青岛理工大学 土木工程学院 山东青岛 266033
摘要：微波测定法采用非触地性的测量方式，对检测对象无损和快速连续地实施检测，比较直观地表观检测目标的真实数据。因此，利用微波测定目标介电常数的方式进行无损检测技术已经成为地球物理勘察的重要方法之一，尤其是最近几年逐渐应用到公路隧道衬砌等质量无损检测领域中[1]。因此，针对微波测定法的无损检测技术研究对隧道衬砌质量评价具有极为重要的意义。
关键词：无损检测技术；介电常数；质量评价
我国已建成的隧道中,诸如衬砌背后脱空、局部不密实等质量问题,给施工和运营方面造成了安全隐患。而常用的隧道质量检测手段是用钻孔探测衬砌的厚度和空洞，虽然这种方法比较直观，但该检测方法不仅检测速度慢，主观判断因素较多，容易造成误差，而且对隧道结构造成了一定程度的损伤，易使隧道的防水系统遭到破坏，造成严重后果，不能真实地反映隧道衬砌的实际质量情况。正是由于以上诸多弊端，本文所研究的微波无损检测技术将非常有助于隧道质量检测工作。
1 介电常数的同轴探头试验测定
目前国内在不同的频率下对介电常数的测定，以及频率与介电常数是否呈线性关系的研究甚少。
所以针对这一问题，本人参照同济大学杜军等人对盾构隧道壁厚注浆材料的介电常数测定方法[2]，即采用同轴探头微波测定法，开展不同频率下的隧道衬砌介电常数测定试验。
同轴探头法主要是将同轴探头紧贴被测目标体，通过测量反射系数获得微波复介电常数[3]。
1.1 试验设备
同轴探头试验所用的是Keysight E5080A网络分析仪，采用扫描频率范围：100MHz～1GHz,频率分辨率：1Hz，动态范围：≥100dB。
同轴探头通过同轴电缆与网络分析仪连接，探头实际上是一段终端开路有法兰同轴传输线。
2 样本材料的制备与介电常数测定
隧道衬砌的混凝土配合比常根据不同的围岩和不同的地质条件以及施工条件来确定。本文采用海南三亚某新建公路2标隧道衬砌使用的混凝土配合比进行试验样品的制备，即采用水泥：砂石：碎石：水：防水剂为1：2.03：2.81：0.49：0.04。设计塌落度为120～160mm。根据实验仪器的要求，混凝土搅拌完后制成相同尺寸（70mm×70mm×70mm）的标准试块。制三组，取测量后的介电常数均值以降低误差影响。
混凝土试件配置完成后，放入水泥恒温恒湿标准养护室养护。在测试前必须对试件进行打磨，这样做是因为微波测试对被测物体的表面有特殊要求。
在试验测定过程中，我们首先使用网络分析仪对反射系数进行测定，再计算出系统误差，主要是使用镀金短路块、空气和25℃去离子水作校正材料，最后利用得出的校正反射系数，得出被测目标体的介电常数数值。
3 介电常数测定结果分析
从试验结果中发现，在进行试验的频率（100MHz～1GHz）内，混凝土试件在10d、20d、30d、40d龄期时介电常数随频率的递增而递减。如图所示，经过分析满足以下关系：
4 分析与结论
混凝土介电常数随龄期的变化可以分为四个阶段：
（1）快速增长阶段：当混凝土经过充分的搅拌后，形成有一定流动性的溶胶状态。在开始搅拌过程中，颗粒表面在极性 H2O 分子的作用下开始产生剧烈的水解作用，很快形成各种界面双电层结构，所以表现出介电常数的快速增长。
（2）缓慢增长阶段：在此阶段，液相离子浓度缓慢增长到过饱和状态，离子溶解于成核，逐渐开始凝固，所以表现出介电常数的缓慢增长。 由于以上两个阶段的时间非常短暂，所以无法在这两个阶段进行介电常数的测定。
（3）急剧下降阶段：在此过程中，由于具有高比表面积和极性基团的新相析出，自由水迅速转化成为结构化的薄膜状态，吸附的介质偶极子的定向作用使薄膜水具有有序结构。靠近表面的水层开始极化，使孔隙中的水和离子成为束缚“固化”状态，从而表现出介电常数的显著下降。
（4）缓慢下降阶段：这一阶段持续时间较长。此阶段水化反应进入扩散控制阶段。此时颗粒表面离子层中的离子自由度逐新减小，随后孔隙中自由水己被大量消耗，孔隙溶液的极化作用迅速减弱，表现为缓慢下降，到40天阶段介电常数趋于稳定状态。
参考文献
[1]杜军.盾构隧道壁厚注浆探测图像识别及沉降控制研究[D].上海：同济大学博士学位论文，2006:29-56.
[2]Robert A,Bosset C. Application of ground-probing radar to the detection of cavities, gravel pockets and karstic zones. Journal of Applied Geophysics, 1994,31(4):197-204.
[3]吴明忠.介质材料和磁性材料的射频和微波电磁参数的测量方法研究：[博士后研究报告].上海：同济大学.2001.
作者简介
袁磊（1991- ），男，山东青岛人，青岛理工大学土木工程在读研究生。
论文作者:袁磊,宋洪志,曲成平,钟国麟
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/13
标签：常数论文; 隧道论文; 同轴论文; 微波论文; 阶段论文; 混凝土论文; 频率论文; 《基层建设》2017年第22期论文;