吳永清

摘要：若混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部有空洞或不密實區(qū)等缺陷，會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能。為保證保證大型結(jié)構(gòu)安全服役，混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測是重要的檢測方法。本文結(jié)合工程實例，介紹了混凝土結(jié)構(gòu)檢測中探地雷達(dá)和超聲波法運(yùn)用的原理和方法，表明用探地雷達(dá)結(jié)合超聲波檢測混凝土不密實區(qū)和空洞的效果較理想，用于無損檢測是可行的。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；超聲波；無損檢測

1引言

混凝土結(jié)構(gòu)中會出現(xiàn)裂縫，這只是缺陷形式之一，混凝土的無損檢測技術(shù)是為了探測結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面缺陷，并對缺陷的性質(zhì)分布及其變化等作出判斷和評價，然后在不損傷混凝土結(jié)構(gòu)的前提下，就是利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶β暋?、電、光、磁等反應(yīng)的變化，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。無損檢測是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平，其重要性已得到公認(rèn)。它一般有三種含義，即無損檢測、無損檢查和無損評價。目前雷達(dá)技術(shù)和超聲波技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測中。

2 探地雷達(dá)檢測混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理

探地雷達(dá)檢測具有方便快捷和無損的特點，是原理是利用電磁波在介質(zhì)中的傳播，通過記錄傳播的波形、傳播時間以及電磁場強(qiáng)度等屬性，推斷混凝土結(jié)構(gòu)特征的一種物理探測方法，也是目前應(yīng)用最廣泛的無損檢測方法之一。雷達(dá)系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線和顯示器等部分組成，其中天線部分又分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分。用探地雷達(dá)檢測混凝土結(jié)構(gòu)的方法為反射法，檢測時，雷達(dá)的發(fā)射天線向混凝土的內(nèi)部發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波會集中在一個很窄的方向形成波束傳播。遇到鋼筋，孔洞時電磁屬性就會發(fā)生變化，從而使部分雷達(dá)波被反射回來，這些信號就會被接收機(jī)接收（原理圖如圖1），然后通過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接收機(jī)，形成雷達(dá)的回波信號，信號經(jīng)計算機(jī)和雷達(dá)專用軟件處理后形成雷達(dá)圖像，據(jù)此就可對所檢測的混凝土結(jié)構(gòu)（如混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞，鋼筋的位置，混凝土保護(hù)層的厚度等）進(jìn)行描述。在混凝土缺陷的研究中，由于不同結(jié)構(gòu)的含水量及孔隙率不同，物質(zhì)會表現(xiàn)出不同的介電性質(zhì)，在雷達(dá)掃描圖中，將會出現(xiàn)互異的雷達(dá)波形圖。表1是工程中不同介質(zhì)的電磁參數(shù)檢測結(jié)果。

圖1 探地雷達(dá)原理

表1工程中常見介質(zhì)的電磁參數(shù)

介質(zhì)名稱 電導(dǎo)率 相對介電常數(shù)

空氣 0 1

淡水冰 4

石灰?guī)r（濕） 2.5 8

混凝土（潮濕） ～ 10～20

混凝土（干燥） 4～10

混凝土內(nèi)部出現(xiàn)缺陷損傷是難免會有的，要想采用無損檢測確定缺陷的位置、取向和范圍，有需要研究由缺陷邊界不同側(cè)介電常數(shù)的差異所引起反的射波相位和幅度的變化。這樣，通過計算發(fā)射電磁波至反射波返回的時間差和混凝土中微波傳播的速度就可確定反射體的位置，從而檢測出混凝土內(nèi)部缺陷的位置。

3超聲波檢測混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理

超聲波主要采用“穿透法”來檢測混凝土空洞或不密實區(qū)。超聲波檢測混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理是通過研究超聲波在物體內(nèi)部傳播時，聲波在通過物體內(nèi)部不同界面時表現(xiàn)出的衰減、繞射和反射等物理特性，測定物體內(nèi)部缺陷的一種無損檢測方法。當(dāng)超聲波在傳播過程中遇到裂縫、空洞、蜂窩等缺陷時，發(fā)射換能器發(fā)射的大部分超聲波會在缺陷界面產(chǎn)生散射、反射等現(xiàn)象，在到達(dá)接收換能器時聲波能量（波幅）就會發(fā)生顯著減小，所以可根據(jù)波幅變化結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷做出判斷。當(dāng)超聲波遇到尺寸比其波長小的缺陷時會產(chǎn)生繞射，繞射的結(jié)果便是超聲波傳播的時間增長。超聲波在穿過缺陷區(qū)時，超聲波波速和振幅會發(fā)生衰減，再加上被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，從而使得聲波的傳播路徑不確定，造成波形的畸變。由此可根據(jù)超聲波聲速的變化及其波幅以對結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷進(jìn)行判斷。在穿過缺陷區(qū)時，不同幅度的超聲波在缺陷界面產(chǎn)生不同的衰減，規(guī)律表明，波的幅度越高，衰減就會越大。因此，當(dāng)有缺陷的混凝土的超聲脈沖波被接收換能器接收時，接收到的主信號的幅度會發(fā)生顯著降低。通過接收信號的振幅變化情況即可分析判斷缺陷情況。

4應(yīng)用實例

4.1探地雷達(dá)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用實例

本次試驗使用瑞典MALA公司的RAM-AC/GPR CUII高端多通道通用探地雷達(dá)。該機(jī)是當(dāng)今世界上唯一可以單人操作的探測雷達(dá)。

檢測前，要弄清楚測區(qū)的周圍環(huán)境，盡量減少對雷達(dá)波干擾，所以要壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以可能的最大分辨率在地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，以便更精確的反應(yīng)介質(zhì)內(nèi)部的情況。在檢測嶺澳核電站安全殼時，利用該雷達(dá)的屏蔽式抗干擾天線向混凝土內(nèi)發(fā)射1.2GHz的電磁波，分析混凝土內(nèi)部的缺陷只需判讀回波圖象。其它的設(shè)定參數(shù)為：采樣頻率34878MHz，天線間隔0.20m，采樣間隔0.10m，時窗大小8.0ns。采取網(wǎng)格式掃描的方法，利用該雷達(dá)在筒壁表面進(jìn)行掃描，連續(xù)發(fā)射信號到混凝土結(jié)構(gòu)中，每單位長度掃描一定的道數(shù)，用計算機(jī)將檢測結(jié)果同步顯示并儲存。在建筑質(zhì)量工程檢測中，裂縫的問題擺在突出的位置，但有時會由于裂縫的細(xì)微和雜亂，使得較難檢測到裂縫。但雷達(dá)技術(shù)就在裂縫的位置及深度的檢測中發(fā)揮了很大的作用。在本次檢測中，我們也對安全殼2RX筒底水平向進(jìn)行了雷達(dá)探測，從雷達(dá)圖像可以清晰地看到，在距起始點0.62m和2.21m處，雷達(dá)圖像同相軸錯斷，該現(xiàn)象說明已有裂縫在這兩處出現(xiàn)，通過右側(cè)縱坐標(biāo)我們可以觀察到裂縫的延伸趨勢，右側(cè)裂縫從0.26m延伸至0.58m，左側(cè)裂縫從0.18m延伸至0.42m，由于這兩個裂縫縱向延伸長度并不大，在結(jié)構(gòu)工程中是安全的。

圖4 雷達(dá)截面圖

4.2超聲波技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測中的應(yīng)用

此次檢測所用的儀器為RSM-SY5聲波儀，換能器頻率采用50 kHz。

一般采用波幅-聲速綜合分析法進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測，即通過測得的波幅值及波速值的大小來反映混凝土質(zhì)量的好壞。當(dāng)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫和空洞等缺陷時，波幅值和聲速值會降低較多。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，這是由于混凝土本身的不均勻性，同時混凝土的濕度和測距、混凝土原材料品種及用量等都不同程度地影響到聲學(xué)參數(shù)值。在檢測的過程中，不可能確定一個固定的臨界指標(biāo)作為判斷缺陷的標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)所測數(shù)據(jù)來做詳細(xì)的分析與判斷。較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ㄊ菓?yīng)用抽樣檢驗理論，經(jīng)過適當(dāng)形式的簡化和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立根據(jù)樣本平均值和標(biāo)準(zhǔn)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。這樣使得超聲波在混凝土無損檢測中應(yīng)用更具科學(xué)性說服性。

5結(jié)論

在很多工程實例中可以總結(jié)出這樣一個結(jié)論，雷達(dá)測試和超聲波綜合測試的結(jié)果相互吻合，其探測出的混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的范圍大致是相同的，而超聲波能夠更加精確的反應(yīng)出缺陷混凝土存在的位置，從而確定此區(qū)域混凝土存在不密實或空洞等缺陷。由此可以發(fā)現(xiàn)，對于工程檢測而言，使用單一的手段和方法難免會有一定的局限性。而當(dāng)綜合利用各種有效手段進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)檢測時，將大大提高結(jié)果的公正性和工作的準(zhǔn)確性。對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土進(jìn)行不密實區(qū)和空洞缺陷檢測是非常重要的，不僅在加快施工進(jìn)度、消除工程隱患以及監(jiān)控混凝土的施工質(zhì)量等方面具有很重要的義，而且也從側(cè)面反映出工程注重施工過程將會優(yōu)于結(jié)果控制的道理，對于工程建設(shè)具有借鑒意義。

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