混凝土结构检测中探地雷达和超声波法的运用研究

陈仕坤

摘要：目前，混凝土的结构检测越来越重要。若是混凝土内部存在有空洞或是不密实的区域，势必会严重影响建筑结构的承载能力和耐久性能。无损检测主要用于混凝土内部结构质量检测中，其中以探地雷达和超声波法的使用最为普遍，检测结果也比较准确。本文主要介绍了这两种方法在混凝土内部结构检测中的使用原理，表明探地雷达和超声波法在混凝土结构检测中是可行的，在此基础上总结出两种方法使用的侧重点和优势。希望通过这两种方法的简要介绍，可以给其具体使用带来一定程度的指导意义。

关键词：探地雷达；超声波；无损检测；混凝土结构

引言

混凝土结构内部若存在不密实区或空洞等缺陷，必然会严重影响结构的承载能力和耐久性。我国的建筑物结构规模越来越宏大，当建筑物由于某种原因不能满足某项功能的要求或对满足某项功能的要求产生怀疑时，就需要对建筑物的整体结构、某一部分结构或者是某构件进行检测与改造。本文列举出了用标准试件评价混凝土质量的劣势，接着介绍了探地雷達和超声波两种方法在混凝土结构检测中的具体应用。

1标准试件评价混凝土质量的缺点

传统的混凝土质量检测方法为用标准试件评价混凝土质量，这种方法存在一些显而易见的缺点，主要有：不能反映混凝土的施工和养护质量；不能反映结构各部位混凝土强度质量，评价的均匀性不强；当没有试件或者对试件的制作、养护、抗压实验等条件有怀疑时，没有办法评价验收混凝土强度；不能反映混凝土结构老化或意外损伤后的强度；不能反映特殊工艺生产的构件混凝土强度，例如喷射、离心、挤压、振动模式等等；不能进行多次试验，例如在观测混凝土强度发展或者检测外界因素的实验的时候等等方面。这些方面的缺点都限制了这种方法的应用，并促进了新的检测方法的发展。

2无损检测技术

随着技术的发展，一些无损检测技术越来越多地应用在混凝土结构检测中。无损检测技术是指不破坏混凝土结构构件的条件下，在混凝土结构构件原位上对混凝土结构构件的强度和缺陷进行直接定量检测的技术。在检测混凝土的强度方面有回弹法、综合法；在检测混凝土内部缺陷的方面有超声法、冲击回波法、雷达波反射法、红外热谱法等，本文主要介绍的是探地雷达和超声波两种方法的具体应用。

2.1探地雷达检测法原理

探地雷达技术探测识别混凝土结构体内部缺陷和埋设物并不是一项新技术，国外很多学者和检测机构都对其进行了一定程度的研究。探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，它通过发射高频电磁脉冲波，利用地下介质电性参数（见表1电磁波在部分常见介质中的传播参数）的差异，根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和推断介质结构和物性特征，即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。混凝土与金属和空气间均存在明显的电磁性能差异，因此可以将探地雷达用于混凝土结构的检测中，来探测混凝土中的空洞、裂缝等。

雷达的发射天线向被探测混凝土的内部发射高频电磁波，在电磁特性发生变化的地方，雷达波一部分被反射回来并由接收天线接收，一部分发生散射，剩下的继续向内透射。由天线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，从而可以对介质的内部结构进行描述，比如混凝土厚度，内部埋藏物的深度，内部缺陷的深度、大小、形状、走向以及分界面等。

根据电磁学理论：非磁性介质如混凝土的磁导率为1，当天线频率很高时，被探

测介质的导电率σ又较小时，雷达波的传播速度如下式所示：

在上式中，V0 是雷达波在空气中的传播速度，为一定值：v0 = 0.3 m/ns，根据波长 ，可以得出当使用某一固定频率的天线进行雷达探测时，如果被探测的混凝土的相对介电常数有发生任何变化，那么雷达波的波速就会发生变化，波长也会变化。电磁波在介质中的传播能量衰减系数为 ，当电磁波的频率一定的前提下，如果介质的相对介电常数和电导率都比较大，雷达波的能量衰减的会很快。因为空气的介电常数比混凝土的要小得多，所以，在有内部缺陷的混凝土中雷达波的能量衰减较慢，在有孔洞的地方波幅衰减速度减慢，甚至会出现波幅异常增大的现象。根据这种现象我们就能有效并且准确地检测混凝土内部结构。

2.2超声波检测法原理

超声波检测技术目前普遍运用于我国的工程建筑行业，2000年由中国工程建设标准化协会批准颁布了《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，在一定程度上为超声波检测技术的应用提供了技术标准。超声波检测技术主要用于对混凝土材料、构件的检测，其目的是检测混凝土材料内部是否存在裂缝、空洞等。混凝土是由多种材料组合的非均质材料，对超声脉冲的吸收、散射衰减较大，因此，当混凝土的材料、内部质量和检测距离一定时，超声波在混凝土中传播的速度、首波幅度等声学参数的数值应该保持基本的一致，例如对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说，声速高则混凝土密实，相反则混凝土不密实。但如果混凝土内部出现空洞或者裂缝时，混凝土完整性被破坏，超声波的声速、信号频率会有所变化，超声脉冲波只能绕过裂缝或空洞传播到接收换能器，因此传播路

程增大，测得的声时必然偏长或声速降低。而且由于超声波在缺陷的层面产生复杂的反射、折射等现象，会使得声能衰减，成分中频率越高的部分其声能衰减地越快，从而使得接收信号的波幅很大程度地降低，导致频率明显减小以及整个频率谱中高频率成分大大减少，信号经过缺陷发生反射或绕过缺陷传播得到的的脉冲波和直接到达的脉冲波信号之间相互叠加，因为存在声程和相位差，二者会产生干扰，从而会使得接收到的信号的波形发生变化，超声波测试正是根据这些变化综合混凝土声学参数测量值的相对变化分析、判定内部缺陷的位置和范围并估算缺陷的尺寸大小。

在利用超声波技术检测混凝土内部结构中，需要注意的是由于混凝土本身的不均匀性，即使混凝土内部没有缺陷，测得的声时、波幅等一些参数值也会在一定范围内波动，更不用说混凝土原材料品种、用量和混凝土的湿度测距等都会在不同程度上影响声学参数值，因此我们不可以确定一个固定的临界指标作为标准判断缺陷是否存在，而是需要根据所测得数据在经过应用抽样检验理论和数学推导以及适当的简化后，根据得到的样本平均值和标准差来确定完整的混凝土和缺陷混凝土的波幅和声速的分解值。

陕西某建筑结构的混凝土质量检测中就重点使用了超声波法。该项目通过超声波探测混凝土内部密实度和混凝土实际强度，并掌握了混凝土的整体浇注质量和实际强度。在此基础上，还结合了回弹法，综合起来对重点区域混凝土表面层缺陷进行探测，掌握混凝土蜂窝、麻面和缺陷层的厚度和疏松状况。

3应用分析比较

超声波和探地雷达两种方法都可以检测混凝土内部的结构缺陷，它们的检测范围大致相同。但是二者的应用范围仍然有差别。探地雷达可以粗略地判断出混凝土的缺陷，而超声波则能以相对低速区和低幅区更好地显示不密实的混凝土内部结构，从而更加精确地确定混凝土缺陷的位置和尺寸。在实际应用中，要根据情况而具体确定使用单一方法还是两种方法结合使用。单一的应用一种检测技术会对工程检测产生一定的局限性，但是综合利用各种有效的方法会大大提高工作的准确性和结果的公正性。这两种方法在监控混凝土的施工质量、消除工程不安全隐患以及加快施工监督等方面具有很重要的意义。目前在混凝土检测中主要使用的是无损检测，虽然检测手段和检测效率、准确性等方面都有恶很大的提高，然而根据国内外的使用实例，这一方面的研究还是不完整的。因此，我们要在日常运用中总结经验，进一步完善这两种方法的使用。

参考文献：

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