瀝青混合料施工均勻性的研究進展及展望*

張 苛 羅要飛 李文龍

(阜陽師范學院信息工程學院1) 阜陽 236041) (長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室2) 西安 710064)

0 引 言

瀝青混合料由瀝青、集料和空隙等部分組成，理論上來講，形成瀝青路面的瀝青混合料中的各組成部分應均勻分布.為實現(xiàn)優(yōu)良的服務水平和長久的使用壽命，瀝青路面內部各組成材料應該分布均勻.但是，由于施工過程的復雜性和眾多的不可預見因素，絕對的均勻是很難實現(xiàn)的，也就是說瀝青路面的非均勻現(xiàn)象是不可避免的.非均勻現(xiàn)象是瀝青路面施工均勻性不佳，是由于路面材料組成、設計及施工等因素變異引起的質量波動，并在路面上表現(xiàn)出來的質量不均勻和不穩(wěn)定現(xiàn)象.非均勻的部位在行車荷載和自然因素的作用下，首先出現(xiàn)局部損害，并進而發(fā)展成較大面積的損壞，如由于局部離析引起的松散與坑槽，局部路段級配不良或壓實不足引起的車轍等.因此，應對瀝青路面的施工均勻性加以重視，實際工程中瀝青路面的非均勻現(xiàn)象必須處于可控范圍內，以保證瀝青路面良好的使用性能.

目前，瀝青路面的非均勻性已引起充分的重視，國內外專家學者針對瀝青路面的非均勻現(xiàn)象展開了廣泛的研究.當前關于非均勻性的研究主要集中在混合料的設計及生產(chǎn)階段，且大多采用室內試驗模擬的方法研究離析對瀝青混合料性能的影響、改善混合料的抗離析性能及評價混合料在施工過程中的離析現(xiàn)象，還有一部分研究采用圖像處理技術研究瀝青混合料試件內部集料和空隙的分布情況，涉及攤鋪碾壓完成后瀝青路面施工均勻性檢測與評價方面的研究并不多.本文分別從瀝青混合料非均勻性的成因、非均勻性對瀝青混合料性能的影響、瀝青混合料非均勻性的評價及控制、瀝青路面非均勻性的檢測與評價等方面進行闡述，探討目前瀝青路面施工均勻性檢測存在的問題和不足之處，最后針對瀝青路面的宏細觀結構特點，提出瀝青路面施工均勻性精細化檢測與評價方面未來進一步研究的方向.研究成果可為瀝青路面非均勻性的預防和檢測提供一定的參考依據(jù).

1 瀝青混合料離析的成因及其性能變異情況

1.1 瀝青混合料離析的成因

為弄清瀝青混合料離析的成因及形成過程，陳靜云等[1]基于堆料試驗研究了級配、瀝青用量及溫度對混合料離析的影響，發(fā)現(xiàn)級配和瀝青用量的影響程度大于溫度.馮忠緒等[2]從施工碾壓的角度分析了瀝青混合料的不均勻現(xiàn)象，并提出碾壓離析的概念.秦雯等[3]通過室內試驗模擬集料從倉體流出的過程，發(fā)現(xiàn)由于細料向下滲透導致瀝青混合料在貯料倉卸料時產(chǎn)生離析現(xiàn)象.彭余華等[4]從瀝青混合料的設計和施工方面分析了影響瀝青路面施工均勻性的因素.Wu等[5]建立了瀝青混合料離析程度與現(xiàn)場空隙率、瀝青含量、各篩孔通過率、路面密度間的關系模型，并通過室內試驗驗證了模型的準確性.Mahoney等[6]研究發(fā)現(xiàn)施工溫度較低區(qū)域的瀝青路面中瀝青含量和級配未發(fā)生明顯離析，但空隙率較周圍的路面要大.Oginskas[7]根據(jù)不同篩孔集料通過率的變化情況發(fā)現(xiàn)，采用不同來源的再生料制備的瀝青混合料試件的均勻性無顯著差異.

以上研究表明，瀝青混合料在施工過程中集料顆粒、混合料溫度和壓實功分布不均勻是造成瀝青路面非均勻現(xiàn)象的主要原因.集料顆粒的不均勻分布導致瀝青路面出現(xiàn)級配離析，主要是施工過程中由于施工機械及人為因素引起混合料中粗細集料的分離，瀝青路面局部區(qū)域表現(xiàn)出粗集料或者細集料集中的現(xiàn)象.公稱最大粒徑較大的瀝青混合料通常在施工過程中表現(xiàn)出較嚴重的集料離析現(xiàn)象.而攤鋪、碾壓等施工過程中瀝青混合料的溫度不均勻或弱壓實造成瀝青路面的空隙率偏大或偏小，導致瀝青路面出現(xiàn)壓實離析，此時瀝青路面內部的集料分布均勻性未出現(xiàn)明顯的變異情況.

1.2 非均勻性對混合料性能的影響

在瀝青路面非均勻性現(xiàn)象中最常見的是級配離析和溫度離析，國內外專家學者針對級配離析和溫度離析對瀝青混合料性能的影響開展了大量研究.姜旺恒等[8]采用模擬動水壓力試驗研究了級配離析對瀝青混合料抗水損壞能力的影響，并提出了混合料生產(chǎn)及攤鋪階段的級配控制要求.李立寒等[9]研究發(fā)現(xiàn)粗集料離析瀝青混合料的水穩(wěn)定性不利，細集料離析顯著降低抗車轍及抗滑性能.張苛等[10]在室內設計了不同離析程度的混合料，分析了級配離析程度對混合料路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)中度和重度離析導致混合料的水穩(wěn)定性顯著下降.Azari等[11]研究了徑向非均勻性對瀝青混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)非均勻瀝青混合料的剪切模量增大，抗車轍和抗疲勞性能大幅下降.另外，彭勇等[12-13]分別研究了瀝青混合料的均勻性對力學性能和疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)均勻性良好的混合料其力學性能變異較小，混合料發(fā)生離析后的疲勞壽命降低.鄭曉光等[14]研究了溫度離析對路面性能的影響，發(fā)現(xiàn)嚴重溫度離析的路面易出現(xiàn)疲勞破壞和水損壞.

相關研究表明非均勻性對瀝青混合料的力學性能具有顯著影響，瀝青混合料發(fā)生離析后各項路用性能均出現(xiàn)一定程度的下降，非均勻性是導致瀝青路面使用性能下降的主要原因之一.因此，在施工過程中為保證瀝青路面的使用性能，需要控制瀝青混合料非均勻現(xiàn)象的發(fā)生.但是，目前通過控制關鍵篩孔集料的通過率或者試件的成型溫度、壓實作用次數(shù)等來模擬非均勻混合料具有一定的局限性，這種方法模擬的非均勻混合料同瀝青路面上的離析混合料存在一定的差異.因此，需要針對非均勻瀝青混合料的室內模擬或數(shù)值模擬開展進一步研究，使得模擬離析混合料同實際路面的非均勻現(xiàn)象盡可能一致.

2 瀝青混合料離析程度的評價及控制

2.1 瀝青混合料離析程度的評價

針對瀝青混合料離析程度的評價方面，劉紅瑛等[15]開發(fā)了一種集料離析測量儀，利用前后料倉集料通過率之差可有效評價混合料的級配離析情況.唐嫻等[16]開發(fā)了瀝青混合料離析測定儀，提出采用離析勢能指數(shù)作為評價瀝青混合料離析程度的指標，并建立了瀝青混合料的離析標準.包秀寧等[17]針對顆粒材料建立粒徑連續(xù)分布模型，提出以粒徑分散系數(shù)差為指標評價瀝青混合料的離析情況.楊博等[18]研究了離析級配曲線與設計級配曲線間的包絡面積和混合料性能偏差的相關性，提出采用級配曲線的包絡面積定量評價瀝青混合料的離析.麻旭榮等[19]分析瀝青混合料級配組成同體積參數(shù)之間的關系，提出以級配偏差值、空隙率、瀝青用量及最大理論密度的差值作為混合料離析程度的評價指標.

以上研究主要以瀝青混合料這種散體材料作為研究對象，分析瀝青混合料的施工過程中的集料離析行為，從顆粒的物質特性著手，提出反映瀝青混合料集料顆粒動態(tài)行為規(guī)律的離析評價指標.相關研究成果有助于提高瀝青混合料的設計質量，改善瀝青混合料的抗離析性能，進而實現(xiàn)瀝青路面非均勻性的主動控制.但瀝青路面作為一種產(chǎn)品，其最終的施工均勻性如何，還需要以瀝青路面作為研究對象，采用一定的技術手段對其施工均勻性進行檢測.

2.2 瀝青混合料離析程度的控制

針對瀝青混合料離析程度的控制方面，文獻[4]從集料選擇、施工工藝、攤鋪機參數(shù)設置及攤鋪方式方面提出了粗粒式瀝青混合料離析的控制措施.光同文等[20]分別研究了瀝青混合料轉運技術改善級配離析和溫度離析的效果，發(fā)現(xiàn)轉運技術的應用可有效減輕混合料的級配離析和溫度離析現(xiàn)象.王正韶[21]分析了SMA瀝青混合料在生產(chǎn)、施工過程中產(chǎn)生離析的原因，發(fā)現(xiàn)合理的生產(chǎn)及施工工藝可有效減輕離析現(xiàn)象.謝立揚等[22]研究發(fā)現(xiàn)合理的攪拌缸幾何參數(shù)、沿攪拌軸縱向布置礦粉和瀝青、根據(jù)冷骨料級配調整熱料倉比例和振動篩孔尺寸等有效控制拌混合料的離析.鄭曉光等[23]建立了混合料溫度變化同密度、空隙率等參數(shù)變化的關系，建議在施工過程中將混合料的溫度變化范圍控制在20℃以內.Liu等[24]研究了減輕瀝青路面壓實離析的方式，發(fā)現(xiàn)通過一些技術措施如改善攤鋪機和壓路機的操作特性，可以控制壓實離析的產(chǎn)生.

瀝青混合料離析的控制，可以從瀝青混合料的設計及施工過程等方面著手加強控制，尤其是瀝青混合料的運輸、攤鋪、碾壓等施工工藝對瀝青路面非均勻性現(xiàn)象的影響最為顯著.瀝青混合料轉運技術、紅外熱像儀等設備的應用可在一定程度上改善瀝青混合料的離析現(xiàn)象.施工時防止瀝青混合料料溫的散失，合理安排攤鋪工藝、及時充分壓實，也是保證瀝青路面施工均勻的前提條件.同時，在施工過程中還應對瀝青混合料的配合比、施工工藝等及時調整，實現(xiàn)瀝青混合料施工的動態(tài)控制.

3 瀝青路面非均勻性的檢測與評價

3.1 基于宏觀尺度的瀝青路面非均勻性檢測

在瀝青路面非均勻性的檢測與評價方面，傳統(tǒng)的檢測方法主要有目測法和實測法.目測法簡單快速，但評價結果因人而異，無法得到定量的結論，而實測法主要通過儀器設備測量瀝青路面的密度及構造深度等指標的變化，實測法的結果相對可靠，目前關于瀝青路面非均勻性的研究大多集中在實測法方面.張爭奇等[25]分析了無核密度儀PQI檢測瀝青路面的可行性，并通過采用PQI檢測瀝青路面的密度定量地評價路面的離析程度.包秀寧等[26]驗證了采用構造深度作為判別瀝青路面離析指標的可行性，建立了不同離析程度的評價標準.王端宜等[27]采用圖像處理技術測量瀝青路面的構造深度，發(fā)現(xiàn)基于圖像處理的構造深度測試方法操作方便、檢測精度高.宋永朝等[28]對采集的瀝青路面圖像進行處理，通過計算路表下凹面積分數(shù)的變異系數(shù)評價瀝青路面紋理構造分布的均勻性.Stroup等[29]采用紅外熱成像技術檢測瀝青路面的溫度離析，并定義混合料的最大溫度變化范圍小于10 ℃、介于10 ℃～16 ℃、16 ℃～21 ℃和大于21 ℃為無離析、輕度離析、中度離析、重度離析.

以上研究多采用密度、空隙率、構造深度等宏觀指標評價瀝青路面的施工均勻性，也是目前瀝青路面檢測時常用的指標.大多情況下，這些指標是一定體積或一定平面區(qū)域內的平均值，僅能從總體上或者某些方面如路面表面反映瀝青路面的施工質量均勻性，無法反應路面結構內部的體積組成特性和材料分布是否均勻.同時，密度、構造深度等指標與瀝青路面的路用性能尤其是力學性能指標間缺乏明確的相關規(guī)律.目前，宏觀指標與瀝青路面施工均勻性的關系有待進一步研究，僅依靠PQI無核密度儀、激光紋理儀、紅外熱像儀等檢測設備無法全面量化地反映瀝青路面的施工質量均勻性.

3.2 基于細觀尺度的瀝青路面非均勻性檢測

國內外也有不少學者嘗試基于數(shù)字圖像處理技術，采用集料或者空隙的分布情況從細觀尺度方面評價瀝青混合料的均勻性.吳文亮等[30]將集料顆粒面積比的變異系數(shù)(均勻性指標)與集料的分計篩余百分率進行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)均勻性指標可定量評價瀝青混合料的離析程度.彭勇等[31]從集料的分布數(shù)量和分布位置角度出發(fā)，提出面積比系數(shù)k和均勻性指標D等評價瀝青混合料離析程度的指標.李智等[32]基于CT掃描技術，采用粗集料不均勻系數(shù)、試件顆粒豎向變異系數(shù)等指標評價了路面結構集料顆粒的豎向離析情況.Bessa等[33]采用數(shù)字圖像處理技術分析了瀝青混合料中集料的接觸點位、顆粒方向及離析情況.Bruno等[34]綜合利用多種數(shù)字圖像分割技術獲得了瀝青混合料切片集料的級配信息，并建議采用此方法評價混合料的礦料級配情況.Wu等[35]采用數(shù)字圖像技術分析瀝青混合料試件切片上集料的分布情況，提出以集料面積比的變異系數(shù)作為評價瀝青混合料均勻性的指標.

但目前在進行圖像處理時，通常將粒徑大于2.36 mm甚至更粗的集料分割開來，忽視細集料顆粒對集料分布均勻性的影響，圖像分割的效率不高，且粗集料顆粒的粘連現(xiàn)象也未得到有效解決，數(shù)字圖像處理時各組分識別分離的精度還需要開展進一步研究.而以路面芯樣為研究對象，通過研究路面芯樣內部材料的分布狀態(tài)表征瀝青路面的施工均勻性也具有一定的片面性.在路面上鉆取芯樣選取點位時通常采用隨機的方式，這種以點帶面的隨機取樣方式使得檢測結果不能全面反映一定區(qū)域內瀝青路面的施工均勻性.

在瀝青混合料內部的空隙特征方面，譚憶秋等[36]采用工業(yè)CT設備實現(xiàn)瀝青混合料空隙率計算的數(shù)字化，并推薦了最優(yōu)的CT掃描參數(shù).吳文亮等[37]研究了瀝青混合料試件、路面取芯試件中的面空隙沿深度方向的分布情況，發(fā)現(xiàn)各類試件的面空隙沿深度方向的變化情況是不一致的.裴建中等[38]研究了多孔瀝青混合料的空隙豎向分布特，獲取混合料內部空隙特征參數(shù)以及空隙豎向分布級配評價多孔排水瀝青混合料的空隙空間信息.蔣瑋等[39]研究了多孔瀝青混合料細觀空隙特征，提出了用于表征多孔瀝青混合料的細觀空隙特征參數(shù)：空隙等效直徑、空隙面積、空隙數(shù)量、計盒維數(shù)，發(fā)現(xiàn)計盒維數(shù)越大混合料內部的空隙結構越復雜.Wang等[40]研究了水泥乳化瀝青混合料內部空隙數(shù)量、空隙尺寸和空隙率等指標的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)試件兩端部位的空隙數(shù)量多、尺寸大，中間部位相反.

以上研究多針對試件或芯樣內部的空隙分布特性進行評價，證實了瀝青混合料的種類不同、成型方式不同，內部的空隙分布特征存在明顯的差異，為認識混合料內部的空隙等細觀結構提供了基礎.但相關研究僅僅是對混合料內部的空隙進行單純地描述，且主要以斷層圖像的面空隙作為研究對象，主要涉及混合料內部的空隙數(shù)量、空隙直徑、空隙沿試件高度的分布特點等方面，評價指標多作為表征混合料內部結構和性能的參數(shù).瀝青混合料內部的空隙分布常規(guī)規(guī)律如何，在何種情況下瀝青混合料的空隙分布是均勻的尚缺乏有效的研究.此外，對于空隙分布不均勻的試件或者芯樣，其非均勻的程度也沒有明確的區(qū)分標準.因此還需要對瀝青混合料內部空隙的分布均勻性進行深入的評價.

4 結 論

目前，瀝青路面的非均勻性已引起充分的重視，但相關研究大多采用室內模擬的方法研究非均勻性對瀝青混合料性能的影響、改善混合料的抗離析性能及評價混合料在施工過程中的離析現(xiàn)象，涉及瀝青路面施工均勻性檢測與評價方面的研究并不多.瀝青混合料是由集料、瀝青和空隙形成的多層次立體復合材料，未來可以從宏觀和細觀角度出發(fā)，根據(jù)瀝青路面表面和內部的材料組成及空間分布特點，建立基于多重尺度的瀝青路面施工均勻性精細化檢測與評價體系.具體可以從以下幾方面開展深入的研究：

1) 實現(xiàn)非均勻瀝青混合料的有效模擬 目前，在實驗室內通?？刂颇骋粰n或幾檔篩孔的通過率以及不同的壓實溫度來模擬非均勻瀝青混合料，這同實際瀝青路面非均勻現(xiàn)象存在一定的差異.如何實現(xiàn)現(xiàn)場非均勻瀝青混合料的有效模擬還需開展進一步研究.可嘗試借助離散單元法等軟件對瀝青混合料的非均勻程度進行定量地模擬.

2) 瀝青混合料內部集料顆粒的有效分離技術 目前，在進行CT圖像處理時，往往僅能將粒徑大于2.36 mm甚至更粗的集料分割開來，圖像分割的效率不高，且集料顆粒的粘連現(xiàn)象也未得到有效解決.同時，在圖像處理過程中，常常會造成集料顆粒的膨脹或收縮，進而影響最終集料分布均勻性的評價結果.CT圖像中，數(shù)字圖像處理技術組分識別分離的精度有待進一步提高.

3) 建立基于多重尺度的瀝青路面施工均勻精細化檢測體系 路表紋理的構造、集料和空隙的分布情況評價瀝青路面的施工均勻性，但現(xiàn)有的研究通常從路表或路面內部采用集料或空隙等某一方面評價瀝青路面的施工均勻性，而采用單一或單方面的指標無法全面有效地評價瀝青路面的施工均勻性.瀝青路面的表面和內部材料的分布均勻性均會影響最終瀝青路面的施工質量，需要從宏觀和細觀尺度著手，建立基于多重尺度的瀝青路面施工均勻精細化檢測與評價體系.