(tài)彈性模量之間關(guān)系的差異，以及靜態(tài)彈性模量與抗壓強度的關(guān)系。

2.4 超聲波速度與靜彈性模量的關(guān)系

圖2 超聲波速度與混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度的關(guān)系

靜態(tài)彈性模量的測量與基于超聲波速度的公式確定的楊氏模量（動態(tài)彈性模量）估計值存在一定的關(guān)系。一般在研究時每個位置的3個芯樣品的高度在中間，在每個位置進行182d的靜態(tài)彈性模量測試。計算內(nèi)部干燥的動態(tài)彈性模量時，未受干燥影響的樣品密度（板坯試件的齡期為3d，壁試件的齡期為7d）和用所提出方法測得的超聲波速度，用于計算動態(tài)彈性模量的估計值。

動態(tài)彈性模量和靜態(tài)彈性模量值之間具有一定的關(guān)系。密封固化試樣（圖中實線）的動態(tài)彈性模量估計值與靜態(tài)彈性模量測量值之間的關(guān)系與非固化試樣的關(guān)系相同。此外，試樣上每個位置的兩個值的關(guān)系通常是相同的。

3 結(jié)束語

探地雷達探測方法受天線結(jié)構(gòu)（如頻率和天線極化）的影響較小，并且在定位方面相對穩(wěn)健，厘米范圍內(nèi)的定位精度就可以進行測試。由于內(nèi)置蜂巢的大尺寸，它們可以通過降低的振幅以及早期的首次到達來繪制。根據(jù)評估，探地雷達傳輸方法在建筑工地上具有常規(guī)使用的潛力。

超聲波法在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中主要用來測定混凝土的抗壓強度，且其抗壓強度受含水量和測量方法的影響較大。一般在測量時，選擇含水量相同的混凝土結(jié)構(gòu)進行測量。與常規(guī)的測試方法相比，特殊的方法不受干燥的影響，而常規(guī)的方法受表面部分的干燥程度影響，可以用于測量混凝土內(nèi)部的超聲波速度。