探地雷達(dá)檢測混凝土含水率試驗研究

朱盼盼 賈凡達(dá) 黃家瑞

（白城師范學(xué)院， 吉林 白城 137000）

探地雷達(dá)是一種高頻電磁檢測法，具有分辨率高、無損和高效等特點，在介質(zhì)含水率檢測中的應(yīng)用越來越多。本文通過試驗來對混凝土含水率變化與雷達(dá)波傳播特性的關(guān)系進(jìn)行分析，希冀能為探地雷達(dá)技術(shù)真正應(yīng)用于混凝土含水率探測提供一定參考。

1 探地雷達(dá)檢測混凝土含水率的原理與方法

1.1 探地雷達(dá)發(fā)展概述

20 世紀(jì)初期，探地雷達(dá)技術(shù)作為一種檢測手段就引起了學(xué)界的關(guān)注和研究。Hulgmeye 在1904 年利用電磁信號來對地下金屬目標(biāo)體進(jìn)行確定，在檢測研究中首次引入了雷達(dá)技術(shù)。Letmbach 和lowz 在1910 年，通過專利的形式來對雷達(dá)技術(shù)測定技術(shù)進(jìn)行了深入的闡明，并對雷達(dá)技術(shù)的定義進(jìn)行了完善。隨后，關(guān)于雷達(dá)技術(shù)的相關(guān)試驗和應(yīng)用研究逐漸開展，如利用脈沖雷達(dá)在礦井中試驗、測量極地冰層厚度、研究月球表面結(jié)構(gòu)、:探測冰川和冰山的厚度等。在信息科技的推動下，不少探地雷達(dá)系統(tǒng)先后問世并應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)一步促進(jìn)了探地雷達(dá)的實際應(yīng)用。20 世紀(jì)80 年代，美國利用線性調(diào)頻脈沖雷達(dá)技術(shù)對有近百年歷史的紐約地鐵通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)能夠穿透6-8 層、厚約28-31 cm 的水浸飽和磚，并探出混凝土地板下的空洞和原隧道的鋼鐵護(hù)套，自此開始，雷達(dá)技術(shù)開始應(yīng)用到工程建設(shè)領(lǐng)域。隨著探地雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，其技術(shù)優(yōu)勢越來越明顯，無損、高效、精確等特點，極大地滿足了工程建設(shè)的需要。近年來，在混凝土含水率檢測方面，探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷拓展，盡管當(dāng)前處于起步階段，不過其前景是非常廣闊的。

1.2 探地雷達(dá)檢測混凝土含水率的原理與方法

作為一種探測地下目標(biāo)體的地球物理探測方法，探地雷達(dá)檢測技術(shù)應(yīng)用了先進(jìn)的連續(xù)透視掃描無損探傷技術(shù)，探測精度高于傳統(tǒng)檢測方法，通過連續(xù)掃描可獲得更加精準(zhǔn)的連續(xù)探測結(jié)果。探地雷達(dá)是一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)、簡便的無損檢測高新技術(shù)，在結(jié)構(gòu)病害無損檢測中應(yīng)用范圍不斷拓展。水是有極分子，同時還具有較高的介容率，能改變物質(zhì)的電導(dǎo)率和整體介電常數(shù)，會影響雷達(dá)波的傳播速度和能量損耗，因而，能對混凝土含水率變化情況進(jìn)行比較準(zhǔn)確的測定。探地雷達(dá)在檢測過程中會得到兩種圖像，一種是雷達(dá)TDC (Time-Displacement)圖，一種是雷達(dá)單道波形圖。依據(jù)雷達(dá)波發(fā)射至反射波返回的時間差，發(fā)射天線和接收天線之間的距離，反射面距表面的深度，就能計算出雷達(dá)波在混凝土中的傳播速度，再結(jié)合不同時刻混凝土試塊的含水率，就可測定出混凝土的含水率。

2 探地雷達(dá)檢測混凝土含水率試驗

2.1 試驗方案

1、原材料

先制備1 塊0.6mX0.6mX0.06m 的混凝土板，再準(zhǔn)備12 塊0.1 mX 0.1 mX 0.06 m的小試塊。將混凝土用鋁箔封閉，只留出上表面。

2、試驗工具

精度為0.5 g 的天平1 臺，試驗用干燥箱1 臺，試驗雷達(dá)采用瑞典MALA 公司第三代CU3 CProEx 主機(jī)，1.6 GHz 的屏蔽天線。

2.2 測定步驟

1、先將混凝土板和小試件進(jìn)行浸泡，浸泡時間為15d。然后，再將其取出進(jìn)行包裹，包裹時，除上表面外，混凝土板其它部位均用鋁箔進(jìn)行包裹。對小試件飽和狀態(tài)質(zhì)量M1和包鋁箔后質(zhì)量Ma1 進(jìn)行測定，同時，還要測定探地雷達(dá)在混凝土中的傳播波速V1。

2、將混凝土板和小試件放置到80℃干燥箱中，每隔5-8h 對小試件質(zhì)量和雷達(dá)在混凝土板中傳播波速進(jìn)行測試。后續(xù)測量時間可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

3、完成測試后，要將小試件烘干，測定小試件干燥質(zhì)量Mao。

4、分析數(shù)據(jù)。建立探地雷達(dá)波速和混凝土含水率的關(guān)系，根據(jù)計算探地雷達(dá)波速，進(jìn)而得到混凝土含水率為

2.3 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)前面測定的雷達(dá)波速V 和對應(yīng)混凝土含水率W 擬合曲線，如下：

依據(jù)混凝土介電常數(shù)和對應(yīng)混凝土含水率擬合曲線，如下：

圖 1 雷達(dá)波速與混凝土含水率關(guān)系曲線

圖 1 混凝土相對介電常數(shù)與混凝土含水率關(guān)系曲線

從上面圖1、圖2 可知，混凝土含水率與探地雷達(dá)波速之間存在線性關(guān)系，可用線性方程對混凝土相對介電常數(shù)與混凝土含水率關(guān)系進(jìn)行描述。試驗結(jié)果顯示，在2.9%-5.0%的含水率范圍內(nèi)，探地雷達(dá)波速受混凝土含水率影響明顯，含水率越高，探地雷達(dá)波速越小，說明混凝土相對介電常數(shù)也就越大。

3 結(jié)語

綜上所述，本文利用試驗，對探地雷達(dá)反射波波速與混凝土含水率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。在試驗過程中，結(jié)合文中建立的混凝土中傳播的雷達(dá)波波速和混凝土含水率方程，得到了混凝土內(nèi)部沿深度方向的含水率的一維分布特征。本試驗研究結(jié)果顯示，探地雷達(dá)波速和混凝土含水率之間具有良好的線性關(guān)系，混凝土含水率越高,探地雷達(dá)波速越小。在混凝土含水率檢測中，可應(yīng)用探地雷達(dá)來進(jìn)行監(jiān)測，以準(zhǔn)確獲得混凝土含水率變化情況。