混凝土结构检测中探地雷达和超声波法的运用研究

吴永清

摘要：若混凝土结构内部有空洞或不密实区等缺陷，会严重影响结构的使用性能。为保证保证大型结构安全服役，混凝土结构的无损检测是重要的检测方法。本文结合工程实例，介绍了混凝土结构检测中探地雷达和超声波法运用的原理和方法，表明用探地雷达结合超声波检测混凝土不密实区和空洞的效果较理想，用于无损检测是可行的。

关键词：探地雷达；超声波；无损检测

1引言

混凝土结构中会出现裂缝，这只是缺陷形式之一，混凝土的无损检测技术是为了探测结构内部和表面缺陷，并对缺陷的性质分布及其变化等作出判断和评价，然后在不损伤混凝土结构的前提下，就是利用结构内部异常或缺陷存在所引起的对声、热、电、光、磁等反应的变化，对结构进行检测。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。它一般有三种含义，即无损检测、无损检查和无损评价。目前雷达技术和超声波技术已经被运用于混凝土结构的无损检测中。

2 探地雷达检测混凝土结构的基本原理

探地雷达检测具有方便快捷和无损的特点，是原理是利用电磁波在介质中的传播，通过记录传播的波形、传播时间以及电磁场强度等属性，推断混凝土结构特征的一种物理探测方法，也是目前应用最广泛的无损检测方法之一。雷达系统主要由发射机、接收机、天线和显示器等部分组成，其中天线部分又分为发射机和接收机两部分。用探地雷达检测混凝土结构的方法为反射法，检测时，雷达的发射天线向混凝土的内部发射高频脉冲电磁波，电磁波会集中在一个很窄的方向形成波束传播。遇到钢筋，孔洞时电磁属性就会发生变化，从而使部分雷达波被反射回来，这些信号就会被接收机接收（原理图如图1），然后通过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号，信号经计算机和雷达专用软件处理后形成雷达图像，据此就可对所检测的混凝土结构（如混凝土结构内部的孔洞，钢筋的位置，混凝土保护层的厚度等）进行描述。在混凝土缺陷的研究中，由于不同结构的含水量及孔隙率不同，物质会表现出不同的介电性质，在雷达扫描图中，将会出现互异的雷达波形图。表1是工程中不同介质的电磁参数检测结果。

图1 探地雷达原理

表1工程中常见介质的电磁参数

介质名称 电导率 相对介电常数

空气 0 1

淡水冰 4

石灰岩（湿） 2.5 8

混凝土（潮湿） ～ 10～20

混凝土（干燥） 4～10

混凝土内部出现缺陷损伤是难免会有的，要想采用无损检测确定缺陷的位置、取向和范围，有需要研究由缺陷边界不同侧介电常数的差异所引起反的射波相位和幅度的变化。这样，通过计算发射电磁波至反射波返回的时间差和混凝土中微波传播的速度就可确定反射体的位置，从而检测出混凝土内部缺陷的位置。

3超声波检测混凝土结构的基本原理

超声波主要采用“穿透法”来检测混凝土空洞或不密实区。超声波检测混凝土结构的基本原理是通过研究超声波在物体内部传播时，声波在通过物体内部不同界面时表现出的衰减、绕射和反射等物理特性，测定物体内部缺陷的一种无损检测方法。当超声波在传播过程中遇到裂缝、空洞、蜂窝等缺陷时，发射换能器发射的大部分超声波会在缺陷界面产生散射、反射等现象，在到达接收换能器时声波能量（波幅）就会发生显著减小，所以可根据波幅变化结构内部缺陷做出判断。当超声波遇到尺寸比其波长小的缺陷时会产生绕射，绕射的结果便是超声波传播的时间增长。超声波在穿过缺陷区时，超声波波速和振幅会发生衰减，再加上被测物体内部结构的不均匀性，从而使得声波的传播路径不确定，造成波形的畸变。由此可根据超声波声速的变化及其波幅以对结构内部缺陷进行判断。在穿过缺陷区时，不同幅度的超声波在缺陷界面产生不同的衰减，规律表明，波的幅度越高，衰减就会越大。因此，当有缺陷的混凝土的超声脉冲波被接收换能器接收时，接收到的主信号的幅度会发生显著降低。通过接收信号的振幅变化情况即可分析判断缺陷情况。

4应用实例

4.1探地雷达技术在混凝土结构无损检测中的应用实例

本次试验使用瑞典MALA公司的RAM-AC/GPR CUII高端多通道通用探地雷达。该机是当今世界上唯一可以单人操作的探测雷达。

检测前，要弄清楚测区的周围环境，尽量减少对雷达波干扰，所以要压制随机的和规则的干扰，以可能的最大分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，以便更精确的反应介质内部的情况。在检测岭澳核电站安全壳时，利用该雷达的屏蔽式抗干扰天线向混凝土内发射1.2GHz的电磁波，分析混凝土内部的缺陷只需判读回波图象。其它的设定参数为：采样频率34878MHz，天线间隔0.20m，采样间隔0.10m，时窗大小8.0ns。采取网格式扫描的方法，利用该雷达在筒壁表面进行扫描，连续发射信号到混凝土结构中，每单位长度扫描一定的道数，用计算机将检测结果同步显示并储存。在建筑质量工程检测中，裂缝的问题摆在突出的位置，但有时会由于裂缝的细微和杂乱，使得较难检测到裂缝。但雷达技术就在裂缝的位置及深度的检测中发挥了很大的作用。在本次检测中，我们也对安全壳2RX筒底水平向进行了雷达探测，从雷达图像可以清晰地看到，在距起始点0.62m和2.21m处，雷达图像同相轴错断，该现象说明已有裂缝在这两处出现，通过右侧纵坐标我们可以观察到裂缝的延伸趋势，右侧裂缝从0.26m延伸至0.58m，左侧裂缝从0.18m延伸至0.42m，由于这两个裂缝纵向延伸长度并不大，在结构工程中是安全的。

图4 雷达截面图

4.2超声波技术在混凝土结构无损检测中的应用

此次检测所用的仪器为RSM-SY5声波仪，换能器频率采用50 kHz。

一般采用波幅-声速综合分析法进行混凝土结构的无损检测，即通过测得的波幅值及波速值的大小来反映混凝土质量的好坏。当混凝土内部结构出现裂缝和空洞等缺陷时，波幅值和声速值会降低较多。即使是没有缺陷的混凝土，测得的声时、波幅等参数值也会在一定范围波动，这是由于混凝土本身的不均匀性，同时混凝土的湿度和测距、混凝土原材料品种及用量等都不同程度地影响到声学参数值。在检测的过程中，不可能确定一个固定的临界指标作为判断缺陷的标准，需要根据所测数据来做详细的分析与判断。较为严谨的做法是应用抽样检验理论，经过适当形式的简化和严密的数学推导，建立根据样本平均值和标准差来确定完好混凝土和缺陷混凝土的波幅和声速的分界值。这样使得超声波在混凝土无损检测中应用更具科学性说服性。

5结论

在很多工程实例中可以总结出这样一个结论，雷达测试和超声波综合测试的结果相互吻合，其探测出的混凝土结构缺陷的范围大致是相同的，而超声波能够更加精确的反应出缺陷混凝土存在的位置，从而确定此区域混凝土存在不密实或空洞等缺陷。由此可以发现，对于工程检测而言，使用单一的手段和方法难免会有一定的局限性。而当综合利用各种有效手段进行工程结构检测时，将大大提高结果的公正性和工作的准确性。对结构或构件混凝土进行不密实区和空洞缺陷检测是非常重要的，不仅在加快施工进度、消除工程隐患以及监控混凝土的施工质量等方面具有很重要的义，而且也从侧面反映出工程注重施工过程将会優于结果控制的道理，对于工程建设具有借鉴意义。

参考文献：

[1]王茹等.雷达技术在混凝土结构无损检测中的应用[J].核电子与探测技术，2009

[2]王腾.超声波检测混凝土内部缺陷数据处理的模糊综合评价分析[D].兰州理工大学，2014

[3]徐莹等.探地雷达和超声波法在混凝土结构检测中的应用[J].土木工程与管理学报，2012