水泥混凝土路面脫空及檢測識別技術發展現狀分析

馮永平,黎碧云,焦曉東

(1.廣西壯族自治區公路發展中心,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

城市化發展進程中,水泥混凝土路面(簡稱“水泥路面”)這一經典的路面結構形式仍被廣泛運用于省道及鄉村道路建設。

板底脫空是水泥路面常見的病害之一,車輛荷載、不均勻沉降、翹曲(溫度翹曲或濕度翹曲)均會造成道面板底脫空。脫空后的水泥板塊需得到及時處治,否則將迅速產生破裂,嚴重影響行車質量和路面使用壽命,大幅增加維修費用和難度[1]。脫空處治前需對脫空位置及大小進行有效評定。目前脫空檢測識別技術種類不少,其中以彎沉法最為常見,聲振法與探地雷達法等也逐漸在工程中得到應用[2]。然而,各類脫空檢測技術還不夠理想,獲得一種高效準確的水泥路面脫空識別方法仍是當前研究努力的方向,這對于指導水泥路面的檢測、評價、維修養護將具有重要的工程應用價值。

1 脫空檢測方法

1.1 人工判別法

觀察相鄰板的錯臺、唧泥、車輛通過時的翹動及聽取錘擊時的面板回聲等均是較為常用的人工判別法。美國于1983年提出了唧泥與板底脫空的關系,認為水泥路面唧泥現象與板底脫空直接相關,若未出現唧泥則可判定為板底沒有出現脫空[3-4]。在國內較為經典的是柳永江等提出的根據唧泥高度判別板底脫空情況的方法[5-6],其通過現場鉆芯檢驗,總結了唧泥高度與脫空量的關系,并提出了基于唧泥高度的板底脫空判別標準,如表1所示。

表1 基于唧泥高度與板底脫空程度差別標準表

另外,有學者指出可根據錯臺高差判別板底是否脫空,認為一般情況下,5 mm內的錯臺高差為存在輕度脫空或路基沉降不均勻所致;高差為5～10 mm則表示板底可能有中度脫空;高差>15 mm則表示板下存在重度脫空。

人工判別方法簡單易行,但需知道當脫空較為嚴重時,病害特征才會令人察覺。受主觀因素、環境條件及檢測人員的專業水平等影響,人工判別法也僅能用于粗略的定性判斷[7],或者只是作為某種輔助檢測方法來進行判斷。

1.2 彎沉判別法

彎沉是指路面結構在荷載作用下產生的豎向變形,當脫空存在時,必然導致面板彎沉增大。按加載形式,彎沉可分為靜態彎沉和動態彎沉兩種。

1.2.1 靜態彎沉(貝克曼梁彎沉儀)

靜態彎沉測量主要以貝克曼梁彎沉法(BB)應用較多。貝克曼梁彎沉儀采用的是簡單的杠桿原理,通過讀取測試梁后壁端點的位移推算前臂端點所測出的輪隙處回彈彎沉,測得雙側測點靜態彎沉的最大峰值[8]。當實測彎沉值大于一定標準車荷載作用下路面板產生變形的限定彎沉值標準時,判定該處板底存在脫空。

一般認為,彎沉值>0.2 mm將判定為該處脫空。事實上,國內外已有不少學者對單一最大彎沉值判定法提出了質疑。加拿大學者試驗研究證明僅用單一最大彎沉值評定脫空的結果與實際情形不符。同時,國內也有學者認為簡單以單側或雙側最大彎沉值作為脫空判定的標準缺乏可靠性。官建安[9]根據理論分析及實際工程檢驗得出按標準軸載下板角0.2 mm判斷板底脫空情況對一般路面而言過于嚴格的結論,其建議為減少不必要的路面病害處治工作,在運用BB法的中重型貨車限行區域內的“白改黑”工程中以板角彎沉0.3 mm作為板底脫空判據。

貝克曼梁加載形式與路面實際所受荷載并不相同,此外其操作不夠簡便、高效,不適應大面積、長里程的路面檢測。

1.2.2 動態彎沉(落錘式彎沉儀)

落錘式彎沉法(FWD)采用沖擊加載的方式對路面特定位置進行豎向錘擊,并采用位移傳感器檢測以錘擊中心為圓形范圍內的豎向變形[10]。其能更準確地模擬出行車荷載的動力作用,被認為是較為理想的無損檢測方法。

我國根據研究應用狀況,將FWD三級荷載推薦設置為50 kN、70 kN、90 kN,且通常以截距法或彎沉比法判定路面是否脫空。截距法即以相關線性回歸曲線截距大小判斷脫空情況。彎沉比法則需分別測試同一板塊不同位置的彎沉,并計算板角、板邊彎沉與板中彎沉的比值,若板角彎沉/板中彎沉>3.0,且板邊中點彎沉/板中彎沉>2.0時則判定為脫空。

王曉川等[11]對FWD法和BB法測得的彎沉值間的關系進行了研究分析,發現FWD截距法對板底脫空識別率較高。牛曉霞等[12]利用ABAQUS軟件建立了不同脫空深度和脫空尺寸的三維模型,提出了截距法判定脫空時宜采用3 t-5 t-7 t或5 t-7 t-9 t的荷載等級,其中5 t-7 t-9 t等級荷載更適用于大厚度、高強度的板塊檢測。鑒于環境溫度對檢測結果的影響,建議選擇早晚或陰天時間段檢測。

應用截距法或是彎沉比法均存在各自的局限性,截距法受有效荷載限制,當測試荷載未能引起道面足夠響應時將產生與實際不符的結論;彎沉比法受接縫傳荷耦合影響,接縫傳荷與脫空對彎沉的影響無法得到很好的區分[13]。

1.3 聲振法

聲振法將水泥路面板作為聲學諧振子,根據其振動幅度、頻率、形式以及能量損耗等振動特性判定面板連續支撐狀況,其中以振動頻率指標為主[14],數據采集見圖1。現有的聲振法基本為現場單點檢測,檢測板的聲振信號易受來往車輛影響,故檢測結果的代表性和準確性值得商榷。

圖1 聲振法數據采集示意圖

李思源[14]對聲音信號的采集、預處理方法以及聲學特征值的提取進行了研究,提出了一種以聲壓特征值為相對指標的連續識別技術并進行了驗證。彭永恒等[15]記錄并分析了加速度特性、振動時間和頻譜特征,發現脫空區域與非脫空區域路面板最大振幅對應的卓越頻率分別為100～130 Hz和200～260 Hz。姚玲[16]比較了不同厚度板角脫空與非脫空混凝土面板聲振頻譜數據,結果表明測點布置于脫空區域20 cm和18 cm厚混凝土面板的最大振幅頻率為200～400 Hz,布置于非脫空區域時則為500～700 Hz。同時,其試驗證明力錘、敲擊部位、路面板厚度、加速度傳感器設置位置等均對脫空面積及深度等結果產生影響。李想等[17]開展了脫空狀態動力響應研究,發現與非脫空面板相比,脫空面板的板頂最大加速度和最大應變均更大,其中對邊同時脫空時最大,且其振動最大振幅對應的頻率最小。

1.4 探地雷達法

大部分探地雷達(GPR)系統是基于短時脈沖原理,發射天線向地下發射雷克子波(Ricker),接收天線接收傳播過程中經過散射和反射的電磁波[18]。由于介電差異,電磁波經過不同介質層時將產生不同幅值和極性的回波,形成單道波形,成為A-Scan,采集原理如下頁圖2所示。脫空界面介電常數差異較正常結構分界層更大,故脫空處回波幅值增大。將各個時刻的A-scan集合有序排列轉換為灰度圖,即可根據各層的相對亮度判斷地下結構信息[19]。

圖2 GPR檢測原理圖

在探地雷達評價水泥混凝土路面板底脫空方面,大尺寸的板底空洞探測已較為成熟,目前能準確地標定空洞的分布區域和空間尺寸。然而,板底空洞的形態各異,加上板-基層的層間脫空尺寸較小,使得脫空評價技術受限。針對該問題,葛如冰等[20-21]通過建立路面脫空的實際模型研究了薄層脫空下脫空厚度與反射波振幅大小的關系,得到了初步的脫空定量計算公式。

實際操作中,探地雷達應用于板底脫空評價的關鍵在于雷達掃描圖像的解析。武繼文等[22]通過GprMax軟件仿真分析,探討了探地雷達用于水泥混凝土路面板底脫空評價時的掃描圖像特征,結果表明兩個方向相反的波峰出現在充氣型脫空的掃描圖像脫空界面處,脫空高度<0.01 m后,波形疊加導致信號難以解析,因此無法識別板底脫空;充水型脫空的掃描圖像反射波強度低,脫空通過掃描圖像識別困難。

1.5 紅外熱成像法

由熱力傳導理論可知,當存在脫空現象時,水或空氣填充使面板與墊層料之間存在相對隔熱性結構缺陷。熱傳導受阻,混凝土熱量難以及時向其內部傳遞,形成熱量局部積聚,造成混凝土表面溫度上升而在紅外熱像上出現“熱斑”,其范圍和程度可反映出該部位的受害程度及范圍[23]。

為了實測脫空病害對水泥路面溫度場的影響,馬廷婕等[24]澆筑了水泥混凝土試驗路段,并使用熱工特性與空氣相近的聚苯乙烯泡沫板填充人工設置的5個形狀不同厚度為5 cm的脫空區。脫空模型紅外熱成像檢測結果與模擬結果的對比如表2所示。結果顯示,路面脫空區與非脫空區溫差與脫空面積成正比,脫空面積一定、形狀不同時,路面脫空區與非脫空區溫差存在細小差別。應收集更多的試驗和模擬數據來建立相應數據庫,并配合使用高精度的測溫儀器,才能提高反算準確度。

表2 脫空模型紅外熱成像檢測結果與模擬結果對比表

張永健等[25]將紅外熱成像技術成功運用于高速公路舊路面改造工程中,準確地對舊水泥路面板底脫空進行了判斷。但發現在骨料嚴重外露的磨損區域,外露骨料溫度較周圍區域高,其紅外線溫圖呈現出與脫空區相似的圖像,從而將引起判斷誤差。

2 檢測方法對比分析

水泥路面板脫空是最主要破壞類型之一,評定脫空情況是其結構質量評估與維修保養的重要內容。早期的道面板底脫空判定主要依據經驗,隨著其他領域檢測設備的引入,板底脫空判定理論不斷完善;彎沉、探地雷達、振動頻譜分析及熱紅外成像等脫空識別方法被相繼提出,且得到了工程應用。不同方法的優缺點對比如表3所示。

表3 脫空檢測方法對比表

目前,準確有效評價水泥路面板底脫空狀況仍是存在困難的。FWD可判斷路面結構力學性能,但無法確定脫空區域的幾何特征;聲振法識別率高但易受行車噪音干擾;GPR直觀高效,但其頻率和檢測深度互相制約,檢測圖譜不易讀取,且介電常數及檢測環境對檢測精度的影響較大,尤其是在有水的條件下,檢測的精度將極大降低;紅外熱成像法直觀、快速,但對圖像處理技術要求更高。因此,脫空的無損檢測研究主要集中在GPR法或基于FWD和GPR的聯合檢測方法上。

3 結語

脫空病害的識別對于處治方案的設計十分關鍵,當前檢測識別技術仍有必要進一步研究改進:

(1)快速識別路面板下狀態,僅正確作出定性判斷仍遠遠不夠,還應進一步研究可判斷出需要處理的脫空區域的精確位置和幾何形態的技術。

(2)部分識別技術雖只能提供脫空定性結果,但仍應簡化其儀器設備。