CN1073013A - 用中子技术检测钢板下混凝土空洞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种利用中子技术检测钢板下浇注混 凝土空洞的方法。该方法是先对中子探测仪进行室 内标定，得到不同厚度钢板至混凝土表面高度与热中 子计数率关系的工作曲线，然后在所测的混凝土的钢 板表面打上网络并对每交点进行测量，得到各测点的 热中子计数率，而热中子计数率明显偏低的范围即为 空洞平面范围，根据所测混凝土的钢板厚度选择相应 的工作曲线，根据空洞平面范围内各测点的热中子计 数率由工作曲线即可查到对应的空洞深度。

Description

本发明属于应用中子技术分析材料的技术领域，特别涉及一种用中子技术检测钢板下浇注混凝土空洞的方法。

大型水利水电工程常有一些钢板作里衬的过水涵管、隧洞等混凝土建筑物，如水电站发电机组的管形座和尾水管。这些带有钢里衬的混凝土构筑物在进行混凝土浇注施工时，由于钢里衬的存在而且内部有较密的钢筋，浇注施工很不方便，振捣相当困难，混凝土难以充实，因此混凝土与钢板里衬之间常会存在空隙或空洞，从而影响工程质量与运行安全。鉴于这种情况需要检测空洞大小及范围并打钻孔灌浆进行必要的修补加固。目前工程上只能采用槌击方法凭经验来判断，但槌击法不仅判断不可靠，准确率很低，而且还会因此误打许多废孔破坏钢板结构和原有强度。若采用X射线法，因在上述工程中混凝土上通常覆有厚钢板，且只能在单面进行检测，而X-射线的穿透力又较低，故无法采用。若采用能量大的γ-射线进行检测，则势必带来防护上的困难。同样，若采用超声波检测，由于被测物往往为多种介质，因而对其辨别力较低，且也难达到检测要求的深度。原西德专利3823220中公开了一种混凝土结构物和预制构件中空洞定位方法，它是借助槌击法初步判断空洞位置后打钻孔，再通过钻孔注入放射性流动介质，经探测器测定确定空洞位置。由于借助了槌击法，难免要误打孔，势必给构件造成一定程度的损坏，特别是注入放射性物质要给检测构件本身以及环境带来污染。而且，它也只能测量混凝土结构和预制构件中空洞的位置，不能测量厚钢板下混凝土中空洞的位置，只能确定混凝土块中空洞的水平位置，不能定量测量空洞的深度。

本发明的目的就是要提供一种完全无损的，对环境无污染的快速的可对混凝土块中空洞进行空间描述的检测钢板下特别是厚钢板下浇注混凝土空隙与空洞缺陷的方法。

本发明是利用中子辐射探测钢板下浇注混凝土空隙与空洞缺陷。中子源能发射快中子辐射，大多数中子源所产生的中子都是能量为几个兆电子伏特的快中子。这种快中子与介质的原子核发生弹性碰撞和其它作用而逐渐减少能量，最终成为慢中子和热中子。所谓热中子是指与周围介质原子（或分子）处于热平衡状态的中子，其能量在1×10^-4电子伏特上下，当介质温度为20℃时，热中子的平均能量为0.025电子伏特，这种热中子可被热中子探测器所探测。中子与物质相互作用时逐渐损失能量的过程叫做中子慢化或减速。介质对快中子慢化减速作用与介质原子核质量大小有关，即随着原子量减小而慢化减速作用增大。氢原子的原子量最小，因此氢原子是最强的中子慢化剂。氢原子的慢化能力要比一般土壤元素如氧、硅、铝、钙、镁包括铁在内要大2～3个数量级，因此介质对快中子的慢化减速作用主要是由介质中所含氢的多少所决定的。混凝土是由碎石集料，粗砂和水泥加上一定量水拌合而成。这些水的大部分与水泥发生水化作用变化合水，少量剩余的水以游离状态存在，这两种形态的水基本均匀分布在混凝土之中。由于混凝土是一种含水材料，而水分子中含有氢原子，因此混凝土是一种良好的快中子慢化剂。鉴于此，快中子辐射怕“轻”不怕“重”，它很容易贯穿重物质如钢板而与它下面的混凝土材料相互作用，其中主要的是混凝土中所含氢原子发生作用而被减速慢化形成热中子。对于具有确定含水量的混凝土来说，所形成的热中子浓度即热中子计数率与单位体积内混凝土总量有关，凡有空洞，空隙缺陷部位其单位体积内所含有混凝土比充填密实的部位要明显减少，因此该部位热中子计数率将相应降低。空洞愈大，相应热中子计数率就愈低。由此可见，采用快中子源和热中子探测器测定出所测部位热中子计数率大小，则可确定钢板下浇注混凝土的空洞大小和空洞平面位置及其平面分布。

本发明的具体检测方法与步骤是：1.将中子探测器在测量前进行室内标定：制备标准的混凝土平板模块，如含水量240kg/m³，在其上分别复盖厚度不等的钢板，如1.0cm，2.0cm，3.0cm，4.0cm厚的钢板，并将钢板架空在混凝土板之上进行测量，以确定当钢板与混凝土表面间距改变时，探头所测到的热中子计数率与钢板架空高度的关系曲线，从而获得了不同厚度钢板相应的工作曲线（即空洞深度与热中子计数率关系曲线），如上述厚度钢板的4条工作曲线，将这些曲线绘制在方格纸上以备查用（如图1所示，表1～表4为测量数据）;2.因中子探测装置在平面上最小分辨尺寸为5cm，最大测量半径为30cm，根据测量精度要求和施测材料的面积，在施测混凝土的钢板表面打上5cm×5cm至30cm×30cm的网格，并对网格交点作相应的坐标和顺序标记，然后将探头放在网格交点逐点作测量，测定出每个测点的热中子数率;3.根据平面上各测点热中子计数率的分布，确定热中子计数率明显偏低的范围;即是空洞平面分布范围;4.根据带有钢里衬的混凝土构筑物条件即主要是钢板厚度选择相应的工作曲线，如钢板厚度为2.0cm就选择相应的2.0cm钢板的室内标定曲线;5.根据空洞范围内各测点的热中子计数率，由工作曲线查找对应的空洞深度;6.在施测表面各相对应位置作空洞和空洞深度标记以便进行工程处理。

图1 为本发明在混凝土总含水量为240kg/m³时不同厚度钢板下空洞深度与热中子计数率相关曲线，即工作曲线。其中N-热中子计数率（脉冲/分），D-钢板下空洞深度，1-10mm钢板，2-20mm钢板，3-30mm钢板，4-40mm钢板。

表1.10mm钢板下空洞深度与热中子计数率相关曲线

空洞深度(mm)    0    50    100    150    200    250

热中子计数率(脉冲/分)    1470    1070    910    780    740    720

表2.20mm钢板下空洞深度与热中子计数率相关曲线

空洞深度(mm)    0    50    100    150    200    250

热中子计数率(脉冲/分)    1350    1010    850    760    730    710

表3.30mm钢板下空洞深度与热中子计数率相关曲线

空洞深度(mm)    0    50    100    150    200    250

热中子计数率(脉冲/分)    1140    960    810    740    720    700

表4.40mm钢板下空洞深度与热中子计数率相关曲线

空洞深度(mm)    0    50    100    150    200    250

热中子计数率(脉冲/分)    1020    900    790    730    710    690

在现场进行实际测量可以分别采用以下两种方法进行空洞深洞确定：首先根据所测具体混凝土工程中钢板厚度选择对应的工作曲线，在根据探头在每一测点所测得的热中子计数率确定对应点的空洞深度。当工程对空洞测量要求较高时，或现场混凝土含水量与标准值（240kg/m′）可能有较大差异时，可以在测量后，选取热中子计数率明显偏低的测点即在有空洞的若干测点打钻孔测量其实际深度，若与工作曲线查得的深度有偏差的话，再对数据进行一定修正。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

①不仅能探测一般混凝土结构物和预制构件中空洞位置，而且能解决厚钢板下（厚达40mm）浇注混凝土空洞的定位问题;

②不仅能解决空洞的平面定位而且能测定出空洞深度;

③不用钻机，完全无损测量，不会破坏混凝土与钢结构;完全不需要槌击法，因此可以避免误判断给材料造成的损伤;

④利用中子探测器中的中子源发射快中子辐射进行测量，不需要另外注入放射性同位素流动介质，因此没有任何放射性污染和环境影响问题;

⑤操作简单，测量快速，本发明中所采用的探棒轻便可携，可放置在任何表面任意位置进行测量，每测点的最大测量范围为平面上0.3m×0.3m，测量时间每测点仅需1分钟，所能探测空洞的最大深度为25cm。

下面给出本发明的实施例：

实施例1：浇注制作一块厚15cm、平面尺寸为60cm×120cm的混凝土板，并在其内一定位置人为地制作了空洞缺陷，并在该混凝土板上复盖了一层厚20mm的钢板。采用本发明在钢板表面进行测量。先将施测面进行坐标定位，再划上10cm×19cm的网络，将测点布置在网络交点上进行测量。由测点上所测出的热中子计数率数据可以非常清楚地确定空洞缺陷位置与范围。测量结果表明，正常位置的热中子计率都在1200上下，而空洞缺陷范围内热中子计数率平均只有1000上下，空洞中心位置仅有930，由此确定空洞的平面尺寸为25×30cm，由20mm厚度钢板所对应的工作曲线，可确定其最大深度为15cm。用本发明所测结果与实际情况完全相符合。

实施例2：浇注制作一块厚30cm、平面尺寸为150cm×150cm的混凝土板，并在其中心部位制作了一个直径为30cm，深度为20cm空洞（园柱状）。在该混凝土板表面复盖42mm厚度钢板，采用本发明进行测量，选用10cm×10cm大小的网络。测量结果表明，正常位置热中子计数率在950上下，而在空洞缺陷范围内热中子计数率平均只有760左右，其轮廓呈直径为30cm的园形，按照42mm厚钢板所对应的工作曲线得其深度应在20cm左右。

实施例3：一条有钢板作内衬的园形砼管道，其内径为8m，混凝土管壁厚为1m以上，内衬钢板厚为16mm。由于浇注质量不好，在钢板与混凝土之间存在空洞缺陷，采用本发明进行测量，选用30cm×30cm的网络，总测量面积约200m²。测量结果表明，正常位置的热中子计数率一般都在1350-1450范围，而有空洞缺陷部位明显偏低即在1000以下，空洞较大较深的位置热中子计数率最低到700-800。根据以上数据在平面描绘出了空洞分布，以及根据工作曲线确定了空洞深度。通过17个测点位置上钻孔取样比较，试验结果与实际情况完全相符合。

Claims (1)

1、一种用中子技术检测钢板下混凝土空洞的方法，其特征是先将中子探测仪进行标定：制备标准的混凝土平板模块，在其上分别复盖厚度不同的钢板，并将钢板架空在混凝土板之上进行测量以确定当钢板与混凝土表面间距改变时，探头所测到的热中子计数率与钢板架空高度的关系曲线，从而获得不同厚度钢板相应的工作曲线即空洞深度与热中子计数率关系曲线；将施测混凝土的钢板表面打上5×5cm～30×30cm的网络，并以网络交点作相应坐标，将中子探头在每交点测量，得到每测点的热中子计数率；根据平面上各测点热中子计数率的分布，确定热中子计数率明显偏低的范围，即为空洞平面分布范围；根据所测混凝土构件的覆盖钢板的厚度，选择相应厚度钢板的工作曲线；根据空洞平面分布范围内各测点的热中子计数率，由工作曲线得到对应的空洞深度。

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