无损检测混凝土层厚度的电测方法

摘要

“无损检测混凝土层厚度的电测方法”是用来检测混凝土层，即使是喷射混凝土层那样的薄层混凝土(带钢筋或不带钢筋)的厚度。其特征在于通过改变在混凝土表面向它供电电极的极距(AO)的大小而测量出不同深度的视电阻率ρs，由ρs—AO曲线的转折点来确定混凝土层的厚度。为准确测得ρs—Ao曲线，采用将可伸缩电极固定在架子上的电极系，用支架支顶固定，使多组电极一次安设完毕并能与凹凸不平的，与水平面成各种夹角的，弯曲的混凝土表面接触。

说明书

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本发明是一种检测厚度的方法，它可以不破坏混凝土而在其表面检测混凝土或钢筋混凝土层的厚度，适合测量2～150cm厚的混凝土层，尤其适合于无损检测混凝土表面凹凸不平或为曲面、或混凝土所被复的介质表面不平的地下洞室内喷射混凝土层的厚度。

对于被复在岩面、土层上的混凝土层，无损检测其厚度是一个难题为此，检测其厚度通常是用钻孔丈量的办法。对于喷射混凝土，还可在喷射之前在岩面上固定测钎或其他标帜物做为施工时控制喷射厚度的标准。在国内和国外有关设计和施工的规定中，都规定了在混凝土中钻检查孔或埋测钎的方法和数量。例如国家基本建设委员会1979年颁布的“锚杆喷射混凝土支护设计施工规定”、国家计划委员会1985年即将颁布的“中华人民共和国国家标准-锚杆喷射混凝土支护设计施工及验收规范”，日本国有铁道建设局等单位于1983年3月执行的“新奥法施工指南”（草案）等，都是这样规定的。按照铁路隧道喷锚技术规则要求，1公里单线隧道喷锚衬砌，至少需检测450个点，双线隧道则要检测1300个点

采用钻孔直接丈量的方法，破坏了混凝土结构本身，费工费时，在工程完工时，验收检查则更觉不便尤其当被复或衬砌背后有防水板等物时，无论钻孔或是插钎，都不允许使用。

用物理方法量测混凝土厚度其所以困难，还由于混凝土本身是由粒径大小不等的骨料和水泥水化固结而成的混合物，混凝土结构中还常有钢筋，物理性质极不均匀，当层厚较薄时，这种不均匀性更为明显。此外，其复盖的基面及喷射混凝土表面，也往往凸凹不平或为曲面，这给测厚带来许多困难。所以对于较薄的或表面不平的，或含有钢筋的混凝土层，目前还没有符合施工要求的无损测量厚度的方法。

本发明的任务是要提供一种无损量测混凝土层厚度的方法，无论这种混凝土是新敷设的还是年代久远的，有钢筋的还是无钢筋的，薄层的还是厚层的，表面是平整的还是不平的。

本发明的任务是以如下方式实现的，先结合附图说明其原理：

图1-测量视电阻率方法示意图

图2-对两层电介质组成的断面测量视电阻率示意图

图3-电极示意图

其中    1-绝缘帽    2-导电管

3-导电杆    4-导电橡胶帽

5-弹簧

图4-三极装置电极系示意图

其中    1-绝缘固定架

2-弹簧式可伸缩电极

3-多头插座，各电极引线均引至插座

图5-四极装置电极系示意图

其中    1-绝缘固定架

2-弹簧式可伸缩电极

3-多头插座，各电极引线均引至插座

图6-支架及用支架支顶固定电极系示意图

其中    1-电极系

2-多头插头

3-多芯电缆

4～6支架

4-可伸长缩短的支架腿

5-支架的支顶头

6-可使支架头改变支顶角度的绞接接头

图7-南岭隧道测点5测得的ρ_S-AO曲线，为素混凝土层，电测厚度10Cm，凿开丈量厚度9～9.5Cm

图8-吴庄隧道测点8测得的ρ_S-AO曲线，为含钢筋网的喷射混凝土，电测厚度20Cm，凿开丈量厚度19～19.5Cm

在拟测混凝土层厚度的表面至少敷设两对电极，一对为A、B，供通入电流用;另一对为M、N，用来量测MN间之电位差ΔV_MN（见图1），通电后，测得电流强度为I，则介质的视电阻率ρ_S为

ρ_S＝K>M N)/(I)>

其中

若A、B、M、N在一条直线上，且对称于MN中点O，且AB＞＞MN，则称为四极装置，这时

K＝π (AM·AN)/(MN)

这种装置，在混凝土层较薄时使用，测量精度较高。

若其中B点置于较远处（BO＞10MN），则称为三极装置，这时

K＝2π· (AM·AN)/(MN)

三极装置用于混凝土层较厚时，其测量精度低于用四极装置者。

在介质表面向介质通电时，供电电极的距离或供电电极与MN的距离越大，则所测得的视电阻率反映的深度越大。由小到大地改变供电极距测得相应的视电阻率，就能由浅至深地反映介质中不同深度的导电性能。

由于混凝土的电阻率与其被复的岩石或土壤的电阻率有明显的差别，所以其分界线可以在“ρ_S-AO”曲线上反映出来。

实际上，可以在现场逐次改变AO大小，测得相应的ΔV_MN和电流I，用公式（1）计算而求得相应的ρ_S，并绘出“ρ_S-AO”曲线，由此曲线得出混凝土的厚度h。

为避免不断移动A、B电极，加快测量速度，保证观测精度，本发明所用电极〔图3〕，是将园形导电杆〔3〕的一端放入内部藏有弹簧〔5〕并连接电源的导电管〔2〕内，该导电管〔2〕内径大于导电杆外径0.1～0.2mm并固定在绝缘帽〔1〕上，导电杆〔3〕与混凝土接触的另一端安设导电橡胶帽〔4〕，弹簧〔5〕的一端与绝缘帽〔1〕相抵，其另一端则与导电杆〔3〕的一端相接，故导电杆〔3〕可在导电管〔2〕内自由伸缩，成为可伸缩电极〔图3〕，以使电极与混凝土层密贴。

图4和图5所示是电极系图，它们是将多个可伸缩电极〔2〕，按照施测所需的全部电极距，以四极装置和三极装置形式固定在绝缘架〔1〕上，图5所示为四极装置电极系，该系中各电极排列在一条直线上，相应的一对A、B电极对称于MN电极的中点O;图4所示为三极装置电极系，该电极系中各A电极与M、N电极排列在一条直线上，绝缘架上不设B电极，而在测量时共用一个B电极，该电极置于测点附近，使BO大于10倍的AO最大值，并与施测混凝土层相连的导电介质中。各电极由多头插座〔3〕用多芯电缆引出，通过转换开关，按照测试需要可分别接通。〔图6〕是由一个可调整长度的支架腿〔4〕，通过可改变方向的绞接接头〔6〕，连接支顶电极系〔1〕的支顶头〔5〕所构成的支架，将电极系〔1〕固定在混凝土表面上。若混凝土表面太干燥而使电极接地电阻超过仪器允许范围，可喷水于混凝土表面。

为避免供电电极极化，在AB间采用低频交流电。

为求算ρ_S，可用各种类型的晶体管毫伏表来测量供电电流强度>MN。与本发明配套，设计制造了直读ρ_S的微测深仪，将能缩短测量时间。若将仪器配以微处理机，直接打印出ρ_S-AO曲线，将使测量大为便利。

测出不同供电电极距离的ρ_S后，以ρ_S和AO为座标，绘出ρ_S-AO曲线，然后即可判定混凝土层厚度。根据已知混凝土电阻率和其被复体-岩石或土壤-的电阻率，可以很容易的找到反映混凝土的前段曲线，其ρ_S约等于混凝土的电阻率，以及反映由混凝土被复岩体的后段曲线，其ρ_S约等于岩体的电阻率。与曲线前段向后段转折点相对应的AO数值，即等于混凝土层的厚度。若混凝土中含有钢筋网，则必使ρ_S-AO曲线的中段ρ_S值降低，这时由曲线中段向后段的转折点所对应的AO数值，即为含钢筋网混凝土层的厚度。

经查阅国外资料，日本专利特开昭51-39157“导电层厚度测定法”虽是将电极放在被测物的表面上检测表层厚度的方法，但是测量极薄导电层的方法，规定要刻蚀部分导电层，然后观察电流变化所需时间，或利用凸凹计，测导电层厚度，所以是属于破坏检测，完全不能用于测量混凝土厚度上。

利用声波或超声波反射测量混凝土厚度的方法，虽然也属于无损检测，但它目前仅适用于测量表面平整，其被复的基层-岩石或土层-也较平整的30Cm以上的厚混凝土层，对于薄层，特别是喷射混凝土层，则不能满足工程的需要。（见焦作矿院采煤系编写的“耿村隧道工程混凝土质量非破损检测研究报告”）。

另外，也有人试图用混凝土层与下伏层电阻率的差别来测量公路路面和桥面混凝土层的厚度。他们直接引用了在均匀、各向同性导电层下有无限大平面底层的数学模型，利用这数学模型导出的公式来测量上复层的厚度，测量的条件是表面平整、基底也较平整厚度较大的公路路面和桥面。

例如，1972年美国PB报告（PB-210245）中发表的由Russell，James    E.等提出的试验报告“Nondestructive    Determination    of    Pavement    Thickness    using    Electrical    Resistivity    Techniques”（“用电阻率技术来无损测定公路路面厚度”）中，介绍了有关的试验方法。它是利用在一大木框（60″×25    9/16″）中设置的线状电极（12″和24″长）放在刚浇灌的混凝土面上，使电极全部与路面接触，在木框中逐个移动电极位置，测出若干个不同距离的电极得到的电阻率后，将它与混凝土层的电阻率ρ₁、混凝土所被复的介质的电阻率ρ₂输入电子计算机，利用在电性均匀、各向同性、无限大，等厚的导电介质下被复的无限大平界面、电阻率相异的另一层的数学模型所导出的公式计算出混凝土的厚度。报告中引用的试验是在厚8″的路面上进行的。报告指出，他们的试验方法适用于基底可看作无限大平面，复盖层为在电性上均匀、各向同性、绝对的导电层的情况，故只对刚浇灌的路面才可测出准确结果，而不适用于已固化的混凝土路面。为保证接近上盖层为电性均匀各向同性的施测前提条件，故采用线状电极。但这种电极笨重，要求与所测混凝土表面有1～2英尺的接触，故只适用于表面平整的平坦路面上。测量时要不断改换电极在木框中的位置，然后用计算机计算结果，这种方法费时费力，所测厚度不能薄于5Cm。自1973年以后，未见有进一步研究和使用的报导。有关测量混凝土构件、衬砌、被复的手册、规范中也未列入这种方法。

本发明则为针对薄层、导电性不均匀，混凝土表面凹凸不平，有时呈曲面，其所被复的基底不平等情况而设计，其优点在于：

1、直接由实测的ρ_S-AO曲线的转折点判读混凝土层厚度，而不需利用混凝土层电阻率ρ₁和它所被复的介质电阻率ρ₂的精确值来计算其厚度，因而即使混凝土层的导电性不均匀、各向异性、混凝土的电阻率沿深度渐变或混凝土电阻率测不到准确数值等情况以及混凝土所被复的介质表面不平，都不会影响本方法的采用。

2、即使同一测点混凝土层的电阻率发生了变化，以致两次不同时间所得的ρ_S-AO曲线全部或部分不重合，也不会影响曲线的判读结果。

3、本发明所设计的带有弹簧的可伸缩电极，使本方法不仅适用于测试表面平坦的混凝土，而且在混凝土表面凸凹不平或表面弯曲的情况下，因电极可与之密贴，仍可测出正确的有关数据。

4、本发明使用的电极系，其中包括了施测所需的全部电极距的电极，通过转换开关选择所需用的电极，所以电极系一次安设完毕，即可迅速测得一系列数据，避免在施测过程中反复移动电极，从而加快测量速度，减少布置电极的误差。同时，允许施测仪器不在施测点附近，即使与施测点不通视或通话困难亦可正常施测。

5、本发明所使用之电极系较为轻便，配合可以调节长度和转换支顶角度的支架，在混凝土表面与水平面呈各种角度的地方均可安设，尤其适用于测试地下洞室中的各个不同部位。

6、本发明既可测定新灌注的混凝土层厚度，也可测定已经固结混凝土层的厚度，既可用于素混凝土，也可用于钢筋混凝土，测试厚度大的可到1m以上，小的可以薄到2Cm，尤其测量薄层混凝土是其特长。

因此，本发明是目前唯一可供实用的无损检测薄层混凝土，特别是喷射混凝土层厚度的方法，同时，也可测量用声波和超声反射法有可能测量的较厚层的混凝土层的厚度。

下面结合附图举例说明：

<例1>南岭隧道进口段采用喷射混凝土支护，在该段中用本发明检测了若干处喷层厚度。其中如NO    5测点，根据本段地质图了解到地质属于炭质灰岩和灰岩，在裸露的岩面上测出其电阻率高于100Ω·m，而喷层的电阻率则低于80Ω·m。

NO    5测点在隧道边墙处，估计喷层厚度在20Cm以内，采用四极装置，采用四极距为MN＝1Cm，AO分别为1.5、3.5、4.56、8、12、14、20Cm。根据喷层表面起伏，将电极系水平放置，并使所有电极均能与喷层表面密贴，用支架支顶固定。用50周工频交流电通过A、B向喷层供电，用DA-16晶体管毫伏表测量ΔV_MN和I，然后计算ρ_S。测出不同AO的ρ_S后，绘出ρ_S-AO曲线（图6）。从曲线上可以看出，曲线前段电阻率为30～40Ωm的一段反映了喷层电阻率，曲线后段120Ω·m的一段反映了岩石的电阻率，与由曲线前段变到后段的转折点相对应的AO数值为10Cm，由此确定喷层厚度为10Cm。

随后凿开喷层检验，可观察到其后面岩石为炭质灰岩，用钢尺丈量喷层厚为9～9.5Cm，与电测结果极为相近。

<例2>吴庄隧道出口段，采用喷射混凝土做为初期支护，在这里用本发明检测了若干点喷层厚度，如测点8，根据地质资料得知该处穿过砂页岩互层段，喷混凝土中含有钢筋。按例1所述程序测出ρ_S并绘出ρ_S-AO曲线（图7），因不明厚度，故采用三极装置采用MN＝1Cm，AO分别为1.5、2.5、3.5、4.5、6、8、10、14、20、30、40Cm。由图可见。曲线前段ρ_S约为30Ω·m，反映了喷混凝土层，从AO大于2.5Cm后，ρ_S极剧降低，反映了钢筋的影响，曲线后段ρ_S又上升至10Ω·m以上，反映了页岩，与曲线中段变到后段的转折点相对应的AO为20Cm，由此确定喷层厚度为20Cm。

随后凿开喷层检验，在2.0Cm处遇到钢筋，经用钢尺丈量在19～19.5Cm处遇到紫红色页岩，与电测结果一致。

用本发明在6个隧道测量喷层厚度的结果与随后凿开喷混凝土层丈量的厚度两者对比如附表所示。在90个测点中，混凝土中有钢筋网者42个，无钢筋网者48个，对于混凝土来说其中有喷射后1～2天者，有喷射后尚不足14天正在养生者，有喷射后已有1～2年者。其背后的岩石有八种。经校验结果，只有2个点判错，占2.7%一个点实际混凝土厚度超过要求测量的厚度，其余87个点电测厚度h与凿开混凝土丈量结果h′对比，用公式

计算均方差σ，则σ＝±0.87Cm。