瀝青混凝土路面施工質(zhì)量均勻性檢測與研究

鄭輝媚，周國強，陳 杰

（廣東省長大公路工程有限公司，廣東廣州 511431）

1 概述

隨著廣東省高等級公路建設(shè)的迅速發(fā)展，良好的路面施工質(zhì)量是實現(xiàn)瀝青混合料預(yù)期路用性能的根本前提。因此研究瀝青混凝土路面施工質(zhì)量的均勻性檢測與控制方法具有現(xiàn)實意義。在瀝青路面的施工過程中，混合料的技術(shù)參數(shù)通常會發(fā)生非均質(zhì)性的變化（即所謂的“離析”現(xiàn)象），使實際的級配和瀝青含量嚴(yán)重偏離設(shè)計值，配合比設(shè)計就成為虛設(shè)，路面質(zhì)量處于失控狀態(tài)。瀝青路面離析是指在路面某一區(qū)域內(nèi)瀝青混合料主要性質(zhì)的不均勻，通常歸類為級配離析、溫度離析、壓實離析等。路面離析的區(qū)域粗骨料集中，表面構(gòu)造深度必然較正常情況偏大；反之，細(xì)骨料集中的區(qū)域，表面構(gòu)造深度較正常情況偏小；瀝青混凝土路面的破壞，特別是表面破壞與瀝青混凝土路面表面離析密切相聯(lián)，瀝青混凝土路面離析評價已成為近年來瀝青混凝土路面技術(shù)研究的重要課題。

目前，國內(nèi)外用于評價瀝青路面離析的無損檢測手段有多種：目測法、鋪砂法、核子密度或無核密度和核子瀝青含量法、透水法、雷達(dá)、紅外熱敏、地震波、激光構(gòu)造深度法等。目測法、鋪砂構(gòu)造深度法和激光構(gòu)造深度法比較適合于瀝青混凝土路面表面離析的檢測和識別。為了評價瀝青混合料路面的均勻性并指導(dǎo)施工，本文研究采用適合瀝青路面大面積均勻性檢測的無損檢測方法——激光紋理儀，評價瀝青面層混合料路表與內(nèi)部均勻性，并作為瀝青路面施工質(zhì)量控制與改進(jìn)的依據(jù)。

2 TRL激光紋理儀檢測瀝青路面表面均勻性

激光紋理儀可快速連續(xù)測量瀝青路表面的紋理輪廓，檢測的數(shù)據(jù)類似于視覺觀測得到的路面紋理構(gòu)造數(shù)據(jù)，形象直觀。它是激光構(gòu)造深度法中相對簡便、快捷、準(zhǔn)確的一種方法。

2.1 激光紋理儀的工作原理及檢測步驟

研究應(yīng)用WDM公司研制開發(fā)的TRL微型紋理儀（MTM）。

激光紋理儀是采用激光脈沖反射原理來測定路面構(gòu)造深度的。脈沖調(diào)制半導(dǎo)體激光產(chǎn)生紅外光線發(fā)射到路表面，光接收器通過透鏡接收反射光，發(fā)射光之間的角度可根據(jù)反射光射到光傳感器上的位置來確定，進(jìn)而激光傳感器到目標(biāo)的距離就可根據(jù)該角度和激光傳感器的光學(xué)幾何尺寸計算出來，見圖1所示。激光單元由一個測試頭和AD轉(zhuǎn)換器組成，轉(zhuǎn)換器將來自測試頭信號轉(zhuǎn)換成數(shù)值輸出信號。

圖1 激光紋理儀工作原理圖

在新鋪筑的瀝青路面，為了避免高溫對設(shè)備造成不良影響，通常在施工后每間隔一天或半天用激光紋理儀對路面的構(gòu)造深度進(jìn)行測量。首先選擇一段長度100 m左右有代表性的路段，用皮尺對選定的路段區(qū)域進(jìn)行縱向（行車方向）和橫行（垂直行車方向）網(wǎng)格劃分；其次沿著路面縱向以3～6 km/h的步行速度推動激光紋理儀，每10 m便得到一個區(qū)域的測量結(jié)果平均值，連續(xù)測量進(jìn)而得到整個路段的構(gòu)造深度數(shù)據(jù)。

通過激光紋理儀采集整個路段的構(gòu)造深度數(shù)據(jù)比較容易實現(xiàn)，而對于采集到的數(shù)據(jù)用何種方法進(jìn)行分析是正確評價離析的關(guān)鍵，不同的分析方法得到的評價結(jié)果有很大的差異。要正確、客觀地評價路面的離析狀況，第一，必須準(zhǔn)確客觀確定路面構(gòu)造深度的期望值；第二，將檢測結(jié)果量化，劃分離析等級；第三，將評價結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，顯示離析情況；第四，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析評價整個區(qū)域內(nèi)的離析狀況及其分布，分別對路段區(qū)域瀝青路面施工質(zhì)量進(jìn)行評價。

2.2 確定期望的表面構(gòu)造深度值

瀝青混凝土路面表面離析識別或判別的第一步是確定期望的表面構(gòu)造深度值（對應(yīng)非離析狀態(tài)），并以此作為尺度進(jìn)行判別或識別。目前，有以下幾種原則確定瀝青路面表面構(gòu)造深度的期望值：

（1）以檢測路段表面構(gòu)造深度的平均值作為構(gòu)造深度期望值。

（2）以權(quán)威人士指定的構(gòu)造深度作為構(gòu)造深度期望值。

（3）以在試驗室按目標(biāo)配合比或經(jīng)批準(zhǔn)的生產(chǎn)配合比，制成的標(biāo)準(zhǔn)試件測得的構(gòu)造深度作為構(gòu)造深度期望值。

（4）某些國家制定了預(yù)測模型，通過模型計算得到構(gòu)造深度期望值。

比較上面4個原則可以看出：原則（1）包含有施工誤差的影響，而且，對于大樣品而言，缺乏統(tǒng)計意義；原則（2）具有主觀評價成分，與實際路面情況往往存在較大差異；原則（3）雖然比較適宜的客觀評價方法，但室內(nèi)試件的成型方法和實際路面的碾壓成型有較大的區(qū)別，且真正實施起來比較麻煩；原則（4）適應(yīng)于各自國家的瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)及設(shè)計原理，對我國未必適用。

該項研究提出一套新的確定原則：根據(jù)激光紋理儀所測得的瀝青路面表面構(gòu)造深度的數(shù)值，從最小值（或最小值以下）開始以給定的區(qū)間大小（如0.05為間隔）進(jìn)行分段，使總區(qū)間的大小涵蓋某路段范圍內(nèi)所測得的所有構(gòu)造深度值；統(tǒng)計整個路段內(nèi)落在每一小區(qū)間段內(nèi)的樣本個數(shù)；再應(yīng)用相關(guān)分析軟件得到柱狀圖，然后對數(shù)據(jù)采用相應(yīng)的擬合方法進(jìn)行擬合，得到擬合曲線及方程。分析擬合結(jié)果得到數(shù)學(xué)期望，即為人們所尋找的路面構(gòu)造深度期望值。

下面以廣東省某高速公路實測數(shù)據(jù)為例，通過激光紋理儀實測的路面構(gòu)造深度值，評價路面的施工離析情況。統(tǒng)計激光紋理儀實測的路面構(gòu)造深度值如表1所列，得到分布的柱狀圖如圖2所示。

應(yīng)用SAS統(tǒng)計學(xué)軟件分析，由 Kolmogorov-Smirnov方法得到該樣本的 P-value＞0.580，服從正態(tài)分布。說明該路段構(gòu)造深度數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率服從正態(tài)分布如圖3所示。

為了正態(tài)擬合后函數(shù)表達(dá)式清晰，以圖3的整數(shù)橫坐標(biāo)表示圖2的區(qū)間橫坐標(biāo)。相應(yīng)關(guān)系式為：

式中：m——構(gòu)造深度分布個數(shù)；

x——構(gòu)造深度區(qū)間代表值。

得到正態(tài)擬合曲線方程為：

式中：y0為偏移量；xc為數(shù)學(xué)期望；A為曲線下的面積；w/2為方差。

正態(tài)擬合所得到的結(jié)果如表2所列。

根據(jù)擬合結(jié)果，得到xc＝3.62944，代入公式（1），得到相應(yīng)區(qū)間為0.382～0.432 mm，取區(qū)間中值作為構(gòu)造深度的期望值，即為0.41 mm。

2.3 離析分級

離析程度的量化界定同樣是非常重要的，為獲得測量結(jié)果達(dá)到什么程度被判定為離析，國內(nèi)外進(jìn)行了大量實驗研究和探索。有關(guān)文獻(xiàn)提出五個級別：細(xì)度離析、非離析、輕度離析、中度離析和重度離析。通過相應(yīng)手段獲得期望值以后，以表面構(gòu)造深度測量值與期望值的比值作為分級的定量界限，再根據(jù)表3所提出的分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。假設(shè)構(gòu)造深度的期望值為1 mm，則所有構(gòu)造深度介于0.80 mm～1.10 mm之間的路段，就可以定義為無離析路段，依此類推。非離析路段所占的比例越大，說明路面施工均勻性控制越好。

表1 激光紋理儀檢測結(jié)果一覽表（單位：mm）

圖2 構(gòu)造深度柱狀圖

圖3 正態(tài)擬合柱狀圖

表2 擬合結(jié)果一覽表

表3 推薦的瀝青路面表面離析分級標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)表1正態(tài)擬合得到的構(gòu)造深度期望值為0.41 mm，故將0.41分別乘以表3中數(shù)值，即得到該路段的表面離析分級定量界限，如表4所列。

表4 路面表面離析分級構(gòu)造深度界限表

2.4 離析原因分析及對策

按照上述標(biāo)準(zhǔn)，將激光紋理檢測結(jié)果進(jìn)行分級，如表5所列。經(jīng)統(tǒng)計分析得出：表面非離析面積占整個檢測區(qū)域面積的77.14%，輕微粗離析占24.86%，無細(xì)離析、中度粗離析和重度粗離析。檢測區(qū)域各離析程度比重見圖4所示。

3 結(jié)論

由表5和圖4檢測區(qū)域表面構(gòu)造深度分布情況顯示：

（1）檢測區(qū)域表面構(gòu)造深度分布總體較為均勻，無細(xì)離析。

（2）由于內(nèi)側(cè)攤鋪機靠近中分帶處螺旋布料器的葉片距物料擋板的距離過長，導(dǎo)致粗料集中，靠近中分帶處出現(xiàn)一條明顯的縱向輕微粗離析帶。建議增加螺旋布料器的寬度，保證葉片距物料擋板的距離小于30 cm。

表5 某高速公路激光紋理儀檢測結(jié)果一覽表（單位：mm）

圖4 表面構(gòu)造深度離析程度比重餅狀分布圖

（3）由于兩臺攤鋪機搭接寬度不足，導(dǎo)致搭接位置出現(xiàn)較為明顯的縱向輕微粗離析。建議增加攤鋪機寬度，保證搭接寬度不小于30 cm。

（4）縱向離析的間斷分布，主要與攤鋪過程中攤鋪機收斗有關(guān)。

[1]JTGD50-2006,公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JTGE42-2005，公路工程集料試驗規(guī)程[S].

[4]JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[5]JTJ F80/1-2004，公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]《TRL微型紋理儀（MTM）操作指南》[Z].2011.