钢桥面环氧沥青铺装层鼓包病害检测.pdf

第2 3卷 第1 5期2 0 2 3年 8月 科 技 和 产 业S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dI n d u s t r y V o l.2 3,N o.1 5A u g.,2 0 2 3钢桥面环氧沥青铺装层鼓包病害检测李 键1,崔浩斌2,罗传熙1(1.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司,广州5 1 0 0 0 0;2.长沙理工大学 交通运输工程学院,长沙4 1 0 0 0 0)摘要:为了探究红外热成像技术快速检测钢桥面环氧铺装层鼓包病害及其尺寸大小的准确性,基于热学原理,采用有限元软件A B AQU S模拟不同位置、尺寸下的鼓包病害,分析鼓包区域与相邻正常区域的路表面域温差表现和分布规律,并进行实体工程验证。结果表明,鼓包位置与鼓包面积对路表温度影响较大,模拟效果与实际鼓包面域温差具有良好的相关性。研究结果为红外热成像仪快速检测钢桥面鼓包病害及其尺寸和最佳检测时间提供理论依据。关键词:环氧沥青;鼓包病害;有限元模拟;实体工程验证;最佳检测时间中图分类号:U 4 1 6.1 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 1-1 8 0 7(2 0 2 3)1 5-0 1 8 7-0 7收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 4作者简介:李键(1 9 9 5),男,河南信阳人,广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司,工程师,硕士,研究方向为路面健康管理;崔浩斌(1 9 9 7),男,内蒙古呼伦贝尔人,长沙理工大学交通运输工程学院,硕士研究生,研究方向为道路维修养护技术;罗传熙(1 9 9 2),男,广东韶关人,广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司,工程师,博士,研究方向为路面健康管理。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1 0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1 6m,梁宽为3 5m,路面铺装结构设计为3.5c m环氧沥青铺装上层+3.5c m环氧沥青铺装下层+2c m钢板,横隔板间距为3.2m,纵隔板中心距为3.2m。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D C 3 D 8进行分析。781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:q(t)=0,0t1 2-c2q0c o s(m)(t-1 2),1 2-c2t1 2+c20,1 2+c2t2 4(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=0.1 3 1Q m,m=1 2/c,Q为日太阳辐射总量,J/m2;为角频率,=2/2 4,r a d。太阳辐射在软件中的l o a d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:Ta=Ta+Tm0.9 6 s i n(t-t0)+0.1 4 s i n2(t-t0)(2)式中:Ta为日平均气温,;Ta=12(Tm a xa+Tm i na),Tm a xa、Tm i na分别为日最高气温和最低气温;t0为初相位。计算时,t以小时计。气温及对流热交换在软件中的I n t e r a c t i o n中定义。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=T1z=0-T2 4-Ta-TZ 4 (3)式中:为路面发射率(黑度),沥青路面取0.8 1;qF为地面有效辐射,W/(m2);为黑体辐射系数,=5.6 6 971 0-8W/(m2K4);T1z=0为路表温度,;Ta为大气温度,;TZ为绝对零度值,TZ为-2 7 3。路面有效辐射在软件中的I n t e r a c t i o n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1 2,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1 6.01 0-6J/m2;日照时间为7.4h;路面太阳辐射吸收率为0.9 0。本文选取广州市夏季某天2 4h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1 1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 材料参数材料导热系数/W(mK)-1比热容/J(k gK)-1密度/(k gm-3)环氧沥青混凝土46 8 09 0 025 8 0钢板2 0 95 0 09 2 4.978 5 0空气9 01.0 0 51.2 2 52 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7.5c m(半径)2c m(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881 科技和产业 第2 3卷 第1 5期 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。提取有限元模型运算结果,广州夏季全天2 4h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2 4h均存在明显温差,其中在1 1:0 0段温差达到最大,为3.9 1。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2 4h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4 1 1:0 0的铺装层温度云图图5 面域温度图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1 1:0 01 3:0 0表现出最大温差为0.3 9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2c m,底面直径从1 5c m减小为1 0、5、981 李 键等:钢桥面环氧沥青铺装层鼓包病害检测 2c m4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。图9 不同底面直径下各时段温差表2 不同底面直径下最大温差鼓包底面直径/c m温差/1 53.9 11 01.9 451.4 720.7 3 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2c m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。2.3 鼓包高度对路表面域温差的影响鼓包区域底面积不变依旧采用直径1 5c m,高度由2c m减小到1.5、1、0.5c m4种工况,研究在各个工况下路表温度差异情况,如图1 0所示,最大温差见表3。图1 0 不同鼓包高度下各时段温差表3 不同鼓包高度下最大温差鼓包高度/c m温差/23.9 11.53.6 513.5 10.53.3 3 由表3和图1 0可知,鼓包在上面层底部时,鼓包区域底面积不变,随着鼓包高度的减小,面域温差也随之减少,但减小幅度较小,鼓包高度对面域温差影响较小。3 实体工程验证3.1 红外扫描结果基于上述研究成果在夏季1 1:0 0时左右,采用f i l rT G 1 6 7红外成像仪在黄埔大桥的钢桥面环氧沥青铺装上进行全断面鼓包病害检测,并对温度高于1区域进行标记,共发现3处(序号为1#、2#、3#)温度异常区域,如图1 1所示,面域温差见表4。图1 1 3处红外鼓包病害检测结果091 科技和产业 第2 3卷 第1 5期 表4 3处鼓包面域温差序号正常温度/鼓包温度/温差/1#5 8.06 0.02.02#5 8.96 2.43.53#5 9.06 1.52.53.2 现场开挖验证对上述3处红外检测异常区域进行现场切割、挖除验证,如图1 2所示,并对3处鼓包病害的尺寸进行统计,见表5。图1 2 3处鼓包开挖验证情况表5 3处鼓包尺寸序号鼓包底面积/c m2鼓包高度/c m1#7 8.5 01.2 22#1 7 7.0 21.2 03#1 3 3.2 71.2 32.3 相关性分析红外检测3处温度异常区域经开挖验证均存在鼓包病害,说明红外热成像技术可准确地检测钢桥面沥青铺装上面层鼓包病害。为分析数值模拟鼓包底面积与温差关系和红外检测中底面积与温差关系的相关性,对数值模拟下的不同底面积对应的温差进行线性拟合,同时统计实体工程检测中鼓包数据,如图1 3所示。图1 3 相关性分析由图1 3可 知,数 值 模 拟 数 据 拟 合 后 的 直 线R2=0.9 6 65 3,表明拟合后的曲线可较好地反映数值模拟中鼓包底面积与温差关系,而实体工程中3处鼓包病害检测点分布在直线附近,说明两者具有良好的相关性,数值模拟结果可较为准确地反映实际工程中鼓包区域病害的面积。4 气候对路表温度的影响基于热学原理,检测时不同的环境条件会影响检测结果。为给广州市其他钢桥面鼓包病害提供良好的检测时间依据,开展了广州一年四季不同气候条件下的模拟研究,鼓包尺寸选用底面直径采用1 0c m,高度采用0.5c m的模型。参考相关气象文件1 2,广州市2 0 2 2年春、夏、秋、冬环境参数见表6,通过数值模拟计算结果,绘制不同季节鼓包 区域与其相 邻区 域 面 域 温 度 如图1 4所示,同时,统计不同季节面域最大温差出现的时间及其大小,见表7。表6 环境参数季节风速/(ms-1)日太阳辐射总量/(Jm-2)日照时间/h路面太阳辐射吸收率春1.81 0.2 61 064.4 10.9夏2.11 61 067.4 00.9秋1.91 4.81 066.2 30.9冬1.91 1.8 31 065.6 10.9191 李 键等:钢桥面环氧沥青铺装层鼓包病害检测 图1 4 一年四季鼓包区域与其相邻区域面域温度表7 不同季节最大温差季节温差最大出现时间(最佳检测时间)温差/春季1 2:0 02.1 0 79夏季1 1:0 01.9 3 84秋季1 2:0 02.0 6 63冬季1 2:0 02.5 2 29 由表7可知,同一鼓包病害一年四季路表面温差差距不大,广州市钢桥面铺装鼓包病害最佳检测时间春、秋、夏季为1 2:0 0,夏季最佳检测时间为1 1:0 0。5 结论参考广州市2 0 2 2年气候文件,基于黄埔大桥实际工程,采用有限元数值模拟技术对不同工况下的钢桥面铺装鼓包病害进行仿真模拟分析,结合实体工程进行验证,得出如下结论:1)数值模拟结果表明,鼓包底面积大小对面域温差影响较大,鼓包病害出现在下面层时,面域温差不明显,建议实体工程铺装完下面层后且在上面层铺筑前进行红外热成像仪鼓包检测工作。2)实体工程开挖验证表明,数值模拟结果与开挖验证结果具有良好的相关性,红外热成像技术不仅可以检测鼓包病害的存在,且可进一步推算其尺寸大小。3)基于热学原理,提出了广州市钢桥面铺装鼓包病害最佳检测时间春、秋、夏季为1 2:0 0,夏季最佳检测时间为1 1:0 0。参考文献1 竹晓华.钢桥面铺装层间抗剪性能室内试验研究J.科学技术与工程,2 0 1 3,1 3(2 7):8 2 1 7-8 2 2 1.2 许菁.钢桥面环氧沥青铺装病害处治技术J.山西建筑,2 0 1 9,4 5(1 3):1 4 3-1 4 4.3 张林艳,赵映琴,封基良,等.环氧沥青混合料施工质量控制研究进展J.科学技术与工程,2 0 2 2,2 2(2 0):8 5 7 7-8 5 8 7.4 彭政玮,马杰灵,湛文涛,等.部分长江大桥钢桥面铺装常见病害分析与处治建议J.公路与汽运,2 0 2 1(5):1 3 8-1 4 1.5 谢飞,谢智荣,肖百豪.正交异性钢桥面铺装病害分析及维修对策研究J.公路与汽运,2 0 2 0(5):1 2 5-1 2 8.6 徐伟,周嘉博,庄国艺.环氧沥青钢桥面铺装使用周期的性能表现与养护维修J.筑路机械与施工机械化,2 0 1 8,3 5(8):3 0-3 4.7 白海鹰.环氧沥青钢桥面铺装和常见病害处治J.城市建筑,2 0 1 9,1 6(1 7):1 6 3-1 6 4.8 黄健华,张辉,孙敏,等.崇启大桥环氧沥青铺装检测与养护技术研究J.上海公路,2 0 1 9(1):7-1 0.291 科技和产业 第2 3卷 第1 5期 9 熊春龙,李伟雄,聂文,等.桥面铺装层鼓包探测装置、系统和无人机:C N 2 0 9 9 7 9 5 1 2 UP.2 0 2 0-0 1-2 1.1 0 何明.钢桥面环氧沥青混凝土铺装鼓包病害检测与机理分析J.广东土木与建筑,2 0 2 1,2 8(8):1 2 3-1 2 5.1 1 曾国东.钢桥面铺装力学行为与疲劳性能影响因素评价研究D.广州:华南理工大学,2 0 1 8.1 2 国家统计局.中国统计年鉴2 0 2 2M.北京:中国统计出版社,2 0 2 2.B u l g e sD i s e a s eD e t e c t i o no fE p o x yA s p h a l tP a v e m e n t o nS t e e lB r i d g eD e c kL I J i a n1,C U IH a o b i n2,L UOC h u a n x i1(1.G u a n g z h o uX i a o n i n gI n s t i t u t eo fR o a d w a yE n g i n e e r i n g,G u a n g z h o u5 1 0 0 0 0,C h i n a;2.S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,C h a n g s h aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,C h a n g s h a4 1 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h ea c c u r a c yo f t h e i n f r a r e dt h e r m a l i m a g i n gt e c h n o l o g yi nt h er a p i dd e t e c t i o no f t h eb u l g i n gd i s e a s eo fe p o x yp a v e m e n t l a y e ro ns t e e l b r i d g ed e c ka n d i t s s i z e,b a s e do n t h e t h e r m a l p r i n c i p l e,t h e f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r eA B AQU Sw a su s e d t os i m u l a t e t h eb u l g i n gd i s e a s eu n d e rd i f f e r e n tp o s i t i o n sa n ds i z e s,a n a l y z e t h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dd i s t r i b u t i o n l a wo f t h e r o a ds u r f a c eb e t w e e nt h eb u l-g i n ga r e a a n d t h e a d j a c e n t n o r m a l a r e a,a n dc o n d u c t t h ep h y s i c a l e n g i n e e r i n gv e r i f i c a t i o n.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e l o c a t i o no f t h eb u l g e a n d t h ea r e ao f t h eb u l g eh a v e ag r e a t i n f l u e n c eo n t h e s u r f a c e t e m p e r a t u r e,a n d t h e s i m u l a t i o ne f f e c th a s ag o o dc o r r e l a t i o nw i t h t h e a c t u a l t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f t h eb u l g e a r e a.T h e r e s u l t sp r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e r a p i dd e t e c t i o no f s t e e l d e c kb u l g i n e s s,i t s s i z e a n d t h eb e s t d e t e c t i o nt i m eb y i n f r a r e dt h e r m a l i m a g e r.K e y w o r d s:e p o x ya s p h a l t;b u l g i n gd i s e a s e;f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n;p h y s i c a l e n g i n e e r i n gv e r i f i c a t i o n;o p t i m u md e t e c t i o nt i m e391 李 键等:钢桥面环氧沥青铺装层鼓包病害检测