0 引言

　　探地雷达技术是利用高频电磁脉冲波反射波检测结构分布形态和特征的方法，具有检测速度快、分辨率高(精度可达数厘米)、操作方便灵活、探测范围广(包括金属和非金属)和无损等优点^[1,2,3]，在路基轨道病害评价^[4,5]、公路隧道质量检测^[6]和高速铁路线下结构病害检测^[7,8]等领域应用广泛。

　　Al-Qadi等^[4]利用铁路道砟水泡后介电常数发生变化的特点，采用2GHz空气耦合式天线对铁路路基进行探地雷达检测，根据电磁波幅值变化情况和时频分析方法确定道砟厚度及含水量。刘敦文等^[5]采用探地雷达技术对公路路面质量、路基下采空区病害、路基填土质量和公路挡土墙质量进行检测评估，准确识别工程隐患所在位置及大小。由广明等^[6]采用探地雷达技术对某高速公路3条隧道断层、溶洞、含水裂缝和软弱夹层等不良地质状况进行超前地质预报。Olhoeft等^[7]采用1GHz空气耦合式天线检测高速铁路多层线下路基结构层的变化情况，检测图像可清晰显示路基分层及厚度变化。马殿东^[8]采用探地雷达技术对预设病害的高速铁路全尺寸模型进行检测，分析天线频率、采样间隔和采样频率等参数选取方法，识别和提取多层线下结构病害雷达图像特征。

　　无机保温砂浆外墙外保温系统(以下简称“外保温系统”)由外表面向内沿厚度方向依次为饰面层、抗裂层(含网格布)、无机保温砂浆层、界面层、找平层和混凝土基层，与路基相似，为多层结构^[9,10,11]。目前，国内外关于探地雷达技术在外保温系统缺陷检测中的应用研究较少。因此，本文分析探地雷达技术在外保温系统无损检测中应用的一般原理和方法，制作无机保温砂浆外保温系统模型试件，并采用探地雷达技术检测外保温系统缺陷，初步验证应用探地雷达技术的可行性。

　　1 探地雷达技术

　　1.1 检测原理

　　首先通过发射天线向外保温系统发射宽频带高频电磁波，当外保温系统存在开裂、空鼓等缺陷或分界面时，该区域介质电性质发生变化，电磁波在传播过程中遇到介质电性质发生变化的区域时，产生反射波;然后利用接收天线采集返至外保温系统表面的反射电磁波，通过分析反射电磁波时频特征和振幅特性，推断外保温系统是否存在缺陷，如存在缺陷可判断其所在位置和尺寸，从而为外保温系统质量评估提供依据。

　　根据电磁波波形、传播时间和幅度可分析介质内部分层及质量状况，假设探地雷达发射天线和接收天线间距为X，介质反射界面深度为Z，电磁波在介质中的传播速度为v，则电磁波在介质中传播的双程走时t可表示为:

　　式中:c为真空中的光速;ε_r为介质相对介电常数。

　　1.2 检测系统设置

　　本研究所用检测系统如图1所示，发射天线和接收天线为空气耦合式天线，中心频率为2.4GHz，频率范围为200～4 000MHz，采样频率为20.5GHz，天线间距为72mm，介质相对介电常数为6，扫描重复率为10mm，最大检测深度为700mm。该系统装置在四轮小车上，通过手动移动小车，可沿被测对象表面扫描进行剖面成像，最大扫描速度为200mm/s。

　　2 试件制作

　　外保温系统模型试件如图2a所示，无机保温砂浆标准厚度40mm，混凝土基层厚200mm。模型试件共设计8种类型缺陷(见图2b)，分别为:(1)A1区保温层与基层之间存在空鼓;(2)A2区保温层与饰面层之间存在空鼓;(3)A3区保温层由饰面层向内沿厚度方向缺失20mm;(4)A4区保温层由饰面层向内沿厚度方向缺失10mm;(5)A5区保温层中间分层;(6)A6区保温层由基层向外沿厚度方向缺失10mm;(7)A7区无保温层;(8)A8区保温层厚度减为30mm。

　　图1 检测系统示意  

　　图2 试件及缺陷示意  

　　为便于测试记录，沿水平方向均匀划分10个条带，划分线分别记为线1～11;沿垂直方向均匀划分11个条带，划分线分别记为线a～l;线与线之间的交叉点作为测试点，交叉点位置记为字母和数字的组合，如线f和线3的交叉点记为点f3。其中，A1,A2区缺陷尺寸为400mm×600mm(宽×高)，A3～A6区缺陷尺寸为300mm×300mm(宽×高)。

　　3 雷达信号试验结果分析

　　3.1 保温层空鼓的影响

　　分别测试A1区点j3,A2区点f3和正常区点h3，对比保温层与基层之间存在空鼓、保温层与饰面层之间存在空鼓和无缺陷情况下的雷达信号，如图3所示。由图3可知，点j3,f3存在缺陷反射波信号，点h3信号为界面反射波，幅值小，与外保温系统试件实际情况基本符合。将点j3,f3,h3雷达信号进行比较，以波形出现异常的位置作为判断缺陷区深度的依据，可知点j3缺陷深度为25mm，与A1区保温层与基层之间空鼓缺陷实际深度(40mm)较一致;点f3缺陷深度为2mm，与A2区保温层与饰面层之间空鼓缺陷实际深度(3mm)较一致。

　　3.2 保温层因粉化引起厚度缺失的影响

　　分别测试A3区点j7,A4区点j9,A6区点f9和正常区点h9，对比保温层外表面缺失20mm、外表面缺失10mm、内表面缺失10mm和无缺陷情况下的雷达信号，如图4所示。由图4可知，点j7,j9,f9存在缺陷反射波信号，点h9信号为界面反射波，幅值小，与外保温系统试件实际情况基本符合。其中，点j7缺陷深度为1mm，点j9缺陷深度为4mm，与A3,A4区保温层与饰面层之间缺陷实际深度(3mm)较一致;点f9缺陷深度为28mm，与A6区保温层与基层之间缺陷实际深度(33mm)较一致。

　　图3 空鼓对雷达信号的影响  

　　图4 保温层厚度缺失对雷达信号的影响  

　　3.3 保温层分层的影响

　　分别测试A5区点f7和正常区点h7，对比保温层分层和无缺陷情况下的雷达信号，如图5所示。由图5可知，点f7存在缺陷反射波信号，点h7信号为界面反射波，幅值小，与外保温系统试件实际情况基本符合。点f7缺陷深度为12mm,A5区保温层分层缺陷通过在保温层中心预留10mm间隙模拟，故点f7缺陷深度与缺陷实际深度(18mm)较一致。

　　图5 保温层分层对雷达信号的影响  

　　4 雷达剖面成像结果分析

　　4.1 缺陷高度的影响

　　利用探地雷达分别对线j,h,f进行扫描，扫描方向沿竖向由线10至线2，形成的剖面如图6所示，其中矩形框表示存在缺陷的区域。

　　图6 线j,h,f剖面成像  

　　由图2b可知，沿线j,f均存在3处缺陷，自下而上缺陷实际高度分别为300,300,600mm。对比图6中线j扫描结果可知，沿外保温系统试件高度方向，自下而上存在3个缺陷区，高度分别为310,320,520mm，与对应的实际缺陷高度相对误差分别为3.3%,6.7%,-13.3%。对比图6中线f扫描结果可知，沿外保温系统试件高度方向，自下而上存在3个缺陷区，高度分别为280,275,530mm，与对应的实际缺陷高度相对误差分别为-6.7%,-8.3%,-11.7%。由图6中线h扫描结果可知，线h所在区域内不存在缺陷，沿厚度方向第1个浅色区域为保温层与饰面层之间的界面反射波，与试件实际情况一致。

　　4.2 缺陷深度的影响

　　利用探地雷达分别对线k,i,g,e进行扫描，形成的剖面如图7所示，其中矩形框表示存在缺陷的区域。

　　图7 线k,i,g,e剖面成像  

　　线k,i沿A3,A4缺陷区边界进行扫描，线g,e沿A5,A6缺陷区边界进行扫描(见图2b)。由图7中实线矩形框内图像可知，探地雷达技术无法清晰检测缺陷所在边界。由图7中虚线矩形框内图像可知，沿线k,i可检测A1区缺陷，缺陷深度分别为22,26mm，与实际缺陷深度较一致;缺陷高度分别为530,510mm，与实际值(600mm)的相对误差分别为-11.7%,-15.0%。沿线g,e可检测A2区缺陷，缺陷深度分别为2,4mm，与实际缺陷深度较一致;缺陷高度分别为530,590mm，与实际值(600mm)的相对误差分别为-11.7%,-1.7%。

　　4.3 保温层厚度的影响

　　利用探地雷达分别对线d,c,b进行扫描，形成的剖面如图8所示。由图8可知，探地雷达沿线d扫描结果存在明显的缺陷反射波，如矩形框区域所示，这与外保温系统中A7区无保温层的实际情况一致。沿线c,b的扫描结果与图6中沿线h的扫描结果较接近，表明探地雷达技术无法精确检测无机保温砂浆厚度。

　　图8 线d,c,b剖面成像 

　　5 结语

　　将探地雷达技术应用于外保温系统缺陷检测，通过移动雷达装置，对外保温系统进行剖面成像。检测结果表明，探地雷达技术可检测保温层与饰面层、保温层与基层之间的缺陷深度和高度，高度最大检测误差为-15.0%，深度检测结果在数量级上较一致。该技术可用于外保温系统空鼓、分层等缺陷检测。但在现有条件下，探地雷达技术无法检测缺陷与扫描方向平行的边界，也无法准确检测保温层厚度，有待进一步研究。