橋面鋪裝病害檢測技術(shù)研究

郭成超，許朋飛，崔璨

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450001）

一、前言

美國是世界上基礎(chǔ)交通運(yùn)輸網(wǎng)最稠密的國家之一。全美各種各樣的道路數(shù)以百萬千米計(jì)，僅洲際公路就超過了3×105km，這之上又包括了幾萬座橋梁[1]。同時(shí)，伴隨著人們對(duì)出行需求的增長，交通的便利性已經(jīng)成為了人們的一項(xiàng)基本權(quán)利。美國土木工程師學(xué)會(huì)（ASCE）在2013年的一份報(bào)告中給橋梁的評(píng)價(jià)僅僅為C+級(jí)（分A、B、C、D四個(gè)等級(jí)）[1]，在美國102個(gè)較大的都市區(qū)，每天約有兩億人次行駛在有缺陷的橋梁上。為了解決橋梁的相關(guān)結(jié)構(gòu)缺陷，美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）估計(jì)，到2028年，每年需要投入208億美元，而實(shí)際上目前每年的投入僅僅只有128億美元。各州及地方政府每年在橋梁方面需增加80億美元的投資，以解決全國所有存在結(jié)構(gòu)缺陷的橋梁所需要的維護(hù)費(fèi)用[2]。

在橋梁的全生命周期中，橋面板是最容易出現(xiàn)病害的部分。這主要是由于在冬季的幾個(gè)月里，除冰鹽的使用導(dǎo)致了鋼筋的銹蝕。因此，橋面板必須經(jīng)常維修，并多次更換。為了判斷橋面板的狀況，目前在美國主要使用的方法有目測法和鏈拖法。另外，考慮到橋梁在交通系統(tǒng)中的重要性，如何對(duì)橋面狀況做出快速檢測與評(píng)價(jià)就顯得很重要了。下面介紹幾種常用的檢測技術(shù)，包括破壞性檢測與無損檢測。

二、橋面板破壞性檢測方法

在路面及橋面板的檢測中，鉆孔取芯機(jī)可以對(duì)強(qiáng)度較高的水泥混凝土取芯，如圖1 所示。然后檢測芯樣的強(qiáng)度和厚度，觀察其內(nèi)部的密實(shí)性；也可以對(duì)瀝青混凝土取芯，檢測其厚度、密度、壓實(shí)度、空隙率、油石比、馬歇爾穩(wěn)定度等。另外，對(duì)橋面鋪裝鉆孔，可判斷鋪裝與梁板間是否存在結(jié)合面。

三、橋面板無損檢測方法

圖1 鉆孔取芯機(jī)對(duì)水泥混凝土取芯

傳統(tǒng)的橋面板無損檢測主要依靠目測法和鏈拖法。目測檢查是在年度檢查的基礎(chǔ)上完成的，檢查人員提供的數(shù)字評(píng)級(jí)為0～9級(jí)，0級(jí)表示完全損壞，9級(jí)表示完好無損[3]。檢查人員采用目測法尋找橋面板表面和腹板處存在的表面磨損、裂縫、風(fēng)化、受潮等劣化病害。然而，經(jīng)過對(duì)這種方法的可靠性進(jìn)行深入的分析后發(fā)現(xiàn)，用該方法評(píng)估橋面板存在的問題并不可靠。此外，對(duì)于同一座橋面板，不同的檢查人員的評(píng)價(jià)存在顯著不同。

鏈拖法檢查也是一種非破壞性的檢測方法，通過在橋面板的表面拖動(dòng)振動(dòng)鏈，由檢測者聽取振動(dòng)鏈產(chǎn)生的聲音來判斷橋面板存在的問題。然而對(duì)這種方法的分析表明，只有在橋面板破損面積較大時(shí)才能應(yīng)用此方法。此外，類似于目測法檢查，對(duì)于同一個(gè)橋面板，不同檢查人員的評(píng)價(jià)差異性也很大。

（一）半電池電位（HCP）法

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)頒布的ASTM C876標(biāo)準(zhǔn)[3]提供了確定橋面板內(nèi)部鋼筋銹蝕區(qū)域的準(zhǔn)則。例如，當(dāng)檢測設(shè)備中的電壓表顯示電壓低于–350 mV時(shí)，表明內(nèi)部鋼筋銹蝕的概率是90%。同樣，當(dāng)電壓表顯示電壓高于–200 mV時(shí)，內(nèi)部鋼筋沒有銹蝕的概率是90%。HCP布置圖如圖2所示，圖中的參考電極是銅–硫酸銅電極。將該電極放在混凝土的表面，參考電極的一端連接電壓表，另一端連接在暴露的鋼筋上。鋼筋銹蝕越嚴(yán)重，電壓表讀數(shù)會(huì)越小[4]。

（二）探地雷達(dá)（GPR）法

在橋面板的檢查中，高頻率（1～3 GHz）的探地雷達(dá)以與行車方向相同的走向快速地掃描橋面板。如果橋面板下的鋼筋發(fā)生銹蝕，探地雷達(dá)的反射信號(hào)會(huì)和檢測到?jīng)]有發(fā)生銹蝕的鋼筋不同，因此，探地雷達(dá)法可以用于評(píng)價(jià)橋面板的劣化狀態(tài)。

圖2 HCP布置圖

地面耦合的單極GPR數(shù)據(jù)采集如圖3所示。為了讓檢測設(shè)備能在橋面移動(dòng)，將天線連接到一個(gè)帶輪子的小推車上，天線與數(shù)據(jù)采集單元相連接，該單元可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便在獲得數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查。為了獲得橋面板上的每一根鋼筋的詳細(xì)信息，沿橋面板寬度方向的每1 cm都要檢查，沿橋面板長度方向，每2 cm收集一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理通常是在收集到所有數(shù)據(jù)之后進(jìn)行，主要包括每根鋼筋檢測信號(hào)的振幅、時(shí)間和坐標(biāo)。

在我國，隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展以及新材料的不斷涌現(xiàn)，GPR技術(shù)也獲得了迅速的發(fā)展。到目前為止，GPR技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了道路裂縫探測、地下空洞探測、地下埋設(shè)物探測、工程地質(zhì)探測等多個(gè)領(lǐng)域。2007年，羅斌[5]針對(duì)橋梁病害，通過GPR在探測中的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和圖像識(shí)別，開展了GPR監(jiān)測路面結(jié)構(gòu)層厚度、破損狀況和路基隱患異常部位的工作，取得了路面隱含裂縫和橋梁空心板頂厚度探測的實(shí)際應(yīng)用。2012年，郭士禮等[6]采用電磁波散射疊加原理，分析了垂直裂縫和傾斜裂縫的電磁波響應(yīng)特征，快速、準(zhǔn)確地檢測橋梁裂縫及空心板頂厚度，為舊橋的維修和加固提供了更全面的技術(shù)數(shù)據(jù)。2012年，潘海結(jié)等[7]運(yùn)用GPR在介質(zhì)間存在明顯電磁學(xué)性質(zhì)差異的特征，無損、高效地檢測某大橋橋墩的鋼筋保護(hù)層厚度是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 GPR數(shù)據(jù)采集

（三）沖擊回波（IE）法

IE法主要用于確定鋼筋混凝土分層區(qū)域的位置、厚度和破損程度，IE檢測設(shè)備見圖4。它的工作原理是通過機(jī)械激發(fā)或沖擊波產(chǎn)生的聲波在混凝土中傳播，在聲波遇到混凝土和空氣交界面時(shí)——通常是分層區(qū)或橋面板底部，反射回沖擊源。接收器接收到反射波后，通過快速傅里葉變換公式將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)，然后確定回波的頻率峰值f，以計(jì)算混凝土的厚度或缺陷：

其中，d為分層深度或混凝土厚度，in (1 in≈2.54 cm)；V為應(yīng)力波的規(guī)定速度，in/s； f為所記錄波的頻率峰值，Hz。

如果計(jì)算厚度等于橋面板，那么該部分無分層。為了更準(zhǔn)確地確定分層區(qū)域或缺陷區(qū)域的大小，測試前先將橋面板網(wǎng)格化，然后沿網(wǎng)格收集測量信息。

張志清等[8]研究了IE法在鋼筋混凝土橋面局部精確檢測中應(yīng)用的可行性，在單面測試中，形成2D或3D圖像，直接對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)橋面鋪裝層的內(nèi)部缺陷、脫層、鋼筋網(wǎng)保護(hù)層厚度不足及鋼筋網(wǎng)下沉現(xiàn)象進(jìn)行精確判定。

（四）紅外（IR）熱成像法

運(yùn)用紅外設(shè)備測量材料的輻射溫度已經(jīng)在橋梁的混凝土病害檢測中得到應(yīng)用。IR檢測能快速檢測混凝土分層和空隙部位。由于鋼筋銹蝕造成的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致鋼筋上方和下方的混凝土劣化，鋼筋附近會(huì)產(chǎn)生小空隙，這時(shí)混凝土就出現(xiàn)了分層，分層會(huì)阻斷熱量沿混凝土板的傳播，從而改變橋面板的熱分布，靈敏的紅外相機(jī)會(huì)捕捉到分層區(qū)和空隙區(qū)域呈現(xiàn)的“熱點(diǎn)”[9]。

圖4 沖擊回波（IE）檢測設(shè)備

紅外數(shù)據(jù)采集區(qū)域包括橋面板的全部位置。對(duì)安裝有紅外設(shè)備的車輛每行駛約30 cm收集一次數(shù)據(jù)，原始圖像如圖5所示。數(shù)據(jù)收集結(jié)束后，數(shù)據(jù)分析師使用專用的軟件將圖像按照每一條車道處理成單一的條帶圖像。在分析過程中，每一個(gè)圖像都會(huì)與參考溫度相統(tǒng)一，以便調(diào)整由風(fēng)、過往車輛或其他因素引起的溫度波動(dòng)，然后將每一個(gè)通道的條帶圖像放在相鄰?fù)ǖ赖呐赃?，以生成整個(gè)表面的熱圖像。

當(dāng)混凝土受到破壞而疏松后，強(qiáng)度就會(huì)下降，這些疏松部位的溫度場分布與完好部位或周邊混凝土的溫度場分布會(huì)產(chǎn)生明顯差異，這種差異在紅外熱成像儀上就會(huì)顯示出比較明顯的“熱”“冷”點(diǎn)，這些顯示“熱”“冷”點(diǎn)的部位就是混凝土出現(xiàn)損傷的部位，如圖5所示，白色斑點(diǎn)區(qū)域表示分層區(qū)或空隙區(qū)。每個(gè)圖像中的異常區(qū)域都用光標(biāo)進(jìn)行了概述，隨后進(jìn)行了映射和量化。圖6和圖7顯示了復(fù)合紅外熱圖像和所得到的映射量。

圖5 典型的原始圖像，箭頭表示分層區(qū)域

為了快速準(zhǔn)確地評(píng)估橋面混凝土的分層和鋼筋的銹蝕情況，近年來各種傳感技術(shù)發(fā)展迅速，表1列出了目前用于公路橋面評(píng)估的商業(yè)傳感技術(shù)。

近幾年，紅外探測技術(shù)取得了飛速發(fā)展，特別是非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)取得突破，紅外熱成像技術(shù)已成為國際上普遍關(guān)注的熱門技術(shù)。我國已將紅外熱成像儀廣泛應(yīng)用于瀝青路面施工時(shí)的溫度檢測。在材料的缺陷檢測與評(píng)價(jià)方面，武漢理工大學(xué)黃鸝等人提出了基于碳纖維混凝土電熱效應(yīng)的紅外熱成像無損檢測方法，并建立了碳纖維混凝土紅外熱成像方法的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)溫度分析模型和缺陷體的電–熱耦合有限元分析模型。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北方交通大學(xué)、東南大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)等高校的研究人員也對(duì)此進(jìn)行了較為系統(tǒng)而深入的研究，取得了一些有價(jià)值的研究成果，為材料和構(gòu)件的狀態(tài)檢測與評(píng)價(jià)奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

四、結(jié)論與展望

根據(jù)國內(nèi)外橋面板無損檢測技術(shù)的文獻(xiàn)資料，筆者主要對(duì)四種無損檢測技術(shù)做了介紹，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)有的檢測技術(shù)以及設(shè)備和功能已經(jīng)十分成熟與完善。在對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查和總結(jié)后，認(rèn)為當(dāng)前我國的橋面板無損檢測主要存在四個(gè)方面的問題：①檢測具有高度主觀性，耗時(shí)甚多，且會(huì)引起交通堵塞；②提供的信息有限，并不能完全做到定期、實(shí)時(shí)的檢查；③很多重大決策往往是基于有限的、主觀推測的、過時(shí)的信息作出的，檢測準(zhǔn)確性有待提高；④在數(shù)據(jù)的后期處理尤其是圖像與音頻自動(dòng)識(shí)別方面，還有所欠缺。

圖6 全橋面的復(fù)合紅外圖像(單位：cm)

圖7 紅外熱成像的映射結(jié)果（1 ft = 30.48 cm）

表1 用于公路橋面評(píng)估的商業(yè)傳感技術(shù)

因此，未來橋面鋪裝無損檢測的重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)檢測圖像的完全、快速、自動(dòng)識(shí)別，以及如何保證相當(dāng)高的準(zhǔn)確率，也是目前相關(guān)學(xué)者亟需解決的技術(shù)難題。

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