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行业动态

桥面板无损检测方法
发布时间:2022年05月29日


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

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 HCP 布置图

 

(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 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。