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摘要：本文研究了利用超声波检测技术评价沥青混凝土路面裂缝和纵向接缝技术的适用性，并进行了室内试验，具有一定的理论价值和实际意义。
关键词：超声波测试；表面裂缝；自动修正；室内试验
引言
沥青混凝土表面层的开裂是沥青路面的主要损害类型之一。沥青混凝土开裂可能是因交通荷载的重复作用引起(疲劳裂缝)，或是由于路面温度场的急速波动变化引起(温度裂缝)，或者是这两者的共同作用结果。过去通常认为，沥青路面的疲劳裂缝起始于沥青层底面，并向表层扩展(从底面向上扩展的裂缝)。然而，最近的部分理论和试验研究表明：在许多情况下，疲劳裂缝起始于表面，并向下扩展(从表面向下扩展的裂缝)。温度裂缝通常是由表面向底层扩展。
为了对已开裂沥青路面选定最优处治策略，确定裂缝的开裂程度(部分深度或贯穿性裂缝)非常重要铺筑2.45~4.90 cm的AC保养层或薄层沥青罩面层对于开裂至一定深度的由表面向下扩展的裂缝是一种经济有效的处治方式。但这种方式，对于贯穿整个面层的任何类型裂缝而言只是一种临时的处治措施。
通常，路面裂缝的调查评价通过目测或钻芯取样进行。钻芯取样是一种昂贵而具有破坏性的方法，在一个工程中，只能取限定数量的芯样；而目测调查不能确定裂缝的扩展深度，无法确定基层是否已经发生损害。因此，需要开发一种简单、经济而非破损的方法用以测定裂缝通过沥青面层的扩展厚度，从而确定不同的处治措施。
传统的评价沥青路面的非破损试验方法用于评价沥青路面裂缝适用性不强。落锤式弯沉仪测试弯沉对许多参数(如路面结构层厚度和特性等)很敏感，这些参数的变化比表层裂缝的存在与否对FWD弯沉有更显著的影响，因而FWD无法探测路表浅层裂缝。探地雷达(GPR)是用于探测评价路面裂缝的准确工具，但GPR测试数据的处理需要特殊的复杂技术。
1铜版刻针接触式(DPC)超声波测试
超声波测试利用高频声波(大于20 kHz)来表征材料的特性或其缺陷。声波由一个压电式换能器产生并发出，经由材料后被接收器接收。分析接收到的信号，可以得到介质材料的重要信息。超声波测试被广泛应用于建筑材料，如金属、复合材料以及混凝土的检测中，但迄今为止在路面常规测试和沥青路面的特殊测试中，还没有广泛的应用。这是缘于在沥青路面表面进行超声波测试较为困难，以及沥青材料中测试结果的复杂性所致。
为了进行可靠的材料超声测试，在声波发送器和介质材料之间必须有很好的声学接触。传统测试混凝土结构的超声波装置上有一个压板式换能器，就是靠这个压板式发送器上的特殊双向装置实现混凝土表面和换能器的声学接触。这种双向接触压板式(CPC)换能器有如下缺点：①试验速度较慢；②粗糙表面和曲面上测量结果的重现性很低；③换能器和传感器之间信号的测试可能存在错误，而这一错误可能导致错误的试验结论。
上述问题可以通过采用铜版刻针接触式(DPC)超声波测试装置，以DPC式换能器代替CPC式换能器来解决。DCP可以用于任何表面，其测试过程采用“轻型接触”方式进行。DCP式换能器的概念是由前苏联学者于20年前提出的，并经过多年的原型设备研究确定了其耐用性。最近，这种采用DPC换能器的超声波测试装置开始应用于商业。
本研究中采用的裝置是由声控系统公司生产的UK1401。测试仪是由一个液晶显示器和两个内置的带圆锥形保护的超声换能器组成的电子装置；探针被固定在该装置侧向边缘，相距15 cm，每个探针都可以作为接收器或转送器，超声波实际工作频率为70 kHz。该装置通过测试声波在两个换能器之间的传播时间自动计算出波速，并通过液晶显示器显示该装置易于操作、自动调整，可适应测试目标的材料和表面特性，以及探针和测试目标间接触压力的大小；体积小(18.1 cm×6.5 cm×3.1 cm)、重量轻(0.4 kg)，便于携带。
2自动修正超声测试技术
沥青材料是一种较难利用超声测试的材料，其粘弹性使测试结果随频率的变化而变化；温度也对沥青材料的刚度和声学特性有显著的影响。
然而，在许多实际应用中，利用自动修正超声技术可以克服上述困难。这项技术被成功地用于评价混凝土结构的裂缝，包括声波在结构开裂与未开裂部分传播的同步测量。这些声波传播的同步评价可以消除进行初步校准的需要。
当前有很多种类型的自动修正方法，本研究中采用两种：试验1是沿着裂缝的方向并尽量接近裂缝进行测试；试验2是横跨裂缝进行量测；信号传播的速度被量测得到，不同信号的比率可计算得到，同时消除了温度对测试的影响。
UK1401量测的是信号由一个传感器传播到另一个传感器的时间。探针之间的距离是固定的，通过该装置按式(1)计算得到的信号传播速度，代表了真正的纵向波速。
式中：V表示纵向波在介质中的传播速度；t1表示试验1中信号由一个传感器到另一个的传播时间；L表示两个传感器之间的距离(150 mm)。
然而，如果横跨裂缝进行量测，信号的实际传播距离将大于两个传感器之间的距离(图1)，这反映在通过该仪器计算得到的波速减小上。
（2）
式中：V2表示试验2中纵向波的计算速度；t2表示试验2中信号由一个传感器到另一个的传播时间。
表面微裂缝的存在对波传播速度没有显著影响，试验2中信号的传播距离L2，可以按下式计算得到：
（3）
显而易见，试验1和试验2中信号传播距离与计算波速之比成反比，即：
(4)
对于表面裂缝而言，波的传播距离是裂缝深度的函数，于是试验2和试验1计算波速比率则是表征裂缝深度的一个合适指标。
3室内试验测量
为验证超声波测试沥青路面表面裂缝技术的可行性，现进行室内试验研究。利用Superpave PG58-28混合料旋转压实仪成型圆柱试件来制备4根沥青混合料梁，尺寸为：长17.15、高6.13、厚1.84 cm。
超声波测试试验在每根梁的顶面进行，记录纵向超声波产生的波速，然后，相继在每根梁上锯制3种不同深度的刻槽，以模拟不同深度(1.5~4.5 cm)的裂缝，并对不同深度刻槽时的试件进行纵向超声波速测试。表1示出了每组试验测试结果及计算结果。
(1)试验测得的波速范围为1 670~3 460 m/s；
(2)裂缝的存在导致纵向超声波表观速度减小；
(3)各个系列的测试都表现出较高的再现性，变异系数不超过2%，大部分不超过1%。
为了量化表观波速的减小，计算了带刻槽梁的测试平均波速与相应梁刻槽前测试平均波速之比。计算结果表明，在4根梁的测试结果中，刻槽深度与波速表观降低都表现出较强的相关性；并且除了2#梁最后部分的测试结果外，其他结果中波速降低百分率与刻槽深度都近似为线性关系。
当裂缝深度接近面层厚度时，裂缝深度与速度比率的关系将表现为较强的非线性。最终，当裂缝扩展到整个层厚时，信号将不能由一个传感器传播到另一个传感器，信号传播的表观波速接近为零。本研究仅考虑表层微裂缝情况，对于裂缝深度接近层厚的情况，需要进一步研究。本研究中采用的是较薄(1.84 cm)的试件，对于较厚试件，裂缝深度与速度比率关系可能会有不同。
4结束语
本文提出了利用超声波评价沥青路面裂缝和纵向接缝技术的适用性的研究成果，这项多年来成功应用于混凝土结构的评价技术，可简捷、快速及客观地用于评价沥青路面表面损害。这项技术的主要优点是它仅应用一个手持式的、使用简单的装置，不需要特殊的准备工作，就可快速地直接读取结果，其自动修正技术无需进行现场校准。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：超声波测试；表面裂缝；自动修正；室内试验
引言
沥青混凝土表面层的开裂是沥青路面的主要损害类型之一。沥青混凝土开裂可能是因交通荷载的重复作用引起(疲劳裂缝)，或是由于路面温度场的急速波动变化引起(温度裂缝)，或者是这两者的共同作用结果。过去通常认为，沥青路面的疲劳裂缝起始于沥青层底面，并向表层扩展(从底面向上扩展的裂缝)。然而，最近的部分理论和试验研究表明：在许多情况下，疲劳裂缝起始于表面，并向下扩展(从表面向下扩展的裂缝)。温度裂缝通常是由表面向底层扩展。
为了对已开裂沥青路面选定最优处治策略，确定裂缝的开裂程度(部分深度或贯穿性裂缝)非常重要铺筑2.45~4.90 cm的AC保养层或薄层沥青罩面层对于开裂至一定深度的由表面向下扩展的裂缝是一种经济有效的处治方式。但这种方式，对于贯穿整个面层的任何类型裂缝而言只是一种临时的处治措施。
通常，路面裂缝的调查评价通过目测或钻芯取样进行。钻芯取样是一种昂贵而具有破坏性的方法，在一个工程中，只能取限定数量的芯样；而目测调查不能确定裂缝的扩展深度，无法确定基层是否已经发生损害。因此，需要开发一种简单、经济而非破损的方法用以测定裂缝通过沥青面层的扩展厚度，从而确定不同的处治措施。
传统的评价沥青路面的非破损试验方法用于评价沥青路面裂缝适用性不强。落锤式弯沉仪测试弯沉对许多参数(如路面结构层厚度和特性等)很敏感，这些参数的变化比表层裂缝的存在与否对FWD弯沉有更显著的影响，因而FWD无法探测路表浅层裂缝。探地雷达(GPR)是用于探测评价路面裂缝的准确工具，但GPR测试数据的处理需要特殊的复杂技术。
1铜版刻针接触式(DPC)超声波测试
超声波测试利用高频声波(大于20 kHz)来表征材料的特性或其缺陷。声波由一个压电式换能器产生并发出，经由材料后被接收器接收。分析接收到的信号，可以得到介质材料的重要信息。超声波测试被广泛应用于建筑材料，如金属、复合材料以及混凝土的检测中，但迄今为止在路面常规测试和沥青路面的特殊测试中，还没有广泛的应用。这是缘于在沥青路面表面进行超声波测试较为困难，以及沥青材料中测试结果的复杂性所致。
为了进行可靠的材料超声测试，在声波发送器和介质材料之间必须有很好的声学接触。传统测试混凝土结构的超声波装置上有一个压板式换能器，就是靠这个压板式发送器上的特殊双向装置实现混凝土表面和换能器的声学接触。这种双向接触压板式(CPC)换能器有如下缺点：①试验速度较慢；②粗糙表面和曲面上测量结果的重现性很低；③换能器和传感器之间信号的测试可能存在错误，而这一错误可能导致错误的试验结论。
上述问题可以通过采用铜版刻针接触式(DPC)超声波测试装置，以DPC式换能器代替CPC式换能器来解决。DCP可以用于任何表面，其测试过程采用“轻型接触”方式进行。DCP式换能器的概念是由前苏联学者于20年前提出的，并经过多年的原型设备研究确定了其耐用性。最近，这种采用DPC换能器的超声波测试装置开始应用于商业。
本研究中采用的裝置是由声控系统公司生产的UK1401。测试仪是由一个液晶显示器和两个内置的带圆锥形保护的超声换能器组成的电子装置；探针被固定在该装置侧向边缘，相距15 cm，每个探针都可以作为接收器或转送器，超声波实际工作频率为70 kHz。该装置通过测试声波在两个换能器之间的传播时间自动计算出波速，并通过液晶显示器显示该装置易于操作、自动调整，可适应测试目标的材料和表面特性，以及探针和测试目标间接触压力的大小；体积小(18.1 cm×6.5 cm×3.1 cm)、重量轻(0.4 kg)，便于携带。
2自动修正超声测试技术
沥青材料是一种较难利用超声测试的材料，其粘弹性使测试结果随频率的变化而变化；温度也对沥青材料的刚度和声学特性有显著的影响。
然而，在许多实际应用中，利用自动修正超声技术可以克服上述困难。这项技术被成功地用于评价混凝土结构的裂缝，包括声波在结构开裂与未开裂部分传播的同步测量。这些声波传播的同步评价可以消除进行初步校准的需要。
当前有很多种类型的自动修正方法，本研究中采用两种：试验1是沿着裂缝的方向并尽量接近裂缝进行测试；试验2是横跨裂缝进行量测；信号传播的速度被量测得到，不同信号的比率可计算得到，同时消除了温度对测试的影响。
UK1401量测的是信号由一个传感器传播到另一个传感器的时间。探针之间的距离是固定的，通过该装置按式(1)计算得到的信号传播速度，代表了真正的纵向波速。
式中：V表示纵向波在介质中的传播速度；t1表示试验1中信号由一个传感器到另一个的传播时间；L表示两个传感器之间的距离(150 mm)。
然而，如果横跨裂缝进行量测，信号的实际传播距离将大于两个传感器之间的距离(图1)，这反映在通过该仪器计算得到的波速减小上。
（2）
式中：V2表示试验2中纵向波的计算速度；t2表示试验2中信号由一个传感器到另一个的传播时间。
表面微裂缝的存在对波传播速度没有显著影响，试验2中信号的传播距离L2，可以按下式计算得到：
（3）
显而易见，试验1和试验2中信号传播距离与计算波速之比成反比，即：
(4)
对于表面裂缝而言，波的传播距离是裂缝深度的函数，于是试验2和试验1计算波速比率则是表征裂缝深度的一个合适指标。
3室内试验测量
为验证超声波测试沥青路面表面裂缝技术的可行性，现进行室内试验研究。利用Superpave PG58-28混合料旋转压实仪成型圆柱试件来制备4根沥青混合料梁，尺寸为：长17.15、高6.13、厚1.84 cm。
超声波测试试验在每根梁的顶面进行，记录纵向超声波产生的波速，然后，相继在每根梁上锯制3种不同深度的刻槽，以模拟不同深度(1.5~4.5 cm)的裂缝，并对不同深度刻槽时的试件进行纵向超声波速测试。表1示出了每组试验测试结果及计算结果。
(1)试验测得的波速范围为1 670~3 460 m/s；
(2)裂缝的存在导致纵向超声波表观速度减小；
(3)各个系列的测试都表现出较高的再现性，变异系数不超过2%，大部分不超过1%。
为了量化表观波速的减小，计算了带刻槽梁的测试平均波速与相应梁刻槽前测试平均波速之比。计算结果表明，在4根梁的测试结果中，刻槽深度与波速表观降低都表现出较强的相关性；并且除了2#梁最后部分的测试结果外，其他结果中波速降低百分率与刻槽深度都近似为线性关系。
当裂缝深度接近面层厚度时，裂缝深度与速度比率的关系将表现为较强的非线性。最终，当裂缝扩展到整个层厚时，信号将不能由一个传感器传播到另一个传感器，信号传播的表观波速接近为零。本研究仅考虑表层微裂缝情况，对于裂缝深度接近层厚的情况，需要进一步研究。本研究中采用的是较薄(1.84 cm)的试件，对于较厚试件，裂缝深度与速度比率关系可能会有不同。
4结束语
本文提出了利用超声波评价沥青路面裂缝和纵向接缝技术的适用性的研究成果，这项多年来成功应用于混凝土结构的评价技术，可简捷、快速及客观地用于评价沥青路面表面损害。这项技术的主要优点是它仅应用一个手持式的、使用简单的装置，不需要特殊的准备工作，就可快速地直接读取结果，其自动修正技术无需进行现场校准。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。