淺談瀝青路面非均勻性檢測(cè)技術(shù)研究

路興旺

【摘要】針對(duì)目前瀝青路面早期病害嚴(yán)重，施工過程中缺乏瀝青路面非均勻性實(shí)時(shí)檢測(cè)的控制方法和標(biāo)準(zhǔn)，本文研究了瀝青路面非均勻性國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，瀝青路面施工變異控制的國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)以及路面施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)瀝青路面施工質(zhì)量動(dòng)態(tài)控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】瀝青路面，非均勻性，施工控制，檢測(cè)技術(shù)

近年來，我國(guó)瀝青路面早期病害現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，大量調(diào)查表明，路面病害與路面的非均勻性和施工質(zhì)量不佳有很大關(guān)系。非均勻性是由瀝青混合料的非均勻性和瀝青路面施工的分均勻性導(dǎo)致的。東南大學(xué)的張望（2001）和陳紅（2003）結(jié)合各自的試驗(yàn)路分別對(duì)瀝青面層包括級(jí)配、油石比、壓實(shí)度、空隙率、平整度、厚度及溫度等施工參數(shù)變異性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析認(rèn)為料源、施工工藝、施工機(jī)械、施工配合和檢測(cè)手段等是造成變異的主要原因，最后提出了減小施工參數(shù)變異性的措施。根據(jù)之前的大量研究，對(duì)于影響瀝青路面不均性的因素，總的可以歸結(jié)為于材料、設(shè)計(jì)、施工工藝參數(shù)、機(jī)械等變異引起路面質(zhì)量波動(dòng)，并在路面上表現(xiàn)出來的路面質(zhì)量不均勻和不穩(wěn)定；從其分布特征看，有縱向非均勻性、橫向非均勻性和豎向非均勻性。種種引起變異的因素有屬于偶然原因引起，有的是系統(tǒng)原因引起，要克服這些偶然的和系統(tǒng)的原因，需要研究瀝青路面非均勻性國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顟B(tài)、控制措施以及各種先進(jìn)的檢測(cè)手段。

1.瀝青路面非均勻性國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

瀝青路面非均勻性的一種表現(xiàn)形式是路面離析，有關(guān)離析對(duì)路面性能的影響，美國(guó)NCHRP 441項(xiàng)目[1]做了大量研究，研究認(rèn)為在許多能潛在引起熱拌瀝青路面破壞的因素當(dāng)中，影響最嚴(yán)重的當(dāng)屬瀝青混合料的非均勻性；研究還表明材料的回彈模量、動(dòng)態(tài)模量及抗拉強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)隨著離析程度的加深而降低，路面的滲透性隨著粗集料離析的增加而增加。另外該研究還調(diào)查了其他六個(gè)州的路面狀況顯示：疲勞裂縫或縱向的裂縫也與路面產(chǎn)生離析有很大關(guān)系。

瀝青混合料離析直接或間接的導(dǎo)致路面服務(wù)水平下降，促使了路面破壞加速，最終路面產(chǎn)生松散、縱向裂縫、疲勞裂縫和車轍等早期破壞。美國(guó)一項(xiàng)研究報(bào)告[2]指出，僅僅為處理集料離析損壞所消耗的資金，從路面最初成本的10%增長(zhǎng)到50%，例如，在Michigan開展的研究，預(yù)計(jì)嚴(yán)重離析、較嚴(yán)重離析和中等離析的瀝青路面設(shè)計(jì)壽命將分別平均降低73%、57%和56%，更甚的由離析引起的縱向裂縫也將導(dǎo)致路面服務(wù)壽命降低50%；在Virginia調(diào)查發(fā)現(xiàn)，路面服務(wù)壽命降低的10%是由于輕度離析造成的。Elton（1989）研究認(rèn)為，避免離析的最佳混合料設(shè)計(jì)是采用在最大密度級(jí)配曲線（A-Line，n=0.45）附近的具有良好的集料級(jí)配。瀝青含量的大小也影響混合料的離析程度。Brock（1986）研究認(rèn)為，混合料中瀝青含量的輕微增加能顯著地減少混合料的離析現(xiàn)象，并建議在瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，取瀝青含量=最佳瀝青用量+0.2%。為了減少瀝青混合料的變異性，任永利等人（2007）針對(duì)目前國(guó)內(nèi)公路建設(shè)中瀝青路面集料加工質(zhì)量差、合格率低的缺點(diǎn)，從調(diào)查超過30個(gè)合同段瀝青路面集料加工所用篩孔和集料級(jí)配的變異性入手，找到并利用一組標(biāo)準(zhǔn)化篩孔的篩網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模集料加工；李立寒等人（2004）在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了在瀝青面層施工過程中瀝青混合料材料組成的變化，特別是級(jí)配組成的變化特點(diǎn)，分析了現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度和空隙率變化及其分布特征，從而掌握瀝青路面施工質(zhì)量特征。

2.瀝青路面施工變異控制研究動(dòng)態(tài)

為了提高瀝青路面質(zhì)量管理水平，瀝青路面施工變異動(dòng)態(tài)控制技術(shù)逐漸得到了重視。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)70年代就將動(dòng)態(tài)控制技術(shù)用于瀝青路面的嘗試，《NATIONAL ASPHALT PAVEMENT ASSOCIATION QIP 97》中也將動(dòng)態(tài)控制技術(shù)列入正常的施工控制；于1994年，我國(guó)交通部開始將動(dòng)態(tài)控制技術(shù)列入瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范附錄，并要求有條件的地區(qū)優(yōu)先推廣應(yīng)用?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）[3]同時(shí)指出：公路施工單位應(yīng)以試驗(yàn)檢測(cè)質(zhì)量指標(biāo)的變異系數(shù)（或標(biāo)準(zhǔn)差）作為施工水平的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，自行建立各項(xiàng)施工指標(biāo)變異系數(shù)的允許界限值。動(dòng)態(tài)控制技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中并未達(dá)到預(yù)期的使用效果，原因是：（1）由于看不到施工過程的生產(chǎn)參數(shù)如瀝青用量、級(jí)配等的變異與路面質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)間的明確關(guān)系，工程單位在實(shí)際操作中并不重視；（2）而由于質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)如壓實(shí)度、滲水系數(shù)等結(jié)果明顯滯后于施工，根本就不能起到及時(shí)調(diào)控的作用。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的直觀評(píng)價(jià)，薛小剛[4]依據(jù)瀝青混合料直接參數(shù)與間接參數(shù)之間的關(guān)系，繪制了瀝青混合料體積參數(shù)通用圖，通用圖具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以直觀得到混合料質(zhì)量是否合格的可接受區(qū)，并判斷所生產(chǎn)的混合料是否合格或者其偏離程度；（2）能夠直接得到不同壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)下的瀝青混合料體積狀態(tài)參數(shù)，快速判斷或預(yù)測(cè)所生產(chǎn)混合料的質(zhì)量；（3）再結(jié)合已經(jīng)應(yīng)用開發(fā)的相關(guān)軟件，將快速無損檢測(cè)數(shù)據(jù)與瀝青混合料體積參數(shù)通用圖結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)瀝青路面施工過程的實(shí)時(shí)控制，并給出相應(yīng)的調(diào)控措施。

3.路面施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

在瀝青路面施工過程中，由于施工變異而引起的路面非均勻性是很有可能發(fā)生的。目前施工質(zhì)量檢測(cè)是在隨機(jī)位置鉆芯取樣進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，這種“以點(diǎn)代面”的質(zhì)量檢測(cè)方法不能全面反映路面質(zhì)量信息，按照美國(guó)一項(xiàng)研究[2]，在一般路面施工質(zhì)量水平下，如每500m取一個(gè)樣點(diǎn)，預(yù)計(jì)要從一個(gè)樣點(diǎn)測(cè)出其為低密度區(qū)域（非均勻性）的可能性只有0.04%，常規(guī)的QC/QA檢測(cè)并不能對(duì)這種施工質(zhì)量問題提供足夠的判斷信息。所以無損連續(xù)檢測(cè)技術(shù)成為國(guó)際上路面質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

目前新興的均勻性檢測(cè)評(píng)價(jià)方法主要有熱成像（Thermal Imaging）、探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）、激光表面構(gòu)造測(cè)量（Laser surface texture measurements）等。

熱成像技術(shù)的最新應(yīng)用就是紅外熱像儀。它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠繪出整個(gè)攤鋪路的熱量分布特征；可以在施工過程中應(yīng)用，有利于承包商對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)救；加之有成熟的軟件提供進(jìn)程控制圖，所以業(yè)主可以用于接受或識(shí)別那些需要進(jìn)一步試驗(yàn)來判定離析的類型區(qū)域。熱成像技術(shù)的缺點(diǎn)在于僅僅在路表面和接近路表處有效；并且溫度和級(jí)配離析都會(huì)顯示“冷”域，這就需要進(jìn)一步試驗(yàn)更準(zhǔn)確的定義離析的類型。

2000年，在NCHRP Report 441中，有奧本大學(xué)國(guó)家瀝青技術(shù)研究中心總結(jié)了現(xiàn)有瀝青路面離析評(píng)價(jià)方法，提出了推薦的方法和規(guī)范，把熱成像和激光斷面儀技術(shù)應(yīng)用起來識(shí)別和度量熱拌瀝青混合料的非均勻性。

用激光斷面儀來測(cè)量表面宏觀構(gòu)造已經(jīng)有幾年的歷史，此方法來識(shí)別離析程度是通過激光斷面儀所測(cè)得的表而構(gòu)造深度，與事先假定的非離析區(qū)域表而構(gòu)造深度之間的比較來劃分的。研究表明：當(dāng)路面表面構(gòu)造深度在0.20～4.25mm之間時(shí)，激光斷面儀方法和鋪砂法之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。但對(duì)于非常粗糙的路表面構(gòu)造來說，激光斷面儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)偏低，由于激光不能穿透更深的空隙，然而砂子卻可以填充。在2003年，Jay N. Megoda，Geoffrey M.. Rowe[5]等人提出了使用激光斷面儀來識(shí)別路表面的非均勻性，并建立了與鋪砂法之問的相互關(guān)系，借此關(guān)系可以標(biāo)定激光斷面儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)瀝青路面的非均勻性。

對(duì)于熱成像在識(shí)別瀝青混合料均勻性方面的作用，瑞典研究者走在前列，同一時(shí)期芬蘭的研究者在開發(fā)探地雷達(dá)GPR，來識(shí)別施工中混合料的均勻性。之后，有對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用展開了研究，利用探地雷達(dá)GPR來評(píng)價(jià)混合料在深度方向上的特性，利用紅外熱成像技術(shù)來識(shí)別并定義混合料非均勻性的程度。聯(lián)合使用這兩項(xiàng)技術(shù)可以提供瀝青路面特性的三維概況。Manning和Holt[6]發(fā)現(xiàn)這一方法充分發(fā)揮并利用了這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)的綜合運(yùn)用能夠增強(qiáng)單一技術(shù)的使用。國(guó)內(nèi)彭勇[7]等人采用數(shù)字圖象技術(shù)研究了瀝青混合料的非均勻性。

4.結(jié)論

（1）瀝青路面非均勻性的一種表現(xiàn)形式是路面離析，離析直接或間接的導(dǎo)致路面服務(wù)水平下降，解決這一問題投入資金量過大。

（2）無損連續(xù)檢測(cè)技術(shù)成為國(guó)際上路面質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)， 熱成像技術(shù)和探地雷達(dá)GPR技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用可以充分的評(píng)價(jià)瀝青混合料的非均勻性。

參考文獻(xiàn)

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[2] Jun xia Wu. Quantification of non-uniformity in Hot-Mix asphalt pavements [D]. A dissertation submitted to the faculty of The University of Utah.2005

[3] JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].人民交通出版社，2004

[4] 薛小剛，瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化研究（長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文）2004

[5] Jay N. Meegoda， Geoffrey M. Rowe. Chamil H. Hettiarachchi， Nishantha， Bandara and Mark J. Sharrock， Correlation of Surface Texture， Segregation， and Measurementof Air Voids， FHWA-NJ-2002-026，2002

[6] Manning， D. G.， F. B. Holt. The Development of Deck Assessment by Radar and Thermography. Transportation 83 Research Record 1083. Transportation Research Board，National Research Council， Washington. D. C. 1986

[7] 彭勇.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)瀝青混合料均勻性指標(biāo)研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2005