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Using ground penetrating radar and time-frequency analysis to characterize construction materials
(2011)
For decades, applications of nondestructive evaluation-civil engineering (NDE-CE) focus on object identifications (such as steel bars, tendon ducts and backwall reflections) in infrastructures. Because of the advantage of efficient visualization of internal structure, utilization of these methods can probably be extended to material characterization (MC) of aging and adversely exposed infrastructures. However, two factors yield a big gap between NDE and MC. First, for the ease of visualization, the primary focus of NDE-signal processing is object identification, which usually alters the originality of the signal. Second, there is lack of relationship and inverse models bridging the NDE-derived and conventional material properties compared to other disciplines of science, such as geophysics. These disadvantages make laboratory and field-scale NDE-MC still a far-reaching holy grail and is possibly the greatest hurdle to be regularly adopted in CE structures. This paper attempts to address this gap from object identification to MC using ground penetrating radar (GPR) as one of the most frequently used NDE-CE methods, and signal processing with joint timefrequency domain (JTFA) analysis. Three examples of material property characterization regarding the individual effects of steel bar corrosion in concrete, hydration and moisture content distribution of construction materials are given.
This paper studies the dielectric dispersion of high frequency radar wave in concrete in early-aged and hardened concrete specimens. Frequency-dependent spectra of phase velocity ν(ω) were measured to deduce the spectra of real part of dielectric permittivity ε'(ω). The dispersion was measured by three high nominal ground penetrating radar frequencies (1.5, 1.6 and 2.6 GHz), experimenting on two steel bars with concrete cover 50 and 100 mm. It was found that ν(ω) and ε'(ω) dispersed at lower frequency, but became stable at high frequency regions, which agrees with the classical GPR plateau. The same frequency components at different nominal antenna frequencies show a close range of ν(ω) and ε'(ω) in concrete of different ages. The results in this paper warrant further investigation of using GPR wave to study material properties.
Bereits seit vielen Jahren stehen Anwendern der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) zuverlässige Geräte zur Untersuchung von Betonbauteilen zur Verfügung. Viele dieser Geräte zeichnen eine Messgröße in Bezug zum Messort auf und sind je nach Ausstattung in der Lage, die Ergebnisse in einem Koordinatensystem darzustellen. Doch erst die Kombination verschiedener ZfPBau-Verfahren an einer Messfläche erlaubt den maximalen Informationsgewinn über die innere Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen. In dem Beitrag wird ein Bauwerkscanner zur automatisierten und kombinierten Datenaufnahme beschrieben, der erstmals die Kombination von Radar, Ultraschall und Wirbelstrom mit Datenausgabe in einem einheitlichen Koordinatensystem ermöglicht. Dieser Scanner ist im Gegensatz zu früheren Systemen technikerbasiert und erlaubt im Bedarfsfall eine spätere detaillierte Auswertung durch ZfP-Spezialisten. Die Ergebnisse werden bildgebend in frei wählbaren Schnitten dargestellt, was bereits kurze Zeit nach der Messung auf der Baustelle möglich ist. Am Beispiel eines Brückenträgers wird gezeigt, wie der tatsächliche Spanngliedverlauf aus Messdaten ermittelt wird und dem angenommenen Verlauf gemäß Bestandsplan gegenübergestellt wird. Damit kann künftig eine Überprüfung von Bestandsplänen durchgeführt werden. Darüber hinaus könnten nicht vorhandene Bestandspläne rekonstruiert werden. Des Weiteren wird am gleichen Brückenträger gezeigt, wie sich ein echter Verpressfehler und im Unterschied dazu ein Luftspalt in einem Hüllrohr in Messdaten abbilden. An dem Beispiel wird deutlich, wie Ultraschallergebnisse in Kombination mit Phasenauswertung zur Formulierung von Verdachtsstellen für Verpressfehler eingesetzt werden können und welche Maßnahmen zur Verifizierung getroffen werden müssen.