路面無損檢測技術應用與發展探討

李會寧

1 技術意義

傳統檢測方法是隨機選點、鉆孔取樣、進行室內分析處理，從中獲取需要的工程參數。這種方法存在很大的局限性:首先由于被測點是隨機選擇的，因而檢測結果往往缺乏代表性。同時，由于檢測點的密度稀，使得有些存在缺陷的不良區段極易被漏檢，給后續工程留下隱患。此外，鉆芯取樣法雖然精度高，但對路面有一定的破壞，且費時費力。在公路投入使用后的日常養護管理中，雖然對路面出現的問題可以及時發現并進行處理，但對內部存在的隱蔽性病害，如空洞、積水、脫空等卻沒有較為有效的檢測手段。開展路面無損檢測與評價技術研究，將在控制施工質量、提高養護水平等方面具有重要意義。

2 主要檢測技術

2.1 頻譜分析技術

頻譜分析檢測技術是分析在不同介質中傳播表面波的頻率特性。通過在路面結構表面施加瞬時的垂直沖擊，就可以產生一組以振源為中心的具有各種頻率成分，并沿地表一定深度向四周傳播的瑞雷波面，可以通過不同的力錘重量或不同的錘頭獲得不同種頻率成分的瑞雷波面信號，并且在不同位置設置傳感器，可以檢測到波傳播的頻率，然后可以借助于頻域的互譜分析和相干分析技術，達到測試不同深度分層介質力學參數的目的。

它與傳統方法相比，具有速度快、檢測頻率高的特點。可以用于檢測路面各分層介質的厚度、均勻性以及層間的接觸情況。

2.2 圖像技術

圖像技術包括紅外成像技術和激光全息圖像技術。紅外線成像技術是依賴于不同材料介質的不同導熱性能原理，在熱源作用下，通過物體表面形成的溫度分布反映出物體表層及表層以下材料和結構的熱傳導性差異。由熱敏元件記錄出路面的等溫線，從而可以通過熱圖辯認出物體內部的結構或缺陷。激光全息技術是通過分析全息攝影得到的全息圖，再由全息圖上側取數據求出相關力學量的方法。

2.3 超聲波技術

超聲波路面檢測技術是通過發射超聲波到材料介質，接收反射波得到相關參數，進而判斷結構內部破損情況的一種新型無損檢測方法。在接收反射波得到的參數中，常以波速為主要參數。通過在介質中不同位置設置傳感器，測量超聲波在一定距離內傳播的時間，計算出波速，然后利用速度與介質強度的關系來分析力學性能，而介質的強度又與它的彈性模量、密實度、泊松比等有關，可以假定路面結構為無限大的固體介質，則其波速公式為:

其中，vL為波速，m/s;E為彈性模量，MPa;ρ為介質材料密度，kg/cm3;μ為泊松比。

從而可以通過這個關系式測定彈性模量、抗壓強度、抗彎強度等，還可以檢測材料或結構內部的缺陷。

2.4 激光技術

激光檢測路面技術是綜合運用光的衍射、光電反射、光時差三大原理來進行測試的。其中衍射原理是利用激光遇狹縫發生衍射的原理，調整狹縫的寬窄，得到屏幕上不同狹縫寬度下的明暗相干條紋，建立二者的相互關系。由相干條紋的情況來判斷狹縫寬度的變化，光電反射原理利用激光光強愈強則光電流愈強的原理，通過光電轉化器將光能轉化為電能，當激光光強發生變化時，光電流也隨之發生變化，事先標定建立光電流與位移關系，可根據光電流的變化反算彎沉位移的變化量。光時差原理是利用激光傳播速度快的原理記錄激光通過很短距離的時差。

3 主要儀器設備

3.1 彎沉測試儀器

落錘式彎沉儀(FWD)是目前應用較為廣泛的彎沉檢測設備。它的基本原理是通過液壓系統提升和釋放荷載塊對路面施加沖擊荷載，荷載大小取決于落錘質量和起落高度，動態彎沉盆由相應的傳感器測定。研究表明，FWD的沖擊荷載與時速60 km～80 km的車輛對路面的荷載相似，可較好地模擬行車荷載作用，并且測速快，精度高。目前，滾動式彎沉儀(RWD)正處于研究階段，它是采用高頻激光掃描，連續地記錄行駛中的測試車在路表產生的彎沉，測試速度約88.5 km/h。它的最大優點在于:所記錄的是真實受力狀態，而不是模擬荷載狀態下的彎沉，并且測速遠大于FWD，因此對交通的影響較小，是較為理想的彎沉檢測設備。目前美國還開發了滾動動力彎沉儀(RDD)，加載原理與RWD相似，可以同時提供路表破損攝像。

3.2 斷面測試儀器

激光斷面儀的基本原理是:通過橫向分布的若干個激光傳感器測試距離路面的高度，得到一個橫斷面，從而可以計算車轍;通過對應于輪跡位置的激光傳感器測得距離路面的高度，隨著車輛的行駛可以得到路面縱向斷面，即可計算縱向平整度。

我國常用路面橫斷面儀和橫斷面尺。20世紀90年代中后期引進了連續式激光斷面儀，其正常測試速度可達80 km/h，是目前最先進的平整度車轍檢測設備，逐漸在道路路面檢測中得到廣泛的應用，同時還可以測量橫坡、縱坡、轉彎曲率等指標。

3.3 抗滑能力測試儀器

目前車載或車牽引的高速自動化路面抗滑能力測試設備主要有3種:橫向力系數測試儀、剎車式摩擦系數測試儀、不完全剎車式摩擦系數測試儀，其中橫向力系數測試儀是我國應用最為廣泛的自動摩擦系數儀。

3.4 路面雷達

路面雷達是用于確定地下介質分布的廣譜(1 Hz～2.5 GHz)電磁技術。它利用一根天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一根天線接收來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。電滋波在不同介質中的傳播速度與介電常數存在如下關系:

其中，c為電滋波在空氣中的傳播速度，m/ns;v為電滋波在介質中的傳播速度，m/ns;ξr為介電常數;D為反射體的深度，m;t為電滋波在介質中的傳播時間，ns。

因此，根據接收到波的雙程走時、幅度與波形資料，可推斷介質的結構。

4 發展前景

1)在測試精度尤其是推定精度上需要進一步提高。2)檢測性能多元化。新型路面結構的出現，需要對其組成成分及各成分之間相互作用進行檢測，這就需要研制出新的具有綜合檢測能力的設備。3)加強合作。無損檢測理論上涉及到力學、數學、光學、電學等學科，技術上涉及到自動檢測、計算機輔助、信息處理等高新技術，同時又與工程實踐緊密結合。

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