公路工程瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究

王瑞林

(中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 石家莊 050081)

0 引 言

在現(xiàn)有的公路工程建設(shè)中，混凝土材料和瀝青材料是兩種最為主要的路面構(gòu)筑材料[1-3]。相比于混凝土路面，瀝青路面由于具有多孔隙結(jié)構(gòu)，可以有效地保證運(yùn)營階段具有良好的降噪減震效果，保證了行車的平穩(wěn)性和舒適性，在晴天不反光，在雨季也可以很好地對(duì)雨水和地表水進(jìn)行滲透排泄，符合國家倡導(dǎo)的海綿城市建設(shè)理念；另外，瀝青路面的運(yùn)營維護(hù)便捷，在運(yùn)營成本上具有優(yōu)勢(shì)。因此，瀝青材料在國內(nèi)的高速公路、城市主干道等路面中得到廣泛應(yīng)用[4]。

然而，由于施工質(zhì)量原因以及道路運(yùn)營時(shí)交通荷載的長(zhǎng)期作用，瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫和損壞等現(xiàn)象[5]。損毀不斷積累，將嚴(yán)重影響行車舒適度和安全度，也會(huì)降低瀝青路面的服役年限，以致不能夠滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)使用年限要求[6-7]。在以往的公路工程瀝青路面的施工質(zhì)量檢測(cè)中，一般采用鉆孔法進(jìn)行抽樣測(cè)試，然而這種方法不僅存在采集樣本較小，以點(diǎn)帶面，而且也存在對(duì)已成形的路面造成了整體性破壞，屬于有損檢測(cè)。研究快速便捷、成本低廉的無損瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)方法成為施工控制的主要工作內(nèi)容[8]。

1 公路工程瀝青路面的結(jié)構(gòu)及施工質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)

公路瀝青路面是使用瀝青材料作為結(jié)合料，黏結(jié)各種粗集料與細(xì)集料修筑成面層，并與各類基層和墊層所組成的路面結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)一般由面層、基層、底基層和墊層組成，為水平層狀結(jié)構(gòu)。面層主要由細(xì)粒式瀝青混凝土層、粗粒式瀝青混凝土層組成，直接承受著機(jī)動(dòng)車輛的荷載作用，也承受著自然因素的風(fēng)化作用；基層為中間受力層，設(shè)置于面層與底基層之間，將面層傳遞而來的車輛荷載向下部的底基層和墊層中傳遞；底基層一般有水泥穩(wěn)定碎石組成，是路面結(jié)構(gòu)的次要承重層，具有應(yīng)力擴(kuò)散的作用；墊層則采用比例為4∶12∶84的水泥石灰土，設(shè)置在底基層與路基結(jié)構(gòu)之間，起到排水、隔水、防凍脹和防污染的作用。

公路工程瀝青路面的施工過程中，機(jī)械設(shè)備碾壓、攤鋪質(zhì)量不均、施工速率過快等會(huì)對(duì)公路工程瀝青路面的施工質(zhì)量控制指標(biāo)造成影響，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，造成瀝青路面病害。因此有必要對(duì)瀝青路面的施工質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行研究，以明確施工期間的瀝青路面的質(zhì)量控制要求和評(píng)估施工質(zhì)量的優(yōu)劣。在瀝青路面施工質(zhì)量控制中，大致可以將實(shí)際施工之前的檢測(cè)指標(biāo)分為3類：其一為體積檢測(cè)指標(biāo)，主要包括路面的密度、孔隙率、瀝青含量、離析程度等；其二為性能檢測(cè)指標(biāo)，主要包括瀝青路面的厚度、平整度、壓實(shí)度等；其三為結(jié)構(gòu)檢測(cè)指標(biāo)，主要包括路面的強(qiáng)度、剛度及不均勻性等。

2 地質(zhì)雷達(dá)法基本原理及其在瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)法作為一種路面的無損檢測(cè)方法，具有檢測(cè)高效、成本低廉、理論成熟及具有圖像化成果等優(yōu)勢(shì)，在瀝青路面工程的檢測(cè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備一般由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理，而軟件部分則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算以及數(shù)據(jù)的解譯。地質(zhì)雷達(dá)法的基本原理是通過硬件設(shè)備內(nèi)置的發(fā)射天線向道路內(nèi)部發(fā)射電磁波，電磁波遇到不同電性介質(zhì)的交界面后發(fā)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象，反射的電磁波能被設(shè)備的接收天線接收，控制主機(jī)將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，將檢測(cè)信息數(shù)字化后存儲(chǔ)在設(shè)備存儲(chǔ)卡中，軟件設(shè)備可以隨時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、瀏覽和處理。地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在路面介質(zhì)中的傳播主要服從麥克斯韋經(jīng)典電磁理論，如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

?·B=0

(3)

?·D=0

(4)

式中：E為電磁矢量；H為磁場(chǎng)矢量；B為磁感強(qiáng)度；D為電感強(qiáng)度。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法在瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)法在瀝青路面施工質(zhì)量的檢測(cè)效果都是依賴于電磁波在瀝青路面結(jié)構(gòu)中的傳播效率以及各結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)差異。傳播效率方面可以通過傳播系數(shù)進(jìn)行表示，地質(zhì)雷達(dá)法設(shè)備發(fā)射的電磁波在瀝青路面結(jié)構(gòu)中的傳播系數(shù)如式(5)所示。

(5)

式中：w為電磁波相位；μ為路面結(jié)構(gòu)的泊松比；ε為道路結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)；σ為瀝青路面結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率。

本文以河北省石家莊市某城市主干道的瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目為例，介紹地質(zhì)雷達(dá)法在確定瀝青路面各個(gè)施工質(zhì)量指標(biāo)中的應(yīng)用。

2.2.1 瀝青路面的結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)

瀝青路面的各個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度主要通過地質(zhì)雷達(dá)采集的電磁波信號(hào)進(jìn)行解譯得到，如式(6)所示。

(6)

式中：c為光速；εr為瀝青路面結(jié)構(gòu)的相對(duì)介電常數(shù)；△t為電磁波在各面層之間的傳播時(shí)間。

從式(6)可以知道，瀝青路面材料各層之間的相對(duì)介電常數(shù)差異是確定道路各結(jié)構(gòu)層厚度的重要計(jì)算參數(shù)，因此在試驗(yàn)之前需要對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)層進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 瀝青路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)的圖譜

從圖1可以看出，瀝青路面結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)值越小，其在圖譜中的表現(xiàn)為越向純藍(lán)色靠近，三維效果上表現(xiàn)為下凹，瀝青路面結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)值越大，其在圖譜中的表現(xiàn)為越向純紅色靠近，三維效果上表現(xiàn)為上突。

2.2.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層的密度與含水率檢測(cè)

瀝青路面的密度和含水率是最為基本的施工質(zhì)量參數(shù)。瀝青路面中含有較多的水分時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致瀝青路面的結(jié)構(gòu)老化和承載力下降，嚴(yán)重的將導(dǎo)致面層中瀝青材料與其他礦物顆粒的黏結(jié)力急速下降，基層出現(xiàn)剝落，在機(jī)動(dòng)車輛的反復(fù)碾壓下出現(xiàn)破損。因此在公路工程瀝青路面施工質(zhì)量的監(jiān)測(cè)中，需要對(duì)瀝青路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層含水率的異常范圍進(jìn)行圈定，以便提出相應(yīng)的整治措施。具體的含水率異常檢測(cè)方法是當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到瀝青路面孔隙中的水分時(shí)，會(huì)發(fā)生激發(fā)極化現(xiàn)象，表現(xiàn)為電磁波振幅的變化。有研究表明，當(dāng)瀝青結(jié)構(gòu)孔隙中存在水分時(shí)，會(huì)引起電磁波反射波之間出現(xiàn)多個(gè)高頻振幅，而且隨著含水量的增加峰值越來越高。類似地，當(dāng)公路工程瀝青路面存在壓實(shí)度不足時(shí)，其密度就會(huì)降低，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙增加，當(dāng)孔隙內(nèi)充填水分時(shí)，會(huì)引發(fā)電磁波的反復(fù)震蕩，而當(dāng)孔隙內(nèi)部為空氣時(shí)，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙的介電常數(shù)有所增加，電磁波遇到壓實(shí)度不足、密度較小的瀝青路面段落時(shí)，具有高頻反應(yīng)。

2.2.3 瀝青路面結(jié)構(gòu)層的破損脫空的檢測(cè)

瀝青路面結(jié)構(gòu)層在施工機(jī)械荷載作用下會(huì)發(fā)生開裂、破損等現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的外觀、承載力發(fā)生變化；如果施工過程中，地基碾壓質(zhì)量差導(dǎo)致地基不均勻沉降，瀝青路面與路基結(jié)構(gòu)層發(fā)生脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)層受荷載后斷裂。這兩者的不良影響也會(huì)影響到瀝青路面運(yùn)營階段的使用效果。為此，采用地質(zhì)雷達(dá)法可以連續(xù)長(zhǎng)距離地對(duì)瀝青路面的結(jié)構(gòu)破損脫空情況進(jìn)行掃描。在地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)過程中，如果電磁波遇到空洞或者脫空時(shí)，介質(zhì)間的波阻抗差異導(dǎo)致反射的電磁波能量將明顯降低，在電磁波的時(shí)間域和頻率域均可以看到由于存在空洞和破碎導(dǎo)致的變化，波形上表現(xiàn)為不規(guī)則的雙曲線特征，且下方存在多次反射，具有可視化的圖像效果，如圖2所示。而對(duì)于瀝青與集料離析、壓實(shí)度導(dǎo)致的密度不足等路基病害，容易形成電磁波信號(hào)的在各個(gè)結(jié)構(gòu)層之間的反射波能量較弱，導(dǎo)致波形錯(cuò)亂，同相軸錯(cuò)亂，圖像明暗程度也變化較大，在識(shí)別時(shí)可以與正常結(jié)構(gòu)的路面電磁波反射信號(hào)進(jìn)行區(qū)別和圈定范圍。

圖2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層存在脫空現(xiàn)象的波形反映

3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)與無核密度儀器檢測(cè)對(duì)比分析

為了研究地質(zhì)雷達(dá)在公路瀝青路面施工質(zhì)量方面的檢測(cè)效果，試驗(yàn)采用了實(shí)踐中常用的無核密度儀器對(duì)瀝青路面的密度、壓實(shí)度進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)在相同地段同等條件下對(duì)瀝青路面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后在原位選取取樣點(diǎn)對(duì)瀝青路面進(jìn)行鉆孔取樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)獲取各結(jié)構(gòu)層的介電常數(shù)以便于無核密度儀測(cè)試和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試的數(shù)據(jù)解譯。將公路工程瀝青路面結(jié)構(gòu)劃分為4個(gè)序列，采用無核密度儀檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 無核密度儀器檢測(cè)空隙率誤差率結(jié)果

從表1可以看出，在里程DK23+350中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為2.85%～5.32%；在里程DK23+650中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為2.50%～6.84%；在里程DK23+900中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為3.82%～6.23%；在里程DK24+300中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為3.08%～6.06%。

本文采用的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試儀器為L(zhǎng)TDsample-2000型地質(zhì)雷達(dá)，發(fā)射天線為400 MHz，天線設(shè)備的尺寸為32 cm×32 cm×21 cm，探測(cè)深度范圍為0.1～3.0 m，厚度的監(jiān)測(cè)誤差小于10%，可連續(xù)記錄8 192點(diǎn)，逐點(diǎn)測(cè)量，可提供偽彩圖和堆積波圖等。在采集數(shù)據(jù)完成后，首先對(duì)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將采集壞道和信號(hào)不良道，采取方向調(diào)整、中間道均衡以及合并、刪除等措施進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)于接觸不良導(dǎo)致的高度誤差，采取零點(diǎn)校正手段對(duì)反射波的起始零點(diǎn)進(jìn)行校正。在測(cè)試的過程中，儀器設(shè)備受到周邊環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)信號(hào)受到干擾，在揭示的過程中噪聲電磁波信號(hào)影響了有效信號(hào)的解譯，因此可以采取軟件內(nèi)嵌的濾波功能進(jìn)行數(shù)字濾波以消除噪聲，提高信噪比。在分析和處理電磁波數(shù)據(jù)時(shí)，常常遇到波形的垂直分辨率不足的問題，導(dǎo)致瀝青路面各層的反射截面不清晰，影響對(duì)有效信號(hào)或者波形同相軸的追蹤，因此，在實(shí)際處理數(shù)據(jù)的時(shí)候可以采用反褶積的數(shù)學(xué)處理方法提高電磁波的垂直分辨率，如圖3所示。

圖3 瀝青路面結(jié)構(gòu)的地質(zhì)雷達(dá)垂直分辨率提高

從圖3可以看出，經(jīng)過分辨率提升之后，電磁波的初至?xí)r間清晰，反射波明顯，在具有壓縮不良，出現(xiàn)空隙或者脫空的地方，出現(xiàn)明顯的雙曲線波形，極大地提高了解譯的成功率，有利于讀取反射波的到達(dá)時(shí)間。

在同樣里程段的瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)中，采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的瀝青路面空隙率平均結(jié)果見表2。

表2 地質(zhì)雷達(dá)儀器檢測(cè)空隙率平均值結(jié)果

從表2可以看出，在里程DK23+350中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為3.57%～4.32%；在里程DK23+650中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為2.15%～5.82%；在里程DK23+900中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為2.19%～4.46%；在里程DK24+300中，采用無核密度檢測(cè)儀檢測(cè)的瀝青路面結(jié)構(gòu)空隙率誤差變化范圍為3.55%～4.55%。

對(duì)比表1和表2可以看出，對(duì)于同樣條件下的公路工程瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)，采用地質(zhì)雷達(dá)法的檢測(cè)結(jié)果比采用無核密度儀器的檢測(cè)結(jié)果得到明顯提高。

4 結(jié)束語

瀝青路面是由瀝青材料黏結(jié)了集料形成的道路結(jié)構(gòu)，在材料混合、攤鋪和碾壓的施工過程中，由于施工質(zhì)量的控制要點(diǎn)和控制流程較多，導(dǎo)致瀝青結(jié)構(gòu)路面出現(xiàn)壓實(shí)不足、結(jié)構(gòu)脫空等，在運(yùn)營過程中容易引發(fā)道路結(jié)構(gòu)破損、開裂等病害，造成大量的維修和保養(yǎng)工作，嚴(yán)重硬性著道路的服役品質(zhì)和車輛的行駛舒適度。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，分析了地質(zhì)雷達(dá)的基本工作原理和瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)瀝青路面的厚度、密度與含水量以及結(jié)構(gòu)層破損脫空等施工質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了研究，并與無核密度儀器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，地質(zhì)雷達(dá)法在公路工程瀝青路面施工質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用良好，采用地質(zhì)雷達(dá)法的檢測(cè)空隙率誤差結(jié)果比采用無核密度儀器的檢測(cè)空隙率誤差結(jié)果得到明顯提高，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。