雷达法在大厚度钢筋保护层检测中的应用

苏忠纯，曹忠露，李俊毅，洪志军，赵卫民

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

钢筋混凝土结构中钢筋保护层厚度是指从钢筋公称直径外边缘到混凝土表面的最小距离[1]，不同的设计规范对结构保护层厚度中“钢筋”定义不同，JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》和JTS 153—2015《水运工程结构耐久性设计标准》指的是纵向受力的普通钢筋及预应力钢筋，GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》、GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》、JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、JTG/T 3310—2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》中还包括箍筋、构造筋、分布筋等，钢筋只要发生锈胀就会对混凝土造成破坏，因此笔者认为现行国家标准和公路标准对“钢筋”的定义更为准确。保护层厚度对钢筋混凝土结构的整体受力和耐久性有重要影响，事关工程质量、使用寿命和结构安全，保护层厚度过小，随着时间的推移，混凝土碳化或氯化物渗透会造成钢筋锈胀，破坏混凝土表面结构，维修成本高，加固维修难度大；保护层厚度过大，主筋位置改变，受力后构件表面易产生裂缝，钢筋发挥不出应有的结构效应[2]。

为保证钢筋混凝土结构合理使用年限，我国住建、水运、公路、铁路和水利等各行业有关钢筋混凝土结构和耐久性设计规范或标准根据混凝土结构的使用年限和使用环境对钢筋保护层最小厚度进行限制。JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》和JTS 153—2015《水运工程结构耐久性设计标准》中钢筋混凝土结构最小保护层厚度范围为40～65 mm，GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》对处于氯化物环境设计使用年限100 a 的钢筋混凝土结构最小保护层厚度范围为45～60 mm，JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对Ⅲ类近海或海洋氯化物环境设计使用年限100 a 的钢筋混凝土结构最小保护层厚度范围为35 ～65 mm，TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》对处于Ⅲ类氯盐环境下桥涵钢筋混凝土结构最小保护层厚度范围为45～60 mm，以上设计规范对处于氯盐环境下钢筋保护层厚度设计范围为35～65 mm。

深中通道西人工岛隧道段属于海洋氯化物环境，环境作用等级Ⅲ-D、Ⅲ-E，隧道结构钢筋密集，主筋直径40 mm，侧墙内侧主筋直径32 mm，钢筋间距150 mm，为保证混凝土的使用年限，内外墙设计钢筋保护层厚度分别为66 mm 和86 mm，保护层厚度相对较大。

电磁法是国内应用比较广泛的保护层厚度无损检测方法，钱树波等人对国产和进口电磁法保护层厚度测定仪进行对比发现部分设备测量误差严重偏大、有效测量范围也在70 mm 以下[3]，刘雨等人用电磁法钢筋探测仪对钢筋密集和较大的保护层厚度进行检测时发现钢筋探测仪直接测得保护层厚度与实际厚度相差超出±3 mm 的要求[4]，因此精准检测钢筋混凝土结构的保护层厚度，保证其合理使用年限不发生锈蚀破坏是亟待解决的问题。

1 检测方法确定

1.1 检测原理

JTS 239—2015《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》和JGJ/T 152—2019《混凝土中钢筋检测技术标准》中钢筋混凝土保护层厚度的无损检测方法有电磁感应法和雷达法。电磁感应法的基本原理是：仪器本身或探头由大电流激励发射线圈产生脉冲磁场，当磁场下方存在钢筋时，钢筋会在磁场作用下产生涡流进而形成二次感应磁场，接收线圈将接收到的感应磁场转换成电磁波强度，仪器对其进行实时分析运算，以判断钢筋的位置和保护层厚度等信息[5]；雷达法是通过发射和接收到的毫微秒级电磁波来检测保护层厚度，基本原理是：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射器经天线被定向送入检测体内，经存在电性差异的目标体反射后返回结构体表面被接受天线接收到接收器，根据反射回波在波幅及波形上变化的原理形成图像并进行分析。由于金属是良导体，电导系数和磁导率很大，微波很难穿透，反射回波基本上为全反射，波形曲线形状明显，容易判读[6]。

1.2 仪器设备

1.2.1 LR-G200 一体式钢筋检测仪

该设备是电磁法原理的便携式智能无损检测设备，仪器设备适用于φ6～φ50 mm 的钢筋，第一量程2～100 mm，第二量程2～200 mm，保护层厚度最大允许误差见表1。

表1 LR-G200 一体式钢筋检测仪保护层厚度最大偏差Table 1 Maximum deviation of concrete cover by LR-G200 integrated reinforced detectomr m

1.2.2 NJJ-95B 钢筋混凝土雷达

该设备是主机与天线一体化的便携式雷达法检测设备，可探测范围为5～300 mm，保护层厚度最大允许误差见表2。钢筋混凝土雷达的电磁波从天线向混凝土表面传播时，穿透内部的电磁波遇到与混凝土电性能不同的钢筋而反射，并被天线再次接收，通过电磁波反射测量反射体的深度和水平位置，并将钢筋深度和位置显示为图像，检测示意见图1。

图1 雷达法检测混凝土保护层厚度示意图Fig.1 Indication diagram of concrete cover detected by radar mehtod

表2 雷达法检测混凝土保护层厚度的最大偏差Table 2 Maximum deviation of detected by radar method mm

1.3 对比分析

暗埋段缩尺模型构件为西人工岛大体积混凝土浇筑工艺性试验构件，内外墙设计保护层厚度与主体结构一致，保护层厚度允许偏差为-5~+15 mm。分别采用LR-G200 一体式钢筋检测仪和NJJ-95B 钢筋混凝土雷达对暗埋段缩尺模型构件保护层厚度进行检测，采用剔槽直接测量的方法对保护层厚度进行验证，比对试验数据见表3。

表3 直接法和保护层厚度测定仪比对试验数据Table 3 Comparison of test data between direct method and concrete cover detector mm

经过比对分析，发现LR-G200 一体式钢筋检测仪保护层厚度测定仪所测数据与直接法相差2~6 mm，对个别保护层厚度超过100 mm 且有其他钢筋干扰的情况下检测不出数据，不满足JTS 239—2015《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》中第7.1.3 条规定保护层厚度测定仪对检测误差±3 mm 的要求；NJJ-95B 钢筋混凝土雷达与直接法最大相差为2 mm，满足JTS 239—2015《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》中第7.1.3 条检测允许误差的规定，精度较高，可对现场大厚度混凝土结构钢筋保护层厚度进行检测。为准确测定本工程大厚度钢筋保护层厚度，及时发现保护层厚度不合格的区域，有效指导现场钢筋绑扎施工质量，决定采用雷达法对现场钢筋保护层厚度进行检测。

2 钢筋混凝土雷达的校准

2.1 钢筋混凝土雷达

通过对混凝土雷达的探测深度、探测精度、水平方向分辨率、显示模式、一次探测存储距离、无存储平滑探测、狭窄空间探测、存储容量、电池持续时间等性能进行比选，最终选定NJJ-200K钢筋混凝土雷达。该设备是NJJ 系列的最新产品，也是世界上第一款采用智能手机作为显示器的遥控雷达，配备3.4 GHz 的天线，可探测范围为5～450 mm，间距分辨率高达1∶0.2，在探测深度≤75 mm 时钢筋最小间距为15 mm，探测深度75～175 mm 时钢筋最小间距为40 mm，一次可存储300 根钢筋的数据，在不保存数据的情况下可实现无距离限制的平滑检测，通过分类主单元、显示单元和加长杆，可以实现狭窄空间和一定高度范围的各种钢筋探测，完全满足本工程钢筋直径大、间距密、保护层厚度大的要求。

2.2 校准板的制作

钢筋混凝土雷达探测时需要预先输入现场混凝土的相对介电常数，对同一介质不同的仪器设备测的混凝土相对介电常数也会有所区别。根据西人工岛主体工程内外墙混凝土保护层厚度制作校准板2 个，设计尺寸为1 600 mm×500 mm×300 mm 的钢筋混凝土板，混凝土采用与主体工程相同的配合比进行浇筑，养护方式与主体工程相同。校准板为单层钢筋，钢筋分别采用直径φ32 和φ40 的螺纹钢，埋置深度分别为86 mm、66 mm、46 mm 和106 mm、86 mm、66 mm，钢筋间距与主体工程一致，在保证钢筋间距的前提下，将每根钢筋穿过两端侧模固定，并保证测试钢筋水平，两端均外露校准板50 mm。

水基淬火液不同于淬火油，由于聚合物淬火剂本身有机物质的属性，使其不得不面对严峻的细菌滋生困扰，德州思科研究发现，并非某些种类的杀菌剂能够完全解决这一问题，需要从淬火液整体配伍体系综合考虑，抵抗细菌滋生，增强稳定性。细菌的滋生则会对淬火液产生十分不良影响，是其冷却性能不稳定的开始，主要危害有以下几点：

校准板钢筋布置见图2。

2.3 相对介电常数的确定

2.3.1 相对介电常数确定方法

混凝土相对介电常数是钢筋混凝土雷达能准确测定保护层厚度的关键，以外露钢筋量测校准板钢筋的实际保护层厚度为基准，通过调整混凝土的相对介电常数使钢筋混凝土雷达测定的保护层厚度与基准一致的方法确定混凝土的相对介电常数[7-8]。具体步骤如下：

1） 用游标卡尺对测试板外漏钢筋进行准确测量，确定实际保护层厚度；

2） 在仪器中预先输入一个相对介电常数对钢筋保护层厚度进行测定；

3） 根据量测的实际保护层厚度对相对介电常数进行调整，直至仪器显示值与实际保护层厚度结果一致或满足规范要求的允许偏差；

4） 根据调整后的介电常数重新对校准板钢筋保护层厚度进行测定，与实际保护层厚度进行对比，再次确认相对介电常数；

2.3.2 不同龄期的混凝土相对介电常数

用NJJ-200K 钢筋混凝土雷达对不同养护龄期校准板的保护层厚度进行检测，以确定混凝土不同养护龄期的相对介电常数，结果见表4。

表4 不同龄期相对介电常数值Table 4 Relative dielectric constant of different ages

从表4 数据可知，早龄期混凝土因内部含水量较大，相对介电常数变化明显，随着混凝土胶凝材料的水化和水分的蒸发，混凝土内部自由水逐渐减少，混凝土相对介电常数也随之下降，14 d龄期后相对介电常数在测试深度46~106 mm 的深度范围内没有差异，均为7.1；同时也可看出随着混凝土保护层厚度的增大，混凝土内部自由水损失较慢，介电常数趋于稳定的龄期也相应增大。

3 现场应用

现场检测要确保混凝土表面处于干燥无水状态，否则介电常数会发生变化，影响检测结果。当混凝土中含有钢筋、管线、钢管等金属材质时，其介电常数大于混凝土的介电常数，最大波形峰值从表面向右侧最大突出；当混凝土内含有空洞或其他非金属材质时，其介电常数小于混凝土的介电常数，最大峰值向左侧突出。现场检测过程中根据波形峰值的突出状况对混凝土内部情况进行判断，通过手机显示的横坐标移动距离标尺和纵坐标深度标尺可随时对空洞的位置、钢筋间距和钢筋保护层厚度进行读取和判定。

大体积混凝土洒水养护14 d 后，拆除养护用一布一膜土工布，待混凝土表面风干后采用NJJ-200K 钢筋混凝土雷达（介电常数设置7.1）对主筋保护层厚度进行检测，同时采用取芯直接量测的方法对保护层厚度进行验证，比对数据见表5。钢筋混凝土保护层厚度检测结果与实测值偏差为±1 mm，检测结果准确，满足规范的要求。采用钢筋混凝土雷达对每一施工段的钢筋保护层厚度和间距进行检测，通过检测数据为下一施工段的钢筋绑扎施工进行优化调整提供参考，现已施工完成的暗埋度、敞开段和匝道隧道各结构段混凝土钢筋保护层厚度检测结果均满足设计≥80%的要求，为本工程顺利通过竣工验收提供有力的保证。

表5 雷达法和取芯法保护层厚度比对结果Table 5 Comparison of concrete cover between radar method and cores method mm

4 结语

通过对电磁法和雷达法钢筋保护层厚度测定仪的比对分析，对钢筋混凝土雷达使用前的校准和现场的应用，得出以下结论：

1） 对于在60～105 mm 钢筋保护层厚度的无损检测宜采用雷达法，不宜采用电磁法。

2） 混凝土的介电常数14 d 后趋于稳定，混凝土保护层厚度越大，介电常数趋于稳定的时间越长。

3） 钢筋混凝土雷达实测偏差小，精度高，可准确测定大厚度钢筋混凝土的保护层厚度，指导现场施工。