Modelización numérica de la propagación de las ondas electromagnéticas del georradar aplicada al estudio de la penetración del agua en el hormigón endurecido con gprMax

Abstract

[ES] El georradar es una técnica geofísica basada en la propagación de ondas electromagnéticas que al ser recibidas por la antena del equipo proporcionan información de las propiedades dieléctricas del medio por el que viajan. A partir del análisis de los parámetros de las ondas registradas se pueden detectar las anomalías existentes en el medio o bien estimar sus propiedades y sus variaciones.

Algunas ventajas de la técnica de georradar, como son su carácter no destructivo, resolución y rapidez en la obtención y procesamiento de registros, han dado lugar a que se haya aplicado, y con éxito, en campos de estudio muy diversos. En los últimos años se ha venido utilizando en la inspección de estructuras de edificación y, más recientemente, en la caracterización de materiales de construcción, como es el hormigón.

La durabilidad de las estructuras de hormigón armado depende fundamental¬mente de la estructura porosa, de la fisuración y del contenido de humedad del hormigón. En la actualidad uno de los procedimientos regulados por la Unión Europea para estimar la durabilidad del hormigón es comprobar el grado de penetración de agua bajo presión. Con este procedimiento, para medir la profundidad de penetración del frente de agua, es necesario extraer testigos o probetas de los elementos estructurales analizados. Por esta razón, en los últimos años se están realizando estudios con el fin de buscar metodologías alternativas que sean eminentemente no destructivas.

El contenido de agua determina las propiedades dieléctricas de un medio y, a su vez, estas propiedades influyen de forma decisiva en la propagación de las ondas electromagnéticas por ese medio. Es por ello, que la técnica del georradar se presenta como una técnica con gran potencial para evaluar la profundidad de las zonas afectadas por humedad en el hormigón endurecido.

No obstante, antes de realizar cualquier estudio experimental, es necesario conocer de forma previa la capacidad teórica de la técnica para una frecuencia de estudio dada. Con esto podremos comprender mejor cómo se propagan las ondas por el interior del hormigón y conocer cuál es su comportamiento en el caso de encontrar zonas con diferente contenido de humedad. En este trabajo se estudian qué variaciones se producen en la propagación de las ondas electromagnéticas al viajar por el interior del hormigón cuando existen zonas con diferentes contenidos de humedad. Para conseguir este objetivo la mejor opción es generar modelos numéricos que reproduzcan el comportamiento de las ondas electromagnéticas por el interior del hormigón en diferentes escenarios.

Por todo ello, el objetivo principal de este trabajo es realizar una modelización numérica de señales electromagnéticas que se propagan en hormigón cuyo frente de avance del agua sea de diferentes dimensiones y con la antena de registro colocada en distintas posiciones respecto al avance del frente del agua (en el lado seco y en el lado húmedo). Esto permitirá una mejor compresión de la propagación, por el interior del hormigón, de las ondas electromagnéticas generadas con un equipo de georradar comercial y de las reflexiones que se produzcan como consecuencia del cambio de las propiedades dieléctricas del hormigón. Los modelos numéricos que se generan se basan en el método de las diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) y el software necesario para la generación de los modelos es el gprMax. La frecuencia de estudio elegida es la de 2 GHz de frecuencia central, ya que es la frecuencia de la antena comercial que la empresa GSSI, líder del sector, comercializa para usarla en los estudios del hormigón.

[CA] El georradar és una tècnica geofísica basada en la propagació d’ones electromagnètiques que al ser rebudes per l’antena de l’equip proporcionen informació de les propietats dielèctriques del mitjà pel que viatgen. Partint de l’anàlisi dels paràmetres de les ones registrades es pot detectar les anomalies existents en el mitjà o be estimar les seves propietats i variacions. Alguns avantatges de la tècnica del georradar, com és el seu caràcter no destructiu, resolució i rapidesa en l’obtenció i processament de registres, han donat lloc al fet que s’haja aplicat, i amb èxit, en camps d’estudi molt diversos. En els últims anys s’ha fet servir en l’inspecció d’estructures d’edificació i, més recentment, en la caracterització de materials de construcció, com es el cas del formigó. La durabilitat de les estructures de formigó armat depèn fonamentalment de l’estructura porosa, de la fissuració i del contingut d’humitat de formigó. En l’actualitat un dels procediments regulats per la Unió Europea per estimar la durabilitats del formigó és comprovar el grau de penetració de l’aigua sota pressió. Amb aquest procediment, per a mesurar la profunditat de penetració del front de l’aigua, és necessari extraure provetes dels elements estructurals analitzats. Per aquesta raó, en els últims anys s’estan realitzant estudis amb la finalitat de cercar metodologies alternatives que siguen eminentment no destructives. El contingut d’aigua determina les propietats dielèctriques d’un mitjà i, al seu torn aquestes propietats influeixen de forma decisiva en la propagació de les ones electromagnètiques per aquest mitjà. Es per això, que la tècnica del georradar es presenta com una tècnica amb gran potencial per avaluar la profunditat de les zones afectades per humitat en el formigó endurit. No obstant açò, abans de realitzar qualsevol estudi experimental, és necessari conèixer de forma prèvia la capacitat teòrica de la tècnica per una freqüència d’estudi donada. Amb tot això, podrem comprendre millor com es propaguen les ones per l’interior del formigó i conèixer quin es el seu comportament en el cas de trobar-se zones amb diferent contingut d’humitat. En aquest treball s’estudien que variacions es produeixen en la propagació de les ones electromagnètiques al viatjar per l’interior del formigó quan existeixen zones amb diferents continguts d’humitat. Per aconseguir aquest objectiu la millor opció es generar models numèrics que reproduïsquen el comportament de les ones electromagnètiques per l’interior del formigó en diferents escenaris. Per tot açò, l’objectiu principal d’aquest treball es realitzar una modelització numèrica de senyals electromagnètiques que es propaguen en formigó, en el que el front d’avanç de l’aigua siga dediferents dimensions i amb l’antena de registre col·locada en diferents posicions respecte al mateix( en el costat sec i en l’humit). Això permet una millor comprensió de la propagació, per l’interior del formigó, de les ones electromagnètiques generades amb un equip de georradar comercial i de les reflexions que es produeixen com a conseqüència del canvi de les propietats dielèctriques del formigó. Els models numèrics que es generen es basen en el mètode de les diferències finites en el domini del temps (FDTD) i el software necessari per la generació dels models es el gprMax. La freqüència d’estudi escollida es de 2 GHz de freqüència central, ja que es la freqüència de l’antena comercial que la empresa GSSI, líder del sector, comercialitza per l’ús en estudis de formigó.

[EN] Ground-penetrating radar is a geophysical technique based on propagation of electromagnetic waves that, when being received by the antenna of the equipment, provides information of the dielectric properties of the media by which travels. From the analysis of the parameters of the waves registered, it can be detected the existent anomalies in the medium or estimated its properties and their variations.

Some advantages of the Ground-penetrating technique, as its nondestructive nature, resolution and quickness in obtaining and processing of the records, have given place to be applied successfully in very different fields of studio. In the last years, it has been applied to prospect building structures, and more recently, to characterize building materials, such as concrete.

The durability of building reinforced structures depends mainly on the porous structure, the cracking and the water content. Currently, one of the procedures regulated by the European Union to estimate the concrete durability is by means of the evaluation of the penetration degree of water under pressure. With this procedure, to measure the penetration depth of the waterfront, it is necessary to extract samples of the analyzed structural elements. For this reason, in the last years some studies are conducted with the aim of looking for alternative methodologies whose nondestructive nature is to be critical.

The water content is decisive in the dielectric properties of a medium and these are directly related to how the electromagnetic waves propagates through the medium. It is thus, that the Ground-penetrating technique presents great possibilities to evaluate the depth of the zones affected by humidity in hardened concrete.

Nevertheless, previously to carry out any experimental program, it is necessary to be aware of the theoretical capacity of the technique, for given frequency of radiation. With this it will be possible to better understand how the waves propagate inward concrete and their behavior in case of existence of areas with different water content. In this work, variations produced in the propagation of the electromagnetic waves when travelling inward concrete and occurrence of areas with different water content are studied. To achieve this aim, the best option is to generate numerical models that reproduce the behavior of the electromagnetic waves propagating inward concrete inward different scenarios.

For all this, the main objective of this work is to generate numerical models of electromagnetic waves propagating in concrete, in which a waterfront is of different dimensions and the recording antenna is located in different positions. This will lead to a better understanding of the waves propagation inside concrete generated with a commercial equipment and the reflections that might occur as a consequence of the change of the dielectric properties of concrete. The numerical models generated are based on the finite differences in time domain method (FDTD) and the necessary software for the generation of the models is the gprMax. The chosen frequency for the study is 2 GHz of central frequency, since this frequency is the one that the leader manufacturer of Ground-penetrating radar equipment (GSSI) commercializes to be used to prospect concrete.