桥面铺装病害检测技术研究

郭成超 ,  许朋飞 ,  崔璨

中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (6) : 38 -43.

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中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (6) : 38 -43. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2017.06.006
专题研究

桥面铺装病害检测技术研究

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Study on Defect Detection Technology for Bridge Deck Pavements

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摘要

在桥梁的全生命周期中,桥面板是最容易出现病害的部分。桥面铺装层常常由于施工方法选择不当、混凝土老化、钢筋锈蚀等原因产生各种病害,这对桥梁结构、使用性能都会造成不利影响,因此有必要对相关病害进行检测,并对桥面质量做出相关评价。本文介绍了国内外四种主要无损检测方法(半电池电位法、探地雷达法、冲击回波法、红外热成像法)的工作原理以及相应的检测设备,利用其中一种或几种方法能准确评估桥面板的恶化情况,对桥面板状况进行快速、无损检测,为实现桥面铺装的准确检测提供技术支持,从而减少结构病害,延长桥梁的使用寿命。

Abstract

The bridge deck is the most vulnerable part of a bridge during its entire life cycle. The deck pavement is often adversely affected by improper construction methods, the aging of concrete, and corrosion of steel bars. This then has an adverse effect on the structure and overall performance of the bridge. Therefore, it is necessary to determined defects related to the bridge deck and to conduct relevant quality evaluations. This article describes the mechanism, application methods, and testing equipment of four mainstream nondestructive testing technologies used worldwide: ground penetrating radar, half-cell potential, impact echo, and infrared thermography. The use of one or more of these methods can accurately assess the deterioration of the bridge deck and make a rapid, nondestructive evaluation, which provides technical support for rapid detection and accurate evaluation of the deck situation, leading to reduced structural defects and an extended bridge life cycle.

关键词

桥面铺装 / 病害 / 无损检测

Key words

桥面铺装 / 病害 / 无损检测 / bridge deck pavement / defect / nondestructive testing

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郭成超,许朋飞,崔璨. 桥面铺装病害检测技术研究[J]. 中国工程科学, 2017, 19(6): 38-43 DOI:10.15302/J-SSCAE-2017.06.006

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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

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 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

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 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

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 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 全桥面的复合红外图像 ( 单位:cm)

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

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

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。

参考文献

[1]

Graybeal B A, Phares B M, Rolander D D, et al. Visual inspection of highway bridges [J]. Journal of Nondestructive Evaluation, 2002, 21(3): 67–83.

[2]

Zaniewski J.Vehicle operating costs, fuel consumption and pave-ment type and condition factors[R]. Washington DC: Federal Highway Administration, 2010.

[3]

Standard test method for corrosion potentials of uncoated reinforc-ing steel in concrete [S].

[4]

Stratfull R. Half cell potentials and the corrosion of steel in con-crete [R].

[5]

罗斌. 探地雷达在路基路面异常体病害探测中的应用 [J]. 公路工程, 2007, 32(6): 153–156.

[6]

郭士礼, 蔡建超, 张学强, 探地雷达检测桥梁隐蔽病害方法研究 [J]. 地球物理学进展, 2012, 27(4):1812–1821.

[7]

潘海结, 潘海军, 戴天帅. GPR 在桥梁无损检测中的应用研究 [J]. 重庆工商大学学报(自然科学版), 2012, 29(2): 85–89.

[8]

张志清, 刘晓姗, 丛铖东, IES 冲击回波仪在钢筋混凝土桥面局部精确检测的应用分析 [J]. 交通信息与安全 , 2012, 30(5):135–138.

[9]

李秀凤. 基于红外成像路面隐伏缺陷探测及有限元数值模拟技术研究(硕士学位论文) [D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2009.

基金资助

中国工程院咨询项目“交通基础设施重大结构安全保障战略研究”(2015-XZ-28)()

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