道路質(zhì)量的紅外熱成像檢測現(xiàn)狀

(河南工業(yè)大學 土木建筑學院，鄭州 450001)

使用紅外熱成像儀可以直觀快速地檢測出道路存在部分隱性病害的問題，幫助人們及早做出預防性養(yǎng)護。目前,紅外熱成像技術(shù)在其他領(lǐng)域的無損檢測中，應用已經(jīng)比較成熟，但在道路工程中的應用并不完善。紅外熱成像技術(shù)能夠直觀并快速地檢測物體內(nèi)部的缺陷，利用整體溫度差異來反映局部缺陷。紅外熱成像技術(shù)相較于以往在道路工程中的其他檢測方法，有著直觀、非接觸、輕便、快捷等優(yōu)勢，目前在道路工程中主要應用于溫度離析檢測、路面脫空檢測、透水率檢測以及公路監(jiān)控等方面。

因此，筆者基于紅外熱成像原理，在檢測瀝青混合料攤鋪溫度不均引起的路面質(zhì)量差異、瀝青混凝土路面的脫空現(xiàn)象，檢測和評價瀝青路面的透水性，及高速公路的日常監(jiān)控等方面進行了綜合論述，對紅外熱成像技術(shù)在道路工程中的發(fā)展進行了綜合討論。

1 紅外熱成像技術(shù)的基本原理

紅外線不屬于人眼所能看到的可見光范圍，人眼不能直接觀測到物體散發(fā)的紅外能量密度分布，所以要用一些方法把紅外能量密度分布圖轉(zhuǎn)化為可見光圖像，這一轉(zhuǎn)化過程即為紅外成像。自然界中一切高于絕對零度的物體的基本性質(zhì)之一就是輻射紅外線，而紅外熱成像技術(shù)就是探測接收物體輻射的紅外線，利用輻射差異來得到圖像細節(jié)的技術(shù)。其實質(zhì)上是一種波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，即把紅外輻射圖像轉(zhuǎn)化為可視圖像的技術(shù)。

均勻輻射紅外線的物體叫做均質(zhì)體，若裂紋或缺陷產(chǎn)生在均質(zhì)體內(nèi)，該部分的熱傳導就會出現(xiàn)異常。從熱傳導方面來說，通常均質(zhì)體內(nèi)會出現(xiàn)兩種缺陷：隔熱性的與導熱性的。以正面方式檢測隔熱性缺陷時，熱量堆積會導致缺陷部位出現(xiàn)高溫點，以反面方式檢測時，缺陷部位會因熱量發(fā)散出現(xiàn)溫度低點；若為導熱性缺陷，以正面方式檢測時，缺陷部位會因為熱量發(fā)散而出現(xiàn)低溫點，以反面方式檢測時，缺陷部位會出現(xiàn)溫度升高點。因此，用儀器觀察物體的熱紅外圖，能夠較為直觀地了解物體材料的內(nèi)部缺陷及均勻性。

紅外熱像儀檢測原理示意如圖1所示，檢測時，紅外熱像儀的物鏡收集被測物體向外輻射的紅外線能量，掃描器將能量匯集至紅外探測器上，將其轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過放大器和信號處理器輸出反應物體表面溫度場分布熱像圖的電子信號，最后在終端顯示器上顯示紅外熱像圖。

為了便于計算機的運算及存儲，首先需要將圖像數(shù)字化，其基本單位為像素，像素亮度以灰度表示，分為256階。圖像處理就是將圖像的灰度分布視為一連串整數(shù)的集合，經(jīng)過一系列運算之后進行特定的分析加工處理，與此相關(guān)的研究內(nèi)容甚多，包括圖像的模數(shù)轉(zhuǎn)化、圖像的表示與描述、圖像特征比對等。圖像特征比對的目的是使具有相同或相似特征的物體產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，以便于圖像的辨認和分類，比對時，將物體的特征與計算機中預存的原型對比，若相似度或者非相似度小于或大于預設(shè)閾值，則二者比對成功。

黃新等[1]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，物體正面輻射的能量最大，但隨著觀測角度從0°90°的變化，紅外熱像儀與建筑的距離逐漸增大，大氣透過率隨之減小，紅外熱像儀接收到的能量也逐漸減少，這樣便會導致測溫結(jié)果產(chǎn)生誤差，從而降低圖像的利用價值。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當仰角在45°之內(nèi)，且水平傾角在30°內(nèi)時，拍攝觀測到的圖像最清晰，利用價值最高。

雖然現(xiàn)在已知的紅外熱成像儀的檢測方法已經(jīng)有了很大的進步，但就目前技術(shù)手段來說，數(shù)據(jù)處理仍然不是很精確，MASER等[2]通過建立簡單的物理模型，以及對這些模型進行參數(shù)化研究來校驗紅外熱像儀的數(shù)據(jù)，并將其作為解釋各種條件下的信號響應的有效手段。

2 紅外熱成像儀在道路工程中的研究

目前，我國針對各類路面病害的檢測方法有很多種，且各有優(yōu)劣。紅外熱像儀以其便捷、較快速、無損的檢測特性，能夠高效準確地檢測、監(jiān)測路面病害情況，提高道路工程的施工質(zhì)量。

2.1 檢測溫度離析

溫度離析是指由于瀝青混合料攤鋪溫度不均引起的路面質(zhì)量差異，嚴重離析的路面壽命甚至能減少50%。一些常見的路面早期病害，如局部嚴重轍槽、裂縫、局部泛油、坑槽、唧漿、表面破損、松散、新鋪瀝青混凝土路面的構(gòu)造深度不均等，這些病害均與溫度離析有關(guān)。瀝青混凝土在攤鋪過程中有一定的溫度限制，溫度偏低，會導致瀝青不易壓實；溫度過高，則瀝青容易老化。為了改善路面施工質(zhì)量，減少早期病害的出現(xiàn)，必須減少溫度離析的發(fā)生。因此，在施工過程中對混合料的溫度進行實時檢測是很有必要的。

用紅外熱成像儀檢測溫度離析具有天然的優(yōu)勢，紅外熱像儀通過確定最佳拍攝距離，對瀝青混合料施工出站和進場、攤鋪作業(yè)等各個環(huán)節(jié)進行溫度檢測，判斷瀝青混合料在施工作業(yè)過程中的溫度離析情況。

胡力群等[3]在研究中提出了溫度離析度的概念，溫度離析度是評價瀝青混合料溫度離析的重要指標，涵蓋了溫差和低溫區(qū)域的面積，并考慮了瀝青混合料的最低碾壓溫度。

李美華[4]通過研究得出:瀝青混合料碾壓溫度越高，密度越大，空隙率越小;瀝青混合料溫度變化越大，溫度離析越嚴重，其密度、空隙率指標就越低。另外值得一提的是，紅外熱成像儀只局限于檢測路面表面溫度，路面內(nèi)部溫度需要現(xiàn)場實測。

劉書堂[5]通過運料、攤鋪、碾壓3個過程中瀝青混合料溫度紅外檢測的試驗研究，得出溫度離析在不同過程中經(jīng)常出現(xiàn)的位置，并針對不同類型的溫度離析提出改善溫度離析的方案。

李強等[6]的研究表明，用紅外熱像儀可以準確測量出發(fā)生在卸料車上、攤鋪機進料口處、攤鋪機螺旋布料器大軸后的溫度離析,并且準確找出路面溫度離析的區(qū)域,從而采取相應的措施加以改善。

李秀鳳[7]利用有限元研究方法對路表溫度場進行數(shù)值模擬，確定了路表溫度場的變化規(guī)律，以及缺陷形狀與表面溫度場分布的初步定性關(guān)系，并用紅外熱像儀探測路表溫度場，證明了紅外檢測的可行性。

CHEN等[8]采用紅外熱成像技術(shù)和方差分析統(tǒng)計方法研究了瀝青路面檢修孔處溫度變化的差異，結(jié)果顯示，在檢修孔和非檢修孔處的瀝青混凝土溫差為2458 ℃，表明紅外熱成像技術(shù)可以根據(jù)瀝青混凝土的溫度均勻性來衡量路面施工質(zhì)量，為路面施工與檢測、監(jiān)測提供了一種快速、經(jīng)濟的解決方案。

JONSSON等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在潮濕、下雪或結(jié)冰的路面條件下，紅外熱像儀的地表溫度讀數(shù)比傳統(tǒng)的地面?zhèn)鞲衅鳙@取的數(shù)據(jù)更可靠，并通過檢查車輪軌道間的溫度如何不同于參考的干燥路面條件來檢測道路狀況的變化。

目前，瀝青混合料溫度離析的檢測方案仍有很多種，但采用紅外熱成像儀對瀝青混合料生產(chǎn)及瀝青路面施工過程中的溫度進行追蹤檢測，可以直觀反映出瀝青混合料在生產(chǎn)、施工過程中的溫度變化以及溫度離析情況，并能快速、無損地檢測出溫度離析發(fā)生的位置，對路面質(zhì)量的控制有較大的研究意義。

2.2 檢測脫空病害

瀝青混凝土路面的脫空現(xiàn)象是常見危害，其指的是路面結(jié)構(gòu)層的不連續(xù)接觸現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為因混凝土面層與路基或瀝青層之間的分離而產(chǎn)生的空隙。同時，脫空的存在也是瀝青混凝土路面產(chǎn)生其他病害的誘因之一。大量的理論和試驗證明，運營中的瀝青混凝土路面，其基礎(chǔ)的局部脫空現(xiàn)象是客觀存在的，特別是瀝青混合料修筑的水泥混凝土路面。且根據(jù)道路試驗觀測結(jié)果證明：在水泥混凝土路面縫邊、板腳處，由于唧泥所引起的水泥混凝土板下脫空現(xiàn)象大量存在。由此可以推斷在瀝青混凝土路面同樣會出現(xiàn)類似情況。

瀝青混凝土路面板底脫空帶來的影響十分嚴重，瀝青混凝土路面板脫空時的受力狀態(tài)與懸臂板結(jié)構(gòu)類似，在運動荷載作用下會產(chǎn)生過量的撓曲變形和拉應力，而降低路面的疲勞壽命，使路面被迫過早地進行維修或重建；其次，瀝青混凝土路面板底脫空后，路面板錯臺和斷裂等病害會相繼出現(xiàn)，從而造成病害路面車輛行駛質(zhì)量不佳，嚴重損耗車輛，并使運輸成本增加，有時甚至會誘發(fā)嚴重的交通事故。

目前，使用紅外熱成像技術(shù)在瀝青混凝土路面檢測的實例并不多見，但紅外熱成像技術(shù)在檢測其他方面的脫空病害時已經(jīng)進行了許多試驗，圖2為紅外熱成像脫空檢測的結(jié)果，說明其可以應用在瀝青路面的檢測中。

圖2 紅外熱成像脫空檢測結(jié)果

高才坤等[10]用紅外熱成像法檢測脫空，檢測時，鋼筋混凝土面板和墊料層的熱導率遠比空氣介質(zhì)的高，根據(jù)熱傳導性能的差異，可以根據(jù)升溫、降溫的快慢來判斷是否脫空，所以用紅外熱成像技術(shù)檢測脫空病害存在著良好的物理條件；并且還提到該方法同樣可以應用于公路、鐵路、水電等混凝土施工項目的質(zhì)量檢查中,推廣應用前景廣闊。

張永健等[11]采用紅外熱成像檢測法檢測路面脫空，并通過鉆孔校驗試驗證實了紅外熱像與混凝土路面結(jié)構(gòu)底部結(jié)構(gòu)狀況之間具有一定的相關(guān)性，體現(xiàn)了紅外熱成像儀檢測脫空病害的可行性。當該技術(shù)成功應用于高速公路舊路面改造工程中時，可準確地對混凝土路面脫空進行探測，提高工作效率。

在最佳試驗條件和環(huán)境條件下，使用被動熱激勵的紅外熱成像儀能夠有效地檢測出所有淺層脫層缺陷，并可以確定淺分層缺陷的區(qū)域范圍，KEE等[12]研究發(fā)現(xiàn)，夜間冷卻效應可用于檢測淺層和深層分層，比白天加熱效應的圖像更為清晰，并且紅外數(shù)據(jù)沒有具體的標準限制，因為數(shù)據(jù)在一定溫度范圍內(nèi)是可變的。

NEHDI等通過研究得出：與以視覺直觀檢查(VI)為主的傳統(tǒng)無損檢測方法相比,紅外熱像儀利用遙感和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以混凝土表面溫度對比的形式得到橋面分層圖；探地雷達以短暫脈沖電磁能量為媒介探測混凝土橋面腐蝕位置和程度，得出狀態(tài)圖。兩者結(jié)果具有較好的一致性，從而證明了紅外熱像儀的有效性及良好的發(fā)展前景。

HIASA等[13]通過對數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理和迭代試驗，并結(jié)合有限元模型模擬計算，得出一種較為符合當前紅外熱成像測量數(shù)據(jù)閾值分析處理的方法。這種方法可以較為直觀地檢測出1.272.54 cm深度的混凝土板的分層區(qū)域。值得一提的是，分層區(qū)域的邊界條件會影響分析數(shù)據(jù)的準確性，但在真實環(huán)境中可以忽略，盡管該方法具有一定的局限性，但是對于實現(xiàn)紅外熱成像數(shù)據(jù)的自動分析以及監(jiān)測檢測分層區(qū)域的效率提升上有很大幫助。

SUN等[14]利用紅外熱像儀對深埋隧道的低鼓缺陷展開分析，并通過對隧道斷面變形的監(jiān)測提出微斜巷道低鼓的破壞機理。

用紅外熱成像法檢測路面脫空病害的基本原理為：在陽光照射下，面板吸收來自陽光的輻射熱量,存在脫空的面板區(qū)域的空氣熱傳導性能差，溫度升高較快，非脫空區(qū)的面板的熱量易向壩體深部傳導，溫度升高較慢;在夜間，不論是脫空區(qū)還是非脫空區(qū),其白天吸收的熱量通過面板向空氣輻射,面板溫度下降;脫空區(qū)面板下層空氣熱傳導率低，不易得到壩體熱量補充而使該部位溫度相對較低;非脫空區(qū)的面板由于其下的墊層料熱傳導率比空氣的高，更易得到壩體熱量補充而使該部位溫度相對較高。

紅外熱成像技術(shù)在檢測路面脫空上，有著熱導介質(zhì)等天然的物理條件，目前有研究者正在利用一些有損檢測方法來驗證無損檢測方法的準確性，種種現(xiàn)象證明紅外熱成像技術(shù)在道路工程上有著廣闊的應用前景。

2.3 檢測瀝青透水性

瀝青路面在使用過程中,地表水由裂縫或空隙自然滲入，又或是因某些其他因素被動進入路面結(jié)構(gòu)。由于這些滲入水的存在，集料表面瀝青會發(fā)生乳化或剝離現(xiàn)象，會使瀝青混合料結(jié)構(gòu)松散，甚至形成更為嚴重的唧漿和坑槽病害。路面滲水若不被及時發(fā)現(xiàn)，則會加快功能性病害向結(jié)構(gòu)性病害的發(fā)展，因此，在早期快速準確地檢測和評價瀝青路面的透水性也就至關(guān)重要。

目前,一些學者通過研究空隙率、滲水系數(shù)與表面溫度差的關(guān)系，得出瀝青路面的透水性與表面溫差具有較好的相關(guān)性，這為用紅外測溫技術(shù)評價路面的透水性提供了理論依據(jù)。

李志棟等[15]通過分析路表溫度場與透水性的相關(guān)性,開發(fā)了一種瀝青路面透水性紅外差熱檢測儀，得出通過用紅外測溫技術(shù)檢測路面溫度差異，進而評價瀝青路面透水性是可行的。

用紅外熱成像技術(shù)進行檢測，可以對路面的透水性進行識別和評價，對阻止路面的進一步惡化具有重要意義。

2.4 高速公路監(jiān)控中的應用

紅外熱成像技術(shù)在道路工程中應用廣泛，除對道路的施工、養(yǎng)護等有檢測作用外，在道路日常監(jiān)控中也有巨大的用處。在晴朗的白天，普通監(jiān)控系統(tǒng)足以應對道路中的監(jiān)控，但在有雨、雪、霾等天氣及光線較弱的夜間就無能為力。紅外熱成像技術(shù)可排除外界自然環(huán)境的影響，其利用紅外探測器，將道路上行駛的目標與背景轉(zhuǎn)化成灰度圖像坐標系，通過灰度值的大小反應視覺場中的信息。場景中行人、動物等生物的輻射溫度要比物體的輻射溫度高，成像的灰度也相對較高，圖像中呈現(xiàn)的背景較亮；輻射的溫度越低，成像的灰度越小，圖像中呈現(xiàn)的背景越暗。

康雪雪等[16]根據(jù)此原理設(shè)計了基于車載紅外夜視儀的道路行人檢測與識別方法，能得到同一時空的目標與背景在灰度圖像坐標系的相對位置，再利用灰度差異進行一些前期處理，就可對目標進行識別，并可在危險距離內(nèi)對司機發(fā)出警報。該研究擴大了司機的行駛視野、能對潛在危險進行預警，在提高汽車輔助安全駕駛性能方面有著一定的實用價值和重要理論意義。

劉衛(wèi)平等[17]在車輛輔助駕駛中提到，將紅外熱成像技術(shù)和微光技術(shù)相結(jié)合，利用機械設(shè)計和光學設(shè)計，將紅外熱成像儀固定在車輛表面，經(jīng)過電路處理將視頻輸出到液晶顯示屏上，司機可通過液晶顯示屏的道路圖像輔助駕駛，并且使用時避免了頭盔式微光夜視儀需戴在頭上的缺點，克服了長期使用產(chǎn)生疲勞的問題。

紅外熱成像技術(shù)應用于高速公路的監(jiān)控，具有監(jiān)控質(zhì)量不受自然環(huán)境影響的優(yōu)勢，能更好地對高速公路進行實時監(jiān)控，提高駕駛安全系數(shù)，對保障駕駛員、乘客以及行人的生命財產(chǎn)安全具有非常重要的意義。

3 結(jié)語與展望

(1)紅外熱成像儀可以精確直觀地檢測出瀝青路面施工攤鋪過程或者轉(zhuǎn)運混合料過程中發(fā)生溫度離析的地方，從而幫助人們采取措施預防早期危害的發(fā)生。

(2)紅外熱成像同樣能直觀地檢測出路面發(fā)生脫空危害的部位，能很好地遏制因脫空帶來的次生危害。

(3)基于紅外熱成像技術(shù)的紅外透水性檢測儀能通過檢測瀝青路面溫度差異來評價路面的透水性，較傳統(tǒng)的定點式滲水儀有更為絕對的優(yōu)勢。

(4)紅外熱成像技術(shù)在監(jiān)控中的應用也取得了顯著的成果，相較以往的傳統(tǒng)攝像頭，所能帶來的效益有了很大的提升。

(5)未來，現(xiàn)代紅外熱成像儀在道路工程中的研究應朝著以下幾方面發(fā)展：將檢測效果由定性轉(zhuǎn)變?yōu)槎?；與其他無損檢測技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化檢測方案；采用適合不同環(huán)境變量下的多樣化激勵方式，以實現(xiàn)更快速、精確的檢測；信息處理方式上要更加精確，并且處理模式上應由人工向智能方向發(fā)展。