徐 瑩, 徐宏武

(1.重慶交通大學 土木建筑學院， 重慶 400074； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067)

對于混凝土質(zhì)量的評價，由于受技術發(fā)展的限制，一直以來，基本是通過混凝土強度指標和外觀的優(yōu)劣來評價。通過觀察混凝土外觀的優(yōu)劣，可以定性評價工程構件的質(zhì)量好壞，然而評價結果受實際經(jīng)驗等多種因素的影響較大。通過回彈強度，可以得到混凝土表面3～5 cm內(nèi)混凝土質(zhì)量的好壞，然而對于混凝土內(nèi)部的缺陷，卻無法得知。

隨著技術的進步，各種大體積混凝土以及高質(zhì)量的商品混凝土得到發(fā)展。然而，混凝土在施工過程中, 有時因漏振、漏漿或因石子架空在鋼筋骨架上等澆注原因, 易導致混凝土內(nèi)部形成蜂窩狀不密實區(qū)或空洞等缺陷。這種缺陷往往會使結構或構件的整體承載力嚴重下降,結構耐久性大大降低，因此采用有效方法查明混凝土結構缺陷的性質(zhì)、范圍及尺寸, 以便進行技術處理, 是工程建設中一個亟待解決的問題。

目前，雷達技術和超聲波技術已被運用于混凝土構件無損檢測中, 雷達系統(tǒng)根據(jù)電磁脈沖傳播到目標物反射回來的時間來確定目標物的深度和位置, 傳播速度取決于物質(zhì)的電磁特性; 而超聲波成像根據(jù)低頻彈性波對空隙產(chǎn)生繞射現(xiàn)象使得首波時間變長，從而確定混凝土中的缺陷[1]。本文將綜合運用探地雷達技術和超聲波技術，來檢測混凝土結構的內(nèi)部缺陷。

1 超聲波檢測混凝土缺陷的原理

采用超聲脈沖波檢測混凝土結構缺陷的基本原理是：利用脈沖波在技術條件相同(指混凝土的原材料、配合比、齡期和測試距離一致)的混凝土中傳播的時間(或速度)、接收波的振幅和頻率等聲學參數(shù)的相對變化, 來判定混凝土的缺陷。由于超聲脈沖波傳播速度的快慢, 與混凝土的密實程度有直接關系, 對于原材料、配合比、齡期及測試距離一定的混凝土來說, 聲速高則混凝土密實, 相反則混凝土不密實。當有空洞或裂縫存在時, 便破壞了混凝土的整體性, 超聲脈沖波只能繞過裂縫或空洞傳播到接收換能器, 因此傳播路程增大, 測得的聲時必然偏長或聲速降低[2]。

另外, 由于空氣的聲阻抗率遠小于混凝土的聲阻抗率, 脈沖波在混凝土中傳播時, 遇著蜂窩、空洞或裂縫等缺陷, 便在缺陷界面發(fā)生反射和散射, 聲能衰減, 其中頻率較高的成分衰減更快, 因此接收信號的波幅明顯降低, 頻率明顯減小或者頻率譜中高頻成分明顯減少[3]。再者經(jīng)缺陷反射或繞過缺陷傳播的脈沖波信號與直達波信號之間存在聲程和相位差, 疊加后互相干擾, 致使接收信號的波形發(fā)生畸變。

根據(jù)以上原理, 可以利用混凝土聲學參數(shù)測量值的相對變化綜合分析、判別其缺陷的位置和范圍,或者估算缺陷的尺寸。

2 探地雷達檢測混凝土缺陷的原理

探地雷達主要是利用不同的介質(zhì)在電磁特性上的差異會造成雷達反射回波在波幅、波長及波形上有相應的變化這一原理。物體的電磁特性主要由相對介電常數(shù)和電導率決定。與混凝土結構有關的介質(zhì)電磁參數(shù)見表1?；炷僚c金屬和空氣間均存在明顯的電磁性能差異,因此用雷達法探測混凝土中的空洞、裂縫是可行的。由雷達的發(fā)射天線向被探測介質(zhì)的內(nèi)部發(fā)射高頻電磁波,在電磁特性有變化的地方，雷達波一部分被反射回來,部分則發(fā)生散射 ,剩下的繼續(xù)向內(nèi)透射,反射回波由接收天線接收(圖1)。接收到的雷達信號經(jīng)計算機和雷達專用軟件處理后形成雷達圖像,以此對介質(zhì)的內(nèi)部結構(如介質(zhì)厚度,分界面,內(nèi)部埋藏物或缺陷的埋藏深度、大小、形狀、走向等)進行描述[4]。

表1 常見介質(zhì)的電磁參數(shù)一覽表

圖1 電磁波傳播示意

由電磁學可知,對于非磁性介質(zhì)(如混凝土)有磁導率u=u0=1,當天線頻率f很高，而且被探測介質(zhì)的導電率σ較小時，雷達波的傳播速度為：

電磁波在介質(zhì)中的傳播能量衰減系數(shù)為W=2πfεrσ,可見,當電磁波的頻率一定,介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr和電導率σ都較大時 ,雷達波能量會很快衰減[5]。因為空氣的εr比混凝土的εr要小得多，因此,雷達波在有內(nèi)部缺陷的混凝土中衰減較慢，而且在有孔洞的地方波幅衰減減緩,甚至會有波幅異常增大的現(xiàn)象。而密實度好的混凝土由于εr和σ在混凝土內(nèi)各處都較一致,波幅衰減會比較有規(guī)律[6]。

3 工程實例

在云南元雙公路，作者開展了大量的關于預應力T梁的混凝土結構檢測的工作。其中，在某標段的隨機抽檢中，作者通過探地雷達和超聲波綜合評價法對后張預應力T梁進行混凝土質(zhì)量的檢測時，及時發(fā)現(xiàn)梁體馬蹄部位混凝土空洞的質(zhì)量問題，提出了技術處理方案，保證了工程質(zhì)量。此次所檢測梁為兩端連續(xù)預應力T型梁(如圖2)，混凝土設計強度為C50，已澆注7 d，除梁腹板中部有少許蜂窩麻面，整體外觀較好。首先對梁體進行探地雷達檢測，然后再運用超聲波檢測，綜合分析兩種方法的測試數(shù)據(jù)，并與實際破檢情況相對比，得出結論[7]。

3.1 探地雷達檢測

3.1.1混凝土缺陷的雷達現(xiàn)場測試

此次檢測所用雷達為美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000型探地雷達系統(tǒng)，根據(jù)梁板厚度(T梁最厚處為70 cm)，選用1.5 GHz的雷達天線。為了全面了解T梁的質(zhì)量狀況，檢查梁體的缺陷狀態(tài)，在現(xiàn)場探測時，一般要根據(jù)檢測的指標來確定雷達測線的布置。T梁的密實性、空洞、裂縫將是本次檢測的主要指標。因此，本次檢測的測線共布置腹板上部、腹板中部和馬蹄部位13條測線(圖2)，將雷達天線以一定速度沿著測線運動，并將所測得數(shù)據(jù)保存。

3.1.2圖像處理

探地雷達探測時，在T型預應力梁體，1.5 GHz頻率探測，探測最大深度0.8～1.0 m。雷達數(shù)據(jù)通過雷達專用處理軟件進行分析處理，選取合適的介電常數(shù)值，經(jīng)濾波等處理，再通過對比分析和判斷，從而推斷異常來達到最終的推斷成果。經(jīng)雷達圖像處理分析：從T梁腹板上部和中部1-12測線分析，未見空洞，混凝土相對均勻密實。但是，第13條測線在沿梁體走向的22.2～24.5 m范圍，有強烈的反射信號(圖3)，可以肯定此范圍混凝土質(zhì)量異常，為不密實區(qū)域。

圖2 T梁雷達和超聲波檢測測線布置

圖3 測線13雷達圖像

圖4 超聲波波速-波幅曲線

3.2 超聲波檢測

3.2.1混凝土缺陷的超聲波現(xiàn)場測試

由于受探地雷達的自身限制，我們無法更為精確地判斷缺陷的位置和尺寸。為了更加準確的判斷測試結果，對疑似缺陷區(qū)域，我們采用超聲波法進行對比測試。

此次檢測所用的儀器為中科院武漢巖土所生產(chǎn)的RSM-SY5聲波儀，換能器頻率采用50 kHz。根據(jù)實際情況，采用對測法進行平面測試。測試時需要保證發(fā)射換能器與接收發(fā)射器處于正對位置，這樣才能保證測試的準確性。檢測前需要對T梁的厚度進行讀數(shù)，在換能器與T梁之間需要加入耦合劑耦合(選用黃油作為耦合劑)，以保證聲波大部分都能進入待檢測梁板中。為了較真實地反應混凝土的缺陷，我們將擴大超聲波測試的范圍，將雷達檢測結果確定的缺陷區(qū)域擴大，即測網(wǎng)布置將包含部分合格混凝土和缺陷混凝土，其中測線布置如圖2。

3.2.2數(shù)據(jù)處理及判斷

對于混凝土缺陷的超聲波檢測法，一般采用波幅-聲速綜合分析法，即在超聲波無損檢測法中, 通過測得的波速值及波幅值的大小來反映混凝土質(zhì)量的好壞[8]。當混凝土內(nèi)部結構出現(xiàn)空洞和裂縫等缺陷時，聲速值及波幅值即降低較多。

由于混凝土本身的不均勻性, 即使是沒有缺陷的混凝土, 測得的聲時、波幅等參數(shù)值也會在一定范圍波動, 更何況混凝土原材料品種、用量及混凝土的濕度和測距等都不同程度地影響到聲學參數(shù)值[9]；因此, 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(jù)所測數(shù)據(jù)，首先應用抽樣檢驗理論,經(jīng)過數(shù)學推導和適當簡化，建立根據(jù)樣本平均值及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[A]1和[V]1。

(1)

(2)

其中，Vi′為合格混凝土每測點的波速值(m/s)；Ai′為合格混凝土每測點的波幅值(mm)；n為參與統(tǒng)計的測點數(shù)。

為了防止合格混凝土實測值的分布規(guī)律和變異性與假設前提相差太遠, 一般需要根據(jù)抽樣的最小測量值來確定分界值, 參考混凝土強度質(zhì)量的正常變異性并加以適當簡化, 可建立根據(jù)樣本最小值來確定分界值[A]2和[V]2的計算公式：

(3)

(4)

最后根據(jù)式(1)及式(3)的結果[V]1及[V]2，取其中的最大值作為完好混凝土和缺陷混凝土間的波速分界值[V]；同理，根據(jù)式(2)及式(4)的結果[A]1及[A]2，取其中的最大值作為完好混凝土和缺陷混凝土間的波幅分界值[A]。

本次檢測中，共得到40個測點的超聲波測試數(shù)據(jù)(圖4)，根據(jù)合格混凝土的波速及波幅測量值確定完好混凝土和缺陷混凝土間的分界值[V]和[A], 計算步驟如下：

(1)波速分界值的確定

根據(jù)樣本平均值及標準差確定[V]1:

已知：Vi′=4665 m/s

Sv′=155 m/s

= 4665-2155

=4160 m/s

根據(jù)樣本最小值，確定分界值[V]2：

取[V]1和[V]2的最大值即為波速分界值[V]，因此[V]=4220 m/s。

(2)波幅分界值[A]的確定:

根據(jù)樣本平均值及標準差確定[A]：

SA′=2.25 mm

=89.5-22.25

=84 mm

根據(jù)樣本最小值, 確定分界值[A]2:

已知:Amin′=64 mm

式(4)中 [A]2=Amin′=64 mm

取[A]1和[A]2中的最大值即為波幅分界值[A], 因此[A]=84 mm。

由此可以得出完好混凝土和缺陷混凝土的分界值為[V]=4220 m/s及[A]=84 mm。

由波速-波幅曲線圖(圖4)分析可知:在測點7至測點13區(qū)域，存在波幅及聲速低值區(qū)，可以斷定，此區(qū)域混凝土存在嚴重不密實。同時，分析超聲波波形，可以看出波速正常區(qū)域的典型波形規(guī)則，首波判讀正常；而缺陷混凝土典型波形雜亂，無法自動判讀首波，進一步說明此區(qū)域存在不密實或空洞等缺陷。

3.3 檢測結果分析及驗證

綜合探地雷達法和超聲波法的檢測結果，可以看出，超聲波和雷達探測出的混凝土結構缺陷的范圍大致相同，而超聲波更加精確的反應出缺陷混凝土存在的位置，同時，雷達測試和超聲波綜合測試的結果相互吻合，確定此區(qū)域混凝土存在不密實或空洞等缺陷。為了驗證實際情況，將混凝土缺陷區(qū)域破損，我們發(fā)現(xiàn)在T梁距離B端23.1～23.6 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)一段空波紋管，埋在混凝土中。這將嚴重影響T梁結構承載力，需要將T梁重新處理才能使用，處理方法可以將脫空區(qū)注滿水泥漿或者用環(huán)氧砂漿混凝土補強，并重新加固T梁[10]。

4 結 論

(1)超聲波和探地雷達均可反映混凝土內(nèi)部的結構缺陷,但在混凝土質(zhì)量檢測中的應用范圍有區(qū)別，雷達可以較粗略的判斷出混凝土的缺陷，但對于不密實的混凝土內(nèi)部區(qū)域, 超聲波以相對低速區(qū)和低幅區(qū)可較好地顯示出來，從而精確的確定出缺陷混凝土的位置和尺寸。

(2)單一的借助一種手段和方法，對于工程檢測有一定的局限性。而綜合利用各種有效手段進行工程結構檢測，將大大提高工作的準確性和結果的公正性。

(3)對結構或構件混凝土進行不密實區(qū)和空洞缺陷檢測，不僅在監(jiān)控混凝土的施工質(zhì)量、消除工程隱患、加快施工進度等方面具有很重要的意義,而且也從側面反映出施工過程控制將優(yōu)于結果控制，對于工程建設具有借鑒意義。

(4)混凝土內(nèi)部缺陷有空洞、夾雜、離析、疏松等多種類型，目前，無損檢測可以運用于混凝土質(zhì)量的檢測，但是，針對混凝土缺陷類型的判斷還需要進一步的實踐與研究。

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