Detection of chlorides using Ground Penetrating Radar

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2005/009
• Projekttitel Englisch: Detection of chlorides using Ground Penetrating Radar

Schlüsselwörter (Englisch)

Ground Penetrating Radar, Chlorides, Bridge decks

Schlüsselwörter (Französisch)

Géoradar, chlorures, ponts

Kurzbeschreibung (Englisch)

In a laboratory experiment it was shown that both chlorides and moisture in concrete have a measurable influence on the damping of the radar signal and thus on radar amplitudes. This effect seems to be large enough to be applied for the inspection of real bridges. The computation of the quotient of the reflection amplitudes at the concrete surface and the bottom of a concrete specimen resulted in values that were twice as high for specimens containing chloride and moisture than for dry ones without added chlorides. Thus, this approach should also be stable under field conditions where additional effects will be present.

An analysis of the velocity of the radar signal also showed the influence of chlorides and moisture. However, this effect was much smaller than the impact on the damping of the signal. As the analysis of the signal velocity is a good deal more complex than that of the damping, this approach has to be considered not very promising at present.

An inversion of the laboratory data carried out within the framework of a bachelor’s thesis at ETH Zurich may suggest an approach for the distinction between moisture and chlorides.

A field test was carried out on two bridges on Swiss motorway A12, Pont sur la Denève and Pont sur la Veveyse de Fégire to examine the suitability of the method. As suggested by the laboratory results, the damping of the radar signal was analyzed by computing the quotient of the reflection amplitudes at the concrete surface and the top layer of rebar. The radar inspections were carried out prior to rehabilitation work und radar results for the chloride contamination of the bridge decks seemed plausible. Unfortunately it was not possible to carry out the extensive probing programme that had been planned to verify the radar results. Thus, existing probing results had to be used that were too few and not positioned ideally. Therefore the applicability of the suggested quotient method to real bridges could not be verified conclusively although the results obtained on both bridges seem plausible.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Des expériences de laboratoire ont permis de démontrer l’influence de la teneur en humidité et en chlorures du béton sur les amplitudes des réflexions transmises au géoradar. L’effet provoqué par cette influence semble atteindre un ordre de grandeur intéressant pour une application sur des ponts réels. Le calcul du quotient de réflexion des amplitudes, entre la surface et le fond d’échantillons de béton, fournit en effet des valeurs deux fois plus élevées pour les échantillons humides renfermant des chlorures que pour les échantillons secs et exempts de chlorures et constitue ainsi une approche qui devrait fournir des résultats stables dans des conditions réelles aussi.

L’analyse des vitesses du signal radar a aussi mis en évidence une influence des chlorures et de l’humidité sur la vitesse de propagation du signal radar dans le béton. Cet effet est cependant moins important que l’effet sur l’amortissement de la réflexion du signal. Comme, de plus, la détermination de la vitesse de propagation est notablement plus compliquée que celle de l’amortissement, cette approche semble pour le moment moins prometteuse.

Des calculs d’inversion effectués dans le cadre d’un travail de bachelor à l’Institut de géophysique de l’EPF de Zurich à partir des données obtenues lors des expériences de laboratoire ont fournit des indices d’une différenciation entre l’influence de l’humidité et celle des chlorures.

Afin de vérifier l’applicabilité de la méthode des quotients sur des ponts réels, deux tests ont été réalisés sur le Pont de la Denève et sur le Pont de la Veveyse sur l’autoroute A12. Ces examens radar ont été effectués durant la phase préparatoire des réfections prévues et ont fourni des résultats plausibles sur la contamination par les chlorures du tablier de ces deux ponts. Le prélèvement originalement prévu d’un grand nombre d’échantillons durant les travaux de réfection n’a pas pu être réalisé de sorte qu’il a fallu se reporter à des sondages antérieurs pour le contrôle des résultats. Cependant ces sondages antérieurs n’étaient ni positionnés de manière idéale ni en nombre suffisant pour la vérification des résultats des mesures radar. Il n’a ainsi pas été possible, malgré la plausibilité des résultats radar obtenus, d’établir définitivement l’applicabilité de cette méthode des quotients.

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Französisch)

Les connaissances acquises dans le projet de recherche documenté ici indiquent que, malgré les résultats non définitivement vérifiables de deux essais sur des objets réels, la méthode radar est fondamentalement adaptée à l’étude de la contamination des tabliers de ponts par les chlorures. Il serait indiqué de procéder à une vérification détaillée dans un essai réel.

Methoden (Französisch)

Expériences de laboratoire et test sur le Pont sur la Denéve et le Pont de la Veveyse

Spezielle Geräte und Installationen (Französisch)

Géoradar, GPS

Projektziele (Englisch)

Ground-Penetrating-Radar (GPR) is a non-destructive inspection method that can be applied on large objects such as bridge decks. Today, it is mainly used for structural problems such the concrete cover of rebar or the localization of tendons. There, asphalt pavement does not cause significant problems. Several authors have suggested GPR as a method for the localization of damages and zones with increased chloride contents and a number of pilot studies has been carried out. However, no final conclusion has been reached on the applicability of this approach.

To examine the suitability of GPR as an inspection tool for chlorides, the research project described in this report was carried out.

Projektziele (Französisch)

Le géoradar (Ground-Penetrating-Radar; GPR) est une technique d’inspection non destructive applicable sur des objets de grande taille tels que les tabliers de pont. Jusqu’ici il était principalement utilisé pour apporter des réponses à des problèmes structuraux tels que la détermination de l’épaisseur du béton au-dessus des armatures ou la localisation des câbles de précontrainte. La méthode n’étant pas affectée par la couche d’asphalte sur le tablier, plusieurs auteurs ont proposés le GPR comme outil de localisation des dégâts et des zones à haute teneur en chlorures. Un certain nombre d’études ont été menées dans cette direction, cependant aucune conclusion définitive n’a pu être encore apportée sur l’applicabilité de cette méthode.

Le projet de recherche présenté dans ce rapport a pour but de lever cette incertitude.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

.

Berichtsnummer (Deutsch)

637

Literatur (Französisch)

1. Pourbaix M (1966) Atlas of electrochemical equlibria in aqueous solutions. Oxford, Pergamon Press

2. Neville AM (1995) Properties of concrete. 4th edition, Longman, Essex, pp. 277-284, 497-506 and 563-566

3. Montemor MF, Simões AMP, Ferreira MGS (2003) Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques. Cement & Concrete Composites 25: 491-502

4. Guettala A, Abisi A (2006) Corrosion degradation and repair of concrete bridge. Materials and Structures 39:471-478

5. Van Deveer JR (1975) Techniques for evaluating reinforced bridge decks. ACI Journal 12: 697-704

6. Elsener B, Wojtas H, Böhni H (1993) Inspection and monitoring of reinforced concrete structures – electrochemical methods to detect corrosion. In: Proc. 12th International Corrosion Congress, Houston, 20 – 24 september 1993, pp3260-3270

7. Daniels D.: Ground Penetrating Radar, 2nd edition, The Institution of Electrical Engineers, 2004

8. Cardimona S, Willeford B, Wenzlick J and Anderson N (2000) Investigation of Bridge Decks utilizing Ground Penetrating Radar. Int. Conf. on the Application of Geophysical Technologies to Planning, Design, Construction and Maintenance of Transportation Facilities, St. Louis/ USA

9. Scheff J, Chen R (2000) Bridge deck inspection using chain drag and ground penetrating radar. In: Ansari F. (ed) Condition monitoring of materials and structures, American Society of Civil Engineers

10. Roberts G (2002) Use of ground penetrating radar to delineate bridge deck repair areas. New Hampshire Department of Transportation, Report Nr. FHWA-NH-RD-12323S

11. Shin H, Grivas AD (2003) How accurate is Ground Penetrating radar (GPR) for Bridge Deck Condition Assessment?. 82^nd Annual Meeting of the Transportation Research Board, January 12-16 2003, Washington DC/USA, CD-ROM

12. Barnes C, Trottier JF (2004) Effectiveness of Ground Penetrating Radar in Predicting Deck Repair Quantities. Journal of infrastructure systems 10(2):69-76

13. Hugenschmidt J (2005) Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Georadar-Ergebnissen auf Betonbrücken. Federal Department of Environment, Transport, Energy and Communications, Swiss Federal Roads Authority, Report Nr. 582, March 2005 (in German)

14. Websites of GSSI (Geophysical Survey Systems Inc., Salem, NH., USA, www.gssi.com ) and Sensors & Software (Sensors & Software Inc., Mississauga, Ont., Canada, www.sensoft.ca ) accessed on December 6, 2006

15. ASTM Designation D 6087 – 03 (2005) Standard Test Method for Evaluating Asphalt-Covered Concrete Bridge Decks Using Ground Penetrating Radar. Annual Book of ASTM Standards, 04.03, Am. Soc. Test.Mat., pp. 698-701

16. EN 12350-5 (2001) Testing fresh concrete – Part 5: Flow table test

17. EN 12350-7 (2001) Testing fresh concrete – Part 7: Air content – Pressure methods

18. EN 12390-3 (2002) Testing hardened concrete – Part 3: Compressive strength of test specimens

19. Hugenschmidt J., Loser R. (2008) Detection of chlorides and moisture in concrete structures with Ground penetrating radar, Materials and Structures (2008) 41, pp. 785-792

20.Merz K. (2007) Full waveform inversion for chloride and moisture in concrete using ground-penetrating radar data, Bachelorarbeit, ETH Zürich, Departement Erdwissenschaften, Juli 2007