基于紅外熱像儀技術(shù)的瀝青混合料析離現(xiàn)象研究

汪建明

(甘肅省公路航空旅游投資集團(tuán)有限公司， 甘肅 定西　730030)

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基于紅外熱像儀技術(shù)的瀝青混合料析離現(xiàn)象研究

汪建明

(甘肅省公路航空旅游投資集團(tuán)有限公司， 甘肅 定西730030)

[摘要]研究主要目的是應(yīng)用紅外熱像儀技術(shù)檢測(cè)及判別瀝青混凝土粒料析離。首先以實(shí)驗(yàn)室制作模擬瀝青拌合料析離試件，包括相同瀝青含油量試件及不同程度粗與細(xì)粒料比例級(jí)配試件，應(yīng)用紅外熱像儀拍攝，獲得試件表面輻射溫度分布，經(jīng)過資料處理找出熱對(duì)比與位置關(guān)系，初步了解析離的特征及作為溫度析離初步判別指標(biāo)。結(jié)果顯示，熱對(duì)比曲線的震蕩幅度較為平緩時(shí)，此粒料間黏結(jié)較好較為密實(shí)，反之，熱對(duì)比曲線的震蕩幅度較為大時(shí)，熱對(duì)比有較明顯的差距，此粒料間可能有析離或孔隙產(chǎn)生。此可說明析離試件有較大的熱對(duì)比變化，將可進(jìn)一步做為現(xiàn)場(chǎng)析離的指標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]無(wú)損檢測(cè)； 熱影像儀； 析離

1概述

瀝青混凝土析離長(zhǎng)久以來(lái)是指富含粗顆粒料局部分布于路面某一區(qū)域而細(xì)粒料局部分布于另一區(qū)域的路面上。富含粗粒料的區(qū)域經(jīng)常呈現(xiàn)較高孔隙率及較低瀝青含油量，也因?yàn)槿绱?，路面含有粗顆粒料析離區(qū)域經(jīng)常造成嚴(yán)重的瀝青混凝土性能問題，包括降低密度、減少勁度、減少抗拉強(qiáng)度、減少疲勞壽命。在另一方面，富含有粗顆粒析離區(qū)則經(jīng)常呈現(xiàn)低孔隙率及高瀝青含油量，因此造成析離區(qū)域局部下陷，造成不均勻表面紋理，而加速早期破壞。雖有傳統(tǒng)性檢測(cè)方法，但屬破壞性檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)挖取檢測(cè)試件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完畢后，須將挖取部分填滿，檢測(cè)范圍小、耗時(shí)、費(fèi)力。利用紅外熱像儀進(jìn)行瀝青混凝土無(wú)損檢測(cè)方式，可做大范圍損害評(píng)估，進(jìn)而評(píng)估析離的瀝青混凝土對(duì)路面的影響。Christopher等人[1]，針對(duì)兩種不同的公稱最大粒徑，13.2 mm及25 mm及兩種不同的粒料型態(tài)，石灰?guī)r及礫石級(jí)配，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)有路面及熱拌瀝青廠熱影檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)熱影像儀用來(lái)檢測(cè)瀝青混凝土的效果似乎不大，除非再加上目視加以輔佐，同時(shí)熱影像儀無(wú)法檢測(cè)當(dāng)析離發(fā)生在路面下的狀況。Mahoney等人[2]利用熱影像儀測(cè)華盛頓州交通部的路面計(jì)劃并在溫度大的位置注記。接著在路面較冷區(qū)鉆芯取樣13組，并于實(shí)驗(yàn)室獲得這些試樣的級(jí)配分布，瀝青含油及孔隙率，從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在路面較冷區(qū)的孔隙比平均高于3.9%，但在級(jí)配及瀝青含油量去無(wú)明顯析離現(xiàn)象。Stephen等人利用熱影像儀技術(shù)來(lái)偵測(cè)瀝青混凝土鋪筑時(shí)所產(chǎn)生析離位置，檢測(cè)結(jié)果顯示，溫度差確實(shí)與瀝青混凝土材料性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)說明溫度差大于13.9 ℃時(shí)，德州的瀝青混凝土有析離問題?；诖?，他們發(fā)展PAV-IR系統(tǒng)并連結(jié)PAV-IR軟件套件作為收尋并顯示析離可能位置，以提供鋪筑機(jī)操作者降低瀝青鋪筑所造成析離問題，進(jìn)而減少路面提早破壞可能性。Henault等人[3]在康狄州選擇11個(gè)正在進(jìn)行路面計(jì)劃，研究發(fā)展瀝青混凝土施工時(shí)降低溫度差的方法，并探討溫度析離與粒料析離是否存在某種關(guān)系及熱影像儀是否可以用來(lái)辨識(shí)粒料析離。研究發(fā)現(xiàn)在路面較冷區(qū)的孔隙率只有些微高于鄰近路面，這與之前研究者有些不同，他們推測(cè)可能歸因于良好的壓實(shí)施工。溫度析離與粒料析離相互獨(dú)立，但也能同時(shí)存在。溫度析離與粒料析離無(wú)法利用熱影像儀技術(shù)來(lái)區(qū)別，但作者們?nèi)哉J(rèn)為熱影像儀是一個(gè)有效方法來(lái)檢測(cè)瀝青混凝土施工的溫度差。

因此瀝青混凝土的析離有2種： ①粒料析離； ②溫度析離。溫度析離是指瀝青路面上有一單獨(dú)區(qū)域的溫度明顯與其他位置瀝青路面不同，而粒料析離是指瀝青路面上有一單獨(dú)區(qū)的顆粒尺寸分布明顯與其他位置瀝青路面不同。溫度析離與粒料析離是不相同因素所造成，但有可能相同存在于路面上，因而造成區(qū)別這兩種析離困難，溫度析離可以由紅外熱像儀技術(shù)來(lái)檢測(cè)出，粒料析離較難由紅外熱像儀技術(shù)來(lái)辨識(shí)。大部分研究者都用溫度差，即析離區(qū)溫度與鄰近正常區(qū)溫度之差，檢測(cè)溫度析離，但當(dāng)用溫度差作為溫度析離的指標(biāo)時(shí)材料的傳導(dǎo)特性卻被多數(shù)研究者忽略，以致熱影像儀的功能未能完全發(fā)揮。 本研究目的是應(yīng)用紅外線熱影像技術(shù)檢測(cè)瀝青混凝土粒料析離，利用不同粒料配比進(jìn)行熱影像拍攝，并借由拍攝照片分析是否有粒料析離的現(xiàn)象。經(jīng)由熱影像圖片可以清楚顯是各不同配比粒料試件照射試件的輻射溫度，經(jīng)由計(jì)算各不同配比粒料熱對(duì)比找出粒料析離特征、析離程度和范圍。

2研究方法及步驟

2.1研究方法

本研究應(yīng)用紅外熱像儀照射不同粒料析離試件，析離試件的粒料級(jí)配分為無(wú)析離、輕度、重度析離三種。目前現(xiàn)場(chǎng)采用溫度差作為析離判別準(zhǔn)則，而溫度差較難判別粒料析離，因此嘗試以熱對(duì)比作為粒料析離指標(biāo)。紅外熱像儀是通過非接觸探測(cè)紅外線能量，任何物體以熱的形式發(fā)射紅外線輻射，當(dāng)物體一旦受到熱源加熱，物體表面輻射溫度下降，直到與環(huán)境溫度平衡，熱的傳播與物體材料熱性質(zhì)有關(guān)，例如熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱比容及密度。當(dāng)路面呈現(xiàn)粗顆粒分布時(shí)，在顆粒間將有較大的孔隙比例，這將導(dǎo)致這區(qū)域?yàn)r青混凝土的加速冷卻，換言之，呈現(xiàn)較低的溫度，相反地，瀝青混凝土呈現(xiàn)較密或較細(xì)顆粒分布時(shí)，續(xù)熱時(shí)間較久，而使得這區(qū)域呈現(xiàn)較高溫度?；谶@個(gè)結(jié)果，紅外熱像儀因可應(yīng)用在辨識(shí)瀝青混凝土的粒料析離。

2.2研究步驟

2.2.1制作析離瀝青混凝土試件

本研究采用的瀝青為90號(hào)道路石油瀝青，粒料源自某拌合站的河床料。將選定3種不同級(jí)配粒料(見圖1)，這3種粒料級(jí)配是根據(jù)密級(jí)配瀝青混凝土規(guī)范配比來(lái)調(diào)整，將粒料放置170 ℃烘箱烘干1 h將與含油量5.5%瀝青拌合，兩者拌和溫度157 ℃～161 ℃ ，兩者拌合90 s，完成拌合。迅速將拌合后瀝青混凝土，倒進(jìn)木制作30×30×66 cm模型里，試件的壓實(shí)為自制的圓柱體混凝土滾輪來(lái)回滾壓50次后，放置恒溫24 h后，再來(lái)拆模，完成瀝青混凝土試件。圖2(a、b、c)分別為無(wú)析離、中度析離、重度析離瀝青試件。試件制作完成后，在試件上橫向標(biāo)示3條線從上到下分別為A-A測(cè)線、B-B測(cè)線、C-C測(cè)線，縱向標(biāo)試3條線從左到右分別為D-D測(cè)線、E-E測(cè)線、F-F測(cè)線，以供熱影像儀檢測(cè)讀取線上溫度。

圖1　瀝青混凝土級(jí)配曲線圖Figure 1　Asphalt concrete grading curve

(a) 無(wú)析離(b)中度析離(c) 重度析離

2.2.2實(shí)驗(yàn)室熱影像儀檢測(cè)

① 建立熱影像儀系統(tǒng)。

本研究熱影像儀系統(tǒng)設(shè)備包括紅外熱像儀、加熱器、筆記型電腦、數(shù)位攝影機(jī)及溫度計(jì)。紅外熱像儀是美國(guó)FLUKE公司出產(chǎn)的TIR4FT紅外熱像儀(見圖3)，溫度解析度0.1 ℃，而加熱器為自制鹵素?zé)艏訜崞鳌?/p>

圖3　TIR4FT紅外熱像儀Figure 3　TIR4FT infrared thermal image instrument

② 熱影像檢測(cè)。

初步經(jīng)過選定放射率及測(cè)試距離(1.0 m垂直距離)及自動(dòng)調(diào)焦及開始進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)先由加熱器對(duì)試件加熱后，加熱時(shí)間每隔5 min拍攝熱影像圖，加熱至15 min時(shí)試件溫度已大約達(dá)到60 ℃，不再繼續(xù)加熱，使其試件開始降溫，每隔5 min并拍攝熱影像圖，直到試件降至大約與環(huán)境溫度差不多相同時(shí)，停止拍攝，約1 h拍攝13張熱影像圖。

2.3熱影像資料分析

本研究從熱影像儀所拍攝可獲得試件標(biāo)示表面輻射溫度分布圖像，使用TIR4FT紅外熱像儀配套軟件分析圖像。接著分別在無(wú)析離、輕度、重度選取樣點(diǎn)，經(jīng)由配套軟件分析升溫段及降溫段變化曲線接著以下列公式計(jì)算熱對(duì)比C(t)變化曲線。

(1)

式中：Tv(t)為析離區(qū)輻射溫度；Ts(t)為環(huán)境溫度，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度為26 ℃，以上式計(jì)算各瀝青混凝土試件，制作圖表來(lái)判斷瀝青析離區(qū)域。

3研究成果

3.1瀝青混凝土試件與表面溫度變化關(guān)系

此三塊試件分別為無(wú)析離(見圖4(a))、中度析離(見圖4(b))、高度析離(見圖4(c))，拍攝加熱15 min溫度大約達(dá)到60 ℃熱影像圖，在各試件上方呈現(xiàn)溫度較低的狀況，由于上方放置保麗龍片，所以不考慮此區(qū)溫度影響。在無(wú)析離試件照射達(dá)60 ℃熱影像圖(見圖4(a))，可以看出來(lái)表面溫度變化不大，表面溫度很平均，瀝青包裹粒料良好，加熱時(shí)平均表面溫度上升穩(wěn)定。在重度析離試件照射達(dá)60 ℃熱影像圖(見圖4(c))，發(fā)現(xiàn)有些地方溫度較高，由于含油量不足，無(wú)法包裹住粒料，孔隙率增加，有孔隙的地方，表面溫度較高，也因而呈現(xiàn)表面溫度變化較大。

(a) 無(wú)析離(b) 中度析離

(c) 重度析離

3.2瀝青混凝土試件與熱對(duì)比關(guān)系

分別在無(wú)析離(見圖2(a))、輕度析離(見圖2(b))、重度析離(見圖2(c))體上橫向標(biāo)示三條線從上到下分別為A-A測(cè)線、B-B 測(cè)線、C-C測(cè)線，縱向標(biāo)試三條線從左到右分別為D-D測(cè)線、E-E測(cè)線、F-F測(cè)線，以供熱影像儀檢測(cè)讀取線上溫度每隔約3.5 cm取一點(diǎn)溫度，每條線上各會(huì)有9點(diǎn)，觀察各試件在不同級(jí)配各測(cè)線與熱對(duì)比關(guān)系(見圖5)。在A-A測(cè)線(見圖5(a))，無(wú)析離與中度析離熱對(duì)比最大值與最小值溫差不大，此地方可能較無(wú)析離，而重度析離最大值與最小值溫差較大，此區(qū)域可能有析離。在B-B測(cè)線上(見圖5(b))，各曲線較無(wú)平緩，但重度析離在21～28 cm的地方熱對(duì)比明顯的下降，此區(qū)域可能有析離或孔隙產(chǎn)生。

在C-C測(cè)線上(見圖5(c))，重度析離曲線上，0.5～3.5 cm的測(cè)線上熱對(duì)比上升，熱對(duì)比溫差較大此區(qū)域有孔隙產(chǎn)生。在E-E測(cè)線上方(見圖2(a))無(wú)析離試件上方有明顯的粗粒料，造成照射的溫度有所落差，在無(wú)析離的曲線上有明顯的震蕩(見圖5(d))。在F-F測(cè)線上(見圖5(f))，重度析離曲線上，0.5～7 cm的測(cè)線上熱對(duì)比溫差較大此區(qū)域有孔隙產(chǎn)生。在熱對(duì)比最大值與最小值有著明顯的差距時(shí)，此區(qū)域可能有析離或孔隙產(chǎn)生，而熱對(duì)比曲線上下震蕩較為平緩時(shí)，而粒料之間黏結(jié)較為密實(shí)良好。

圖5　每條測(cè)線每隔3.5 cm各點(diǎn)的熱對(duì)比曲線圖Figure 5　Line every 3.5 cm each point thermal contrast curve

4結(jié)論與建議

① 在同一測(cè)線上的熱對(duì)比曲線的震蕩幅度較為平緩時(shí)，此粒料間黏結(jié)較好較為密實(shí)，反之，熱對(duì)比曲線的震蕩幅度較為大時(shí)，熱對(duì)比有較明顯的差距，此粒料間可能有析離或孔隙產(chǎn)生。

② 當(dāng)試件路面上，表面溫度熱影像圖中，有明顯的溫度較高的特征，極有可能是孔洞。

③ 本研究借由紅外熱像儀來(lái)判別是否瀝青混凝土有析離的現(xiàn)象產(chǎn)生，借由表面溫度照射來(lái)轉(zhuǎn)換成熱對(duì)比曲線圖，找出熱對(duì)比溫差距較大的地方，找出析離的區(qū)域與范圍大小。

④ 本研究制作各試件，使用相同含油量作為探討，往后可進(jìn)一步探討不同含油量與不同配比粒料表面溫度與熱對(duì)比的關(guān)系，進(jìn)而去找出粒料析離與含油量的關(guān)系。

⑤ 由于紅外熱像儀紅外熱像儀，因有環(huán)境輻射溫度的影響，因此外在環(huán)境溫度需加以考慮。

⑥ 本研究將嘗試在實(shí)驗(yàn)室建構(gòu)檢測(cè)析離程序與評(píng)估析離的瀝青混凝土對(duì)路面性能影響，進(jìn)而在現(xiàn)場(chǎng)里探討。

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Based on the Technology of Thermal Imaging Instrument Research Asphalt Mixture Separation Phenomenon

WANG Jianming

(Gansu Provincial Highway Aviation Tourism Investment Group Co， Ltd Dingxi， Gansu 730030， China)

[Abstract]Purpose of this study is to apply infrared thermal image instrument detection and discrimination of asphalt concrete aggregate separation technology.First with laboratory simulation of asphalt mix separation specimens，including the same asphalt content of specimen and different degree of coarse and fine aggregate proportion grading specimen，using infrared thermal image instrument，obtained the specimen surface temperature distribution，find the exact location of the thermal contrast and relations through data processing，a preliminary understanding of separation characteristics and temperature separation as preliminary judging index.Results show that the thermal contrast curve when the oscillation amplitude is relatively flat，good coherence between the aggregate is relatively dense，on the other hand，the thermal contrast curve of the oscillation amplitude is relatively large，the thermal contrast has the obvious gap，may have a separation between the aggregate or pore.This can explain separation specimens have larger thermal contrast change，will further serve as an indicators of the separation.

[Key words]nondestructive testing； thermal image instrument； separatio

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0055-04

[作者簡(jiǎn)介]汪建明(1973-)，男，甘肅定西人，高級(jí)工程師，研究方向：公路工程。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201312024)

[收稿日期]2014-10-29