專利名稱：用中子技術(shù)檢測鋼板下混凝土空洞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用中子技術(shù)分析材料的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用中子技術(shù)檢測鋼板下澆注混凝土空洞的方法。
大型水利水電工程常有一些鋼板作里襯的過水涵管、隧洞等混凝土建筑物，如水電站發(fā)電機(jī)組的管形座和尾水管。這些帶有鋼里襯的混凝土構(gòu)筑物在進(jìn)行混凝土澆注施工時(shí)，由于鋼里襯的存在而且內(nèi)部有較密的鋼筋，澆注施工很不方便，振搗相當(dāng)困難，混凝土難以充實(shí)，因此混凝土與鋼板里襯之間常會存在空隙或空洞，從而影響工程質(zhì)量與運(yùn)行安全。鑒于這種情況需要檢測空洞大小及范圍并打鉆孔灌漿進(jìn)行必要的修補(bǔ)加固。目前工程上只能采用槌擊方法憑經(jīng)驗(yàn)來判斷，但槌擊法不僅判斷不可靠，準(zhǔn)確率很低，而且還會因此誤打許多廢孔破壞鋼板結(jié)構(gòu)和原有強(qiáng)度。若采用X射線法，因在上述工程中混凝土上通常覆有厚鋼板，且只能在單面進(jìn)行檢測，而X-射線的穿透力又較低，故無法采用。若采用能量大的γ-射線進(jìn)行檢測，則勢必帶來防護(hù)上的困難。同樣，若采用超聲波檢測，由于被測物往往為多種介質(zhì)，因而對其辨別力較低，且也難達(dá)到檢測要求的深度。原西德專利3823220中公開了一種混凝土結(jié)構(gòu)物和預(yù)制構(gòu)件中空洞定位方法，它是借助槌擊法初步判斷空洞位置后打鉆孔，再通過鉆孔注入放射性流動介質(zhì)，經(jīng)探測器測定確定空洞位置。由于借助了槌擊法，難免要誤打孔，勢必給構(gòu)件造成一定程度的損壞，特別是注入放射性物質(zhì)要給檢測構(gòu)件本身以及環(huán)境帶來污染。而且，它也只能測量混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)制構(gòu)件中空洞的位置，不能測量厚鋼板下混凝土中空洞的位置，只能確定混凝土塊中空洞的水平位置，不能定量測量空洞的深度。
本發(fā)明的目的就是要提供一種完全無損的，對環(huán)境無污染的快速的可對混凝土塊中空洞進(jìn)行空間描述的檢測鋼板下特別是厚鋼板下澆注混凝土空隙與空洞缺陷的方法。
本發(fā)明是利用中子輻射探測鋼板下澆注混凝土空隙與空洞缺陷。中子源能發(fā)射快中子輻射，大多數(shù)中子源所產(chǎn)生的中子都是能量為幾個(gè)兆電子伏特的快中子。這種快中子與介質(zhì)的原子核發(fā)生彈性碰撞和其它作用而逐漸減少能量，最終成為慢中子和熱中子。所謂熱中子是指與周圍介質(zhì)原子(或分子)處于熱平衡狀態(tài)的中子，其能量在1×10-4電子伏特上下，當(dāng)介質(zhì)溫度為20℃時(shí)，熱中子的平均能量為0.025電子伏特，這種熱中子可被熱中子探測器所探測。中子與物質(zhì)相互作用時(shí)逐漸損失能量的過程叫做中子慢化或減速。介質(zhì)對快中子慢化減速作用與介質(zhì)原子核質(zhì)量大小有關(guān)，即隨著原子量減小而慢化減速作用增大。氫原子的原子量最小，因此氫原子是最強(qiáng)的中子慢化劑。氫原子的慢化能力要比一般土壤元素如氧、硅、鋁、鈣、鎂包括鐵在內(nèi)要大2～3個(gè)數(shù)量級，因此介質(zhì)對快中子的慢化減速作用主要是由介質(zhì)中所含氫的多少所決定的?；炷潦怯伤槭?，粗砂和水泥加上一定量水拌合而成。這些水的大部分與水泥發(fā)生水化作用變化合水，少量剩余的水以游離狀態(tài)存在，這兩種形態(tài)的水基本均勻分布在混凝土之中。由于混凝土是一種含水材料，而水分子中含有氫原子，因此混凝土是一種良好的快中子慢化劑。鑒于此，快中子輻射怕“輕”不怕“重”，它很容易貫穿重物質(zhì)如鋼板而與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氫原子發(fā)生作用而被減速慢化形成熱中子。對于具有確定含水量的混凝土來說，所形成的熱中子濃度即熱中子計(jì)數(shù)率與單位體積內(nèi)混凝土總量有關(guān)，凡有空洞，空隙缺陷部位其單位體積內(nèi)所含有混凝土比充填密實(shí)的部位要明顯減少，因此該部位熱中子計(jì)數(shù)率將相應(yīng)降低。空洞愈大，相應(yīng)熱中子計(jì)數(shù)率就愈低。由此可見，采用快中子源和熱中子探測器測定出所測部位熱中子計(jì)數(shù)率大小，則可確定鋼板下澆注混凝土的空洞大小和空洞平面位置及其平面分布。
本發(fā)明的具體檢測方法與步驟是1.將中子探測器在測量前進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定制備標(biāo)準(zhǔn)的混凝土平板模塊，如含水量240kg/m3，在其上分別復(fù)蓋厚度不等的鋼板，如1.0cm，2.0cm，3.0cm，4.0cm厚的鋼板，并將鋼板架空在混凝土板之上進(jìn)行測量，以確定當(dāng)鋼板與混凝土表面間距改變時(shí)，探頭所測到的熱中子計(jì)數(shù)率與鋼板架空高度的關(guān)系曲線，從而獲得了不同厚度鋼板相應(yīng)的工作曲線(即空洞深度與熱中子計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線)，如上述厚度鋼板的4條工作曲線，將這些曲線繪制在方格紙上以備查用(如

圖1所示，表1～表4為測量數(shù)據(jù));2.因中子探測裝置在平面上最小分辨尺寸為5cm，最大測量半徑為30cm，根據(jù)測量精度要求和施測材料的面積，在施測混凝土的鋼板表面打上5cm×5cm至30cm×30cm的網(wǎng)格，并對網(wǎng)格交點(diǎn)作相應(yīng)的坐標(biāo)和順序標(biāo)記，然后將探頭放在網(wǎng)格交點(diǎn)逐點(diǎn)作測量，測定出每個(gè)測點(diǎn)的熱中子數(shù)率;3.根據(jù)平面上各測點(diǎn)熱中子計(jì)數(shù)率的分布，確定熱中子計(jì)數(shù)率明顯偏低的范圍;即是空洞平面分布范圍;4.根據(jù)帶有鋼里襯的混凝土構(gòu)筑物條件即主要是鋼板厚度選擇相應(yīng)的工作曲線，如鋼板厚度為2.0cm就選擇相應(yīng)的2.0cm鋼板的室內(nèi)標(biāo)定曲線;5.根據(jù)空洞范圍內(nèi)各測點(diǎn)的熱中子計(jì)數(shù)率，由工作曲線查找對應(yīng)的空洞深度;6.在施測表面各相對應(yīng)位置作空洞和空洞深度標(biāo)記以便進(jìn)行工程處理。
圖1 為本發(fā)明在混凝土總含水量為240kg/m3時(shí)不同厚度鋼板下空洞深度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線，即工作曲線。其中N-熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)，D-鋼板下空洞深度，1-10mm鋼板，2-20mm鋼板，3-30mm鋼板，4-40mm鋼板。
表1.10mm鋼板下空洞深度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線空洞深度(mm)050100150200250熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)14701070910780740720表2.20mm鋼板下空洞深度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線空洞深度(mm)050100150200250熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)13501010850760730710
表3.30mm鋼板下空洞深度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線空洞深度(mm)050100150200250熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)1140960810740720700表4.40mm鋼板下空洞深度與熱中子計(jì)數(shù)率相關(guān)曲線空洞深度(mm)050100150200250熱中子計(jì)數(shù)率(脈沖/分)1020900790730710690在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際測量可以分別采用以下兩種方法進(jìn)行空洞深洞確定首先根據(jù)所測具體混凝土工程中鋼板厚度選擇對應(yīng)的工作曲線，在根據(jù)探頭在每一測點(diǎn)所測得的熱中子計(jì)數(shù)率確定對應(yīng)點(diǎn)的空洞深度。當(dāng)工程對空洞測量要求較高時(shí)，或現(xiàn)場混凝土含水量與標(biāo)準(zhǔn)值(240kg/m′)可能有較大差異時(shí)，可以在測量后，選取熱中子計(jì)數(shù)率明顯偏低的測點(diǎn)即在有空洞的若干測點(diǎn)打鉆孔測量其實(shí)際深度，若與工作曲線查得的深度有偏差的話，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定修正。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)①不僅能探測一般混凝土結(jié)構(gòu)物和預(yù)制構(gòu)件中空洞位置，而且能解決厚鋼板下(厚達(dá)40mm)澆注混凝土空洞的定位問題;
②不僅能解決空洞的平面定位而且能測定出空洞深度;
③不用鉆機(jī)，完全無損測量，不會破壞混凝土與鋼結(jié)構(gòu);完全不需要槌擊法，因此可以避免誤判斷給材料造成的損傷;
④利用中子探測器中的中子源發(fā)射快中子輻射進(jìn)行測量，不需要另外注入放射性同位素流動介質(zhì)，因此沒有任何放射性污染和環(huán)境影響問題;
⑤操作簡單，測量快速，本發(fā)明中所采用的探棒輕便可攜，可放置在任何表面任意位置進(jìn)行測量，每測點(diǎn)的最大測量范圍為平面上0.3m×0.3m，測量時(shí)間每測點(diǎn)僅需1分鐘，所能探測空洞的最大深度為25cm。
下面給出
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1澆注制作一塊厚15cm、平面尺寸為60cm×120cm的混凝土板，并在其內(nèi)一定位置人為地制作了空洞缺陷，并在該混凝土板上復(fù)蓋了一層厚20mm的鋼板。采用本發(fā)明在鋼板表面進(jìn)行測量。先將施測面進(jìn)行坐標(biāo)定位，再劃上10cm×19cm的網(wǎng)絡(luò)，將測點(diǎn)布置在網(wǎng)絡(luò)交點(diǎn)上進(jìn)行測量。由測點(diǎn)上所測出的熱中子計(jì)數(shù)率數(shù)據(jù)可以非常清楚地確定空洞缺陷位置與范圍。測量結(jié)果表明，正常位置的熱中子計(jì)率都在1200上下，而空洞缺陷范圍內(nèi)熱中子計(jì)數(shù)率平均只有1000上下，空洞中心位置僅有930，由此確定空洞的平面尺寸為25×30cm，由20mm厚度鋼板所對應(yīng)的工作曲線，可確定其最大深度為15cm。用本發(fā)明所測結(jié)果與實(shí)際情況完全相符合。
實(shí)施例2澆注制作一塊厚30cm、平面尺寸為150cm×150cm的混凝土板，并在其中心部位制作了一個(gè)直徑為30cm，深度為20cm空洞(園柱狀)。在該混凝土板表面復(fù)蓋42mm厚度鋼板，采用本發(fā)明進(jìn)行測量，選用10cm×10cm大小的網(wǎng)絡(luò)。測量結(jié)果表明，正常位置熱中子計(jì)數(shù)率在950上下，而在空洞缺陷范圍內(nèi)熱中子計(jì)數(shù)率平均只有760左右，其輪廓呈直徑為30cm的園形，按照42mm厚鋼板所對應(yīng)的工作曲線得其深度應(yīng)在20cm左右。
實(shí)施例3一條有鋼板作內(nèi)襯的園形砼管道，其內(nèi)徑為8m，混凝土管壁厚為1m以上，內(nèi)襯鋼板厚為16mm。由于澆注質(zhì)量不好，在鋼板與混凝土之間存在空洞缺陷，采用本發(fā)明進(jìn)行測量，選用30cm×30cm的網(wǎng)絡(luò)，總測量面積約200m2。測量結(jié)果表明，正常位置的熱中子計(jì)數(shù)率一般都在1350-1450范圍，而有空洞缺陷部位明顯偏低即在1000以下，空洞較大較深的位置熱中子計(jì)數(shù)率最低到700-800。根據(jù)以上數(shù)據(jù)在平面描繪出了空洞分布，以及根據(jù)工作曲線確定了空洞深度。通過17個(gè)測點(diǎn)位置上鉆孔取樣比較，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況完全相符合。
權(quán)利要求
1.一種用中子技術(shù)檢測鋼板下混凝土空洞的方法，其特征是先將中子探測儀進(jìn)行標(biāo)定制備標(biāo)準(zhǔn)的混凝土平板模塊，在其上分別復(fù)蓋厚度不同的鋼板，并將鋼板架空在混凝土板之上進(jìn)行測量以確定當(dāng)鋼板與混凝土表面間距改變時(shí)，探頭所測到的熱中子計(jì)數(shù)率與鋼板架空高度的關(guān)系曲線，從而獲得不同厚度鋼板相應(yīng)的工作曲線即空洞深度與熱中子計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線；將施測混凝土的鋼板表面打上5×5cm～30×30cm的網(wǎng)絡(luò)，并以網(wǎng)絡(luò)交點(diǎn)作相應(yīng)坐標(biāo)，將中子探頭在每交點(diǎn)測量，得到每測點(diǎn)的熱中子計(jì)數(shù)率；根據(jù)平面上各測點(diǎn)熱中子計(jì)數(shù)率的分布，確定熱中子計(jì)數(shù)率明顯偏低的范圍，即為空洞平面分布范圍；根據(jù)所測混凝土構(gòu)件的覆蓋鋼板的厚度，選擇相應(yīng)厚度鋼板的工作曲線；根據(jù)空洞平面分布范圍內(nèi)各測點(diǎn)的熱中子計(jì)數(shù)率，由工作曲線得到對應(yīng)的空洞深度。
全文摘要
本發(fā)明為一種利用中子技術(shù)檢測鋼板下澆注混凝土空洞的方法。該方法是先對中子探測儀進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，得到不同厚度鋼板至混凝土表面高度與熱中子計(jì)數(shù)率關(guān)系的工作曲線，然后在所測的混凝土的鋼板表面打上網(wǎng)絡(luò)并對每交點(diǎn)進(jìn)行測量，得到各測點(diǎn)的熱中子計(jì)數(shù)率，而熱中子計(jì)數(shù)率明顯偏低的范圍即為空洞平面范圍，根據(jù)所測混凝土的鋼板厚度選擇相應(yīng)的工作曲線，根據(jù)空洞平面范圍內(nèi)各測點(diǎn)的熱中子計(jì)數(shù)率由工作曲線即可查到對應(yīng)的空洞深度。
文檔編號G01N23/00GK1073013SQ92112969
公開日1993年6月9日 申請日期1992年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月17日
發(fā)明者程和森, 曹更新, 李樟蘇 申請人:水利部交通部能源部南京水利科學(xué)研究院