基于无损检测的方法及设备

魏新宇1

摘要：综合介绍了国内外在路面使用性能无损检测上的最新技术及相关的研究领域。在此基础上，分析了我国在新型检测设备的应用和相关研究方面的现状与不足，探讨了未来的发展趋势。

关键词：路面无损检测；路面弯沉；抗滑能力；平整度；车辙

1研究背景

钻孔取芯的道路有损检测方法虽然能够直观可靠的观察出道路的损坏情况，但是它的局限性很大，如损坏路面，取芯的代表性差，效率低，成本高。而道路的无损检测可以有效地避免这些弊端。而且道路无损检测还可以检测道路的各个方面的性能，如：弯沉检测（路面强度检测），断面检测（平整度与车辙），抗滑能力检测，路面破损采集，探地雷达测试（路面厚度测试）和施工过程中造成的离析。沥青混凝土路面施工过程中造成的离析是路面早期损坏的主要原因之一，严重影响了沥青混凝土路面的使用寿命[1]。

2无损检测的内容

平整度是评定路面质量的重要指标，是道路使用者判断道路好坏的直接依据，检测工具：水平仪、三米直尺（精度低、速度慢），连续式平整度仪（重复性差、检测速度慢）。

而车辙常用的检测设备是路面横断面仪和横断面尺，连续式激光断面仪是检测平整度和车辙的较好设备，正常测试速度为80km/h，并且同时还可以测量横坡、纵坡、转弯曲率等指标。

目前车载或车牵引的高速自动化路面抗滑能力测试设备主要有3种：横向力系数测试仪、刹车式摩擦系数测试仪、不完全刹车式摩擦系数测试仪[2]。横向力系数测试仪是在我国应用最为广泛的自动摩擦系数仪，该设备的基本原理是：设定试验轮与行车方向成一定角度，以便产生一个同试验轮平面垂直的横向力，该横向力与试验轮对路面荷载的比值即为横向力系数，横向力系数反映的是车辆在路面上侧滑的危险性，正常测试速度约50km/h。

3无损检测的一些方法与设备

3.1落锤式弯沉仪

落锤式弯沉仪（FWD）是应用较为广泛的弯沉检测设备。它的基本原理是通过液压系统提升和释放荷载块对路面施加冲击荷载，荷载大小由落锤质量和起落高度控制，荷载时程和动态弯沉盆均由相应的传感器测定。研究表明，FWD的冲击荷载与时速为60-80km的车辆对路面的荷载相似，可以较好地模拟行车荷载作用，并且测速快，精度高。

继FWD之后，新一代弯沉RWD（滚轮式弯沉仪）采用高频激光扫描，连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉，测试速度约88.5km/h。RWD的最大优点是：所记录的是真实受力状态，而不是模拟荷载状态下的弯沉，并且测速远大于FWD，因此对交通的影响较小。

采用FWD进行弯沉检测、模量反演性能评价及剩余寿命预测等试验和分析。

3.2探地雷达

探地雷达（简称GPR）剖面测量，是利用电磁波在路面结构层和路基中的传播和反射，根据回波的传播时间、波幅与波形，确定目标体的空间位置及结构厚度，路面雷达的测试速度通常约60km/h左右。

1994年美国研发了首台专门用于道路工程检测的探地雷达，探地雷达的工程经验积累和技术储备显得很有限，对于道路工程的施工质量评价处于起步阶段，大多数研究关注路面结构层厚度检测、道路空洞评价和病害检查等领域。

探地雷达系统能获得路面结构的介电常数，沥青的介电常数为2.8~3，干燥集料的介电常数为8~10，空气的介电常数为1。由于沥青路面是由集料、沥青胶浆和空气组成的多相离散性材料，根据电磁混合理论，可以通过介电常数预测其密度，沥青路面的空隙率较小，则说明空气含量较少，沥青路面的介电常数越大，则其密度较大；若沥青路面的空隙率较大，则说明空气含量较多，沥青路面的介电常数越大，则其密度越小[3]。

探地雷达电磁波以垂直的方式入射到路面结构时，会在不同结构层交界处产生反射和透射现象。两种结构材料的相对介电常数会对电磁波在不同结构界面上的反射振幅产生影响，即两种材料的介电常数差别越大，其反射振幅也越大，即可清楚的识别出路面结构。反之，若两种材料的介电常数差别很小，则反射振幅会很微弱，进而无法分清楚沥青路面结构。

利用探地雷达进行厚度检测的关键环节是确定电磁波在沥青路面结构层中的传播时间（决定因素：结构层厚度与相应波速）以及确定沥青路面各结构层的介电常数。

探地雷达一次可以获得很多测点的介电常数，若采用钻芯取样法获取对应测点的密度是不现实的。因此，采用无核密度仪来测量沥青路面密度，该设备是通过发射环形磁场，并通过相应内置经验公式与程序，用以探测沥青路面或其他结构层的介电常数，根据预测模型将电磁信号数据转化成密度数据。

常用方法为选择一个1.5m×1.5m的面积，并将这个区域划分为均匀的5个圆形，分别对这些位置进行测量，取其平均值即为标定面积中心的无核密度仪的密度代表值，并在该点钻芯取样，实测沥青路面试样的密度，将无核密度仪的密度代表值除以实测密度得到修正系数，进而可以用以标定无核密度仪的检测数据。

在此，需要强调一下无核密度仪的标定方法：在准备检测的沥青混凝土路段，选择一个干燥、清洁的区域，面积约为1.5m×0.75m，将这个区域划分为3个圆，分别获得每个圆的5个位置密度读数，分别在每个圆圈的中心取芯，测量芯样的高度与密度，将芯样密度除以无核密度仪测量密度得到修正系数，进而可以保证无核密度仪的精确度[4]。

3.3工业CT

工业CT系统对沥青路面试样进行无损扫描，获得其内部结构信息，评价集料分布状态，能够很好的建立沥青路面的集料分布状态与介电常数、密度等参数存在着相关关系。

旋转压实成型的沥青混合料芯样，其空隙率随着沿着深度方向呈现两端大中间小的现象，现场取芯的空隙率则表现为顶部大下部小的现象。

对比各类工业CT对沥青混合料的实际扫描效果，对马歇尔成型试件进行了伪三维分析，结论为集料面积比分布由上至下逐渐递增，空隙率分布由上至下逐渐递减。

应用工业CT技术与有限元方法，建立了沥青胶浆、空隙和集料的模型，并虚拟仿真了劈裂试验，该研究表明，集料与孔隙的分布能够对最大拉应力产生重大影响。

3.4激光纹理仪

激光纹理仪的工作原理：采用激光脉冲反射原理来测定路面构造深度的。发射红外光线到路表面，光接收器通过透镜接收反射光。射光和反射光之间的角度就可根据反射光射到光传感器上的位置来确定，激光传感器到目标的距离就可根据该角度和激光传感器的光学几何尺寸计算出来[5]。

对于新铺筑的沥青混凝土路面，为避免高温对设备造成的不良影响，通常在施工后间隔1d或0.5d再用激光纹理仪对路面的构造深度进行测量。选择一段长度为200～300m有代表性的路段，利用皮尺对选定的路段区域进行纵向（行车方向）和横向（垂直行车方向）网格划分；然后，沿着路面纵向以3～6km/h的步行速度推动激光纹理仪，每10m便得到一个区域的测量结果平均值，连续测量得到整个路段的构造深度数据。

参考文献

[1]王端宜，张肖宁，王绍怀．表面离析作为沥青混凝土路面施工质量评价指标的研究［J］．公路，2005（1）：14-16．

[2]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]刘涛.基于无损检测方法的沥青路面介电特性与施工质量评价研究[D].华南理工大学，2016.

[4]张蓓，蔡迎春，王复明，等．无核密度仪（PQI）在沥青路面施工质量控制中的应用［J］．公路交通科技（应用技术版），2006（4）：17-19．

[5]迟凤霞，张肖宁，薛忠军，等．基于激光纹理仪的沥青路面表面离析评价方法［J］．中国公路学报，2008（5）：1－5．