水泥混凝土路面脱空及检测识别技术发展现状分析

冯永平,黎碧云,焦晓东

(1.广西壮族自治区公路发展中心,广西 南宁 530029;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

城市化发展进程中,水泥混凝土路面(简称“水泥路面”)这一经典的路面结构形式仍被广泛运用于省道及乡村道路建设。

板底脱空是水泥路面常见的病害之一,车辆荷载、不均匀沉降、翘曲(温度翘曲或湿度翘曲)均会造成道面板底脱空。脱空后的水泥板块需得到及时处治,否则将迅速产生破裂,严重影响行车质量和路面使用寿命,大幅增加维修费用和难度[1]。脱空处治前需对脱空位置及大小进行有效评定。目前脱空检测识别技术种类不少,其中以弯沉法最为常见,声振法与探地雷达法等也逐渐在工程中得到应用[2]。然而,各类脱空检测技术还不够理想,获得一种高效准确的水泥路面脱空识别方法仍是当前研究努力的方向,这对于指导水泥路面的检测、评价、维修养护将具有重要的工程应用价值。

1 脱空检测方法

1.1 人工判别法

观察相邻板的错台、唧泥、车辆通过时的翘动及听取锤击时的面板回声等均是较为常用的人工判别法。美国于1983年提出了唧泥与板底脱空的关系,认为水泥路面唧泥现象与板底脱空直接相关,若未出现唧泥则可判定为板底没有出现脱空[3-4]。在国内较为经典的是柳永江等提出的根据唧泥高度判别板底脱空情况的方法[5-6],其通过现场钻芯检验,总结了唧泥高度与脱空量的关系,并提出了基于唧泥高度的板底脱空判别标准,如表1所示。

表1 基于唧泥高度与板底脱空程度差别标准表

另外,有学者指出可根据错台高差判别板底是否脱空,认为一般情况下,5 mm内的错台高差为存在轻度脱空或路基沉降不均匀所致;高差为5～10 mm则表示板底可能有中度脱空;高差>15 mm则表示板下存在重度脱空。

人工判别方法简单易行,但需知道当脱空较为严重时,病害特征才会令人察觉。受主观因素、环境条件及检测人员的专业水平等影响,人工判别法也仅能用于粗略的定性判断[7],或者只是作为某种辅助检测方法来进行判断。

1.2 弯沉判别法

弯沉是指路面结构在荷载作用下产生的竖向变形,当脱空存在时,必然导致面板弯沉增大。按加载形式,弯沉可分为静态弯沉和动态弯沉两种。

1.2.1 静态弯沉(贝克曼梁弯沉仪)

静态弯沉测量主要以贝克曼梁弯沉法(BB)应用较多。贝克曼梁弯沉仪采用的是简单的杠杆原理,通过读取测试梁后壁端点的位移推算前臂端点所测出的轮隙处回弹弯沉,测得双侧测点静态弯沉的最大峰值[8]。当实测弯沉值大于一定标准车荷载作用下路面板产生变形的限定弯沉值标准时,判定该处板底存在脱空。

一般认为,弯沉值>0.2 mm将判定为该处脱空。事实上,国内外已有不少学者对单一最大弯沉值判定法提出了质疑。加拿大学者试验研究证明仅用单一最大弯沉值评定脱空的结果与实际情形不符。同时,国内也有学者认为简单以单侧或双侧最大弯沉值作为脱空判定的标准缺乏可靠性。官建安[9]根据理论分析及实际工程检验得出按标准轴载下板角0.2 mm判断板底脱空情况对一般路面而言过于严格的结论,其建议为减少不必要的路面病害处治工作,在运用BB法的中重型货车限行区域内的“白改黑”工程中以板角弯沉0.3 mm作为板底脱空判据。

贝克曼梁加载形式与路面实际所受荷载并不相同,此外其操作不够简便、高效,不适应大面积、长里程的路面检测。

1.2.2 动态弯沉(落锤式弯沉仪)

落锤式弯沉法(FWD)采用冲击加载的方式对路面特定位置进行竖向锤击,并采用位移传感器检测以锤击中心为圆形范围内的竖向变形[10]。其能更准确地模拟出行车荷载的动力作用,被认为是较为理想的无损检测方法。

我国根据研究应用状况,将FWD三级荷载推荐设置为50 kN、70 kN、90 kN,且通常以截距法或弯沉比法判定路面是否脱空。截距法即以相关线性回归曲线截距大小判断脱空情况。弯沉比法则需分别测试同一板块不同位置的弯沉,并计算板角、板边弯沉与板中弯沉的比值,若板角弯沉/板中弯沉>3.0,且板边中点弯沉/板中弯沉>2.0时则判定为脱空。

王晓川等[11]对FWD法和BB法测得的弯沉值间的关系进行了研究分析,发现FWD截距法对板底脱空识别率较高。牛晓霞等[12]利用ABAQUS软件建立了不同脱空深度和脱空尺寸的三维模型,提出了截距法判定脱空时宜采用3 t-5 t-7 t或5 t-7 t-9 t的荷载等级,其中5 t-7 t-9 t等级荷载更适用于大厚度、高强度的板块检测。鉴于环境温度对检测结果的影响,建议选择早晚或阴天时间段检测。

应用截距法或是弯沉比法均存在各自的局限性,截距法受有效荷载限制,当测试荷载未能引起道面足够响应时将产生与实际不符的结论;弯沉比法受接缝传荷耦合影响,接缝传荷与脱空对弯沉的影响无法得到很好的区分[13]。

1.3 声振法

声振法将水泥路面板作为声学谐振子,根据其振动幅度、频率、形式以及能量损耗等振动特性判定面板连续支撑状况,其中以振动频率指标为主[14],数据采集见图1。现有的声振法基本为现场单点检测,检测板的声振信号易受来往车辆影响,故检测结果的代表性和准确性值得商榷。

图1 声振法数据采集示意图

李思源[14]对声音信号的采集、预处理方法以及声学特征值的提取进行了研究,提出了一种以声压特征值为相对指标的连续识别技术并进行了验证。彭永恒等[15]记录并分析了加速度特性、振动时间和频谱特征,发现脱空区域与非脱空区域路面板最大振幅对应的卓越频率分别为100～130 Hz和200～260 Hz。姚玲[16]比较了不同厚度板角脱空与非脱空混凝土面板声振频谱数据,结果表明测点布置于脱空区域20 cm和18 cm厚混凝土面板的最大振幅频率为200～400 Hz,布置于非脱空区域时则为500～700 Hz。同时,其试验证明力锤、敲击部位、路面板厚度、加速度传感器设置位置等均对脱空面积及深度等结果产生影响。李想等[17]开展了脱空状态动力响应研究,发现与非脱空面板相比,脱空面板的板顶最大加速度和最大应变均更大,其中对边同时脱空时最大,且其振动最大振幅对应的频率最小。

1.4 探地雷达法

大部分探地雷达(GPR)系统是基于短时脉冲原理,发射天线向地下发射雷克子波(Ricker),接收天线接收传播过程中经过散射和反射的电磁波[18]。由于介电差异,电磁波经过不同介质层时将产生不同幅值和极性的回波,形成单道波形,成为A-Scan,采集原理如下页图2所示。脱空界面介电常数差异较正常结构分界层更大,故脱空处回波幅值增大。将各个时刻的A-scan集合有序排列转换为灰度图,即可根据各层的相对亮度判断地下结构信息[19]。

图2 GPR检测原理图

在探地雷达评价水泥混凝土路面板底脱空方面,大尺寸的板底空洞探测已较为成熟,目前能准确地标定空洞的分布区域和空间尺寸。然而,板底空洞的形态各异,加上板-基层的层间脱空尺寸较小,使得脱空评价技术受限。针对该问题,葛如冰等[20-21]通过建立路面脱空的实际模型研究了薄层脱空下脱空厚度与反射波振幅大小的关系,得到了初步的脱空定量计算公式。

实际操作中,探地雷达应用于板底脱空评价的关键在于雷达扫描图像的解析。武继文等[22]通过GprMax软件仿真分析,探讨了探地雷达用于水泥混凝土路面板底脱空评价时的扫描图像特征,结果表明两个方向相反的波峰出现在充气型脱空的扫描图像脱空界面处,脱空高度<0.01 m后,波形叠加导致信号难以解析,因此无法识别板底脱空;充水型脱空的扫描图像反射波强度低,脱空通过扫描图像识别困难。

1.5 红外热成像法

由热力传导理论可知,当存在脱空现象时,水或空气填充使面板与垫层料之间存在相对隔热性结构缺陷。热传导受阻,混凝土热量难以及时向其内部传递,形成热量局部积聚,造成混凝土表面温度上升而在红外热像上出现“热斑”,其范围和程度可反映出该部位的受害程度及范围[23]。

为了实测脱空病害对水泥路面温度场的影响,马廷婕等[24]浇筑了水泥混凝土试验路段,并使用热工特性与空气相近的聚苯乙烯泡沫板填充人工设置的5个形状不同厚度为5 cm的脱空区。脱空模型红外热成像检测结果与模拟结果的对比如表2所示。结果显示,路面脱空区与非脱空区温差与脱空面积成正比,脱空面积一定、形状不同时,路面脱空区与非脱空区温差存在细小差别。应收集更多的试验和模拟数据来建立相应数据库,并配合使用高精度的测温仪器,才能提高反算准确度。

表2 脱空模型红外热成像检测结果与模拟结果对比表

张永健等[25]将红外热成像技术成功运用于高速公路旧路面改造工程中,准确地对旧水泥路面板底脱空进行了判断。但发现在骨料严重外露的磨损区域,外露骨料温度较周围区域高,其红外线温图呈现出与脱空区相似的图像,从而将引起判断误差。

2 检测方法对比分析

水泥路面板脱空是最主要破坏类型之一,评定脱空情况是其结构质量评估与维修保养的重要内容。早期的道面板底脱空判定主要依据经验,随着其他领域检测设备的引入,板底脱空判定理论不断完善;弯沉、探地雷达、振动频谱分析及热红外成像等脱空识别方法被相继提出,且得到了工程应用。不同方法的优缺点对比如表3所示。

表3 脱空检测方法对比表

目前,准确有效评价水泥路面板底脱空状况仍是存在困难的。FWD可判断路面结构力学性能,但无法确定脱空区域的几何特征;声振法识别率高但易受行车噪音干扰;GPR直观高效,但其频率和检测深度互相制约,检测图谱不易读取,且介电常数及检测环境对检测精度的影响较大,尤其是在有水的条件下,检测的精度将极大降低;红外热成像法直观、快速,但对图像处理技术要求更高。因此,脱空的无损检测研究主要集中在GPR法或基于FWD和GPR的联合检测方法上。

3 结语

脱空病害的识别对于处治方案的设计十分关键,当前检测识别技术仍有必要进一步研究改进:

(1)快速识别路面板下状态,仅正确作出定性判断仍远远不够,还应进一步研究可判断出需要处理的脱空区域的精确位置和几何形态的技术。

(2)部分识别技术虽只能提供脱空定性结果,但仍应简化其仪器设备。