Estudio del efecto de las propiedades dieléctricas del hormigón en los parámetros de las ondas electromagnéticas del georradar. Modelización numérica del comportamiento del hormigón con gprMax

Abstract

[ES] El georradar es una técnica de ensayo de materiales que cada vez está más presente en diferentes campos de estudio debido a su carácter no destructivo. De hecho, es una técnica que en edificación se emplea cada vez más para inspeccionar y diagnosticar patologías, como fisuras o humedades. El funcionamiento del georradar se basa en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas en el espectro de las microondas. Dentro de la multitud de aplicaciones de la técnica del georradar se encuentra la caracterización de materiales. En el ámbito de la construcción, estos materiales pueden ser el hormigón, la piedra o la madera. En este trabajo se analiza por medio de una simulación numérica cuál es el comportamiento del hormigón frente a la propagación de ondas electromagnéticas. Para ello se ha utilizado el software gprMax, el cual todavía se encuentra en fase de desarrollo, siendo sus creadores líderes en Europa en la investigación de la aplicación del georradar en ingeniería. Este software ha permitido estudiar, mediante la modelización numérica, el comportamiento de las ondas a través del hormigón en diferentes casos. Por una parte se ha estudiado cómo influye en dicho comportamiento la antena que se emplea, en cuanto a la separación entre emisor y receptor de la misma, así como en lo que respecta a la distancia de separación de la antena con la superficie del hormigón. Por otro lado, se ha analizado también el comportamiento en función de las características del material que más influyen en la propagación electromagnética. Para ello, en primer lugar se ha variado la permitividad dieléctrica, la cual depende del grado de humedad del hormigón, y posteriormente su conductividad eléctrica. Con todo esto, se podrán comparar los valores de los parámetros de onda obtenidos mediante la simulación numérica con los valores reales que se extrajeron en trabajos experimentales desarrollados anteriormente sobre probetas de hormigón. Estas comparaciones servirán para obtener resultados en dos sentidos. Por un lado se podrá comprobar la bondad del modelo de simulación elegido y por otro, se podrá comprender y analizar con mayor detalle las señales reales. Finalmente, este conocimiento de la señal real nos permitirá poder aplicar con mayor fiabilidad el georradar a la caracterización no destructiva del hormigón. Por último, comentar que el presente Trabajo Final de Máster se enmarca en el proyecto aprobado el 30 de noviembre, por la Dirección General de Universidad, Investigación y Ciencia y que concede la subvención para la realización de proyectos de I+D+i desarrollados por grupos de investigación emergentes (GV/2017) de duración de 2 años y que lleva por título: “Caracterización de materiales de construcción por medio de las técnicas no destructivas del georradar y la termografía de infrarrojos”, perteneciente al Programa para la promoción de la investigación científica, el desarrollo tecnológico y la innovación en la Comunitat Valenciana, publicado el 25 de enero de 2017. Asimismo, parte de los resultados obtenidos en este Trabajo Final de Máster ha sido aceptado para su presentación en el Congreso Internacional “Near Surface Geoscience Conferences and Exhibition”, organizado por European Association of Geoscientists and Engineers, que se celebrará del 9 al 13 de septiembre de 2018 en Oporto (Portugal). La investigación realizada lleva por título “Parametric study of GPR signals numerical model to analyze hardened concrete response at different antenna positions” y se incluye al final del presente documento.

[CA] El georradar és una tècnica d'assaig de materials que cada vegada està més present en diferents camps d'estudi degut al seu caràcter no destructiu. De fet, és una tècnica que en edificació s'empra cada vegada més per a inspeccionar i diagnosticar patologies, com a fissures o humitats. El funcionament del georradar es basa en l'emissió i recepció d'ones electromagnètiques en l'espectre de les microones. Dins de la multitud d'aplicacions de la tècnica del georradar es troba la caracterització de materials. En l'àmbit de la construcció, estos materials poden ser el formigó, la pedra o la fusta. En aquest treball s'analitza per mitjà d'una simulació numèrica quin és el comportament del formigó enfront de la propagació d'ones electromagnètiques. Per a això s'ha utilitzat el programari gprMax, el qual encara es troba en fase de desenrotllament, sent els seus creadors líders a Europa en la investigació de l'aplicació del georradar en enginyeria. Este programari ha permés estudiar, per mitjà de la modelització numèrica, el comportament de les ones a través del formigó en diferents casos. D'una banda s'ha estudiat com influïx en el dit comportament l'antena que s'empra, quant a la separació entre emissor i receptor de la mateixa, així com pel que fa a la distància de separació de l'antena amb la superfície del formigó. D'altra banda, s'ha analitzat també el comportament en funció de les característiques del material que més influïxen en la propagació electromagnètica. Per a això, en primer lloc s'ha variat la permitivitat dielèctrica, la qual depén del grau d'humitat del formigó, i posteriorment la seua conductivitat elèctrica. Amb tot açò, es podran comparar els valors dels paràmetres d'onda obtinguts per mitjà de la simulació numèrica amb els valors reals que es van extraure en treballs experimentals desenrotllats anteriorment sobre provetes de formigó. Estes comparacions serviran per a obtindre resultats en dos sentits. Per un costat es podrà comprovar la bondat del model de simulació triat i d'un altre, es podrà comprendre i analitzar amb major detall els senyals reals. Finalment, este coneixement del senyal real ens permetrà poder aplicar amb major fiabilitat el georradar a la caracterització no destructiva del formigó. Finalment, comentar que el present Treball Final de Màster s'emmarca en el projecte aprovat el 30 de novembre, per la Direcció General d'Universitat, Investigació i Ciència i que concedix la subvenció per a la realització de projectes d'I+D+i desenrotllats per grups d'investigació emergents (GV/2017) de duració de 2 anys i que porta per títol: “Caracterización de materials de construcció per mitjà de les tècniques no destructives del georradar i la termografia d'infrarrojos”, pertanyent al Programa per a la promoció de la investigació científica, el desenrotllament tecnològic i la innovació en la Comunitat Valenciana, publicat el 25 de gener de 2017. Així mateix, part dels resultats obtinguts en aquest Treball Final de Màster ha sigut acceptat per a la seua presentació en el Congrés Internacional “Near Surface Geoscience Conferences and Exhibition”, organitzat per European Association of Geoscientists and Engineers, que es celebrarà del 9 al 13 de setembre de 2018 en Porto (Portugal). La investigació realitzada porta per títol “Parametric study of GPR signals numerical model to analyze hardened concrete response at different antenna positions” i s'inclou al final del present document.

[EN] Ground penetrating radar (GPR) is a material testing technique that is increasingly present in different fields of study due to its non-destructive nature. In fact, it is a technique that is increasingly used in buildings to inspect and diagnose pathologies, such as fissures or moisture. The operation of the georadar is based on the emission and reception of electromagnetic waves in the microwave spectrum. The characterization of materials is among the multitude of applications of the GPR technique. In the field of construction, these materials can be concrete, stone or wood. In this work, the behavior of concrete against the propagation of electromagnetic waves is analyzed by means of a numerical simulation. For this, the gprMax software has been used, which is still in the development phase, being its leading creators in Europe in the research of the application of georadar in engineering. This software has allowed us to study, through numerical modeling, the behavior of waves through concrete in different cases. On the one hand, it has been studied how the antenna that is used influences in said behavior, in terms of the separation between emitter and receiver thereof, as well as with respect to the separation distance of the antenna with the surface of the concrete. On the other hand, we have also analyzed the behavior according to the characteristics of the material that most influence electromagnetic propagation. To do this, the dielectric permittivity has been varied in the first place, which depends on the moisture level of the concrete, and subsequently on its electrical conductivity. With all this, it will be possible to compare the values of the wave parameters obtained by means of the numerical simulation with the real values that were extracted in experimental works previously developed on concrete specimens. These comparisons will serve to obtain results in two senses. On the one hand, the goodness of the chosen simulation model can be verified and, on the other hand, real signals can be understood and analyzed in greater detail. Finally, this knowledge of the real signal will allow us to apply with greater reliability the georadar to the non-destructive characterization of concrete. Finally, it is important to comment that this Final Master's Project is part of the project approved on November 30, by the Dirección General de Universidad, Investigación y Ciencia and provides budget for the realization of R&D&I projects developed by emerging research groups (GV / 2017), lasting 2 years and entitled: "Characterization of building materials by means of non-destructive Ground-penetrating and infrared thermography techniques", belonging to the Program for the promotion of scientific research, technological development and innovation in the Comunitat Valenciana, published on January 25, 2017. Also, part of the results obtained in this Master's Final Project has been accepted for presentation at the International Congress "Near Surface Geoscience Conferences and Exhibition", organized by the European Association of Geoscientists and Engineers, to be held from 9 to 13 September of 2018 in Porto (Portugal). The research carried out is entitled "Parametric study of GPR signals numerical model to analyze hardened concrete response at different antenna positions" and it is included at the end of this document.