CN104965231A - 一种混凝土含水率的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混凝土含水率的检测装置及方法，该装置包括钢筋仪和探地雷达为无线连接，探地雷达和钢筋仪，用于获得混凝土含水率和混凝土相对介电常数，并依据混凝土含水率和混凝土相对介电常数的关系，得到混凝土含水率。该方法包括步骤S1-S7，其中：设定混凝土中钢筋直径；获得钢筋反射的雷达回波数据和钢筋信号数据；得到二维雷达图像；得到当前钢筋保护层厚度和当前钢筋的反射时间；得到电磁雷达波在混凝土中的传播速度；得到混凝土相对介电常数；依据混凝土含水率与混凝土相对介电常数的关系，得到当前实际的混凝土含水率。本发明在检测中探地雷达与钢筋仪同时工作并得到结果同步，使得本发明相对于传统测量方法精度更高，更高效便捷。

Description

一种混凝土含水率的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及工程检测技术领域，尤其涉及一种测量混凝土含水率的装置及方法。

背景技术

混凝土含水率对其材料性能有很大影响，混凝土含水率影响混凝土的吸水性及抗冻性，同时对混凝土材料的强度影响较大。研究表明，在常温条件下同一种混凝土，随着含水量的提高其强度有降低的趋势。混凝土含水率对混凝土强度发展、收缩、徐变以及碳化、冻融等耐久性问题有重要的影响。如果能够准确、快速检测出混凝土中的水份含量，对于更为准确地确定混凝土性能具有实用价值。

目前检测混凝土含水率主要有电容式传感器、红外式传感器、核子式传感器、微波式传感器和探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)等。其中电容式传感器属于半无损检测，杂物对测量结果影响较大，抗干扰能力差；红外线传感器穿透力差，穿透深度不足，仅仅能对物料表面进行测定；核子式传感器检测结果虽然准确，但操作复杂，而且涉及到放射性元素，有危险性。微波式传感器利用在微波频段水的介电常数远远大于一般材料的特性进行含水率测定，通过测量功率衰减、相位变化和谐振频率等相关介电常数的物理量来确定混凝土的含水率。

GPR是一种广泛应用于探测地下目标体的地球物理探测方法，是一种高频电磁检测法，具有分辨率高、无损和高效等特点，广泛应用于地质勘查、基础工程质量检测、灾害地质调查与考古调查、结构工程无损检测等。由于水具有较高的介容率，又是有极分子，不仅会改变物质的电导率，更会改变物质整体介电常数，雷达波在混凝土中的传播速度对混凝土含水率的变化十分敏感。因此，应用探地雷达检测介质含水率成为近年来探地雷达技术新的研究方向。下面具体介绍GPR测定混凝土含水率的方法。

如图1所示探地雷达探测GPR的原理框图。其中T表示雷达发射天线，R表示雷达接收天线。根据雷达波发射至反射波返回的时间差Δt、反射界面距表面的深度h及发射天线和接收天线之间距离x，便可计算出雷达波在混凝土中的传播速度v为：

$\mathrm{\ν}=\frac{\sqrt{4h^2+x^2}}{\mathrm{\Δ}t}---\left(1\right)$

所以混凝土的相对介电常数ε_r为：

${\mathrm{\ϵ}}_r={\left(\frac{c}{v}\right)}^2---\left(2\right)$

公式2中：c＝30厘米/纳秒，c为真空中电磁波的传播速度，由此雷达波在混凝土中的传播速度v表示如下：

$v=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(3\right)$

利用干燥箱和电子秤可以得到不同时刻混凝土试块的含水率，并拟合出混凝土中混凝土相对介电常数与混凝土含水率之间的关系，从而建立雷达波在混凝土中的相对介电常数与混凝土含水率的函数关系，实现GPR测定混凝土含水率。

最主要的技术缺陷：利用探地雷达技术测量混凝土中的含水率主要难点在于如何准确的获得雷达波在混凝土中的传播速度v。在实际检测应用中，目标实际深度h未知，为获得传播速度v，需要在雷达图像上对混凝土中目标(钢筋)进行频率-波数(F-K)偏移处理。在处理时，根据经验尝试代入不同的速度值，作偏移处理后，再根据偏移后图像的效果对速度参数进行修正，人为逼近真实的速度参数。这种方法计算复杂，同时获得的速度精度差，所以获得的含水率误差大。

发明内容

(一)本发明要解决的技术问题

针对探地雷达技术测量含水率误差大的不足，本发明的目的是提供一种混凝土含水率的检测装置及方法，采用探地雷达技术和电磁感应技术，通过测量混凝土中钢筋保护层厚度，获得准确的电磁波在混凝土中的传播速度，从而得到准确的混凝土含水率。

(二)本发明的技术方案

为了达成本发明的目的，本发明第一方面，提供一种混凝土含水率的检测装置，该装置由钢筋仪和探地雷达组成，钢筋仪和探地雷达为无线连接，利用探地雷达和钢筋仪对混凝土进行检测，用于获得混凝土含水率和混凝土相对介电常数，并依据混凝土含水率和混凝土相对介电常数的关系，得到混凝土含水率。

为了达成本发明的目的，本发明第二方面，提供使用混凝土含水率的检测装置的一种混凝土含水率的检测方法，该方法的步骤包括：将探地雷达与钢筋仪集成为混凝土含水探测装置；利用探地雷达发射和接收电磁波信号，从而获得准确的钢筋反射时间；钢筋仪中的电磁感应探测模块完成对判定钢筋的位置、保护层厚度以及钢筋的直径进行探测；通过保护层厚度和反射时间，得到电磁波在混凝土中的传播速度，根据电磁波在混凝土中的传播速度和混凝土相对介电常数，得到混凝土的含水率。

为了达成本发明的目的，本发明第三方面，提供使用混凝土含水率检测装置的混凝土含水率的检测方法，该方法的步骤包括：

步骤S1：在检测装置中设定混凝土中钢筋的直径；

步骤S2：启动混凝土含水探测仪设备，其中探地雷达和钢筋仪同时对实际工程中的混凝土结构的每条检测路径进行实际测量，探地雷达获得的钢筋反射的雷达回波数据，钢筋仪获得的钢筋信号数据；

步骤S3：将钢筋信号数据转换成钢筋信号值，根据钢筋反射的雷达回波数据，探地雷达得到二维雷达图像；

步骤S4：依据钢筋数据库和钢筋信号值，得到当前钢筋保护层厚度；对二维雷达图像进行处理，得到当前钢筋的反射时间；

步骤S5：根据保护层厚度、反射时间、雷达回波在混凝土中的传播速度、以及探地雷达发射天线和接收天线之间距离，得到电磁雷达波在混凝土中的传播速度；

步骤S6：根据电磁雷达波在混凝土中的传播速度、真空中电磁波的传播速度，得到混凝土的相对介电常数；

步骤S7：依据混凝土含水率η与混凝土相对介电常数ε_r的关系，得到当前实际的混凝土含水率η，所述混凝土含水率与混凝土相对介电常数ε_r的关系为η＝aε_r ³+bε_r ²+cε_r+d，其中a、b、c、d为拟合得到的常数。

(三)本发明的积极效果或优点：

本发明中提出了一种精确测量混凝土含水率的方法，本发明综合探地雷达技术和电磁感应技术于一体，利用其优势，在建立好钢筋仪数据库和混凝土相对介电常数与含水率关系的基础上，在实际工程应用中，通过钢筋仪获得准确的钢筋保护层厚度值，利用探地雷达获得准确的钢筋反射时间，从而得到精确的混凝土相对介电常数。在此基础上，利用混凝土相对介电常数与含水率关系，即可得到精确的混凝土含水率。传统测量方法的精度误差在10％以上，本发明测量方法的精度误差低于2％，则由此可知本发明测量方法相对于传统测量方法精度更高，更高效便捷，可以广泛应用于混凝土含水率工程检测中。

本发明在检测过程中，探地雷达与钢筋仪同时工作，两者测量得到的结果同步精确高。

附图说明

图1是现有技术应用于探测地下目标体的地球物理探测方法的原理示意图；

图2示出本发明混凝土含水探测仪图；

图3示出本发明雷达天线与钢筋仪线圈物理位置图；

图4为本发明混凝土含水率工程检测流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明基于探地雷达技术与电磁感应技术，请参阅图2为本发明混凝土含水探测仪图，钢筋仪1和探地雷达2组成，将一套探地雷达2与一套钢筋仪1集成为一套混凝土含水探测仪，钢筋仪1和探地雷达2为无线连接；探地雷达和钢筋仪，用于获得混凝土含水率和混凝土相对介电常数，并依据混凝土含水率与混凝土相对介电常数的关系，得到混凝土含水率。

所述探地雷达2的天线与钢筋仪的线圈处于同一水平面，并且钢筋仪的线圈处于雷达收、发天线中心，使探地雷达2与钢筋仪1对同一点测试，利用探地雷达2对混凝土进行检测，得到混凝土含水率与混凝土中传播的雷达波波速之间的关系。探地雷达2的天线中心工作频率为1.6GHz。

本发明并不以此为限，该探地雷达的天线中心工作频率可以介于0.8GHz～4GHz之间。此外，钢筋仪线圈与雷达天线的位置可以不在同一平面，钢筋仪线圈也可不处于雷达收、发天线中心，对钢筋仪的线圈与雷达收、发天线中心之间的距离进行位置误差补偿，而其他放置方式通过位置补偿，同样可以实现本发明。

请参阅图3为本实施例中雷达天线与钢筋仪线圈物理位置图，钢筋仪1含有钢筋探测接收线圈11和钢筋探测发射线圈12；探地雷达2含有雷达发射天线21和雷达接收天线22，钢筋探测接收线圈11和钢筋探测发射线圈12位于雷达发射天线21和雷达接收天线22之间，雷达发射天线21和雷达接收天线22得到钢筋目标的反射时间，钢筋探测接收线圈11和钢筋探测发射线圈12得到钢筋保护层厚度；通过反射时间和保护层厚度得到混凝土的相对介电常数，结合相对介电常数与含水率数据库，可以得到相应的混凝土含水率。所述钢筋探测接收线圈11，用于接收来自钢筋的二次场信号，用于测量钢筋保护层厚度；所述钢筋探测发射线圈12，产生激励信号用于测量钢筋保护层厚度；所述雷达发射天线21，用于发射雷达信号并测量钢筋目标的反射时间；所述雷达接收天线22，用于接收来自钢筋目标的反射信号并测量钢筋目标的反射时间；然后再进行含水率的测量。钢筋仪1的钢筋探测线圈11和线圈12其线径0.25mm的自粘漆包线，采用平行密绕法，线圈的内直径为25mm。

本发明使用所述混凝土含水率的检测装置的混凝土含水率的检测方法，该方法的步骤包括：将探地雷达2与钢筋仪1集成为混凝土含水探测装置；利用探地雷达2发射和接收电磁波信号，从而获得准确的钢筋反射时间；钢筋仪1中的电磁感应探测模块完成对判定钢筋的位置、保护层厚度以及钢筋的直径进行探测；通过保护层厚度和反射时间，得到电磁波在混凝土中的传播速度，根据电磁波在混凝土中的传播速度和混凝土相对介电常数，得到混凝土的含水率。

请参阅图4为混凝土结构含水率工程检测方法的流程图，首先在钢筋仪中构建钢筋数据库模型：在实际建筑中，混凝土结构中所用的钢筋应满足国家建筑规范。目前，所用的钢筋直径范围在6mm～50mm，钢筋直径常用档级为Φ6，Φ8，Φ10，Φ12，Φ14，Φ16，Φ18，Φ20，Φ22，Φ25，Φ28，Φ32，Φ36，Φ40，Φ50(单位为mm)。一般情况下，钢筋保护层厚度在6mm～170mm之间。以1mm为精度单位，测量不同直径的钢筋在不同深度下钢筋仪获得的电压值，然后建立钢筋保护层厚度h与测量钢筋电压值V、钢筋直径Φ的数据库，并钢筋保护层厚度h、测量钢筋电压值V、钢筋直径Φ三者之间的钢筋数据库模型表示为h＝f(V，Φ)，其中f(·)，为表达式映射符。再构建混凝土相对介电常数与含水率的关系模型：首先制作混凝土试件。在混凝土试件自然养护完全后，把混凝土试件浸泡到自来水中，至试件含水率达到饱和后，再采用自然干燥和烘干两种方法，降低混凝土试件含水率，同时运用探地雷达2对混凝土进行检测，得到混凝土含水率与混凝土中传播的雷达波波速之间的关系，进一步根据研究土壤含水率和相对介电常数关系中最常用Topp模型公式，通过拟合可得到混凝土含水率η与混凝土相对介电常数ε_r的关系方程η＝aε_r ³+bε_r ²+cε_r+d，其中a、b、c、d为拟合得到的常数。然后，混凝土含水率工程检测混凝土结构：完成了前面钢筋数据库、混凝土的相对介电常数ε_r与含水率的关系η＝aε_r ³+bε_r ²+cε_r+d后，可以得到当前混凝土的实际含水率η，由此本发明就可以在实际的工程应用。在实际合格的建筑施工工程中，依据建筑的施工规范，混凝土中所用的钢筋其直径是确定的。所以，以下测量中将钢筋的直径作为已知量进行使用。

本发明并不以此为限，步骤1中测量钢筋电压值(V)可以通过直接钢筋仪测量，也可以通过仪器进行记录并处理获得，同样可实现本发明。步骤2中也可以矢量网络分析仪或时域反射仪对混凝土进行检测，同样可实现本发明。

下面介绍本发明对混凝土结构含水率工程检测方法的实施例中实际工程检测的流程进行详细的说明：

步骤S1：在检测装置中设定混凝土中钢筋的直径；

步骤S2：启动混凝土含水探测仪设备，探地雷达2和钢筋仪1同时对实际工程中的混凝土结构的每条检测路径进行实际测量，探地雷达2获得的钢筋反射的雷达回波数据和钢筋仪获得的钢筋信号数据进行统一打包；

步骤S3：将钢筋信号数据转换成钢筋信号值，根据钢筋反射的雷达回波数据，探地雷达2得到二维雷达图像；经过一条测试路径后，可以获得两个结果，一个是钢筋仪1测量得到的钢筋信号值，另一个是探地雷达2得到的二维雷达图像；

步骤S4：通过钢筋仪1得到的钢筋信号值，并依据钢筋数据库可以得到当前钢筋保护层厚度h；通过二维雷达图像进行低通滤波、去背景、最大幅度提取等处理，可以得到当前钢筋的反射时间Δt；

步骤S5：将保护层厚度h和反射时间Δt代入根据保护层厚度h、反射时间Δt、雷达回波在混凝土中的传播速度、以及探地雷达发射天线和接收天线之间距离x，即可得到电磁雷达波在混凝土中的传播速度v；

步骤S6：将雷达波在混凝土中的传播速度v代入依据根据电磁雷达波在混凝土中的传播速度v、真空中电磁波的传播速度c，即可得到混凝土的相对介电常数ε_r；

步骤S7：依据混凝土含水率η与相对介电常数ε_r的关系η＝aε_r ³+bε_r ²+cε_r+d，可以得到当前实际的混凝土含水率η。

本发明的可替代技术方案如下所述：

1)图2中雷达发射天线21和雷达接收天线22与钢筋探接收线圈11和钢筋探发射线圈12的物理位置可以不在一个平面，高度差可以在0mm～10mm；

2)图2中钢筋探接收线圈11和钢筋探发射线圈12可以不在雷达发射天线21和雷达接收天线22的中心，钢筋探接收线圈11和钢筋探发射线圈12可以处于雷达发射天线21和雷达接收天线22的前、后、左、右等位置，间距可在3mm～50mm；

3)雷达发射天线21和雷达接收天线22工作的中心频率可以在0.8GHz～4GHz。

4)混凝土含水率与混凝土相对介电常数之间的对应函数关系也可以采用Alharathi模型，关系是为η＝aε_r ^0.5+b，其中a、b为拟合常数。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种混凝土含水率的检测装置，其特征在于，该装置由钢筋仪和探地雷达组成，钢筋仪和探地雷达为无线连接，利用探地雷达和钢筋仪对混凝土进行检测，用于获得混凝土含水率和混凝土相对介电常数，并依据混凝土含水率和混凝土相对介电常数的关系，得到混凝土含水率。

2.根据权利要求1所述的混凝土含水率的检测装置，其特征在于，所述探地雷达的天线与钢筋仪的线圈处于同一水平面；或所述钢筋仪线圈与雷达天线的位置不在同一平面。

3.根据权利要求1所述的混凝土含水率的检测装置，其特征在于，所述钢筋仪的线圈处于雷达收、发天线中心，使探地雷达与钢筋仪对同一点测试；或所述钢筋仪的线圈不处于雷达收、发天线中心，对钢筋仪的线圈与雷达收、发天线中心之间的距离进行位置误差补偿。

4.根据权利要求1所述的混凝土含水率的检测装置，其特征在于，所述探地雷达的天线中心工作频率为介于0.8GHz～4GHz之间。

5.根据权利要求1所述的混凝土含水率的检测装置，其特征在于，所述钢筋仪具有钢筋探测接收线圈和钢筋探测发射线圈；所述探地雷达具有雷达发射天线和雷达接收天线；所述钢筋探测接收线圈和钢筋探测发射线圈位于所述雷达发射天线和雷达接收天线之间，雷达发射天线和雷达接收天线得到钢筋目标的反射时间，钢筋探测接收线圈和钢筋探测发射线圈得到钢筋保护层厚度；通过反射时间和保护层厚度得到混凝土相对介电常数，结合混凝土相对介电常数与含水率数据库，得到相应的混凝土含水率。

6.根据权利要求5所述的混凝土含水率的检测装置，其特征在于，所述钢筋探测接收线圈，接收来自钢筋的二次场信号，用于测量钢筋保护层厚度；所述钢筋探测发射线圈，产生激励信号用于测量钢筋保护层厚度。

7.根据权利要求5所述的混凝土含水率的检测装置，其特征在于，所述雷达发射天线，用于发射雷达信号并测量钢筋目标的反射时间；雷达接收天线，用于接收来自钢筋目标的反射信号并测量钢筋目标的反射时间。

8.一种使用权利要求1-7任一项所述混凝土含水率的检测装置的混凝土含水率的检测方法，该方法的步骤包括：将探地雷达与钢筋仪集成为混凝土含水探测装置；利用探地雷达发射和接收电磁波信号，从而获得准确的钢筋反射时间；钢筋仪中的电磁感应探测模块完成对判定钢筋的位置、保护层厚度以及钢筋的直径进行探测；通过保护层厚度和反射时间，得到电磁波在混凝土中的传播速度，根据电磁波在混凝土中的传播速度和混凝土相对介电常数，得到混凝土的含水率。

9.一种使用权利要求1-7任一项所述混凝土含水率检测装置的混凝土含水率的检测方法，该方法的步骤包括：

步骤S1：在检测装置中设定混凝土中钢筋的直径；

步骤S2：启动混凝土含水探测仪设备，其中探地雷达和钢筋仪同时对实际工程中的混凝土结构的每条检测路径进行实际测量，探地雷达获得的钢筋反射的雷达回波数据，钢筋仪获得的钢筋信号数据；

步骤S3：将钢筋信号数据转换成钢筋信号值，根据钢筋反射的雷达回波数据，探地雷达得到二维雷达图像；

步骤S4：依据钢筋数据库和钢筋信号值，得到当前钢筋保护层厚度；对二维雷达图像进行处理，得到当前钢筋的反射时间；

步骤S5：根据保护层厚度、反射时间、雷达回波在混凝土中的传播速度、以及探地雷达发射天线和接收天线之间距离，得到电磁雷达波在混凝土中的传播速度；

步骤S6：根据电磁雷达波在混凝土中的传播速度、真空中电磁波的传播速度，得到混凝土相对介电常数；

步骤S7：依据混凝土含水率η与混凝土相对介电常数ε_r的关系，得到当前实际的混凝土含水率η，所述混凝土含水率与混凝土相对介电常数ε_r的关系为其中a、b、c、d为拟合得到的常数。

10.根据权利要求9所述的混凝土含水率的检测方法，其特征在于，构建所述钢筋数据库模型表示为h＝f(V，Φ)，其中f(·)为表达式映射符，h为钢筋保护层厚度，V为钢筋电压值、Φ为钢筋直径。