瀝青混凝土路面施工質量均勻性檢測與研究

2013-01-11 06:51:30鄭輝媚周國強

城市道橋與防洪 2013年7期

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的迅速發展，良好的路面施工質量是實現瀝青混合料預期路用性能的根本前提。因此研究瀝青混凝土路面施工質量的均勻性檢測與控制方法具有現實意義。在瀝青路面的施工過程中，混合料的技術參數通常會發生非均質性的變化（即所謂的“離析”現象），使實際的級配和瀝青含量嚴重偏離設計值，配合比設計就成為虛設，路面質量處于失控狀態。瀝青路面離析是指在路面某一區域內瀝青混合料主要性質的不均勻，通常歸類為級配離析、溫度離析、壓實離析等。路面離析的區域粗骨料集中，表面構造深度必然較正常情況偏大；反之，細骨料集中的區域，表面構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，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研究的重要課題。

目前，國內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、紅外熱敏、地震波、激光構造深度法等。目測法、鋪砂構造深度法和激光構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部均勻性，并作為瀝青路面施工質量控制與改進的依據。

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測量瀝青路表面的紋理輪廓，檢測的數據類似于視覺觀測得到的路面紋理構造數據，形象直觀。它是激光構造深度法中相對簡便、快捷、準確的一種方法。

2.1 激光紋理儀的工作原理及檢測步驟

研究應用WDM公司研制開發的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造深度的。脈沖調制半導體激光產生紅外光線發射到路表面，光接收器通過透鏡接收反射光，發射光之間的角度可根據反射光射到光傳感器上的位置來確定，進而激光傳感器到目標的距離就可根據該角度和激光傳感器的光學幾何尺寸計算出來，見圖1所示。激光單元由一個測試頭和AD轉換器組成，轉換器將來自測試頭信號轉換成數值輸出信號。

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造深度進行測量。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域進行縱向（行車方向）和橫行（垂直行車方向）網格劃分；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便得到一個區域的測量結果平均值，連續測量進而得到整個路段的構造深度數據。

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

2.2 確定期望的表面構造深度值

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造深度值（對應非離析狀態），并以此作為尺度進行判別或識別。目前，有以下幾種原則確定瀝青路面表面構造深度的期望值：

（1）以檢測路段表面構造深度的平均值作為構造深度期望值。

（2）以權威人士指定的構造深度作為構造深度期望值。

（3）以在試驗室按目標配合比或經批準的生產配合比，制成的標準試件測得的構造深度作為構造深度期望值。

（4）某些國家制定了預測模型，通過模型計算得到構造深度期望值。

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，但室內試件的成型方法和實際路面的碾壓成型有較大的區別，且真正實施起來比較麻煩；原則（4）適應于各自國家的瀝青混合料組成結構及設計原理，對我國未必適用。

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

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

應用SAS統計學軟件分析，由 Kolmogorov-Smirnov方法得到該樣本的 P-value＞0.580，服從正態分布。說明該路段構造深度數據出現的頻率服從正態分布如圖3所示。

為了正態擬合后函數表達式清晰，以圖3的整數橫坐標表示圖2的區間橫坐標。相應關系式為：

式中：m——構造深度分布個數；

x——構造深度區間代表值。

得到正態擬合曲線方程為：

式中：y0為偏移量；xc為數學期望；A為曲線下的面積；w/2為方差。

正態擬合所得到的結果如表2所列。

根據擬合結果，得到xc＝3.62944，代入公式（1），得到相應區間為0.382～0.432 mm，取區間中值作為構造深度的期望值，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，為獲得測量結果達到什么程度被判定為離析，國內外進行了大量實驗研究和探索。有關文獻提出五個級別：細度離析、非離析、輕度離析、中度離析和重度離析。通過相應手段獲得期望值以后，以表面構造深度測量值與期望值的比值作為分級的定量界限，再根據表3所提出的分級標準進行分級。假設構造深度的期望值為1 mm，則所有構造深度介于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。