声振法在水泥混凝土路面质量检测中的应用

刘伟

新疆路桥桥梁工程建设有限责任公司 新疆 乌鲁木齐 830000

1 引言

公路交通作为基础设施中不可或缺的一环，在国民经济中发挥着至关重要的作用。自改革开放以来，我国公路建设事业迅猛发展，公路基础设施建设和道路养护维修等投入不断加大，公路运输不仅成长为一个独立的基础性经济发展体系，同时也实现了起点到终点“最后一公里运输”，为我国物资及人力资源运输方式提供重要衔接手段。

水泥混凝土路面具有高强度、高耐久性、建设期较短、养护简便等一系列优点，是我国公路交通中主要高等级公路形式之一，对我国经济发展产生了强有力的推动作用。然而，混凝土路面在运营使用过程中也会出现各种各样的病害，其中板底脱空是混凝土路面常见病害之一。脱空使得混凝土板应力重新分配，特别是板边角位置的脱空，在行车作用下，板边角处脱空产生较大应力和竖向位移，容易导致混凝土板边角的折断或碎裂等，严重影响混凝土路面的路用性能及使用寿命。因此，对于混凝土脱空位置及病害程度的确定显得尤为重要。目前，混凝土路面脱空检测技术主要有经验法、弯沉判别法、探地雷达法等，其中经验法受主观因素影响较大；弯沉判别法操作简单但检测精度较低、速度较慢，不适用于连续检测；探地雷达法效率较高，能够直观反映混凝土路面脱空情况，但其读谱难度较大、技术要求较高。声振法是近年新兴的混凝土路面脱空检测技术，具有检测成本低、操作简单、检测效率高、技术要求低等优点，在水泥混凝土路面脱空检测中逐渐得到应用[1,2]。本文介绍声振法检测的基本原理，并依托具体应用实例，阐述声振法检测水泥混凝土路面脱空过程，以期为今后路面检测提供理论指导。

2 声振法检测基本原理

声振法主要通过敲击水泥混凝土路面板使其产生声波，利用声波振动在不同弹性介质中传播状态差异来判定水泥混凝土路面板支撑状态，以下将详细介绍其设备组成及检测原理。

（1）声振法设备简介

目前较为成熟的声振法检测设备大致可分为非连续式声振检测装置和连续式声振检测装置。非连续式声振检测装置由拾音器、连接线、数据处理装置组成，主要通过外部振动激励来产生振动（如手动锤击、微型爆炸等），然后通过拾音器收集声振信息，最后再电脑上成型声压曲线并进行处理。连续式声振检测装置主要由承载部分、激励装置、振动传感器、数据处理装置等组成，可通过车辆拖行并对路面进行规律性激励产生连续性声振，经传感器收集声振信息后，有数据处理装置进行振分析[3]。

（2）声振法检测中的振动理论

振动指物体在其平衡位置附近不断往复运动的过程，振动在介质中传播史时会因介质的性质不同而呈现不同的传播状态。声波是一种机械振动，在介质中传播时，由于介质总存在各种形式的阻尼，其振幅将出现衰减，而在混凝土、土体及空气等不同介质中传播时，由于介质对于振动的阻尼大小不同，声波在水泥混凝土板、路基及空气中传播时振幅衰减情况也不同。因此，可以利用声波振动的传播性质来判断水泥混凝土路面板下的支撑情况[4]。

（3）声振法中的波动理论

音频检测的传播介质必须是弹性介质，在外力作用下，弹性介质中质点产生位移，使得质点间间距改变，当外力撤销后，质点在范德华力的作用下又会返回原来的位置，同时形变也向下一个区域传播，进而形成声波。敲击板材主要产生其特有的莱姆波，而仅有莱姆波中的纵波可以在空气中传播，通过传感器捕捉空气中的纵波，将其转换成电信号，再经过计算机测量分析，最终得出水泥混凝土路面板下脱空位置及脱空程度。

图1 声振法检测原理

3 工程检测

（1）工程概况

某公路设计结构由上至下依次为25cm厚水泥混凝土面板、20cm厚水泥稳定碎石基层，通车3年后路面整体状况良好，但部分路面板间出现错台，重载车辆通过时有明显位移。

（2）脱空检测

经现场初步视察，发现K21+750～K22+200试验段水泥混凝土路面可能存在较为严重的脱空，故以该路段作为重点检测目标，本文采用连续式声振检测装置进行脱空检测。

确定疑似脱空点。在路面疑似脱空区域进行标记供后期重点检测。

仪器调试。专业人员将检测车、激励装置与数据处理装置连接好，在水泥混凝土路面上进行调试，确认激励装置能够使水泥混凝土路面产生适当振幅的振动，该振动幅度以振动接收装置能够完整、清晰地辨识为标准。

仪器参数设定。根据现场情况及仪器状态调整拾音器灵敏度，灵敏度调试以能够过滤杂音、完整清晰地接受激励振动为标准。

振动激励。发动检测车，并将检测车速度控制在15km/h匀速前进，开启激励装置，使激励装置按照一定频率锤击水泥混凝土路面。

数据收集与存储。接收装置开始收集声振信息，专业人员全程观察并标记特殊声振产生的位置，例如，由于坑洞、错台等引起检测装置跳动的位置，因过往车辆振动噪声过大而引起声振信息受干扰的位置等，以供声振信息修正处理使用。

仪器整理。试验段声振信息收集存储完毕后，关闭连续式声振检测装置，整理好各处的连接线路等，并断开从检测车尾部取下装置，并小心地装车拖走。

数据处理。根据计算机对检测路段机械波加速度、振动时间和频谱特征等声振信息进行处理，得出水泥混凝土路面板脱空位置及范围等信息，作为后期养护工作参考。

脱空情况判定。将采集的声振信息进行系统性分析，考虑路面行车干扰、特殊声振位置及其他自然声音等情况，发现试验段中K21+800、K21+900、K22+100等部位存在较为明显的加速度较大、振动时间较长、主频率较高等现象，因此将其判定为明显脱空[5]。

4 精度对比

采用声振法检测K21+750～K22+200试验段水泥混凝土路面后，再利用探地雷达及钻芯检测对比检测结果，对比结果如表1。

表1 脱空检测结果对比

由表1可知，采用声振法检测的水泥混凝土路面脱空状况与钻芯结果探地雷达及钻芯检测结果基本一致，声振法检测水泥混凝土路面脱空状况应用效果良好。从可操作性性及检测效率上来看，声振法具有一定优势，故该检测方法值得推广。

5 结语

声振法是近年新兴的水泥混凝土路面质量检测技术，具有良好的应用前景。为研究声振法在水泥混凝土路面脱空检测中的应用情况，本文介绍声振法检测装置类型与组成及检测基本原理，并依托于实际检测项目，对比声振法、探地雷达及原位钻芯检测精度，结果表明：声振法、探地雷达及原位钻芯及三者检测结果较为契合，声振法检测精度较高，具有一定推广价值。