基于紅外熱像儀的瀝青混合料溫度離析控制

，，

(1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(濟(jì)南)，山東 濟(jì)南 250031)

0 前言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國公路交通建設(shè)取得了巨大的成就。路面結(jié)構(gòu)形式以瀝青路面為主。隨著交通量的逐年增大，瀝青路面出現(xiàn)了不同程度的早期損壞。大多數(shù)科研工作者將解決早期病害的側(cè)重點(diǎn)放到瀝青混合料的級配、瀝青、改性劑以及施工工藝等方面，而在瀝青混合料施工溫度控制方面研究較少。

通過后期研究發(fā)現(xiàn)，正是瀝青混合料施工溫度對瀝青路面的路用性能有著關(guān)鍵性影響。瀝青作為一種感溫性材料，溫度是決定其工藝特性和使用性能的首要因素。因此，瀝青混合料的性能優(yōu)劣亦與溫度密切相關(guān)。施工時(shí)溫度的控制會(huì)直接影響到瀝青面層的壓實(shí)度、強(qiáng)度、密實(shí)性和耐久性。

隨著紅外熱像儀技術(shù)的日趨成熟，被逐漸應(yīng)用到各行各業(yè)中，亦被引用到瀝青路面施工過程中。紅外熱像儀在瀝青路面施工過程中的應(yīng)用避免了傳統(tǒng)溫度檢測方法的隨機(jī)性、延時(shí)性等諸多不足，進(jìn)一步提高了瀝青路面施工質(zhì)量。

1 紅外熱像儀測試原理

自然界任何物體，只要溫度高于絕對零度，就會(huì)不停地以電磁輻射的形式向周圍發(fā)出紅外輻射能量，紅外輻射能量的大小與物體表面溫度關(guān)系密切。

紅外熱像儀將物體發(fā)出的紅外輻射聚集到探測器上，探測器把入射的輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而將整個(gè)目標(biāo)的溫度特性處理成一個(gè)平面可見圖像，即熱圖。同時(shí)，其內(nèi)置的電子元件將該信息轉(zhuǎn)化成溫度讀數(shù)并顯示出來，也可使用專業(yè)紅外圖像處理軟件對所拍攝紅外圖像進(jìn)行全面性分析。

2 項(xiàng)目概況

本工程中面層AC—20瀝青混合料采用SUPERPAVE設(shè)計(jì)方法，瀝青膠結(jié)料采用SBS改性瀝青(I—D)，PG分級為PG76—22，設(shè)計(jì)瀝青用量4.3%，設(shè)計(jì)級配關(guān)鍵篩孔通過率如表1。

表1 設(shè)計(jì)級配關(guān)鍵篩孔通過率各篩孔(mm)的通過率/%26 51913 29 54 752 361 180 30 150 075100 095 775 463 139 425 917 47 56 34 9

設(shè)計(jì)級配最佳瀝青用量下瀝青混合料體積指標(biāo)為空隙率：3.9%、礦料間隙率：13.2%、飽和度：70.5%。

3 紅外熱像儀在混合料施工過程中的溫度跟蹤檢測

采用紅外熱像儀對瀝青混合料的出廠直到碾壓完畢過程中的溫度變化進(jìn)行跟蹤檢測，包括對裝料、卸料、攤鋪、碾壓等關(guān)鍵位置和步驟進(jìn)行觀測取像研究。

圖1是瀝青混合料裝車過程中的紅外光譜圖。發(fā)現(xiàn)拌和完畢后的瀝青混合料溫度比較均勻，為180～185 ℃。隨著混合料的裝車，邊側(cè)車廂溫度有所升高，但還是與混合料自身的料溫形成一個(gè)較大的溫差，這也導(dǎo)致了貼近車廂的混合料溫度有部分散失。

圖1 瀝青混合料裝車紅外光譜圖

運(yùn)輸車到達(dá)現(xiàn)場準(zhǔn)備卸料，揭開覆蓋后，其表面混合料的溫度為170～175 ℃。但是通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸車起斗后，瀝青混合料內(nèi)部溫度仍然在180～185 ℃。這表明，在混合料運(yùn)輸過程中，只要做好充足的保溫措施，混合料內(nèi)部溫度幾乎沒有損耗，只是其外殼溫度有所損失。

圖2 瀝青混合料卸料紅外光譜圖

由于施工現(xiàn)場靠近沿海，進(jìn)入秋季以來施工受天氣影響較大，加之當(dāng)天風(fēng)力較大。如圖3所示，攤鋪過后，混合料溫度下降了約20～25 ℃，降低至155～160 ℃，對碾壓來說，溫度已經(jīng)偏低。并且攤鋪過后，瀝青混合料溫度呈現(xiàn)帶狀分布，尤其以邊部的溫度降低最為明顯。

碾壓過程中，由于碾壓跟進(jìn)不及時(shí)和鋼輪壓路機(jī)的噴水等諸多因素，導(dǎo)致混合料溫度下降過快，以至于不能滿足復(fù)壓、終壓所需溫度。

圖3 攤鋪過后溫度紅外光譜圖

通過對裝料、卸料、攤鋪、碾壓整個(gè)過程溫度場的觀測，可以發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)輸車覆蓋措施充分的前提下，瀝青混合料的溫度損失主要發(fā)生在攤鋪和碾壓過程中，且這兩個(gè)階段溫度下降速度較快，最終影響了瀝青混合料的路用性能。

4 路面施工橫向溫度分布及相應(yīng)的PQI測定值分析

在不同天氣狀況下，采用紅外熱像儀對各施工斷面進(jìn)行施工溫度采集，并使用無核密度儀PQI對成型路面進(jìn)行壓實(shí)度檢測。以其中一臺(tái)固定板攤鋪機(jī)的攤鋪寬度作為一個(gè)采集斷面，并以攤鋪機(jī)中點(diǎn)作為“0”基準(zhǔn)點(diǎn)，左右分別測定2個(gè)點(diǎn)。

對所采集4個(gè)斷面施工時(shí)的天氣狀況和機(jī)械狀況統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 采集斷面天氣狀況采集斷面攤鋪機(jī)螺旋布料器到側(cè)擋板距離/m天氣溫度/℃風(fēng)力/級10 5晴6～153～420 5多云7～17微風(fēng)30 2多云6～144～540 2晴9～18微風(fēng)

各采集斷面的攤鋪后溫度及成型路面壓實(shí)度測定結(jié)果如表3，并繪制如圖4、圖5。

通過以上采集數(shù)據(jù)及圖表分析，可得出以下結(jié)論:

1) 采用紅外熱像儀測定的攤鋪后混合料溫度與無核密度儀PQI測定的成型路面壓實(shí)度呈正相關(guān)，混合料溫度越高，成型壓實(shí)度越大，反之則越小。

2) 攤鋪機(jī)螺旋布料器輸送混合料的過程中，不可避免地存在溫度損失的情況。當(dāng)天氣狀況相近時(shí)，偏中部混合料溫度散失較小，邊部混合料溫度損失較大。其中，邊部混合料溫度損失的大小與螺旋布料器到側(cè)擋板的距離呈正相關(guān)。螺旋布料器到側(cè)擋板的距離越大，邊部混合料溫度損失越大，反之損失越小。

表3 各采集斷面測定結(jié)果采集斷面測點(diǎn)位置/m攤鋪后溫度/℃壓實(shí)度/%采集斷面測點(diǎn)位置/m攤鋪后溫度/℃壓實(shí)度/%-2．7152．396．8-2．7154．797．2-1．4164．198．1-1．4158．597．510．0162．598．130．0160．997．81．4160．297．91．4159．297．72．7149．896．42．7155．097．4-2．7161．997．8-2．7169．798．7-1．4171．399．0-1．4175．899．220．0175．699．540．0178．099．61．4173．899．31．4176．499．42．7164．598．02．7170．598．5

圖4 各采集點(diǎn)溫度

圖5 各采集點(diǎn)壓實(shí)度

3) 天氣狀況越好，氣溫越高，風(fēng)速越小，溫度散失越小，攤鋪斷面瀝青混合料溫度的離散型越小，壓實(shí)度越均勻；反之，天氣狀況越差，攤鋪斷面瀝青混合料溫度的離散型越大，尤其以邊部的溫度離析最為顯著，壓實(shí)度亦難滿足。

4) 天氣因素對成型路面壓實(shí)度的影響程度遠(yuǎn)大于機(jī)械因素。這表明，瀝青混合料的性能對溫度因素影響尤為敏感。

5 路面施工縱向溫度分布及相應(yīng)的PQI測定值分析

目前，大部分的瀝青路面施工都沒有使用轉(zhuǎn)運(yùn)車，而是直接使用普通運(yùn)輸車。因此，瀝青路面或多或少都存在施工溫度的縱向離析。

通過紅外熱像儀對某一施工段落攤鋪溫度進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測，以每輛運(yùn)輸車所載混合料鋪筑的段落進(jìn)行7次測定，測定位置設(shè)在同一縱斷面上，并記下樁號(hào)。待路面鋪筑完畢成型后，在各個(gè)位置用無核密度儀PQI進(jìn)行壓實(shí)度檢測，結(jié)果如表4、圖6。

表4 各個(gè)車測點(diǎn)測定結(jié)果類別測點(diǎn)攤鋪后溫度/℃壓實(shí)度/%類別測點(diǎn)攤鋪后溫度/℃壓實(shí)度/%1162．497．62165．598．23171．098．5第1車測點(diǎn)4175．799．05178．199．46179．299．67173．698．88165．898．0第2車測點(diǎn)9168．298．310171．098．311178．399．412180．299．7第2車測點(diǎn)13180．599．714175．198．915168．598．216171．398．317174．999．0第3車測點(diǎn)18178．899．519180．399．620183．199．921177．499．2

圖6 連續(xù)3輛運(yùn)輸車混合料溫度分布

在現(xiàn)場攤鋪時(shí)，運(yùn)用紅外熱像儀對連續(xù)3輛運(yùn)輸車所攤鋪段落進(jìn)行了溫度監(jiān)測。通過溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)：

1) 每一輛運(yùn)料車初始卸料時(shí)，瀝青混合料溫度是最低的。這是由于運(yùn)料車起斗時(shí)，其尾部和大部分表面混合料首先被傾倒下來，而這部分混合料在整個(gè)運(yùn)料車中溫度是最低的。另外，如果沒能夠保持持續(xù)性攤鋪，攤鋪機(jī)料斗中殘存的混合料溫度也是很低的，亦會(huì)造成初始攤鋪的溫度較低。

2) 隨著卸料的持續(xù)進(jìn)行，混合料的溫度在不斷提升，并達(dá)到一個(gè)最高點(diǎn)。這部分混合料處于車廂中部，不與空氣及車廂的內(nèi)壁接觸，其溫度下降速度較緩慢，一直保持較高的溫度。

3) 到了每一車最后2個(gè)測點(diǎn)，也就是卸料的末期，瀝青混合料的溫度會(huì)有小幅度的下降。主要有兩個(gè)原因: 一是由于料車前端接觸車廂壁的混合料在運(yùn)輸過程中料溫有一定的損失；二是在運(yùn)輸車卸料完畢后，部分?jǐn)備仚C(jī)操作手有收斗的習(xí)慣，而此時(shí)攤鋪機(jī)料斗中的混合料料溫是很低的，極易出現(xiàn)由混合料溫度離析引起的成型路面片狀離析。

通過無核密度儀PQI的后續(xù)檢測(如表3、圖7)，發(fā)現(xiàn)成型路面的壓實(shí)度與溫度變化呈現(xiàn)正相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了瀝青混合料溫度控制對瀝青路面施工質(zhì)量的重要性。

圖7 連續(xù)3輛運(yùn)輸車混合料成型路面壓實(shí)度分布

通過紅外熱像儀和無核密度儀PQI的測定結(jié)果分析，告誡在后續(xù)的施工過程中:

1) 運(yùn)輸車的覆蓋措施要充分。做好車廂四周的保溫措施，尤其是上部的覆蓋，避免運(yùn)輸過程中出現(xiàn)“兜風(fēng)”現(xiàn)象。

2) 放慢攤鋪機(jī)行進(jìn)速度。既能保證瀝青路面的連續(xù)性施工，避免由于出現(xiàn)攤鋪機(jī)等料造成溫度離析的現(xiàn)象，同時(shí)又能保證路面的初始壓實(shí)度。

3) 對攤鋪機(jī)操作手進(jìn)行施工前技術(shù)培訓(xùn)，在混合料正常攤鋪過程中嚴(yán)禁收斗，避免由于收斗造成的混合料溫度離析。

6 結(jié)語

本文提出了應(yīng)用紅外熱像儀對瀝青路面施工溫度檢測的方法，通過分析各檢測環(huán)節(jié)的溫度數(shù)據(jù)，研究了施工過程中混合料的溫度變異性，并結(jié)合無核密度儀PQI的檢測結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 通過各斷面數(shù)據(jù)采集結(jié)果分析，紅外熱像儀和無核密度儀PQI對現(xiàn)場施工溫度及壓實(shí)度測定結(jié)果較為準(zhǔn)確、一致，可以快速、無損地確定發(fā)生溫度變異的部位，為瀝青混合料施工控制提供依據(jù)。

2) 紅外熱像儀對瀝青路面施工的溫度檢測有實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、全面性、針對性等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以及時(shí)反映出施工過程中存在的混合料溫度離析和機(jī)械問題，便于施工方及時(shí)采取改進(jìn)措施，保證了瀝青路面的施工質(zhì)量。

3) 紅外熱像儀和無核密度儀PQI的檢測方法簡單，耗時(shí)短，對成型路面無破損?？梢栽诙虝r(shí)間采集大量的數(shù)據(jù)樣本，對瀝青路面的質(zhì)量評價(jià)提供客觀依據(jù)。

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