PQI檢測(cè)影響因素分析及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證

李國(guó)鋒，黃思杰，李文輝，常 睿，馬國(guó)民，王 春

(1.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650228；2.長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青路面壓實(shí)度檢測(cè)的傳統(tǒng)方法是采用路面鉆芯，用表干法實(shí)測(cè)毛體積相對(duì)密度，根據(jù)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件毛體積相對(duì)密度或者理論最大密度計(jì)算其壓實(shí)度[1]。壓實(shí)度作為反映瀝青路面質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，不僅關(guān)乎工程質(zhì)量的好壞，還影響瀝青路面的耐久性。傳統(tǒng)的壓實(shí)度檢測(cè)方法所表現(xiàn)出的破壞性、低效率和滯后性早已不能滿足瀝青路面質(zhì)量控制要求[2-4]。國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)無損、快速、便攜式的壓實(shí)度檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，目前較為成熟的技術(shù)主要有核子密度法、微波測(cè)試法、探地雷達(dá)(GPR)法、超聲波法、CT射線法和無核密度儀法等[5-7]。

無核密度儀作為一種無損檢測(cè)技術(shù)，自誕生以來就引起了道路工作者的廣泛關(guān)注，其無損、快速、便攜式、實(shí)時(shí)控制的特點(diǎn)極大地提高了瀝青路面壓實(shí)度檢測(cè)效率和質(zhì)量控制水平，這些特點(diǎn)對(duì)科學(xué)提高中國(guó)瀝青路面施工質(zhì)量控制和質(zhì)量管理水平有著極為重要的意義。

1 PQI簡(jiǎn)介

Pavement Quality Indicator(PQI)是Trans Tech公司于1998年推出的第一款應(yīng)用于瀝青混合料密度檢測(cè)的商用無核密度儀[8]。其第一代產(chǎn)品PQI100只能檢測(cè)密度，并沒有內(nèi)置水分傳感器，因此檢測(cè)時(shí)水分對(duì)檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的影響，其密度檢測(cè)值與芯樣密度值并沒有很好的相關(guān)性。其后續(xù)產(chǎn)品PQI200則進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，增加了濕度傳感器和溫度傳感器。為進(jìn)一步提升檢測(cè)精度，TransTech公司陸續(xù)發(fā)布了PQI300、PQI301、PQI302、PQI303等密度儀[9]，采用了更精確的密度算法，同時(shí)在考慮了水分和溫度等影響因素后對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了一定程度的修正。目前，其最新型號(hào)PQI380搭載了Windows CE操作系統(tǒng)[10]，配備了LED全彩觸摸屏和GPS定位系統(tǒng)；新的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠編輯項(xiàng)目名稱、混合料類型、探測(cè)深度等細(xì)節(jié)信息，允許用戶通過USB接口導(dǎo)出和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；此外還增加了儀器的自我診斷模式，可以快速記錄儀器自身狀況。

2 PQI檢測(cè)原理

瀝青混合料的介電常數(shù)與其組成成分的介電常數(shù)有一定的相關(guān)性，同時(shí)介電常數(shù)與材料本身的性質(zhì)(如密度)有良好的相關(guān)性。然而，由于瀝青混合料是一種多組分的復(fù)雜混合物，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的散射有一定的影響，不同學(xué)者根據(jù)瀝青混合料的各組成成分的介電特性、密度、空隙率等參數(shù)研究出了不同的密度介電常數(shù)模型。例如相關(guān)學(xué)者采用介電常數(shù)檢測(cè)儀測(cè)量在2 GHz和7 GHz下，不同級(jí)配下瀝青混合料的介電常數(shù)，其密度模型分別為：

2 GHz頻率[11]

(1)

7 GHz頻率[12]

(2)

式中：ρHMA為瀝青混合料密度；εHMA為瀝青混合料介電常數(shù)；Xvoids、Xasphalt分別為空隙率(%)、瀝青含量(%)。

PQI基于阻抗譜技術(shù)(Impedance Spectroscopy)檢測(cè)其電響應(yīng)各項(xiàng)參數(shù)[13]，通過測(cè)量阻抗向量的實(shí)部和虛部參數(shù)進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換成介電常數(shù)，通過檢測(cè)瀝青混合料的介電常數(shù)，利用內(nèi)置密度算法計(jì)算出瀝青混合料的密度。

PQI檢測(cè)儀器主要分為兩大系統(tǒng)：數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和校正系統(tǒng)。檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 PQI檢測(cè)原理

3 PQI檢測(cè)影響因素分析

影響瀝青混合料介電常數(shù)的因素都將會(huì)對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響[14]，本文將從影響PQI密度檢測(cè)的因素出發(fā)，分析不同因素對(duì)PQI密度檢測(cè)值的影響。選取的因素分為內(nèi)因(集料料源、級(jí)配)和外因(溫度、水、砂、檢測(cè)深度)。

采用PQI380進(jìn)行試驗(yàn)，首先啟動(dòng)PQI380，選擇“標(biāo)準(zhǔn)化”進(jìn)行儀器自身工作狀況的檢測(cè)；檢測(cè)通過后，進(jìn)入“混合料”菜單進(jìn)行參數(shù)編輯，依次編輯混合料名稱、公稱最大粒徑、檢測(cè)深度；編輯完成后，進(jìn)入“讀數(shù)模式”菜單，根據(jù)需要選擇不同的檢測(cè)模式；最后點(diǎn)擊“檢測(cè)”開始試驗(yàn)。

3.1 料源

首先，確定瀝青混合料級(jí)配，然后采取單檔配料，4.75 mm篩孔以下的細(xì)集料采用白云巖，4.75 mm篩孔及以上粗集料分別采用玄武巖、輝綠巖、石灰?guī)r，成型3種不同集料料源的車轍板，瀝青為SBS改性瀝青。采用PQI依次檢測(cè)3塊成型并冷卻至室溫的車轍板試件，選擇“連續(xù)模式”讀數(shù)，連續(xù)記錄6個(gè)數(shù)據(jù)，以6個(gè)讀數(shù)的平均值作為該車轍板的密度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同料源車轍板密度

密度值為未經(jīng)過校正的原始數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在同一油石比級(jí)配下，不同集料料源的瀝青混合料PQI檢測(cè)密度值不同，試驗(yàn)采用的3種料源中，石灰?guī)r檢測(cè)密度值最大，輝綠巖次之，玄武巖最小。常見巖石的密度中輝綠巖為2.9～3.2 g·cm-3，玄武巖的密度為2.6～3.3 g·cm-3，石灰?guī)r的密度為2.3～3.0 g·cm-3；輝綠巖的相對(duì)介電常數(shù)約為11.6，玄武巖約為8～9，石灰?guī)r約為7[15]。輝綠巖與玄武巖的密度和相對(duì)介電常數(shù)較為接近，因此成型的車轍板密度也較為接近。這說明按相同碾壓遍數(shù)成型的車轍板，由于不同集料的壓實(shí)特性不同，石灰?guī)r組成的瀝青混合料更容易壓實(shí)，密度檢測(cè)結(jié)果更大。同時(shí)，式(1)和式(2)也表明，當(dāng)集料的相對(duì)介電常數(shù)相差不大，則瀝青混合料的介電常數(shù)相差也不大，但由于石灰?guī)r集料更容易壓實(shí)導(dǎo)致其空隙率相對(duì)較小，因此根據(jù)密度與介電常數(shù)的關(guān)系模型計(jì)算出的瀝青混合料密度更大。不同料源的試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)不同料源的瀝青混合料分別校正PQI檢測(cè)值是必要的。

綜上所述，利用PQI在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，在同一碾壓條件下，如果檢測(cè)的瀝青混合料密度相差過大，則可能是料源發(fā)生了變動(dòng)，應(yīng)引起現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)人員的特別注意。

3.2 級(jí)配

為研究瀝青混合料級(jí)配對(duì)PQI密度檢測(cè)的影響，室內(nèi)試驗(yàn)選擇AC-20型瀝青混合料，通過改變比例來變化級(jí)配，形成了細(xì)、中、粗3種級(jí)配，如圖3所示。

圖3 三種AC-20型瀝青混合料級(jí)配

選擇“連續(xù)模式”讀數(shù)，用PQI依次檢測(cè)9塊成型并冷卻至室溫的車轍板試件，以6個(gè)讀數(shù)的平均值作為該車轍板的密度，以3塊車轍板的密度均值作為該級(jí)配車轍板密度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種級(jí)配車轍板密度

圖4表明，在規(guī)范上下限范圍內(nèi)選擇的AC-20三種級(jí)配，瀝青混合料密度不同級(jí)配越粗，PQI檢測(cè)出的密度越小。實(shí)際上當(dāng)級(jí)配變粗，油石比不變，在相同的碾壓方式下，粗集配的瀝青混合料比細(xì)級(jí)配的瀝青混合料更難壓實(shí)，導(dǎo)致粗級(jí)配瀝青混合料密度減小。PQI能夠檢測(cè)出不同級(jí)配的瀝青混合料的密度波動(dòng)情況，從而為現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料級(jí)配波動(dòng)檢測(cè)提供了依據(jù)，為瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制提供了一種快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)手段。

3.3 溫度

由現(xiàn)有研究成果可知，溫度的升高會(huì)對(duì)瀝青混合料的介電常數(shù)產(chǎn)生一定的影響[16]，例如Jaselskis E J指出，在微波頻率檢測(cè)范圍內(nèi)，在溫度460 K以下，溫度增加會(huì)導(dǎo)致一定程度的介電常數(shù)增加，當(dāng)溫度達(dá)到或超過460 K后，隨著溫度的降低，介電常數(shù)將會(huì)產(chǎn)生不可逆的降低[17]，如圖5所示。

圖5 瀝青混合料介電常數(shù)隨溫度的變化(1 MHZ)

根據(jù)PQI的使用說明，PQI380集成溫度傳感器顯示溫度范圍為-17.7 ℃～177.6 ℃[18]，而PQI301的操作溫度范圍為-7 ℃～43 ℃，使用時(shí)路表最大溫度不應(yīng)超過177 ℃。TransTech公司為了修正溫度對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響，在PQI300+代中均內(nèi)置了溫度校正算法，連續(xù)記錄6個(gè)讀數(shù)后取平均值作為該次檢測(cè)值，同時(shí)為避免檢測(cè)位置變化導(dǎo)致的PQI檢測(cè)密度差異，每次檢測(cè)儀器均放置在相同位置。試驗(yàn)選用了2種類型集料，每種集料采用的級(jí)配也不相同，但均為AC-16級(jí)配。AC-16(Ⅰ)級(jí)配15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm集料和礦粉所占的百分比分別為24%、23%、16%、11%、22%、4%，油石比為4.8%，集料為白云巖；AC-16(Ⅱ)級(jí)配9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm集料和礦粉所占的百分比分別為25%、24%、20%、28%、3%，油石比為4.8%，集料為石灰?guī)r。每種級(jí)配類型均成型3塊車轍板，檢測(cè)結(jié)果如圖6、表1所示。

圖6 PQI檢測(cè)密度隨溫度變化

表1 密度檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖6表明，經(jīng)過溫度修正過后，PQI檢測(cè)的車轍板密度值隨溫度降低仍有小幅變化。表1表明，密度極差最大僅為0.022 g·cm-3，最小為0.012 g·cm-3，變異系數(shù)最大為0.35 g·cm-3，最小為0.22 g·cm-3。因此，總體看，密度值的波動(dòng)在可控范圍內(nèi)，溫度對(duì)PQI檢測(cè)的影響較小。

圖7 密度極值對(duì)應(yīng)的溫度

圖7是每塊車轍板密度檢測(cè)值隨溫度變化在密度極值對(duì)應(yīng)的溫度，結(jié)果顯示，PQI檢測(cè)的密度最大值在高溫區(qū)，即75 ℃～100 ℃區(qū)間，密度最小值在低溫區(qū)，即35 ℃～50 ℃區(qū)間。這表明PQI檢測(cè)的密度值在高溫時(shí)有偏大傾向，而在低溫時(shí)有偏小傾向，但是密度極差不大。綜合考慮，溫度對(duì)PQI密度檢測(cè)值影響不大，但從傳感器使用耐久性以及保證PQI檢測(cè)值誤差穩(wěn)定的角度考慮，建議在瀝青混合料溫度較低時(shí)使用。

3.4 水

水的介電常數(shù)約為80，因此水對(duì)瀝青混合料密度檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大影響，降雨以及瀝青路面施工時(shí)鋼輪壓路機(jī)灑水會(huì)使瀝青路面內(nèi)部存在一定水分[19]，室內(nèi)試驗(yàn)通過變化水量研究水對(duì)PQI檢測(cè)密度的影響。使用小型噴霧器來控制加水量，每次向車轍板均勻噴灑2 g水，加水至20 g時(shí)車轍板表面已充分濕潤(rùn)并有大量水滴，最后為了模擬降雨后瀝青路面內(nèi)部存留的大量水分，將車轍板放置水中，水完全浸沒車轍板45 min，5塊不同的車轍板灑水后的密度檢測(cè)結(jié)果如圖8(a)所示。

圖8 水對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響

由圖8(a)可知，當(dāng)灑水量不斷增加，水對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響不斷變大，隨著水量的增加密度檢測(cè)值不斷減小。

為了進(jìn)一步明確水對(duì)PQI檢測(cè)的影響，又進(jìn)行了另外3次試驗(yàn)，選擇干燥的車轍板，用噴霧器對(duì)PQI檢測(cè)底板均勻噴水，每次2 g，將噴灑水后的PQI檢測(cè)底板放置于干燥的車轍板上檢測(cè)密度，結(jié)果如圖8(b)所示。選擇噴水至4 g是因?yàn)榇藭r(shí)PQI檢測(cè)底板已經(jīng)完全潮濕并有水滴下，再多的水已經(jīng)無法繼續(xù)增加檢測(cè)底板的潮濕程度。

根據(jù)第1種方案的檢測(cè)數(shù)據(jù)，車轍板泡水45 min后與沒有水時(shí)誤差最大達(dá)到11.8%，最小為3.5%。以上2種方案的試驗(yàn)結(jié)果都表明水會(huì)對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果造成較大誤差。圖8(b)說明當(dāng)水量達(dá)到一定程度后，修正值趨于穩(wěn)定。水對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響表明，利用PQI檢測(cè)瀝青路面密度時(shí)應(yīng)保證路面干燥無水分。

3.5 砂

通常認(rèn)為PQI的檢測(cè)底板與瀝青混合料的良好結(jié)合有助于提高檢測(cè)精度，然而現(xiàn)實(shí)情況下，瀝青路面表面并不一定能提供這樣良好的接觸面，比如在離析程度較嚴(yán)重的區(qū)域，表面粗集料集中會(huì)造成空隙率過大，此外由于碾壓原因還可能導(dǎo)致瀝青路面表面不平，不能保證儀器平穩(wěn)放置。在這些情況下PQI檢測(cè)結(jié)果可能存在較大的誤差。采用核子密度儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果遇到類似情況，通常采用鋪砂法來改善儀器底板與路面表面的接觸狀況，因此可以考慮利用鋪砂法來提高PQI檢測(cè)的準(zhǔn)確性。室內(nèi)研究用標(biāo)準(zhǔn)砂均勻撒在車轍板上，直至覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的表面空隙并形成一層“砂墊層”，檢測(cè)其密度變化。

圖9 AC-20級(jí)配表面砂對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響

圖10 AC-13級(jí)配表面砂對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響

第一次選擇AC-20級(jí)配，車轍板表面空隙較大，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。第二次檢測(cè)選擇了AC-13級(jí)配，表面空隙較小，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖9、10可以看出，當(dāng)瀝青混合料表面空隙較大時(shí)，在砂完全封閉表面空隙前，空隙內(nèi)部的砂對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果幾乎沒有影響；當(dāng)砂完全封閉表面空隙后，不斷增加的砂在瀝青混合料表面形成一層“砂墊層”，最終使PQI讀數(shù)趨于平穩(wěn)。AC-13的結(jié)果表明，當(dāng)表面空隙較小，PQI檢測(cè)底板與混合料表面接觸狀況較好時(shí)，鋪砂會(huì)導(dǎo)致PQI讀數(shù)變大，但是不斷增加砂量不會(huì)再增大PQI讀數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)混合料表面的空隙已經(jīng)趨于封閉并形成“砂墊層”，此時(shí)檢測(cè)的密度為砂與瀝青混合料的合成密度。

鋪砂的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)瀝青路面表面發(fā)生離析，粗集料集中，表面空隙偏大，甚至當(dāng)表面有一定程度的不平整時(shí)，可以采用鋪砂法來改善儀器與路面的接觸狀況。因?yàn)?，?dāng)砂完全封閉表面空隙時(shí)，PQI的讀數(shù)會(huì)偏大，即PQI檢測(cè)密度與真實(shí)密度的誤差比直接測(cè)量的誤差??；當(dāng)直接測(cè)量的誤差較大，在校正PQI時(shí)會(huì)放大校正系數(shù)使校正后的PQI檢測(cè)誤差整體偏大，因此在表面空隙較大情況下采用鋪砂法減小PQI檢測(cè)誤差是可行的。

3.6 檢測(cè)深度

PQI操作手冊(cè)上顯示其檢測(cè)深度為2.5～10 cm，為了研究檢測(cè)深度，即車轍板下層承載物對(duì)PQI檢測(cè)密度的影響，室內(nèi)試驗(yàn)通過設(shè)定不同的檢測(cè)深度進(jìn)行分析。車轍板厚度為5 cm，檢測(cè)深度依次設(shè)定為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7 cm，最終超過車轍板厚度，比較其密度變化，同時(shí)比較不同車轍板下的承載物對(duì)密度的影響。檢測(cè)時(shí)不拿起儀器，只改變PQI參數(shù)設(shè)置里的檢測(cè)深度就好，檢測(cè)使用同一塊AC-16車轍板，第1次檢測(cè)車轍板直接放置于地面上，地面為磚石地面，第2次檢測(cè)將車轍板放置于3 cm厚的木板上，第3次檢測(cè)將車轍板放置于鋼板上，選擇“連續(xù)模式”連續(xù)記錄6次讀數(shù)并計(jì)算平均值，檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同檢測(cè)深度車轍板密度

試驗(yàn)結(jié)果表明：在不改變儀器放置位置僅改變檢測(cè)深度設(shè)置的情況下，2.5～7 cm深度范圍內(nèi)，3種承載底板的PQI檢測(cè)密度均沒有顯著波動(dòng)，在2 cm的檢測(cè)深度下，密度值最大；在同一檢測(cè)深度，不同類型承載底板檢測(cè)密度的細(xì)微差異僅由在換承載板時(shí)儀器檢測(cè)位置稍微變化導(dǎo)致的。在2.5～5 cm的車轍板厚度范圍內(nèi)，PQI檢測(cè)密度無顯著性差異。

4 PQI現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證

利用PQI對(duì)LM2、LM3下面層進(jìn)行檢測(cè)，為了更為詳細(xì)地反映瀝青路面施工質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)沿路面縱向以10 m間隔檢測(cè)橫斷面密度，檢測(cè)點(diǎn)按橫斷面寬度均勻分布檢測(cè)6點(diǎn)，行車道和超車道各3個(gè)點(diǎn)，從路緣石至路邊石檢測(cè)點(diǎn)編號(hào)依次為1、2、3、4、5、6，每個(gè)點(diǎn)沿路面縱向檢測(cè)前、中、后3點(diǎn)，前、中、后3點(diǎn)間距不應(yīng)過大，將這3點(diǎn)密度的平均值作為該檢測(cè)點(diǎn)的密度。根據(jù)儀器校正結(jié)果，LM2、LM3現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)壓實(shí)度如圖12、13所示，橫向?yàn)槁访鏅M斷面檢測(cè)位置，縱向?yàn)闃短?hào)方向。

圖12 LM2ATB-30下面層壓實(shí)度

圖13 LM3ATB-30下面層壓實(shí)度

2個(gè)標(biāo)段檢測(cè)段落結(jié)果均顯示出，路幅中部壓實(shí)度總體比邊部高，表明路幅邊部的壓實(shí)質(zhì)量有待提高，可增加邊部的碾壓遍數(shù)以保證施工均勻性。

5 結(jié) 語

本文在分析影響瀝青混合料介電常數(shù)檢測(cè)的各因素的基礎(chǔ)上，研究了溫度、料源、級(jí)配、水、砂、檢測(cè)深度對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響，最后在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用PQI進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

(1)溫度、檢測(cè)深度對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果沒有顯著影響，料源和水對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果影響顯著，PQI能夠檢測(cè)出一定程度上級(jí)配變化導(dǎo)致的壓實(shí)度變化。

(2)瀝青混合料內(nèi)部空隙對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果也有一定影響，空隙率越小，檢測(cè)的密度值越大。為提高PQI校正的準(zhǔn)確性，校正過程需要保證芯樣空隙率涵蓋不同的空隙率水平，在表面空隙較大情況下可以采用鋪砂法減小PQI檢測(cè)誤差。

(3)通過對(duì)2個(gè)標(biāo)段進(jìn)行PQI檢測(cè)可知，路幅中部總體相對(duì)于邊部壓實(shí)度高，表明路幅邊部的壓實(shí)質(zhì)量有待提高，增加邊部的碾壓遍數(shù)能保證施工均勻性。