地质雷达检测混凝土内钢筋直径的初步探讨

摘要：混凝土内钢筋的检测一直是施工质量的重要检测内容，而目前采用的无损检测方法主要解决了钢筋位置及数量的定性问题，对钢筋直径的定量分析尚没有特别直观有效的方法手段。本文就这一问题进行初步理论探讨，寻求出一个简便可行的计算方法来解决钢筋直径检测的技术问题。

关键词：雷达检测混凝土中钢筋直径 计算公式

一 概况

目前，混凝土结构内钢筋的质量检测方法主要采用雷达或专用钢筋探测仪，这两类方法的检测目标主要是对混凝土结构内预埋钢筋的数量和间距位置进行检查，而对于预埋钢筋的直径这一重要的技术参数却得不到检测结果，本文研究的目的就是应用现有的物探检测技术，对结构物混凝土内钢筋的直径参数检测方法进行探讨，以解决工程质量检测的需求。

二 测试原理

利用雷达检测技术进行钢筋直径的检测，从原理上是可行的。我们知道，雷达检测的技术原理是利用电子技术的手段，对检测目标发射电磁波，电磁波在目标物体内进行传播时，由于物体的电磁特性不同，物质的介电常数εr 也会存在差异，在不同物体的交界面，会形成物质电磁特性差异的界面εr；物质介电常数的差异越大，则εr 的值也越大，我们称为介电常数的突变；当电磁辐射传播到这个界面时，根据电磁波的传播原理，会形成较强的电磁波反射信号。对电磁波反射信号的传播时间进行分析，可以得到反射信号传播时间与反射界面之间的空间位置关系，从而达到对未知目标体进行无损检测的目的。目前，雷达无损检测技术就是基于这个基本原理实现的。

在对混凝土构件的预埋钢筋进行检测时，由于混凝土与钢筋的介电常数存在较大的差异，εr的值较大，因此，我们会观察到强烈的反射信号，在雷达剖面图上反射信号会有清晰的抛物线线型(如图1 示)，这就为利用雷达手段进行钢筋直径的检测创造了技术条件。

雷达天线的电磁波以一定的发散角向检测目标表面辐射，随着天线的平移，当目标钢筋进入天线辐射的能量范围时，较强的反射信号就开始形成，这就是抛物线波形的尾部，当天线移动至钢筋的正上方时，此时的反射信号就是抛物线的顶部，由于钢筋直径的不同，抛物线的线型也会产生相应的变化，我们通过对抛物线线型宽度和高度的时间及位置数据的分析，建立了钢筋直径与上述参数的数学分析模型，以达到利用雷达检测技术方法对预埋钢筋直径进行检测的目的。

图1

三 测试方法

由于钢筋检测的特殊要求，在进行该项检测时，应满足以下条件：

1、雷达仪器应采用高频天线，如1.5GHz 以上，确保检测的精度和分辨率。

2、雷达天线的灵敏度和分辨率应满足要求。由于雷达天线分辨率和精度的不同，所得到的抛物线图形也会不同，为此会造成数据结果分析上的误差，因此，对不同的雷达设备应进行前期的标定和校核，并与已知钢筋混凝土模块测量结果进行标定计算，得到雷达检测结果与实际钢筋直径的相关公式。

3、在检测过程中，应使用经标定的雷达参数，如天线电压值、采样率、采样周期、天线增益和采样长度等技术参数设置。

4、特别注意的是在采样过程中，为保证测试结果的精度，必须使用很小的道间距，道间距越小，数据的精度越高。若用道间距控制条件有限时，可以采用时间采集方式，天线移动速度要均匀缓慢。

5、雷达的采样精度应设置在1024 以上，以保证抛物线数据的精度和可靠性。

四 分析计算

钢筋检测的结果分析计算分为 2 个步骤：

1、雷达检测数据的读取：

雷达数据处理工作的第一步是数据读取，需从雷达检测所得的剖面图抛物线上读取 t1 、t2 和天线移动距离2d 。其中t1 为抛物线顶部的反射时间，t2 为抛物线尾部的反射时间(图1)。

2、数据分析计算：

根据天线和钢筋的几何位置关系(图2)，设天线发射中心至钢筋直径反射线与检测表面的夹角为α 可以得出下述关系：

图2

sinα= （1）

cosα= （2）

根据三角关系：

sin2α+ cos2α=1（3）

代入可得：

2+ 2=1 （4）

r=(5)

其中： R= V*t1，h= V*t2，V= 代入公式（5）可得

r=（6）

式(6)中：t1 为钢筋雷达反射波抛物线顶部走时，t2 为钢筋雷达反射波抛物线尾部走时， 2d 为天线移动距离，εr为埋设钢筋介质介电常数，在混凝土中一般c = 0.3m/ns。

五 实际中存在的问题

对某隧道二衬中的Φ25的钢筋进行检测，现场检测如下图所示。

根据公式（6）计算得到的钢筋直径在23.1~26.5mm之间，根据规范可以推断为Φ25，由于检测钢筋直径有接近±2的误差，根据GB 1499.2―2007钢筋混凝土用钢规范钢筋直径为6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36…，较小直径钢筋每一级也就是相差2mm，所以非常难判断钢筋直径；对于较大直径的钢筋如上图所示在钢筋尾部位置判断存在一定的误差，影响t2 数值，从而使计算出的钢筋直径值的误差加大。

六 结语

1、严格来讲雷达波是呈仿锤体向地下发射，为便于研究和简化计算，在此假设雷达波是以球面波发射为前提条件；

2、不同雷达设备的发射功率及灵敏度不尽相同，要精确计算钢筋直径需对检测设备进行先期标定；

3、混凝土介电常数对检测结果有一定影响，取值需准确；

4、本文只是作为初步理论探讨，尚须大量的试验数据进行验证。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。