专利名称：应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法
技术领域：
本发明涉及一种应用透地雷达检测的方法，特别涉及一种非破坏性的应用透地雷达的检测的方法。
背景技术：
钢筋混凝土是一种常使用于建筑物、桥梁、水利设施等的构件，其以混凝土辅以钢筋一体浇置完成，但是，亚热带海洋性气候使台湾成为湿度极高的环境，形成腐蚀钢筋混凝土的罪魁祸首之一。虽然钢筋混凝土初期在钢筋表面有一层钝态模，可保护钢筋表面不容易有腐蚀情况发生，但若使钢筋混凝土长时间处于湿度极高的环境，钢筋表面的钝态模将慢慢被破坏，钢筋被腐蚀的情况也随之发生。一旦钢筋产生腐蚀生成物后，这些腐蚀生成物将使钢筋的体积膨胀，膨胀的钢筋将压迫周围的混凝土产生裂缝，蔓延至混凝土表面的裂缝，此些裂缝便形成有害物质侵入的通道，就有如传染病一般使得更多的钢筋遭受腐蚀。逐渐被腐蚀的钢筋，不仅会失去承载强度，也会使钢筋与混凝土之间的握裹失效，因而影响物体结构的耐久性。近年来气候异常、天灾频传，一旦建筑物、桥梁、水利设施等遭受大自然的反扑，根本毫无招架之力，更何况是受到钢筋腐蚀的建筑物、桥梁、水利设施等，只有面临倒塌的命运。为此各式各样的钢筋腐蚀检测设备不断的被发展出来，就以常用的电化学方法来说，例如半电池电位法、腐蚀电流法与线性极化法等，这些方法检测前皆需洒水，以利降低混凝土的电阻，藉以量测钢筋腐蚀度的状况，但使用上述方法的量测结果变异性较高，且多半是属于半破坏式的检测方法。另外也有发明人针对检测钢筋腐蚀度提出专利，请参阅以下分析台湾专利1265287公开了一种检测钢筋腐蚀的方法，此方法必须先将具有布拉格光栅的传感器设置于钢筋的适当处，但对于已经成型的钢筋混凝土，除非破坏混凝土，否则无法将传感器放置于钢筋的适当处。不然就要在钢筋混凝土成型前预先放置传感器，但前述预先放置的传感器又会因为环境热胀冷缩，进而影响反射波变化，而造成误判。台湾专利1317013公开了一种钢筋缺陷及腐蚀检测的装置，此装置虽然提供非破坏式检测，可避免混凝土构件遭受破坏及避免担心传感器是否正常运作等问题。但检测过程中必须使用穿透性的放射线，放射线的使用需要静空范围之内的使用者，否则将有遭受放射线污染的危险，如此，才能避免放射线污染人体。有鉴于此，如何针对上述先前检测技术所存在的缺点进行研发改良，提供一种不需破坏钢筋混凝土结构的完整性、且可以避免穿透性放射线危害人体、又可以提升检测效率以及提供稳定的检测结果，实为相关业界所需努力研发的目标。
发明内容
为解决上述先前技术不尽理想之处，本发明提供一种应用透地雷达检测钢筋混凝、土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其包含使用透地雷达发射电磁波扫描钢筋混凝土构件；接收自钢筋混凝土构件的钢筋反射的电磁反射波；取得钢筋混凝土构件的混凝土厚度，此混凝土厚度是指钢筋混凝土构件的表面至钢筋混凝土构件内的钢筋的最短距离；运算电磁反射波获取钢筋界面特征参数，钢筋界面特征参数包含有钢筋界面反射电压与钢筋界面特征阻抗；提供预先储存有多个参考数据的数据库，各参考数据包含有参考钢筋界面反射电压、参考钢筋界面特征阻抗、以及所对应的参考混凝土厚度及参考钢筋腐蚀度；以及将上述钢筋界面特征参数及混凝土厚度对照、且与数据库内的参考数据比较，藉 此可获得上述钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度。所述应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其中，钢筋界面反射电压是经由钢筋界面的反射系数、电磁波入射钢筋的入射电压、以及电磁波入射钢筋的入射功率等所运算而得。所述应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其中，钢筋界面特征阻抗是经由反射电磁波的磁场与电场所运算而得。所述应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其中，参考钢筋腐蚀度包含有轻度腐蚀、中度腐蚀与重度腐蚀等三个等级。所述应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其中，数据库内的参考数据更进一步以参考混凝土厚度进行正规化处理。因此，本发明的主要目的在于提供一种应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，此方法为利用透地雷达电磁波物理特性，因此可以直接扫描腐蚀钢筋混凝土构件，故无须局部破坏钢筋混凝土构件表面，就可以直接检测钢筋混凝土构件内钢筋腐蚀的程度，属于非破坏性检测方法，藉此确保钢筋混凝土构件的完整性、且检测结果稳定性高。本发明的另一目的在于提供一种应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，此方法为利用透地雷达电磁波物理特性，因此可由透地雷达电磁反射波所激发的钢筋界面反射电压与钢筋界面对应特征电流的差异所造成的电压与电流改变量，因此，可以利用此电压与电流改变量来解析判定钢筋混凝土构件内的腐蚀程度。本发明的又一目的在于提供一种应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，此方法为利用透地雷达电磁波物理特性，因此不用担心放射线污染，也无须配置传感器即可获取检测钢筋混凝土构件内的腐蚀程度的结果。
图1，为本发明较佳实施例的应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法流程示意图；图2A，为本发明较佳实验例的透地雷达应用于检测钢筋混凝土的示意图；图2B，为电磁波于界面I、II的入射波与反射波波传行为示意图；图3A，为不同混凝土厚度的钢筋腐蚀界面反射电压的实验结果图3B，为不同混凝土厚度的钢筋腐蚀界面特征阻抗的实验结果图；图3C ，为不同混凝土厚度的钢筋腐蚀界面对应特征电流的实验结果图；图4A，为不同混凝土厚度的腐蚀电位的实验结果图；图4B，为不同混凝土厚度的腐蚀电流密度的实验结果图；图5A，为不同混凝土厚度、腐蚀程度、反射电压的正规化分析图；图5B，为不同混凝土厚度、腐蚀程度、特征阻抗的正规化分析图；图5C，为不同混凝土厚度、腐蚀程度、对应特征电流的正规化分析图；图6A，为腐蚀电位对照反射电压的钢筋腐蚀度范围图；图6B，为腐蚀电流密度对照对应特征电流的钢筋腐蚀度范围图。主要组件符号说明步骤100、101、102、103、104、105透地雷达10控制器11天线12电池13测距轮14钢筋混凝土构件20混凝土21表面211钢筋22腐蚀钢筋23空气A
具体实施例方式由于本发明公开一种应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其中所利用的透地雷达原理，已为本领域技术人员所熟知，故以下文中的说明，不再作完整描述。同时，以下文中所对照的附图，表达与本发明特征有关的结构示意，并未亦不需要依据实际尺寸完整绘制，事先声明。请参阅图1，是本发明提出的较佳实施例，为应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法流程示意图。此应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法包含有以下步骤步骤100 :使用透地雷达10发射电磁波扫描钢筋混凝土构件20。请参阅图2A，为透地雷达应用于检测钢筋混凝土的示意图。首先准备透地雷达(Ground Penetrating Radar) 10,市面充斥着各式各样的透地雷达产品，但不外乎包含以下主要运作的组件控制器11用于接收讯号进行处理，并将产生的讯号予以储存，且能透过连接显示器显示讯号。天线12内含发射器(Transmitter)(未图示)用于发射电磁波与接收器(Receiver)(未图示)用于接收电磁波，且透过光纤与控制器11连接做双向讯号传输。使用者能透过控制器11设定天线12的频率，频率的高低也将影响检测的结果，例如频率设定越低，分辨率越低，检测深度越深，反之，频率设定越高，分辨率越高，检测深度越浅。电池13提供天线12产生电磁波所需的电能，必须注意不同频率耗费的电力也不相同，使用者设定频率时必须考虑到电池13能使用的时间，避免检测到一半发生电力不足的情况。前述电池13亦可采用一般市面上贩卖的镍镉电池等充电电池。测距轮14随天线12移动而跟着转动，测距轮14可做为启动天线12开关、亦可测量天线12的检测距离。另制作钢筋混凝土构件20，此钢筋混凝土构件20具有混凝土 21与埋设于混凝土内的钢筋22。混凝土 21的长、宽、高分别为165公分、15公分、60公分(165公分X 15公分X 60公分)。本较佳实施例钢筋22是采用标号6规格(依照CNS 560钢筋混凝土用钢筋规范的规格)。透地雷达10的天线12即是于混凝土 21的表面211被拖曳，并对钢筋22进行钢筋腐蚀度的检测。当透地雷达10与钢筋混凝土构件20整备完成，使用者即可于混凝土 21的表面211拖曳透地雷达10，透地雷达10的控制器11将根据使用者预设的频率产生激发讯号。且将激发讯号传送至天线12，使激发讯号转换成电磁波。此时天线12朝向钢筋混凝土构件 20发射电磁波。步骤101 :接收自钢筋混凝土构件20反射的电磁反射波。电磁波遭遇钢筋22界面将产生反射现象。天线12将接收经钢筋22界面反射回来的电磁反射波。步骤102 :取得钢筋混凝土构件20的混凝土厚度，此混凝土厚度指钢筋混凝土构件20的表面211至钢筋混凝土构件20内的钢筋的最短距离。例如于混凝土 21厚度4cm、6cm、7cm、9cm处分别埋设钢筋22。以混凝土 21来说是指厚度，以钢筋22来说是指埋设于混凝土 21的深度，为了说明的一致性，以下是以混凝土 21的厚度进行说明。前述混凝土 21厚度是指钢筋混凝土构件20的混凝土 21的表面211至钢筋混凝土构件20内的钢筋22的最短距离。步骤103 :运算电磁反射波，获取钢筋界面特征参数，此钢筋界面特征参数包含有钢筋界面反射电压与钢筋界面特征阻抗。当电磁反射波传回控制器11，经运算获取钢筋界面特征参数，且由控制器11储存此钢筋界面特征参数。步骤104 :提供数据库，于控制器11建立数据库，且此数据库预先储存有多个参考数据，各参考数据包含有参考钢筋界面反射电压、参考钢筋界面特征阻抗、以及所对应的参考混凝土厚度及参考钢筋腐蚀度。要特别说明的是，上述的钢筋界面反射电压是经由钢筋的界面反射系数、电磁波入射钢筋的入射电压、以及电磁波入射钢筋的入射功率等所运算而得。此外，上述的钢筋界面特征阻抗是经由反射电磁波的磁场与电场所运算而得。前述参考的钢筋腐蚀度包含有轻度腐蚀、中度腐蚀与重度腐蚀三个等级。步骤105 :进一步将钢筋界面特征参数及混凝土厚度对照，且比较于数据库内的参考数据，藉此获得钢筋混凝土构件20内的钢筋腐蚀度。而上述数据库内的参考数据可以更进一步以参考混凝土厚度进行正规化处理(normalization)。以上的运算已内建于控制器11中，只要控制器11接收到讯号即会自行运算，但是如何运算请参阅以下针对钢筋界面特征参数的钢筋界面反射电压、钢筋界面特征阻抗及钢筋界面对应特征电流做进一步说明上述提及钢筋界面特征参数的钢筋界面反射电压是经由钢筋界面的反射系数、电磁波入射钢筋的入射电压、以及电磁波入射钢筋的入射功率运算而得。关于如何运算请参照以下说明请参阅图2B，为电磁波于界面I、II的波传行为示意图。本实施例以透地雷达10发射电磁波于介质(电磁波依序经过第一层介质为空气A、第二层介质为混凝土 21、第三层介质为钢筋22或腐蚀钢筋23)中传播时，撷取混凝土表面与钢筋界面的反射电压，其大小主要受介质界面、电磁波的阻抗与电流的大小所影 响。界面I是指混凝土界面、界面II是指钢筋或腐蚀钢筋界面。由反射电压与入射电压的比值关系，建立电磁波入射混凝土表面的反射行为。R1为界面I的反射系数，定义如下方程序R1 = Y1 (t) /s (t)方程式中，ri(t)为空气至混凝土界面的反射电压、s (t)为界面I入射电压、&为界面I的反射系数，故空气与混凝土介质中的界面I的反射电压，定义如下方程序Y1 (t) = R1 s (t)在第二层介质时，混凝土介质中的入射波至界面II会产生另一反射波。R11为界面II的反射系数，定义如下方程序R11 = rn (t) /s (t) Wi故，界面II的反射电压，定义如下方程序rn (t) = R11 s (t) Wi方程式中，rn(t)为混凝土与钢筋或腐蚀钢筋界面的反射电压，R11为界面II的反射系数，s(t)为界面II入射电压，Wi为入射功率^^^ —巧夂^为界面I的反射功率。钢筋界面特征参数的钢筋界面特征阻抗是经由反射电磁波的磁场与电场所运算而得。定义如下方程序T] = ^JtTs(Cl)方程式中，ii = UtlX ii Y，其中为真空中导磁率、且= 4JI X10_7(H/m)，Pr为相对导磁率、且^r=l。e = e(|XeY，其中eQ为真空中介电常数、且eQ =
8.85X10_12(F/m), ^为相对介电常数、且Er=I0以上运算所得的钢筋界面反射电压与钢筋界面特征阻抗，前述二者的比值即可获得钢筋界面对应特征电流，定义如下方程序I = Y1J n方程式中，rn为钢筋界面反射电压、n为钢筋界面特征阻抗、I为钢筋界面对应特征电流。以下更进一步提供下列实验例，藉以说明本发明的特征。实验例A.实验内容实验内容分为实验组与对照组，实验组是进行透地雷达钢筋腐蚀试验、且同时以透地雷达做钢筋腐蚀试验。对照组是进行透地雷达钢筋腐蚀试验、且同时以半电池电位仪做钢筋腐蚀试验。
I.实验组实验内容a.钢筋加速腐蚀试验 本实验例利用直流电源供应器外加电流以加速钢筋的腐蚀速率。其实验是将混凝土置于一张钛网上，且将局部混凝土与钛网浸于水中，但需注意钢筋不与水接触。接着将直流电源供应器的阳极接于钢筋，阴极接于钛网，电源供应器对钢筋与钛网施加直流电流。b.透地雷达钢筋腐蚀试验本实验例进行钢筋加速腐蚀试验的同时，进行透地雷达钢筋腐蚀试验。且将不同混凝土厚度(4cm、6cm、7cm、9cm)内的钢筋于加速腐蚀时间(0 408hrs)内进行透地雷达扫瞄。在各个不同加速腐蚀时间点撷取钢筋于轻微腐蚀、中度腐蚀、严重腐蚀阶段的钢筋界面特征参数。II.对照组实验内容a.钢筋加速腐蚀试验本实验例利用直流电源供应器外加电流以加速钢筋的腐蚀速率。其实验是将混凝土置于一张钛网上，且将局部混凝土与钛网浸于水中，但需注意钢筋不与水接触。接着将直流电源供应器的阳极接于钢筋，阴极接于钛网，电源供应器对钢筋与钛网施加直流电流。b.半电池电位仪钢筋腐蚀试验本实验例进行钢筋加速腐蚀试验的同时，进行半电池电位仪钢筋腐蚀试验。半电池电位仪以铜/硫酸铜作为参考电极，参考ASTM C876检测钢筋的腐蚀电位。且将不同混凝土厚度(4cm、6cm、7cm、9cm)内的钢筋于加速腐蚀时间(0 408hrs)内进行半电池电位仪扫瞄。c.腐蚀电流仪钢筋腐蚀试验本实验例进行钢筋加速腐蚀试验的同时，进行腐蚀电流仪钢筋腐蚀试验。腐蚀电流仪以银/氯化银作为参考电极，参考ASTM C876-91检测钢筋的电位、电流及钢筋腐蚀速率。且将不同混凝土厚度(4cm、6cm、7cm、9cm)内的钢筋于加速腐蚀时间(0 408hrs)内进行腐蚀电流仪扫瞄。B.检测结果检测结果是分为实验组及对照组。实验组是将透地雷达钢筋腐蚀试验于实验内容产生的反射电压、特征阻抗及对应特征电流做进一步分析。对照组是将半电池电位仪钢筋腐蚀试验于实验内容产生的腐蚀电位及腐蚀电流密度做进一步分析。I.实验组结果分析a.透地雷达钢筋腐蚀试验的反射电压结果分析请参阅图3A，为不同混凝土厚度的钢筋腐蚀界面反射电压的实验结果图。由钢筋腐蚀界面的反射电压分析结果显示，在不同混凝土厚度下的钢筋，其钢筋界面反射电压皆随着加速腐蚀时间增加而提升。而钢筋界面反射电压由未腐蚀至严重腐蚀的累积成长量依混凝土厚度4cm、6cm、7cm、9cm顺序,分别为160mV、201mV、215mV、174mV。其中混凝土厚度7cm为加速腐蚀实验试体的泡水面，因而钢筋腐蚀界面最为严重。b.透地雷达钢筋腐蚀试验的特征阻抗结果分析请参阅3B，为不同混凝土厚度的钢筋腐蚀界面特征阻抗的实验结果图。由钢筋腐蚀界面的特征阻抗分析结果显示，混凝土保护层4Cm、6Cm、7Cm、9Cm的钢筋腐蚀界面的初期特征阻抗随混凝土厚度增加，此时的特征阻抗为1194Q、1385Q、3088Q、3808Q，但随着加速腐蚀时间增加，钢筋界面特征阻抗依序下降至235 Q、340 Q、1395 Q、3544 Q。前述现象表示，当钢筋腐蚀越严重时，其钢筋腐蚀界面特征阻抗越小。c.透地雷达钢筋腐蚀试验的对应特征电流结果分析请参阅图3C，为不同混凝土厚度的钢筋腐蚀界面对应特征电流的实验结果图。由混凝土厚度4Cm、6Cm、7Cm的钢筋界面对应特征电流皆因钢筋腐蚀越严重，其对应特征电流变化量呈曲线变化，相对于钢筋腐蚀界面的反射电压与特征阻抗，钢筋腐蚀度的变化非常明显。除了混凝土厚度9cm的钢筋界面对应特征电流变化较为平缓。前述现象表示，当钢筋腐蚀越严重时，其钢筋混凝土厚度越厚，则所能反应钢筋界面对应特征电流越小。II.对照组结果分析a.半电池电位仪钢筋腐蚀试验的腐蚀电位试验结果分析 请参阅图4A,为混凝土厚度4cm、6cm、7cm、9cm腐蚀电位的实验结果图。请一并参阅表一是腐蚀状态、保护层厚度、铜/硫酸铜参考电极、以及透地雷达反射电压的对照范围对照表。由腐蚀电位的结果显示,不同混凝土厚度的初始腐蚀电位在_200mV，其腐蚀机率低于10%。此原因是受钢筋表面钝态模的影响，随着加速腐蚀时间的增加，腐蚀电位于钝态模被破坏的后腐蚀电位才开始明显下降。依不同混凝土厚度4cm、6cm、7cm、9cm以腐蚀电位检测钢筋，发现开始腐蚀的时间皆发生在加速腐蚀144 168小时之后。且于加速腐蚀时间288小时后，钢筋腐蚀度皆达到严重腐蚀的状态。
权利要求
1.一种应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其特征在于，包含有 使用一透地雷达(10)发射电磁波扫描一钢筋混凝土构件(20)； 接收自所述钢筋混凝土构件(20)的钢筋反射一电磁反射波； 取得所述钢筋混凝土构件(20)的混凝土厚度，所述混凝土厚度指所述钢筋混凝土构件(20)的表面(211)至所述钢筋混凝土构件(20)内的钢筋的最短距离； 运算所述电磁反射波，获取一钢筋界面特征参数，所述钢筋界面特征参数包含有一钢筋界面反射电压与一钢筋界面特征阻抗； 提供一数据库，所述数据库预先储存有多个参考数据，各参考数据包含有一参考钢筋界面反射电压、一参考钢筋界面特征阻抗、以及所对应的参考混凝土厚度及参考钢筋腐蚀度；以及 将所述钢筋界面特征参数及混凝土厚度对照比较于所述数据库内的参考数据，藉此获得所述钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度。
2.根据权利要求I所述的应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其特征在于，所述钢筋界面反射电压是经由钢筋界面的反射系数、电磁波入射钢筋的入射电压、以及电磁波入射钢筋的入射功率等所运算而得。
3.根据权利要求I所述的应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其特征在于，所述钢筋界面特征阻抗是经由反射电磁波的磁场与电场所运算而得。
4.根据权利要求I所述的应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其特征在于，所述参考钢筋腐蚀度包含有轻度腐蚀、中度腐蚀与重度腐蚀等三个等级。
5.根据权利要求I所述的应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法，其特征在于，所述数据库内的参考数据更进一步以所述参考混凝土厚度进行正规化处理。
全文摘要
本发明提供一种应用透地雷达检测钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度的方法。包含透地雷达向钢筋混凝土构件发射电磁波；接收钢筋混凝土构件反射的电磁反射波；取得钢筋凝土构件的厚度、此厚度指钢筋混凝土构件的表面至构件内的钢筋的最短距离；运算电磁波反射波获取具有钢筋界面反射电压与钢筋界面特征阻抗的钢筋界面特征参数；提供包含有参考钢筋界面反射电压、参考钢筋界面特征阻抗、所对应的参考混凝土厚度及参考钢筋腐蚀度的参考数据；以及将钢筋界面特征参数及混凝土厚度对照与参考数据比较，进而获得钢筋混凝土构件内的钢筋腐蚀度。
文档编号G01N17/00GK102768176SQ20111016754
公开日2012年11月7日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年5月5日
发明者张奇伟, 林镇华 申请人:中华大学