《一、前言》

一、前言

美国是世界上基础交通运输网最稠密的国家 之一。全美各种各样的道路数以百万千米计，仅洲 际公路就超过了 3×105 km，这之上又包括了几万 座桥梁 [1]。同时，伴随着人们对出行需求的增长， 交通的便利性已经成为了人们的一项基本权利。美 国土木工程师学会（ASCE）在 2013 年的一份报告中给桥梁的评价仅仅为 C+ 级（分 A、B、C、D 四 个等级）[1]，在美国 102 个较大的都市区，每天约 有两亿人次行驶在有缺陷的桥梁上。为了解决桥梁 的相关结构缺陷，美国联邦公路管理局（FHWA） 估计，到 2028 年，每年需要投入 208 亿美元，而 实际上目前每年的投入仅仅只有 128 亿美元。各州 及地方政府每年在桥梁方面需增加 80 亿美元的投 资，以解决全国所有存在结构缺陷的桥梁所需要的 维护费用 [2]。

在桥梁的全生命周期中，桥面板是最容易出现 病害的部分。这主要是由于在冬季的几个月里，除 冰盐的使用导致了钢筋的锈蚀。因此，桥面板必须 经常维修，并多次更换。为了判断桥面板的状况， 目前在美国主要使用的方法有目测法和链拖法。另 外，考虑到桥梁在交通系统中的重要性，如何对桥 面状况做出快速检测与评价就显得很重要了。下面 介绍几种常用的检测技术，包括破坏性检测与无损 检测。

《二、桥面板破坏性检测方法》

二、桥面板破坏性检测方法

在路面及桥面板的检测中，钻孔取芯机可以对 强度较高的水泥混凝土取芯，如图 1 所示。然后检 测芯样的强度和厚度，观察其内部的密实性；也可 以对沥青混凝土取芯，检测其厚度、密度、压实度、 空隙率、油石比、马歇尔稳定度等。另外，对桥面 铺装钻孔，可判断铺装与梁板间是否存在结合面。

《图 1 》

图 1  钻孔取芯机对水泥混凝土取芯

 

《三、桥面板无损检测方法》

三、桥面板无损检测方法

传统的桥面板无损检测主要依靠目测法和链拖 法。目测检查是在年度检查的基础上完成的，检查 人员提供的数字评级为 0~9 级，0 级表示完全损坏， 9 级表示完好无损 [3]。检查人员采用目测法寻找桥 面板表面和腹板处存在的表面磨损、裂缝、风化、 受潮等劣化病害。然而，经过对这种方法的可靠性 进行深入的分析后发现，用该方法评估桥面板存在 的问题并不可靠。此外，对于同一座桥面板，不同 的检查人员的评价存在显著不同。

链拖法检查也是一种非破坏性的检测方法，通 过在桥面板的表面拖动振动链，由检测者听取振动 链产生的声音来判断桥面板存在的问题。然而对这 种方法的分析表明，只有在桥面板破损面积较大时 才能应用此方法。此外，类似于目测法检查，对于 同一个桥面板，不同检查人员的评价差异性也很大。

《（一）半电池电位（HCP）法》

（一）半电池电位（HCP）法

美国材料与试验协会颁布的 ASTM C876 标准 [3] 提供了确定桥面板内部钢筋锈蚀区域的准则。例 如，当检测设备中的电压表显示电压低于 –350 mV 时，表明内部钢筋锈蚀的概率是 90 %。同样，当电 压表显示电压高于 –200 mV 时，内部钢筋没有锈蚀 的概率是 90 %。HCP 布置图如图 2 所示，图中的 参考电极是铜 – 硫酸铜电极。将该电极放在混凝土 的表面，参考电极的一端连接电压表，另一端连接 在暴露的钢筋上。钢筋锈蚀越严重，电压表读数会 越小 [4]。

《图 2 》

图 2 HCP 布置图

 

《（二）探地雷达（GPR）法》

（二）探地雷达（GPR）法

在桥面板的检查中，高频率（1~3 GHz）的探 地雷达以与行车方向相同的走向快速地扫描桥面 板。如果桥面板下的钢筋发生锈蚀，探地雷达的反 射信号会和检测到没有发生锈蚀的钢筋不同，因此，探地雷达法可以用于评价桥面板的劣化状态。

地面耦合的单极 GPR 数据采集如图 3 所示。 为了让检测设备能在桥面移动，将天线连接到一个 带轮子的小推车上，天线与数据采集单元相连接， 该单元可以显示实时数据，以便在获得数据时进行 实时检查。为了获得桥面板上的每一根钢筋的详细 信息，沿桥面板宽度方向的每 1 cm 都要检查，沿 桥面板长度方向，每 2 cm 收集一次数据。数据处 理通常是在收集到所有数据之后进行，主要包括每 根钢筋检测信号的振幅、时间和坐标。

《图 3》

图 3 GPR 数据采集

 

在我国，随着高新技术的不断发展以及新材料 的不断涌现，GPR 技术也获得了迅速的发展。到目 前为止，GPR 技术已经广泛应用到了道路裂缝探测、 地下空洞探测、地下埋设物探测、工程地质探测等 多个领域。2007 年，罗斌 [5] 针对桥梁病害，通过 GPR 在探测中的数据采集、信号处理和图像识别， 开展了 GPR 监测路面结构层厚度、破损状况和路 基隐患异常部位的工作，取得了路面隐含裂缝和桥 梁空心板顶厚度探测的实际应用。2012 年，郭士礼 等 [6] 采用电磁波散射叠加原理，分析了垂直裂缝 和倾斜裂缝的电磁波响应特征，快速、准确地检测 桥梁裂缝及空心板顶厚度，为旧桥的维修和加固提 供了更全面的技术数据。2012 年，潘海结等 [7] 运 用 GPR 在介质间存在明显电磁学性质差异的特征， 无损、高效地检测某大桥桥墩的钢筋保护层厚度是 否符合设计要求。

《（三）冲击回波（IE）法》

（三）冲击回波（IE）法

IE 法主要用于确定钢筋混凝土分层区域的位 置、厚度和破损程度，IE 检测设备见图 4。它的工 作原理是通过机械激发或冲击波产生的声波在混凝 土中传播，在声波遇到混凝土和空气交界面时—— 通常是分层区或桥面板底部，反射回冲击源。接收 器接收到反射波后，通过快速傅里叶变换公式将时 域数据转换为频域数据，然后确定回波的频率峰值 f，以计算混凝土的厚度或缺陷：

d = V/2f

其中，d 为分层深度或混凝土厚度，in (1 in ≈ 2.54 cm)； V 为应力波的规定速度，in/s；f 为所记录波的频率 峰值，Hz。

《图 4  》

图 4  冲击回波（IE）检测设备

 

如果计算厚度等于桥面板，那么该部分无分层。 为了更准确地确定分层区域或缺陷区域的大小， 测试前先将桥面板网格化，然后沿网格收集测量 信息。

张志清等 [8] 研究了 IE 法在钢筋混凝土桥面局 部精确检测中应用的可行性，在单面测试中，形成 2D 或 3D 图像，直接对反射信号进行分析，对桥面 铺装层的内部缺陷、脱层、钢筋网保护层厚度不足 及钢筋网下沉现象进行精确判定。

《（四）红外（IR）热成像法》

（四）红外（IR）热成像法

运用红外设备测量材料的辐射温度已经在桥梁 的混凝土病害检测中得到应用。IR 检测能快速检测 混凝土分层和空隙部位。由于钢筋锈蚀造成的应力 集中会导致钢筋上方和下方的混凝土劣化，钢筋附 近会产生小空隙，这时混凝土就出现了分层，分层 会阻断热量沿混凝土板的传播，从而改变桥面板的热分布，灵敏的红外相机会捕捉到分层区和空隙区 域呈现的“热点”[9]。

红外数据采集区域包括桥面板的全部位置。对 安装有红外设备的车辆每行驶约 30 cm 收集一次数 据，原始图像如图 5 所示。数据收集结束后，数据 分析师使用专用的软件将图像按照每一条车道处理 成单一的条带图像。在分析过程中，每一个图像都 会与参考温度相统一，以便调整由风、过往车辆或 其他因素引起的温度波动，然后将每一个通道的条 带图像放在相邻通道的旁边，以生成整个表面的热 图像。

《图 5 》

图 5  典型的原始图像，箭头表示分层区域

 

当混凝土受到破坏而疏松后，强度就会下降， 这些疏松部位的温度场分布与完好部位或周边混凝 土的温度场分布会产生明显差异，这种差异在红外 热成像仪上就会显示出比较明显的“热”“冷”点， 这些显示“热”“冷”点的部位就是混凝土出现损 伤的部位，如图 5 所示，白色斑点区域表示分层区 或空隙区。每个图像中的异常区域都用光标进行了 概述，随后进行了映射和量化。图 6 和图 7 显示了 复合红外热图像和所得到的映射量。

《图 6 》

图 6  全桥面的复合红外图像 ( 单位：cm)

 

《图 7 》

图 7  红外热成像的映射结果（1 ft = 30.48 cm）

 

为了快速准确地评估桥面混凝土的分层和钢筋 的锈蚀情况，近年来各种传感技术发展迅速，表 1 列出了目前用于公路桥面评估的商业传感技术。

表 1  用于公路桥面评估的商业传感技术

《表 1》

近几年，红外探测技术取得了飞速发展，特别 是非制冷红外焦平面阵列技术取得突破，红外热成 像技术已成为国际上普遍关注的热门技术。我国已 将红外热成像仪广泛应用于沥青路面施工时的温度 检测。在材料的缺陷检测与评价方面，武汉理工大 学黄鹂等人提出了基于碳纤维混凝土电热效应的红 外热成像无损检测方法，并建立了碳纤维混凝土红 外热成像方法的瞬态热传导温度分析模型和缺陷体 的电 – 热耦合有限元分析模型。另外，哈尔滨工业 大学、北方交通大学、东南大学、华南理工大学、 西安交通大学、天津大学等高校的研究人员也对此 进行了较为系统而深入的研究，取得了一些有价值 的研究成果，为材料和构件的状态检测与评价奠定 了理论和实验基础。

《四、结论与展望》

四、结论与展望

根据国内外桥面板无损检测技术的文献资料， 笔者主要对四种无损检测技术做了介绍，经过数十 年的发展，现有的检测技术以及设备和功能已经十 分成熟与完善。在对国内外研究现状进行调查和总 结后，认为当前我国的桥面板无损检测主要存在四 个方面的问题：①检测具有高度主观性，耗时甚多， 且会引起交通堵塞；②提供的信息有限，并不能完 全做到定期、实时的检查；③很多重大决策往往是 ，箭头表示分层区域 基于有限的、主观推测的、过时的信息作出的，检测准确性有待提高；④在数据的后期处理尤其是图 像与音频自动识别方面，还有所欠缺。

因此，未来桥面铺装无损检测的重点在于如何 实现检测图像的完全、快速、自动识别，以及如何 保证相当高的准确率，也是目前相关学者亟需解决 的技术难题。