無損檢測混凝土層厚度的電測方法

專利名稱:無損檢測混凝土層厚度的電測方法
本發明是一種檢測厚度的方法，它可以不破壞混凝土而在其表面檢測混凝土或鋼筋混凝土層的厚度，適合測量2～150cm厚的混凝土層，尤其適合于無損檢測混凝土表面凹凸不平或為曲面、或混凝土所被復的介質表面不平的地下洞室內噴射混凝土層的厚度。
對于被復在巖面、土層上的混凝土層，無損檢測其厚度是一個難題為此，檢測其厚度通常是用鉆孔丈量的辦法。對于噴射混凝土，還可在噴射之前在巖面上固定測釬或其他標幟物做為施工時控制噴射厚度的標準。在國內和國外有關設計和施工的規定中，都規定了在混凝土中鉆檢查孔或埋測釬的方法和數量。例如國家基本建設委員會1979年頒布的“錨桿噴射混凝土支護設計施工規定”、國家計劃委員會1985年即將頒布的“中華人民共和國國家標準-錨桿噴射混凝土支護設計施工及驗收規范”，日本國有鐵道建設局等單位于1983年3月執行的“新奧法施工指南”(草案)等，都是這樣規定的。按照鐵路隧道噴錨技術規則要求，1公里單線隧道噴錨襯砌，至少需檢測450個點，雙線隧道則要檢測1300個點采用鉆孔直接丈量的方法，破壞了混凝土結構本身，費工費時，在工程完工時，驗收檢查則更覺不便尤其當被復或襯砌背后有防水板等物時，無論鉆孔或是插釬，都不允許使用。
用物理方法量測混凝土厚度其所以困難，還由于混凝土本身是由粒徑大小不等的骨料和水泥水化固結而成的混合物，混凝土結構中還常有鋼筋，物理性質極不均勻，當層厚較薄時，這種不均勻性更為明顯。此外，其復蓋的基面及噴射混凝土表面，也往往凸凹不平或為曲面，這給測厚帶來許多困難。所以對于較薄的或表面不平的，或含有鋼筋的混凝土層，目前還沒有符合施工要求的無損測量厚度的方法。
本發明的任務是要提供一種無損量測混凝土層厚度的方法，無論這種混凝土是新敷設的還是年代久遠的，有鋼筋的還是無鋼筋的，薄層的還是厚層的，表面是平整的還是不平的。
本發明的任務是以如下方式實現的，先結合其原理圖1-測量視電阻率方法示意圖圖2-對兩層電介質組成的斷面測量視電阻率示意圖圖3-電極示意圖其中 1-絕緣帽 2-導電管3-導電桿 4-導電橡膠帽5-彈簧圖4-三極裝置電極系示意圖其中 1-絕緣固定架2-彈簧式可伸縮電極3-多頭插座，各電極引線均引至插座圖5-四極裝置電極系示意圖其中 1-絕緣固定架2-彈簧式可伸縮電極3-多頭插座，各電極引線均引至插座圖6-支架及用支架支頂固定電極系示意圖其中 1-電極系
2-多頭插頭3-多芯電纜4～6支架4-可伸長縮短的支架腿5-支架的支頂頭6-可使支架頭改變支頂角度的絞接接頭圖7-南嶺隧道測點5測得的ρS-AO曲線，為素混凝土層，電測厚度10Cm，鑿開丈量厚度9～9.5Cm圖8-吳莊隧道測點8測得的ρS-AO曲線，為含鋼筋網的噴射混凝土，電測厚度20Cm，鑿開丈量厚度19～19.5Cm在擬測混凝土層厚度的表面至少敷設兩對電極，一對為A、B，供通入電流用;另一對為M、N，用來量測MN間之電位差ΔVMN(見圖1)，通電后，測得電流強度為I，則介質的視電阻率ρS為ρS＝K (△VM N)/(I) ……(1)其中Kπ(1A M-1A N) - (1B M-1B N)]]>若A、B、M、N在一條直線上，且對稱于MN中點O，且AB＞＞MN，則稱為四極裝置，這時K＝π (AM·AN)/(MN)這種裝置，在混凝土層較薄時使用，測量精度較高。
若其中B點置于較遠處(BO＞10MN)，則稱為三極裝置，這時K＝2π· (AM·AN)/(MN)三極裝置用于混凝土層較厚時，其測量精度低于用四極裝置者。
在介質表面向介質通電時，供電電極的距離或供電電極與MN的距離越大，則所測得的視電阻率反映的深度越大。由小到大地改變供電極距測得相應的視電阻率，就能由淺至深地反映介質中不同深度的導電性能。
由于混凝土的電阻率與其被復的巖石或土壤的電阻率有明顯的差別，所以其分界線可以在“ρS-AO”曲線上反映出來。
實際上，可以在現場逐次改變AO大小，測得相應的ΔVMN和電流I，用公式(1)計算而求得相應的ρS，并繪出“ρS-AO”曲線，由此曲線得出混凝土的厚度h。
為避免不斷移動A、B電極，加快測量速度，保證觀測精度，本發明所用電極〔圖3〕，是將園形導電桿〔3〕的一端放入內部藏有彈簧〔5〕并連接電源的導電管〔2〕內，該導電管〔2〕內徑大于導電桿外徑0.1～0.2mm并固定在絕緣帽〔1〕上，導電桿〔3〕與混凝土接觸的另一端安設導電橡膠帽〔4〕，彈簧〔5〕的一端與絕緣帽〔1〕相抵，其另一端則與導電桿〔3〕的一端相接，故導電桿〔3〕可在導電管〔2〕內自由伸縮，成為可伸縮電極〔圖3〕，以使電極與混凝土層密貼。
圖4和圖5所示是電極系圖，它們是將多個可伸縮電極〔2〕，按照施測所需的全部電極距，以四極裝置和三極裝置形式固定在絕緣架〔1〕上，圖5所示為四極裝置電極系，該系中各電極排列在一條直線上，相應的一對A、B電極對稱于MN電極的中點O;圖4所示為三極裝置電極系，該電極系中各A電極與M、N電極排列在一條直線上，絕緣架上不設B電極，而在測量時共用一個B電極，該電極置于測點附近，使BO大于10倍的AO最大值，并與施測混凝土層相連的導電介質中。各電極由多頭插座〔3〕用多芯電纜引出，通過轉換開關，按照測試需要可分別接通。〔圖6〕是由一個可調整長度的支架腿〔4〕，通過可改變方向的絞接接頭〔6〕，連接支頂電極系〔1〕的支頂頭〔5〕所構成的支架，將電極系〔1〕固定在混凝土表面上。若混凝土表面太干燥而使電極接地電阻超過儀器允許范圍，可噴水于混凝土表面。
為避免供電電極極化，在AB間采用低頻交流電。
為求算ρS，可用各種類型的晶體管毫伏表來測量供電電流強度和MN間的電位差ΔVMN。與本發明配套，設計制造了直讀ρS的微測深儀，將能縮短測量時間。若將儀器配以微處理機，直接打印出ρS-AO曲線，將使測量大為便利。
測出不同供電電極距離的ρS后，以ρS和AO為座標，繪出ρS-AO曲線，然后即可判定混凝土層厚度。根據已知混凝土電阻率和其被復體-巖石或土壤-的電阻率，可以很容易的找到反映混凝土的前段曲線，其ρS約等于混凝土的電阻率，以及反映由混凝土被復巖體的后段曲線，其ρS約等于巖體的電阻率。與曲線前段向后段轉折點相對應的AO數值，即等于混凝土層的厚度。若混凝土中含有鋼筋網，則必使ρS-AO曲線的中段ρS值降低，這時由曲線中段向后段的轉折點所對應的AO數值，即為含鋼筋網混凝土層的厚度。
經查閱國外資料，日本專利特開昭51-39157“導電層厚度測定法”雖是將電極放在被測物的表面上檢測表層厚度的方法，但是測量極薄導電層的方法，規定要刻蝕部分導電層，然后觀察電流變化所需時間，或利用凸凹計，測導電層厚度，所以是屬于破壞檢測，完全不能用于測量混凝土厚度上。
利用聲波或超聲波反射測量混凝土厚度的方法，雖然也屬于無損檢測，但它目前僅適用于測量表面平整，其被復的基層-巖石或土層-也較平整的30Cm以上的厚混凝土層，對于薄層，特別是噴射混凝土層，則不能滿足工程的需要。(見焦作礦院采煤系編寫的“耿村隧道工程混凝土質量非破損檢測研究報告”)。
另外，也有人試圖用混凝土層與下伏層電阻率的差別來測量公路路面和橋面混凝土層的厚度。他們直接引用了在均勻、各向同性導電層下有無限大平面底層的數學模型，利用這數學模型導出的公式來測量上復層的厚度，測量的條件是表面平整、基底也較平整厚度較大的公路路面和橋面。
例如，1972年美國PB報告(PB-210245)中發表的由Russell，James E.等提出的試驗報告“Nondestructive Determination of Pavement Thickness using Electrical Resistivity Techniques”(“用電阻率技術來無損測定公路路面厚度”)中，介紹了有關的試驗方法。它是利用在一大木框(60″×25 9/16″)中設置的線狀電極(12″和24″長)放在剛澆灌的混凝土面上，使電極全部與路面接觸，在木框中逐個移動電極位置，測出若干個不同距離的電極得到的電阻率后，將它與混凝土層的電阻率ρ1、混凝土所被復的介質的電阻率ρ2輸入電子計算機，利用在電性均勻、各向同性、無限大，等厚的導電介質下被復的無限大平界面、電阻率相異的另一層的數學模型所導出的公式計算出混凝土的厚度。報告中引用的試驗是在厚8″的路面上進行的。報告指出，他們的試驗方法適用于基底可看作無限大平面，復蓋層為在電性上均勻、各向同性、絕對的導電層的情況，故只對剛澆灌的路面才可測出準確結果，而不適用于已固化的混凝土路面。為保證接近上蓋層為電性均勻各向同性的施測前提條件，故采用線狀電極。但這種電極笨重，要求與所測混凝土表面有1～2英尺的接觸，故只適用于表面平整的平坦路面上。測量時要不斷改換電極在木框中的位置，然后用計算機計算結果，這種方法費時費力，所測厚度不能薄于5Cm。自1973年以后，未見有進一步研究和使用的報導。有關測量混凝土構件、襯砌、被復的手冊、規范中也未列入這種方法。
本發明則為針對薄層、導電性不均勻，混凝土表面凹凸不平，有時呈曲面，其所被復的基底不平等情況而設計，其優點在于1、直接由實測的ρS-AO曲線的轉折點判讀混凝土層厚度，而不需利用混凝土層電阻率ρ1和它所被復的介質電阻率ρ2的精確值來計算其厚度，因而即使混凝土層的導電性不均勻、各向異性、混凝土的電阻率沿深度漸變或混凝土電阻率測不到準確數值等情況以及混凝土所被復的介質表面不平，都不會影響本方法的采用。
2、即使同一測點混凝土層的電阻率發生了變化，以致兩次不同時間所得的ρS-AO曲線全部或部分不重合，也不會影響曲線的判讀結果。
3、本發明所設計的帶有彈簧的可伸縮電極，使本方法不僅適用于測試表面平坦的混凝土，而且在混凝土表面凸凹不平或表面彎曲的情況下，因電極可與之密貼，仍可測出正確的有關數據。
4、本發明使用的電極系，其中包括了施測所需的全部電極距的電極，通過轉換開關選擇所需用的電極，所以電極系一次安設完畢，即可迅速測得一系列數據，避免在施測過程中反復移動電極，從而加快測量速度，減少布置電極的誤差。同時，允許施測儀器不在施測點附近，即使與施測點不通視或通話困難亦可正常施測。
5、本發明所使用之電極系較為輕便，配合可以調節長度和轉換支頂角度的支架，在混凝土表面與水平面呈各種角度的地方均可安設，尤其適用于測試地下洞室中的各個不同部位。
6、本發明既可測定新灌注的混凝土層厚度，也可測定已經固結混凝土層的厚度，既可用于素混凝土，也可用于鋼筋混凝土，測試厚度大的可到1m以上，小的可以薄到2Cm，尤其測量薄層混凝土是其特長。
因此，本發明是目前唯一可供實用的無損檢測薄層混凝土，特別是噴射混凝土層厚度的方法，同時，也可測量用聲波和超聲反射法有可能測量的較厚層的混凝土層的厚度。
下面結合附圖舉例說明<例1>南嶺隧道進口段采用噴射混凝土支護，在該段中用本發明檢測了若干處噴層厚度。其中如NO 5測點，根據本段地質圖了解到地質屬于炭質灰巖和灰巖，在裸露的巖面上測出其電阻率高于100Ω·m，而噴層的電阻率則低于80Ω·m。
NO 5測點在隧道邊墻處，估計噴層厚度在20Cm以內，采用四極裝置，采用四極距為MN＝1Cm，AO分別為1.5、3.5、4.56、8、12、14、20Cm。根據噴層表面起伏，將電極系水平放置，并使所有電極均能與噴層表面密貼，用支架支頂固定。用50周工頻交流電通過A、B向噴層供電，用DA-16晶體管毫伏表測量ΔVMN和I，然后計算ρS。測出不同AO的ρS后，繪出ρS-AO曲線(圖6)。從曲線上可以看出，曲線前段電阻率為30～40Ωm的一段反映了噴層電阻率，曲線后段120Ω·m的一段反映了巖石的電阻率，與由曲線前段變到后段的轉折點相對應的AO數值為10Cm，由此確定噴層厚度為10Cm。
隨后鑿開噴層檢驗，可觀察到其后面巖石為炭質灰巖，用鋼尺丈量噴層厚為9～9.5Cm，與電測結果極為相近。
<例2>吳莊隧道出口段，采用噴射混凝土做為初期支護，在這里用本發明檢測了若干點噴層厚度，如測點8，根據地質資料得知該處穿過砂頁巖互層段，噴混凝土中含有鋼筋。按例1所述程序測出ρS并繪出ρS-AO曲線(圖7)，因不明厚度，故采用三極裝置采用MN＝1Cm，AO分別為1.5、2.5、3.5、4.5、6、8、10、14、20、30、40Cm。由圖可見。曲線前段ρS約為30Ω·m，反映了噴混凝土層，從AO大于2.5Cm后，ρS極劇降低，反映了鋼筋的影響，曲線后段ρS又上升至10Ω·m以上，反映了頁巖，與曲線中段變到后段的轉折點相對應的AO為20Cm，由此確定噴層厚度為20Cm。
隨后鑿開噴層檢驗，在2.0Cm處遇到鋼筋，經用鋼尺丈量在19～19.5Cm處遇到紫紅色頁巖，與電測結果一致。
用本發明在6個隧道測量噴層厚度的結果與隨后鑿開噴混凝土層丈量的厚度兩者對比如附表所示。在90個測點中，混凝土中有鋼筋網者42個，無鋼筋網者48個，對于混凝土來說其中有噴射后1～2天者，有噴射后尚不足14天正在養生者，有噴射后已有1～2年者。其背后的巖石有八種。經校驗結果，只有2個點判錯，占2.7%一個點實際混凝土厚度超過要求測量的厚度，其余87個點電測厚度h與鑿開混凝土丈量結果h′對比，用公式σ = ±∑ ( h - h ′)22 h]]>計算均方差σ，則σ＝±0.87Cm。
權利要求
1.一種無損量測混凝土層厚度的電測方法，利用混凝土與它所被復的介質間有電阻率差異，在混凝土層的表面，至少設置兩對以上電極，一對為A、B，用于將低頻交流電通入混凝土，另一對為M、N，其中點為O，用來測量混凝土表面MN兩點間的電位差ΔVMN；逐次變化供電電極距，同時量測與之相應的ΔVMN和供電電流I，利用公式ρs=K·ΔVMN/I求出介質的視電阻率ρs，以求算混凝土層的厚度，其特征在于所使用的電極是采用點接觸電極，將測得不同電極距的ρs，繪制出折線形的ρs-AO曲線，然后根據該曲線反映的混凝土電阻率的前段或反映受鋼筋影響的中段，向反映混凝土被復的介質電阻率的后段的轉折點所對應的AO，直接判讀混凝土層厚度的方法。
2.一種固定組合的電極系，將多組電極組裝在絕緣架上，其特征在于將多個園形點接觸電極，按照施測所需的全部電極距，固定在一個絕緣架上，構成電極系，各電極由多芯電纜引出，通過轉換開關按需要分別接通;電極按四極裝置或三極裝置的形式排列，四極裝置中各電極排列在一條直線上，電極A、B對稱于MN電極的中點O;三極裝置中各A電極與MN電極排列在一條直線上，絕緣架上不設B電極，而在測量時共用一個置于測點附近與施測混凝土層以導電介質相連的B電極，并使BO大于10倍的最大AO值;無論使用四極或三極裝置，在絕緣架上所設的電極，其每一個都是將一根園形導電桿的一端放入內部藏有彈簧并連接電源的導電管內，該導電管內徑大于導電桿外徑0.1-0.2mm并固定在絕緣帽上，導電桿與混凝土接觸的另一端安設導電橡膠帽，彈簧的一端與絕緣帽相抵，其另一端則與導電桿的一頭相接，使導電桿可在導電管內自由伸縮，成為可伸縮電極，以使電極與混凝土層密貼。
專利摘要
“無損檢測混凝土層厚度的電測方法”是用來檢測混凝土層，即使是噴射混凝土層那樣的薄層混凝土(帶鋼筋或不帶鋼筋)的厚度。其特征在于通過改變在混凝土表面向它供電電極的極距(AO)的大小而測量出不同深度的視電阻率ρs，由ρs—AO曲線的轉折點來確定混凝土層的厚度。為準確測得ρs—Ao曲線，采用將可伸縮電極固定在架子上的電極系，用支架支頂固定，使多組電極一次安設完畢并能與凹凸不平的，與水平面成各種夾角的，彎曲的混凝土表面接觸。
文檔編號G01B7/02GK85100680SQ85100680
公開日1986年7月2日 申請日期1985年4月1日
發明者鐘世航 申請人:鐵道部科學研究院鐵道建筑研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan