钢筋混凝土的透视雷达无损检测技术及应用.pdf

钢筋混凝土的透视雷达无损检测 技术及应用 赵永辉,吴健生,万明浩,谭 春 (同济大学 海洋地质教育部重点实验室,上海 200092) 摘 要:将透视雷达技术引入到钢筋混凝土的无损检测领域中来,从而对混凝土的内部结构 与质量作出准确的评价,并结合工程实例介绍其实际应用效果。 关键词:无损检测;钢筋混凝土;雷达;成像 中图分类号:TG115.28; TB321 文献标识码:A 文章编号:100026656(2002)0620234203 GROUND PENETRATING RADAR NONDESTRUCTIVE TESTING TECHNIQUE FOR REINFORCED CONCRETE AND ITS APPLICATIONS ZHAO Yong2hui, WU Jian2sheng, WAN Ming2hao, TAN Chun (Laboratory of Marine Geology , Ministry of Education , T ongji University , Shanghai 200092 , China ) Abstract : Ground penetrating radar technique has been introduced into nondestructive testing of reinforced concrete and it can be used to evaluate accurately the interior structure and quality of the concrete. The practical engineering application effect of the technique is described. Keywords :Nondestructive testing; Reinforced concrete ; Radar; Imaging 无损检测是对混凝土质量进行监督、 诊断和评 估的重要手段之一 1 ,其结果也是后期维护和保养 的重要依据 2 。钢筋混凝土本身的复杂特性、 检测 环境场地条件的限制以及特殊建筑的保护需要,一 些常规的检测方法,如超声波、 冲击回波、 红外线 等 3 ,4 ,因种种原因的限制而不能达到检测的目的。 透视雷达(GPR)是近年来迅速发展起来的一种 无损检测技术 5 ,目前国外已应用得非常广泛,而且 后期的技术支持也日趋成熟。国内在20世纪90年 代开始引进GPR检测系统,尤其是在上海,GPR已 经逐渐开始被岩土工程界及检测部门所关注,其应 用范围也越来越广泛。利用GPR技术对钢筋混凝 土内部结构(配筋、 钢筋保护层等)准确成像,实现对 其质量的检测与评估。 1 透视雷达检测方法原理 透视雷达法是一种广谱电磁技术,利用发射天 收稿日期:2001201203 基金项目:上海市教育发展基金会 上海市教育委员会曙光计 划资助项目(99SG09) 线将高频电磁波 (10 2 000MHz)以宽频带短脉冲形 式送入介质内部,经目标体反射后回到表面,回波信 号由接收天线接收。电磁波在介质中传播时,其路 径、 电磁场强度及波形随所通过介质的电性性质及 几何形态变化,根据接收反射回波的双程走时、 幅度 和相位等信息,对介质的内部结构进行准确描述。 脉冲波传播需要时间t为 t= 4z 2 +x 2 v 式中 z 目标体的深度,m x 发射天线与接收天线间的距离,m v 雷达波在介质中传播的速度,mns 各参数意义见图1。当介质中波速v已知时,可根 据测到的精确值t(ns) ,由上式求出目标体的深度。 x在检测中是固定的,v可以用宽角方式直接测量, 也可根据下式近似算出(当介质的电导率很低时) v= c 式中 c 光速 c= 013mns 432 第24卷第6期 2 0 0 2年6月 无损检测 NDT Vol. 24No . 6 Jun .2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 图1 透视雷达探测原理图 地下介质的相对介电常数值,可用理 论数据或测定获得 雷达像剖面图常以脉冲反射波的波形形式记 录。波形的正负峰分别以黑、 白表示,或者以灰阶或 彩色表示。这样,同相轴或等灰线、 等色线即可形象 地表征地下反射面或目的体。在波形记录图上各测 点均以测线的铅垂方向记录波形,构成雷达成像剖 面。根据雷达剖面图像,可以判断反射界面或目的 体,而且快速、 直观、 无损伤。 透视雷达探测的分辨力和最大穿透深度与采用 的天线中心频率有密切关系,频率越高,检测的分辨 力越高,穿透深度也越浅,但低频会导致一定的探测 盲区。表1列出了一般天线中心频率及其对应的分 辨力、 最大穿透深度和盲区。 表1 天线频率与分辨力、 最大测深及盲区 天线频率MHz分辨力m最大测深m盲区m 2 0000.040.081.52.0 9000.2350.08 5000.57100.250.5 3001.07100.51.0 1501.510151.0 502.010152.0 254.515304.0 2 透视雷达系统发展现状 最早从事研制与开发透视雷达系统的有三家公 司,它们是加拿大的Sensor & Software Inc. ,瑞典的 Mala GeoScience Inc.和美国的Geophysics Surveys Sys2 tems Inc.。到目前为止,这三大公司的产品几乎占 据了国际市场的70 %。目前国内引进的透视雷达 仪器基本上是以上三大主导公司的产品,但加拿大 Sensor & Software Inc.的EKK O系列占有更大的比 例。EKK O系列由最初的EKK O2100型发展到目前 最新的EKK O21000型,天线中心频率最高可达2 000MHz。透视雷达系统正在不断提高其产品性能, 如抗干扰能力和检测分辨力,而且整个系统也在朝 集成化(单人操作)、 智能化以及友好用户界面方向 发展。 透视雷达产品的迅速发展与技术的日趋完善, 给钢筋混凝土无损检测提供了更有利环境及更多选 择,也是拓宽透视雷达技术应用范围的关键因素。 3 透视雷达资料解释 雷达剖面图像的解释是透视雷达检测的目的。 然而透视雷达图像所反映的是介质的电性分布,要 把介质的电性分布转化为目标体分布,需综合运用 透视雷达信号的各种特征进行系统的分析。 雷达资料解释包括两部分的内容,一为数据处 理,二为图像解释。由于介质相当于一个复杂的滤 波器,介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均 匀性使波的振幅衰减,雷达脉冲到达接收天线时的 波形与原始波形有较大的差别。另外,不同程度的 各种随机信号噪声和干扰波,也歪曲了实测数据。 因此,必须对接收信号实施适当的处理,以改善数据 资料,为进一步解释提供清晰的图像。 图像解释第一步是识别异常,然后进行资料解 释。对于异常的识别应结合已知,为识别现场探测 遇到的有限目的体引起的异常及对各类图像解释提 供依据。识别异常是一个经验积累过程,一方面基 于透视雷达图像的正演成果,另一方面由大量工程 实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并 正确判别异常,才能获得可靠、 准确的解释结果。 由于目的体的衰减系数、 介质中的传播速度、 介 电常数和电导率不同,不同的目标体在雷达波形上 各有特征。针对钢筋混凝土,主要注意:钢筋的 雷达反射波形特征。由于绕射的作用,钢筋的波形 为粗黑弧形,弧形的顶端即为钢筋的顶部位置。 钢板的雷达反射波形特征。其波形粗黑、 均匀,同相 轴水平,钢板下的雷达波被屏蔽,无反射波。裂 缝的雷达反射波形特征。同相轴错断,裂缝越深,同 相轴错断越多。混凝土的雷达反射波形特征,同 相轴不连续,波形较白,内部若有钢筋则波形粗黑。 4 工程检测实例 4.1 钢筋混凝土体结构检测 在对上海浦东发展银行办公大楼进行内部装修 时发现,八角形顶壁、 楼板及梁上出现多处延伸较长 的裂缝,最终可能会导致八角形壁画出现裂缝。在 532 赵永辉等:钢筋混凝土的透视雷达无损检测技术及应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 对其进行维护及加固之前,需详细了解壁画砼墙结 构配筋及钢筋保护层厚度等信息。 采用EKK O21000型高频透视雷达检测,使用的 天线中心频率为1 200MHz ,在八角形壁画砼墙背面 布设网格测线,图2和图3为水平和垂直方向测线 的透射雷达检测成像剖面。图中水平轴表示测线方 向与距离,左垂直轴为双程反射时间,右垂直轴为目 标体深度。 图2 水平测线透视雷达成像剖面 图3 垂直测线透视雷达成像剖面 在钢筋混凝土体中,可以视混凝土体为媒介介 质,钢筋作为混凝土中的异常体。由于两者存在着 强烈的介电性质差异,电磁波在钢筋与混凝土的交 界面上将产生强反射,在雷达成像剖面上表现为具 有双曲线型特征异常。依据此特征异常可对图2和 图3进行分析,可见,墙体厚度为0. 20m ,钢筋保 护层厚度为0. 08m。在水平测线雷达成像剖面 (图 2) 中,墙体内纵向分布着11条钢筋(测线范围 内 ) , 其间距为0. 15m。在垂向测线雷达成像剖 面(图 3) 中,墙体内横向分布着四条钢筋(测线范围 内 ) , 其间距为0.30m。 综合其它网格测线的透视雷达成像剖面,可获 得该壁画砼墙结构的三维线架表现图(图4) ,非常 直观、 准确地描述了其配筋分布。 4.2 混凝土裂缝检测 上海市金外滩广场地下室发生渗流现象,该地 下室底板厚2. 1m ,全部底板混凝土一次性铺设,面 积 8 000m 2 。由于混凝土固结过程中温度的变化, 图4 壁画砼墙结构的三维线架表现图 局部形成微裂缝,需要找清这些微裂缝的延伸长度 及在混凝土内部的延伸变化情况。以往常用的超声 波法无法满足探测需要。采用EKK O21000型透视 雷达,天线中心频率为900MHz ,测点间距为0101m。 天线分离距分别采用了0.2 ,0.3和0.4m进行测量, 然后进行多次叠加去噪声处理,结果如图5所示。 在距起始点0.38和0.78m处,雷达反射波同相轴错 断,表明这些部位已出现裂缝,其纵向延伸至2. 0m , 即表明该裂缝为贯穿裂缝。图6为综合分析获得的 底板三维线架表现图,结果十分清晰直观。 图5 裂缝透视雷达成像剖面 图6 混凝土底板三维线架表现图 5 结论 透视雷达技术在地球物理学界应用得较为广 泛,如工程勘察、 城市管线探测、 路基质量评估等方 面,而将透视雷达技术应用到钢筋混凝土的无损检 测中却是一个全新的课题与研究方向,实际的工程 (下转第271页) 632 赵永辉等:钢筋混凝土的透视雷达无损检测技术及应用 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 图4 垂直于径向裂纹的造粒模板截面示意图 k ,x 穿透型径向裂纹 未结合缺陷 是加热流道,加热流道距离耐磨堆焊层表面8mm , 裂纹尖端距加热流道只有4mm左右,而这一部位又 受到加热油的流体挤压作用,裂透的可能性非常大。 加热流道一旦裂开,加热介质将涌出。因此,x是最 危险的裂纹之一。 3.3 与出料孔连通的未结合缺陷 三处未结合缺陷都与出料孔连通。这样的缺陷 相当于耐磨堆焊层与模板基体之间的一个夹层或二 维平面裂纹。使用中,熔融的塑料将挤入缺陷中,使 敏感的耐磨堆焊层与基体结合面受到流体压力产生 撕裂力,它将促使二维平面裂纹进一步扩展,直至耐 磨堆焊层局部崩块或塑料从边棱漏出。 3.4 径向裂纹穿过的未结合缺陷 对于有径向裂纹从中穿过的 , 两处来说,塑 料可以直接从夹层上方的裂口中喷出,使粉料增多 甚至缠刀。更为严重的是,裂纹将夹层上薄薄的脆 性碳化钨分成两半,在熔融塑料挤压下,耐磨堆焊层 极有可能成块断裂崩落(图 4) 。 4 结论 造粒模板存在着十分危险的质量缺陷。其耐磨 堆焊层表面存在着25条径向裂纹,所有裂纹均沿径 向横断整个耐磨堆焊层。耐磨堆焊层与不锈钢模板 基体之间存在三处未结合和五处结合不良缺陷,所 有结合缺陷都位于耐磨堆焊层的内外边棱处。如果 装机使用,可能出现碳化钨崩块、 加热介质漏出、 塑 料漏出、 塑料缠刀、 切粒不规整、 粉料增多直至模板 基体开裂等一系列严重问题。 参考文献: 1Szelazek J. Flaw sizing with distance , probe displacement , size(DDS) diagramsJ . NDT International ,1989 ,22(1) :12 - 20. (上接第236页) 实例也表明透视雷达技术是钢筋混凝土无损检测的 一种重要而极为有效的手段,且随着数字处理、 电子 技术及计算机的高速发展,透视雷达在硬件设备上 也将不断更新,精度必将进一步提高,这为混凝土检 测甚至于岩土工程界的无损检测提供了新的思路。 参考文献: 1 林宗元.岩土工程监理手册M.沈阳:辽宁科学技术 出版社,1996. 2 岩土工程手册编委会.岩土工程手册M.北京:中国 建筑工业出版社,1994. 3 李为杜.混凝土无损检测技术M.上海:同济大学出 版社,1989. 4 琼斯R著,王贻荪,等译.混凝土非破损试验方法M. 北京:中国建筑工业出版社,1982. 5Weil G J. Non2destructive testing of bridge , highway and air2 port pavement A .FourthInternationalConference on Ground Penetrating RadarC. Finland:1992.259 - 266. (上接第256页) 似。它同样使用双晶双触点无耦合剂超声探头,只 是晶片发送和接收频率的上限较高,频率范围为 215150kHz ,可根据使用要求选择。它对薄壁材料 构件的粘接质量检测很适用,例如碳环氧蒙皮2芳纶 纸心(Nomex芯子)蜂窝结构的检测。 参考文献: 1 陈积懋,航空制造工程手册 工艺检测分册M.北京: 航空工业出版社,1993. 2Short Scott R , ed. Transient and steady state vibration testing for structural anomaliesJ . Materials Evaluation ,1999 ,57 (1) :65 - 68. 3Cawley P. Lowfrequency NDTtechniquesfor the detection of disbond and delaminationsJ . The British Journal of Non2 Destructive Testing ,1990 ,32(9) :454. 4 Pagliaro Louis , Hunt Art. Vibration analysis a new ASNT NDTmethodJ . Materials Evaluation ,1998 ,56(7) : 830 - 834. 5 陈积懋,张 颖.复合材料无损检测新进展J .航空工 艺技术,1998 ,(5) :17 - 19 ,27. 172 王静巍:造粒模板耐磨堆焊层的检测 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m