混凝土结构检测中探地雷达和超声波法的运用研究

韦哲

（广西华安建设工程质量检测有限公司，广西南宁530033）

0 引言

混凝土劣化的早期识别是一项重要的工程任务，有许多相关的监测挑战。探地雷达（GPR）和超声波法是两种重要的无损检测工具，通常被用来定位混凝土内部的钢筋和空隙[1]。

对于探地雷达检测方法来说，单次探地雷达测量一般不足以确定混凝土劣化的速度和程度，雷达波振幅响应的变化可能与电磁材料特性的变化有关。近二十年来，探地雷达（GPR）被用于混凝土结构的健康评估，1980年使用的掩埋地雷探测技术，证明了使用雷达技术探测和测量混凝土中空隙大小的可行性，这是雷达波在介电不连续处反射造成的。

对于超声波法估算混凝土抗压强度的检测方法来说，在现有结构中，很难确定施工时用于混凝土的材料，也很难获得类似的材料，因此无法确定混凝土试样的超声波速度和抗压强度之间的关系[2]。但一般情况下，混凝土的抗压强度越高，超声波纵波在混凝土中的传播速度就越快，当所用材料或其他条件受到限制时，可以确定这两者之间的高度相关性。

1 探地雷达在混凝土结构检测中的运用

1.1 探地雷达传播的方式

探地雷达数据是作为形成振幅时间序列的单个轨迹获得的。通过蜂巢传播的透射波比通过周围材料传播的波更快，并且具有更早的首次到达特征，这种影响取决于蜂窝的尺寸和介电常数，但也取决于天线频率。探地雷达一般由两种传播效应：传播时间缩短和穿过空洞的波振幅减小。混凝土中钢筋的干扰只会导致相应的波纹时间和振幅响应，钢筋代表了波传播的障碍，但由于钢筋的直径比波长小，所以它的影响只是次要的。

一般在雷达图中，我们会观察到第一次到达预期蜂巢区域的时间缩短大约0.3ns，与周围区域相比，振幅减小2倍以上。首次到达振幅的第一个最大值可以追溯到很大的测量效果，特别是对于三个蜂巢的较低位置。具有较短时间值的时间信息支持存在一个较低介电常数范围的结论，对时间进行评估表明，观察到的不均匀性可以是空洞，也可以是蜂窝。

通过改变时间范围，可以检测到不同的不均匀性，包括导致波传播延迟的不均匀性。因此，被检对象在结构和材料上必须具有一定的同质性，否则随后的时间剖面将变得非常复杂，解释将非常困难。一般情况下，构件内部的空隙深度和尺寸都不显示。Visualization软件能够分析第一个信号在一个时间范围内的不同特性，例如第一个最大值或平均值和累积值，但没有观察到显著差异。通过排除子区域可以抑制干扰边缘效应，通常振幅表示已被选择，以便将信号和噪声之间的对比度最大化，因此，在均匀振幅轴中比较可视化结果通常是有效的。

1.2 探地雷达的反射模式

图1 探地雷达的反射模式

图1 显示了1.5GHz和2.6GHz天线的偏移雷达数据的深度剖面，即探地雷达的反射模式。在双壁的整个横截面上选择深度截面，以了解其结构，并能够评估观察到的不均匀性。在图1中，可以看到双墙板内的各种类型的钢筋，其中包括结构梁和两个箍筋以及近表面交叉铺设（水平和垂直）钢筋。图片中标记了与预期蜂巢相对应的观察到的不均匀性的位置，这些异常通常在2.6GHz的记录中更容易识别。在切片中，可以看到金属的强烈反射，其中1.5GHz天线显示了最好的成像结果。

2 超声波法在混凝土结构检测中的运用

2.1 含水量对超声波法检测的影响

混凝土的超声波速度受到水含量的强烈影响。如果混凝土试件干燥，减少其含水量能使其超声波速度降低，但抗压强度反而增加。因此，如果混凝土的含水量不同，超声波速度与抗压强度之间的关系也会不同，用超声波法进行混凝土结构检测时，应保证在相同的含水量条件下进行测量。混凝土结构表面部分的含水量因环境条件而异，但受干燥影响较小的内部截面的含水量被认为与密封养护试样的含水量相似，因此在进行超声波法检测时，应对内部截面进行测量。

2.2 常用超声波法对比

用常规和特殊两种方法测定的岩芯试样的超声波速度一般不同。一般会为每个混凝土的龄期和位置绘制多种种混合比例，并且会为每个龄期和试样绘制穿过原点的回归线。对于龄期在28d以内的混凝土，使用常规方法测量的结果与使用特殊方法的测量结果之间没有明显差异。然而，在91d或更高的龄期后，使用特殊方法确定的测量值更大。

此外，干燥状态的差异对测量结果也有重要的影响[3]。随着芯样密度下降速率的增加，用特殊方法得到的超声速度与用常规方法得到的超声速度之比也趋于增大。因此，特殊的方法不受干燥的影响，该方法被认为适用于测量内部截面的超声速度。

2.3 超声声速与抗压强度的关系

密封固化试样中超声波速度与抗压强度之间具有很强悍的函数关系。一般来讲，按粗骨料类型分类，并随指数趋势线呈现。从粗骨料类型来看，密封养护试件的超声波速度与抗压强度之间存在高度相关性。

图2 显示了超声波速度与混凝土结构抗压强度之间的关系。图2（a）、（b）图形的水平轴分别显示了使用常规方法导出的芯样的超声波速度和使用特殊方法导出的超声波速度。在图中，密封养护至28d龄期（干燥影响相对较小）的试件的超声波速度与抗压强度之间存在高度相关性，但在91d或更大的龄期，当干燥效应较大时，在相同的抗压强度下，与密封养护试件相比，超声波传播速度较低，这是因为岩芯样本表面部分干燥，超声波速度较低。

但基于超声波声速的混凝土静弹性模量估算方法一般偏差较小，且能较好地应用于抗压强度的估算。因此，接下来将讨论这些类型的密封固化试件和其他试件中超声波速度和抗压强度之间关系的差异与超声波速度和静态弹性模量之间关系的差异，以及静态弹性模量与抗压强度的关系。

2.4 超声波速度与静弹性模量的关系

图2 超声波速度与混凝土结构抗压强度的关系

静态弹性模量的测量与基于超声波速度的公式确定的杨氏模量（动态弹性模量）估计值存在一定的关系。一般在研究时每个位置的3个芯样品的高度在中间，在每个位置进行182d的静态弹性模量测试。计算内部干燥的动态弹性模量时，未受干燥影响的样品密度（板坯试件的龄期为3d，壁试件的龄期为7d）和用所提出方法测得的超声波速度，用于计算动态弹性模量的估计值。

动态弹性模量和静态弹性模量值之间具有一定的关系。密封固化试样（图中实线）的动态弹性模量估计值与静态弹性模量测量值之间的关系与非固化试样的关系相同。此外，试样上每个位置的两个值的关系通常是相同的。

3 结束语

探地雷达探测方法受天线结构（如频率和天线极化）的影响较小，并且在定位方面相对稳健，厘米范围内的定位精度就可以进行测试。由于内置蜂巢的大尺寸，它们可以通过降低的振幅以及早期的首次到达来绘制。根据评估，探地雷达传输方法在建筑工地上具有常规使用的潜力。

超声波法在混凝土结构检测中主要用来测定混凝土的抗压强度，且其抗压强度受含水量和测量方法的影响较大。一般在测量时，选择含水量相同的混凝土结构进行测量。与常规的测试方法相比，特殊的方法不受干燥的影响，而常规的方法受表面部分的干燥程度影响，可以用于测量混凝土内部的超声波速度。