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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v0=03m/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1200MHz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126cm,图3的混凝土路面厚度约为127cm,图4的混凝土路面厚度约为119cm。
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3~45ns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