Khảo sát phát hiện thoát không bên dưới lớp bê tông cốt thép bằng phương pháp Rada đất

(WIP) – Thoát không, khoang rỗng bên dưới lớp bê tông là một trong những ẩn họa đe dọa đến an toàn của các công trình. Các khoang rỗng, thoát không này thường được tạo thành do sự sụt lún, rửa trôi, xói mòn của vật liệu bên dưới lớp bê tông hoặc do thi công không đảm bảo kỹ thuật. Chúng làm kết cấu của công trình trở nên kém bền vững và có thể dẫn tới những sự cố nghiêm trọng.

Các ẩn họa này không thể nhận biết bằng mắt thường, hơn thế nữa các giải pháp thăm dò có phá hủy như khoan khảo sát bị hạn chế để đảm bảo tính nguyên trạng cho công trình. Từ yêu cầu thực tế này, công nghệ Rada đất với khả năng thăm dò không phá hủy và rất nhạy với khoang rỗng là lựa chọn hàng đầu để phát hiện thoát không bên dưới lớp bê tông.

Phương pháp Rada đất là phương pháp địa vật lý thăm dò sử dụng sóng điện từ có tần số từ 10MHz đến 2,6GHz để điều tra các đặc điểm bên dưới bề mặt công trình. Khi gặp các ranh giới của 2 môi trường có giá trị hằng số điện môi khác nhau, sóng điện từ bị phản xạ một phần. Xử lý, phân tích tín hiệu sóng điện từ phản hồi này đưa đến cho chúng ta thông tin về đặc điểm của các đối tượng quan tâm bên dưới bề mặt.

Khoang rỗng gây ra sự tương phản lớn về giá trị hằng số điện môi so với lớp bê tông bên trên nó với giá trị hằng số điện môi của không khí trong khoang rỗng là 1 (εkk=1) và giá trị hằng số điện môi của bê tông thay đổi từ 7 đến 12 (ε=7÷12) phụ thuộc vào hàm lượng nước trong bê tông [1] [3]. Chính vì vậy, phương pháp Rada đất có thể dễ dàng phát hiện các khoang rỗng bên dưới bề mặt bê tông.

Mặt cắt Rada đất thể hiện vị trí thoát không bên dưới lớp bê tông mặt sân của Viện Sinh thái và Bảo vệ công trình

Bê tông là vật liệu ít hấp thụ năng lượng sóng điện từ do có giá trị hằng số điện môi thấp (ε=7÷12), nên đây là môi trường khá lý tưởng cho thăm dò bằng phương pháp Rada đất [2]. Tuy nhiên, đối với bê tông cốt thép lại là một trường hợp khác biệt. Lưới thép bên trong bê tông cốt thép là tác nhân chính cản trở sóng điện từ truyền qua lớp bê tông để thăm dò các đối tượng bên dưới. Thép có hằng số điện môi vô cùng lớn (ε ~ ∞) nên nó gần như hấp thụ và phản xạ lại toàn bộ năng lượng sóng điện từ truyền đến. Để có thể thăm dò các đối tượng bên dưới lưới thép, xung sóng điện từ phải có bước sóng nhỏ hơn khoảng cách mắt thép [2] [4] [5]. Bước sóng của xung sóng điện từ trong môi trường được xác định qua công thức:

                                                  λ= v/f

Trong đó: λ (m) là bước sóng của xung sóng điện từ trong môi trường;

                 v (m/ns) là vận tốc sóng điện từ truyền trong môi trường;

                 f (GHz) là tần số của xung sóng điện từ.

Vận tốc truyền sóng điện từ trong bê tông là một giá trị xác định, nên để sóng điện từ có thể đi xuyên qua lưới thép chúng ta cần lựa chọn tần số phát của ăng ten thích hợp sao cho bước sóng của xung sóng điện từ (λ) nhỏ hơn khoảng cách mắt thép.

Nếu bước sóng của xung sóng điện từ lớn hơn khoảng cách mắt thép thì năng lượng sóng bị lưới thép chặn lại và phản xạ nhiều lần tại đó, chúng ta sẽ không thu được thông tin về môi trường bên dưới lưới thép (Hình 2). Mặt khác, khi bước sóng của xung sóng điện từ nhỏ hơn khoảng cách mắt thép thì xung sóng có thể xuyên qua lưới thép để đem về thông tin của đối tượng bên dưới, ở đây đối tượng bên dưới lưới thép được quan tâm là khoang rỗng (Hình 3).

Mặt cắt Rada đất thể hiện vị trí thoát không bên dưới lớp bê tông cốt thép khi bước sóng của xung sóng điện từ nhỏ hơn khoảng cách mắt thép trong bê tông.

A: vị trí thép trong bê tông. B: vị trí thoát không [4]

Tóm lại, Rada đất là phương pháp phù hợp nhất hiện nay trong việc phát hiện thoát không bên dưới lớp bê tông cốt thép. Tuy nhiên, việc lựa chọn tần số ăng ten phát phù hợp với điều kiện nghiên cứu cụ thể là rất quan trọng để đạt được kết quả khảo sát tốt nhất./.

Tài liệu tham khảo:

1. A.P.Annan, 2003. Ground penetrating radar Principles, Procedures and Applications. Sensors & Software Inc.

2. Andrea Bebedetto, Lara Pajewshi, 2015. Civil engineering application of Ground penetrating radar. Springer.

3. Daniels, D.J., 2004. Ground Penetrating Radar 2nd Edition. IET. The Institution of Electrical Engineers, London.

4. GSSI, 2017. Concrete Handbook-GPR Inspection of Concrete.

5. Erica Carrick Utsi, 2017. Ground penetrating radar Theory and Applications. Butterworth-Heinemann, Elsevier.

Người viết: KS. Phạm Lê Hoàng Linh
Phòng Nghiên cứu Ứng dụng Địa vật lý