钢桥面环氧沥青铺装层鼓包病害检测

2023-10-10崔浩斌罗传熙

科技和产业 2023年15期

李键, 崔浩斌, 罗传熙

(1.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司, 广州 510000;2.长沙理工大学交通运输工程学院, 长沙 410000)

随着新时代经济建设的高质量发展,我国钢桥建设数量呈递增趋势。因环氧沥青铺装是一种强度与力学性能较普通沥青混凝土更优的路面材料,特别是出色的高温稳定性与密水性能,被广泛地应用于钢桥面铺装中[1-2]。但环氧沥青混凝土的性能不仅受配合比设计的影响,很大程度上疲劳性能、渗透密闭性能、黏结性能也受成型时温度、水气控制、摊铺速度、碾压工艺等因素变化的影响[3]。施工过程中一旦外界水气进入铺装层中,由于环氧沥青的致密性与钢桥面的高温条件,极易出现环氧沥青铺装鼓包病害。鼓包病害是环氧沥青铺装的最大难题[4]。早期若未及时识别与处治鼓包病害,在钢桥面高温与交通荷载作用下会迅速发展,导致环氧铺装层出现裂缝、松散、坑槽等病害[5-7]。因此对环氧沥青铺装鼓包病害早期识别十分必要。黄健华等[8]通过红外热成像仪与回弹仪配合的方法检测钢桥面鼓包病害,经开挖验证准确性较高。熊春龙等[9]在无人机上搭载红外摄像头对钢桥面进行拍摄,通过探测数据进行鼓包病害分析。何明[10]提出了红外检测钢桥面鼓包病害的方法并对鼓包病害区域进行了处置。现有研究对钢桥面鼓包病害检测已突破传统观测法,逐步采用红外热成像仪,但并未进行鼓包尺寸大小与温差关联性的研究。同时,不同时间段红外检测效果明显不同,但上述文献并未对红外最佳检测时间开展研究。基于此,本文通过有限元软件分析鼓包尺寸、高度、位置对面域温差的影响差异,并对实体工程中红外检测出的鼓包病害进行开挖验证,通过拟合方法验证数值模拟与实体工程两者的相关性,最后结合广州气候条件提出一年四季最合理的检测时间,旨在准确快速地检测钢桥面鼓包病害及其尺寸大小,从而提升钢桥面整体的使用寿命。

1 模型建立及相关理论

1.1 模型建立

依托广东省广州市黄埔大桥进行有限元建模分析,钢桥面环氧沥青铺装层分两层铺筑,以标准梁段为例,长度为16 m,梁宽为35 m,路面铺装结构设计为3.5 cm环氧沥青铺装上层+3.5 cm环氧沥青铺装下层+2 cm钢板,横隔板间距为3.2 m,纵隔板中心距为3.2 m。路面铺装组合结构及三维有限元模型如图1所示,铺装层各层之间完全连续。对垂直于路线两侧的x方向及延路线方向两侧的y方向进行约束,同时模型底面完全约束,网格选择自由划分,单元类型网格采用DC3D8进行分析。

图1 三维有限元模型

1.2 热学原理

路面处于自然界中,与空气直接接触,其与大气进行热交换的方式主要有太阳辐射、路面有效辐射、空气对流热交换等,形成路面温度场。

1.2.1 太阳辐射

太阳辐射q(t)的日变化过程可采用以下函数近似表示:

(1)

式中:t为时刻,h;c为实际有效日照对数,h;q0为中午最大辐射,q0=0.131Qm,m=12/c,Q为日太阳辐射总量,J/m2;ω为角频率,ω=2π/24,rad。太阳辐射在软件中的load模块中定义。

1.2.2 气温及对流热交换

气温的日变化过程可用式(2)进行模拟:

(2)

1.2.3 路面有效辐射

路面有效辐射可采用式(3)直接实现地面有效辐射的边界条件:

qF=εσ[(T1|z=0-T2)4-(Ta-TZ)4]

(3)

式中:ε为路面发射率(黑度),沥青路面取0.81;qF为地面有效辐射,W/(m2·℃);σ为黑体辐射系数,σ=5.669 7×10-8W/(m2K4);T1|z=0为路表温度,℃;Ta为大气温度,℃;TZ为绝对零度值,TZ为-273 ℃。路面有效辐射在软件中的Interaction中定义。

1.3 环境与材料参数

1.3.1 环境温度条件

参考相关文献[12],广州市夏季气候参数如下:风速为2.1 m/s;日太阳辐射总量为16.0×10-6J/m2;日照时间为7.4 h;路面太阳辐射吸收率为0.90。本文选取广州市夏季某天24 h温度分布数据进行分析研究,如图2所示。

图2 广州市夏季温度分布数据

1.3.2 材料参数

材料参数取值参考曾国东[11]对于钢桥面铺装力学性能研究中的各项材料参数取值,具体见表1。

表1 材料参数

2 数值模拟结果分析及实体工程验证

2.1 鼓包位置对面域温差的影响

实际的钢桥面鼓包是不规则类圆锥体的形状,为了便于模型分析,采用圆锥体部件构造鼓包,研究鼓包位置(上面层层底、下面层层底)对路表面域温差的影响。

鼓包区域模拟尺寸选取7.5 cm(半径)×2 cm(高度),形状为类似圆锥体。鼓包区域位于路面结构层上面层底部,位置示意图如图3所示。

图3 鼓包区域位于路面结构层上面层底部

将构建好的模型进行基于上述条件下的温度场模拟,环氧沥青混凝土钢桥面铺装鼓包区域路表面域存在一定温差情况及铺装层结构内部温度分布如图4所示。

图4 11:00的铺装层温度云图

提取有限元模型运算结果,广州夏季全天24 h内环氧沥青混凝土钢桥面铺装鼓包(所在位置上面层底部)区域路表温度与相邻区域温度分布及规律如图5所示。当鼓包位于上面层底部时路表鼓包区域面域与正常区域在全天24 h均存在明显温差,其中在11:00段温差达到最大,为3.91 ℃。

图5 面域温度

当鼓包区域位于下面层底部时,如图6所示,进行仿真模拟,统计一天24 h内鼓包病害正上方与其相邻的路表温度,如图7所示,并同时统计鼓包分别位于上面层层底与下面层层底所造成的面域温差,如图8所示。

图6 鼓包区域位于下面层底部

图7 面域温度

图8 上、下面层温差

由图7、图8可知,鼓包位于上面层层底时对路面面域温度影响远大于其位于下面层,当鼓包位于下面层底部时鼓包区域在11:00—13:00表现出最大温差为0.39 ℃左右,不宜被红外热成像仪检测发现。因此,建议铺装完下面层后立刻进行红外鼓包检测可获得较为明显的温差,从而更加准确地判断鼓包病害。

2.2 鼓包底面积对路表面域温差的影响

为研究鼓包区域底面积变化对路表温度的影响,基于上述研究成果,设定鼓包区域位于铺装层上面层底部。鼓包区域形状依旧采用类似圆锥形,高度设定为2 cm,底面直径从15 cm减小为10、5、2 cm 4种工况,研究在各个工况下路表温度差异情况,如图9所示,最大温差见表2。

表2 不同底面直径下最大温差

图9 不同底面直径下各时段温差

由图9及表2可知,鼓包的底面积变化对路表温度差的变化影响明显,随着鼓包区域底面直径减小,路表面域温差随之减少,变化幅度明显。当底面直径为2 cm时,路表面域温差最大值在1 ℃左右,实际工作中,因环境条件也会造成面域有较小温差(通常小于1 ℃),因此在实体工程检测中以大于1 ℃为判断鼓包病害的临界温度。