淺談瀝青路面非均勻性檢測技術研究

路興旺

【摘要】針對目前瀝青路面早期病害嚴重，施工過程中缺乏瀝青路面非均勻性實時檢測的控制方法和標準，本文研究了瀝青路面非均勻性國內外研究現狀，瀝青路面施工變異控制的國內外發展動態以及路面施工質量檢測技術動態，實現我國瀝青路面施工質量動態控制具有重要的現實意義。

【關鍵詞】瀝青路面，非均勻性，施工控制，檢測技術

近年來，我國瀝青路面早期病害現象相當嚴重，大量調查表明，路面病害與路面的非均勻性和施工質量不佳有很大關系。非均勻性是由瀝青混合料的非均勻性和瀝青路面施工的分均勻性導致的。東南大學的張望（2001）和陳紅（2003）結合各自的試驗路分別對瀝青面層包括級配、油石比、壓實度、空隙率、平整度、厚度及溫度等施工參數變異性進行了系統研究，分析認為料源、施工工藝、施工機械、施工配合和檢測手段等是造成變異的主要原因，最后提出了減小施工參數變異性的措施。根據之前的大量研究，對于影響瀝青路面不均性的因素，總的可以歸結為于材料、設計、施工工藝參數、機械等變異引起路面質量波動，并在路面上表現出來的路面質量不均勻和不穩定；從其分布特征看，有縱向非均勻性、橫向非均勻性和豎向非均勻性。種種引起變異的因素有屬于偶然原因引起，有的是系統原因引起，要克服這些偶然的和系統的原因，需要研究瀝青路面非均勻性國內外的發展狀態、控制措施以及各種先進的檢測手段。

1.瀝青路面非均勻性國內外研究動態

瀝青路面非均勻性的一種表現形式是路面離析，有關離析對路面性能的影響，美國NCHRP 441項目[1]做了大量研究，研究認為在許多能潛在引起熱拌瀝青路面破壞的因素當中，影響最嚴重的當屬瀝青混合料的非均勻性；研究還表明材料的回彈模量、動態模量及抗拉強度等力學指標隨著離析程度的加深而降低，路面的滲透性隨著粗集料離析的增加而增加。另外該研究還調查了其他六個州的路面狀況顯示：疲勞裂縫或縱向的裂縫也與路面產生離析有很大關系。

瀝青混合料離析直接或間接的導致路面服務水平下降，促使了路面破壞加速，最終路面產生松散、縱向裂縫、疲勞裂縫和車轍等早期破壞。美國一項研究報告[2]指出，僅僅為處理集料離析損壞所消耗的資金，從路面最初成本的10%增長到50%，例如，在Michigan開展的研究，預計嚴重離析、較嚴重離析和中等離析的瀝青路面設計壽命將分別平均降低73%、57%和56%，更甚的由離析引起的縱向裂縫也將導致路面服務壽命降低50%；在Virginia調查發現，路面服務壽命降低的10%是由于輕度離析造成的。Elton（1989）研究認為，避免離析的最佳混合料設計是采用在最大密度級配曲線（A-Line，n=0.45）附近的具有良好的集料級配。瀝青含量的大小也影響混合料的離析程度。Brock（1986）研究認為，混合料中瀝青含量的輕微增加能顯著地減少混合料的離析現象，并建議在瀝青混合料設計時，取瀝青含量=最佳瀝青用量+0.2%。為了減少瀝青混合料的變異性，任永利等人（2007）針對目前國內公路建設中瀝青路面集料加工質量差、合格率低的缺點，從調查超過30個合同段瀝青路面集料加工所用篩孔和集料級配的變異性入手，找到并利用一組標準化篩孔的篩網進行大規模集料加工；李立寒等人（2004）在現場檢測和室內試驗的基礎上，分析了在瀝青面層施工過程中瀝青混合料材料組成的變化，特別是級配組成的變化特點，分析了現場壓實度和空隙率變化及其分布特征，從而掌握瀝青路面施工質量特征。

2.瀝青路面施工變異控制研究動態

為了提高瀝青路面質量管理水平，瀝青路面施工變異動態控制技術逐漸得到了重視。美國等發達國家在20世紀70年代就將動態控制技術用于瀝青路面的嘗試，《NATIONAL ASPHALT PAVEMENT ASSOCIATION QIP 97》中也將動態控制技術列入正常的施工控制；于1994年，我國交通部開始將動態控制技術列入瀝青路面施工技術規范附錄，并要求有條件的地區優先推廣應用。《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）[3]同時指出：公路施工單位應以試驗檢測質量指標的變異系數（或標準差）作為施工水平的主要評價指標，并總結經驗，自行建立各項施工指標變異系數的允許界限值。動態控制技術在實際生產中并未達到預期的使用效果，原因是：（1）由于看不到施工過程的生產參數如瀝青用量、級配等的變異與路面質量檢測指標間的明確關系，工程單位在實際操作中并不重視；（2）而由于質量檢測參數如壓實度、滲水系數等結果明顯滯后于施工，根本就不能起到及時調控的作用。

為了實現對施工質量的直觀評價，薛小剛[4]依據瀝青混合料直接參數與間接參數之間的關系，繪制了瀝青混合料體積參數通用圖，通用圖具有以下優點：（1）可以直觀得到混合料質量是否合格的可接受區，并判斷所生產的混合料是否合格或者其偏離程度；（2）能夠直接得到不同壓實標準下的瀝青混合料體積狀態參數，快速判斷或預測所生產混合料的質量；（3）再結合已經應用開發的相關軟件，將快速無損檢測數據與瀝青混合料體積參數通用圖結合起來，從而實現瀝青路面施工過程的實時控制，并給出相應的調控措施。

3.路面施工質量檢測技術研究動態

在瀝青路面施工過程中，由于施工變異而引起的路面非均勻性是很有可能發生的。目前施工質量檢測是在隨機位置鉆芯取樣進行試驗和評價，這種“以點代面”的質量檢測方法不能全面反映路面質量信息，按照美國一項研究[2]，在一般路面施工質量水平下，如每500m取一個樣點，預計要從一個樣點測出其為低密度區域（非均勻性）的可能性只有0.04%，常規的QC/QA檢測并不能對這種施工質量問題提供足夠的判斷信息。所以無損連續檢測技術成為國際上路面質量檢測領域的發展趨勢。

目前新興的均勻性檢測評價方法主要有熱成像（Thermal Imaging）、探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）、激光表面構造測量（Laser surface texture measurements）等。

熱成像技術的最新應用就是紅外熱像儀。它的優點在于能夠繪出整個攤鋪路的熱量分布特征；可以在施工過程中應用，有利于承包商對出現的問題進行及時補救；加之有成熟的軟件提供進程控制圖，所以業主可以用于接受或識別那些需要進一步試驗來判定離析的類型區域。熱成像技術的缺點在于僅僅在路表面和接近路表處有效；并且溫度和級配離析都會顯示“冷”域，這就需要進一步試驗更準確的定義離析的類型。

2000年，在NCHRP Report 441中，有奧本大學國家瀝青技術研究中心總結了現有瀝青路面離析評價方法，提出了推薦的方法和規范，把熱成像和激光斷面儀技術應用起來識別和度量熱拌瀝青混合料的非均勻性。

用激光斷面儀來測量表面宏觀構造已經有幾年的歷史，此方法來識別離析程度是通過激光斷面儀所測得的表而構造深度，與事先假定的非離析區域表而構造深度之間的比較來劃分的。研究表明：當路面表面構造深度在0.20～4.25mm之間時，激光斷面儀方法和鋪砂法之間有很強的相關性。但對于非常粗糙的路表面構造來說，激光斷面儀所測得的數據偏低，由于激光不能穿透更深的空隙，然而砂子卻可以填充。在2003年，Jay N. Megoda，Geoffrey M.. Rowe[5]等人提出了使用激光斷面儀來識別路表面的非均勻性，并建立了與鋪砂法之問的相互關系，借此關系可以標定激光斷面儀所測得的數據，進而評價瀝青路面的非均勻性。

對于熱成像在識別瀝青混合料均勻性方面的作用，瑞典研究者走在前列，同一時期芬蘭的研究者在開發探地雷達GPR，來識別施工中混合料的均勻性。之后，有對這兩項技術的聯合運用展開了研究，利用探地雷達GPR來評價混合料在深度方向上的特性，利用紅外熱成像技術來識別并定義混合料非均勻性的程度。聯合使用這兩項技術可以提供瀝青路面特性的三維概況。Manning和Holt[6]發現這一方法充分發揮并利用了這兩項技術的優點，技術的綜合運用能夠增強單一技術的使用。國內彭勇[7]等人采用數字圖象技術研究了瀝青混合料的非均勻性。

4.結論

（1）瀝青路面非均勻性的一種表現形式是路面離析，離析直接或間接的導致路面服務水平下降，解決這一問題投入資金量過大。

（2）無損連續檢測技術成為國際上路面質量檢測領域的發展趨勢， 熱成像技術和探地雷達GPR技術聯合應用可以充分的評價瀝青混合料的非均勻性。

參考文獻

[1] Transportation Research Board， National Research Council. Segregation in Hot-Mix Asphalt Pavements（NCHRP report 441）[R].2000

[2] Jun xia Wu. Quantification of non-uniformity in Hot-Mix asphalt pavements [D]. A dissertation submitted to the faculty of The University of Utah.2005

[3] JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].人民交通出版社，2004

[4] 薛小剛，瀝青混合料級配優化研究（長安大學碩士學位論文）2004

[5] Jay N. Meegoda， Geoffrey M. Rowe. Chamil H. Hettiarachchi， Nishantha， Bandara and Mark J. Sharrock， Correlation of Surface Texture， Segregation， and Measurementof Air Voids， FHWA-NJ-2002-026，2002

[6] Manning， D. G.， F. B. Holt. The Development of Deck Assessment by Radar and Thermography. Transportation 83 Research Record 1083. Transportation Research Board，National Research Council， Washington. D. C. 1986

[7] 彭勇.基于數字圖像處理技術瀝青混合料均勻性指標研究[D].同濟大學，2005