由電磁學可知, 對於非磁性介質( 如混凝土) 有磁導率 =0 = 1, 當天線頻率 f 很高而且被探測介質的導電率較小時雷達波的傳播速度 [ 1] 為
ν≈ν0
( 1)式中v 0 = 0 3 m/ ns 為雷達波在空氣中的傳播速度, 又因波長 ! f , 故當使用某一固定頻率的天線進行雷達探測時, 被探測的混凝土的相對介電常數有任何變化都將使雷達波波速發生變化, 而且在波形上可以看到波長也有變化。
r又電磁波在介質中的傳播能量衰減係數為 w= 2 r , 可見, 當電磁波的頻率一定時, 介質的相f對介電常數 r 和電導率都較大時, 雷達波能量會很快衰減 。因為空氣的 r 比混凝土的 r 要小得多, 而且密實度差的混凝土內部小孔洞較多, 因此,其相對介電常數 r 會比密實度好的混凝土要小; 而且由於混凝土內各個部分的小孔洞分布不均勻, 使r 在各處的大小也會有變化。因此, 結合上述分析及能量衰減公式可知, 雷達波在密實度差的混凝土中衰減較慢, 而且在有孔洞的地方波幅衰減減緩, 甚至會有波幅異常增大的現象。
而密實度好的混凝土
由於 r , 在混凝土內各處都較一致, 所以, 波幅衰減會比較有規律。
3． 混凝土路面密實度檢測例項
本次試驗使用加拿大 ssi 公司的 ekko1000型探地雷達, 並選用頻率為 1200 mh z 的天線對。探地雷達的資料通過膝上型電腦在現場自動採集和
儲存。採用反射法對汕頭大學校內三段不同外觀質量的混凝土路面進行了檢測。採集到的雷達資料經濾波、增益等各種後期數字處理及引數調整後, 分別
生成灰度剖面圖、波形剖面圖以及單個波的波形圖。
下面, 圖 2~ 4 對應的混凝土路面密實度依次為差、較好、好。圖中橫座標為水平位置, 單位是cm , 縱座標是深度, 單位是 m。每幅灰度圖中 2 根水平白線之間部分即為路面的混凝土層。
從各圖左邊深度座標可知, 圖 2 的混凝土路面厚度約為 12 6cm , 圖 3 的混凝土路面厚度約為 12 7 cm, 圖 4 的混凝土路面厚度約為 11 9 cm。
將圖 2~ 4 的灰度及波形雷達剖面圖進行對比分析後可以看出, 混凝土密實度較差的路面的雷達影象擾動很多, 同相軸較雜亂, 各道波的波形之間變化較大, 而波長也有變化, 這可能是因為其內部混凝土骨料和水泥砂漿分布不均勻, 之間結合不夠緊密,存在較多的小孔洞和微裂縫, 致使內部各處混凝土的 r 不一致,進而使雷達反射波的波形和波長都發生變化; 混凝土密實度較好的路面的雷達影象擾動減少, 同相軸的連續性較好, 波形、波長較為一致; 混凝土密實度最好的路面的雷達影象同相軸連續性和一致性都很好, 波形和波長都很穩定一致, 特別是面層的首波幾乎沒有擾動, 這反映了內部混凝土的較一致, 密實度好。另外, 作者也對每個剖面的所有單個波形進行了分析, 在這裡各拿出每個剖面的其中一道波形圖,
如圖 5~ 7 所示。圖中橫座標為時間座標, 單位是ns, 縱座標是幅值( 反射能量) 。其中橫座標的 3~4 5 ns 間為混凝土層的反射波。經分析比較發現,
三段混凝土路面的混凝土層的雷達反射能量都差不多, 首波最大幅值都在 15000~ 18000 之間。
密實度差的路面的雷達反射波在同一時段內的各道波形相差很大, 這反映出混凝土內沿水平方向的密實度差; 同一道波在各時段的波幅變化也很大，能量的衰減也沒規律性, 這些間接反映了混凝土內沿深度方向的密實度差。密實度較好的路面的雷達反射波在同一時段內的各道波形較為一致,同一道波在各時段的波幅基本穩定, 只有少數波形有較大的不同。這些表明混凝土在沿水平橫向及沿深度縱向密實度都較好。
密實度好的波形很一致, 各時段的波幅也較穩定( 圖 7) , 而且反射能量主要集中在混凝土層, 混凝土層之後( 墊層和土層)能量衰減很大, 幅值很小。這說明混凝土層很密實,而且與墊層的分介面很明顯, 因而在介面雷達能量反射較大, 進而墊層內反射能量就小。
4、路面滲水性測定
為驗證探地雷達的探測成果, 作者使用丹麥germann 儀器公司的gwt - 4000 滲水性測定儀,在三段路的雷達測線上各取出一點進行滲水性檢
測。滲水速率 q 按該儀器的說明書內公式計算:
b ( g 1- g 2)
q== 0. 026( g 1 - g 2 ) / t( 2)
at式中b = 78 6 mm 2 為壓入滲水儀腔體的螺旋測
2微器的面積; g 1, g2 分別為螺旋測微器的起始和終
止讀數; a = 3018 mm 為壓力水與被測表面的接觸
面積; t 為測試所用時間。檢測的結果見表 1。
從表 1 中 3 個路面的滲水速率可以看出, 外觀質量差的路面的滲水速率最大, 即抗滲性最差; 外觀質量較好的路面的滲水速率居中, 但和外觀***
的路面的滲水速率相差不大, 這表明其滲水性較好且和外觀***的路面較接近。由於混凝土抗滲性的好壞間接反映了混凝土路面密實度的好壞, 因此,路面滲水性試驗的結果也驗證了探地雷達的結果。
5、結語
本文作者採用探地雷達方法檢測了混凝土路面的密實度, 並用滲水性儀器的檢測結果作驗證, 兩種檢測結論一致。這表明探地雷達在混凝土密實度的檢測中具有較好的適用性。探地雷達具有非接觸性、可單面檢測、檢測速度快、檢測結果直觀等優點,隨著檢測行業的發展, 必將得到更廣泛的應用。
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