钢筋混凝土的透视雷达无损检测技术及应用.pdf
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1、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
2、 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 i
3、t 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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,
10、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
11、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
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