基于無(wú)損檢測(cè)PQI的瀝青混合料壓實(shí)度評(píng)價(jià)

(廣州珠江黃埔大橋建設(shè)有限公司 廣東 廣州 511434)

引言

路面壓實(shí)度是評(píng)價(jià)路面攤鋪質(zhì)量的重要指標(biāo)，通過(guò)無(wú)核密度儀對(duì)瀝青路面進(jìn)行壓實(shí)度檢驗(yàn)是保障瀝青路面質(zhì)量控制的有效途徑，常規(guī)的壓實(shí)度檢測(cè)方法通過(guò)鉆芯取樣和核子密度儀法，鉆芯取樣法精度比較高，但是會(huì)對(duì)路面造成一定的損傷，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于進(jìn)行大面積的檢驗(yàn)；核子密度儀雖然沒(méi)有對(duì)路面造成損傷，但是由于具有放射源，對(duì)檢測(cè)人員的身體會(huì)造成一定的危害，而且儀器讀書(shū)時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低。無(wú)核密度儀和前兩者相比具有快速、高效、準(zhǔn)確、對(duì)人無(wú)危害等特點(diǎn)而在工程實(shí)際運(yùn)用中得到了廣泛的應(yīng)用[1]-[2]。

目前針對(duì)無(wú)核密度儀在路面壓實(shí)度檢測(cè)方面都有較多的研究，但是針對(duì)PQI的檢測(cè)長(zhǎng)度確定，離析程度的判別方面經(jīng)驗(yàn)成分判斷占據(jù)多一點(diǎn)，定量的研究相對(duì)比較少。本文通過(guò)對(duì)某高速公路路面壓實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用MATLAB建立起壓實(shí)度的分布與PQI檢測(cè)長(zhǎng)度之間的數(shù)學(xué)模型，來(lái)分析檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，為不同路段路面的檢測(cè)距離提出更加合理的建議。

一、無(wú)核密度儀的基本原理及檢測(cè)方法

本文介紹的無(wú)核密度儀為美國(guó)Ttanstech公司生產(chǎn)的PQI model301.該儀器的核心是微處理機(jī)，專(zhuān)門(mén)用于對(duì)瀝青路面壓實(shí)度的測(cè)量，不僅具有輕便易用、不具有放射性材料的特點(diǎn)，還可以使用多種單位；具有溫度和濕度補(bǔ)償；方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理的優(yōu)勢(shì)。

(一)工作原理

瀝青混合料的密度都會(huì)與其介電常數(shù)具有直接關(guān)系。無(wú)核密度儀的工作原理就是利用儀器自帶的感應(yīng)器建立環(huán)行電波，定量測(cè)測(cè)出瀝青混合料的介電常數(shù)，然后通過(guò)內(nèi)部芯片對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行一系列的處理，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為密度數(shù)并通過(guò)內(nèi)部電路傳送給顯示屏將讀數(shù)展現(xiàn)出來(lái)。在缺陷處，例如具有空隙的位置，電波的傳遞就會(huì)收到影響，使得混合料的介電常數(shù)發(fā)生了改變，從而影響密度[3]-[5]。

(二)檢測(cè)方法

1.儀器標(biāo)定

PQI具有四種工作模式：連續(xù)模式、單點(diǎn)模式、平均模式、離析模式，對(duì)儀器的標(biāo)定包括標(biāo)準(zhǔn)模式、單點(diǎn)模式、兩點(diǎn)模式以及人工模式。本文是在標(biāo)準(zhǔn)模式下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)[6]-[8]。

2.現(xiàn)場(chǎng)路面壓實(shí)度檢測(cè)

選定路面類(lèi)型，根據(jù)路面的面層類(lèi)型輸入該層的混合料最大顆粒粒徑以、面層的厚度以及最大理論密度]。

3.選擇適當(dāng)工作模式

不同的工作模式滿(mǎn)足不同的檢測(cè)條件需求，本文所采用數(shù)據(jù)是在連續(xù)模式下采集的。

二、采用無(wú)核密度儀檢測(cè)瀝青路面壓實(shí)度

為研究無(wú)核密度儀檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)路面壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果的影響，檢測(cè)過(guò)程中采用了1m×1m的檢測(cè)密度即沿著行車(chē)道橫向每隔1m檢測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，縱向每隔1m檢測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)，總檢測(cè)長(zhǎng)度為60m,為排除檢測(cè)的數(shù)據(jù)偶然性，一共進(jìn)行了4組60m長(zhǎng)度的檢測(cè)。得到了每組數(shù)據(jù)的無(wú)核檢測(cè)密度值，通過(guò)對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行芯樣標(biāo)定，求得每組數(shù)據(jù)中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的空隙率，分別按照檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)每組數(shù)據(jù)的孔隙率按照30m、40m、50m、60m和60m縱向每隔2米取一個(gè)點(diǎn)的形式(見(jiàn)圖1)對(duì)每組數(shù)據(jù)的空隙率進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)。

圖1 無(wú)核密度儀測(cè)點(diǎn)圖

三、MATLAB數(shù)學(xué)建模

(一)利用MATLAB進(jìn)行Gaussian分布建模

MATLAB中提供了多種擬合模型，本次研究中采用了工程中應(yīng)用最廣泛的Gaussian擬合，在Command Window窗口中輸入cftool函數(shù)得到高斯建模窗口，加載數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合，在type of fit 命令欄中選擇Ganssian完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合。

把各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都加載到Curve fitting tool窗口，得到各組數(shù)據(jù)的擬合圖形，本文中分別對(duì)某高速公路K71+700～K71+760，K74+520～K74+580，K88+000～K88+060下面層空隙率分布數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果分別見(jiàn)圖2、圖3、圖4(其中橫坐標(biāo)x表示空隙率，縱坐y表示空隙率所占百分比，y30 vs.x、y40 vs.x、y50 vs.x 、y60 vs.x表示檢測(cè)距離為30m、40m、50m、60m時(shí)空隙率與其所占百分比的擬合圖形，y302 vs.x表示檢測(cè)長(zhǎng)度為60m，但是縱向每隔2m取一個(gè)點(diǎn)時(shí)的空隙率與其百分比的擬合圖形)，Gaussian分布的各參數(shù)匯總?cè)绫?。

圖2 K71+700～K71+760 空隙率Gaussian分布圖

圖3 K74+520～K74+580 空隙率Gaussian分布圖

圖4 K88+000～K88+060 空隙率Gaussian分布圖

表1 Gaussian擬合分布參數(shù)表

分析表1中擬合曲線(xiàn)參數(shù)可知：1)對(duì)于K71+700～K71+760段SSE隨著檢測(cè)距離的增大而減小，R-Square和Adjusted R-square隨著檢測(cè)距離的增大而增大，說(shuō)明檢測(cè)距離越長(zhǎng)擬合的效果越好。空隙率分布越接近Gaussian分布，b1的值變化不是很大，十分的接近；

2)對(duì)于K74+520～K74+580、K88+000～K88+080段SSE隨著檢測(cè)距離的增大而增大，R-Square和Adjusted R-square隨著檢測(cè)距離的增大而減小，說(shuō)明檢測(cè)距離越短擬合的效果越好。空隙率分布越接近Gaussian分布，b1的值隨著檢測(cè)距離的增大而變大，且檢測(cè)距離為30m×2和60m歲對(duì)應(yīng)的b1值最為接近。

通過(guò)對(duì)某高速公路瀝青路面室內(nèi)試驗(yàn)得到下面層GAC-25目標(biāo)配合比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，得到油石比與空隙率之間的相關(guān)關(guān)系如圖5所示，最終確定最佳油石比為4.1%,其對(duì)應(yīng)空隙率為4.6%。

圖5 油石比與空隙率關(guān)系圖

表2 b1-4.6與檢測(cè)長(zhǎng)度之間的關(guān)系

注：用∣b1-4.6∣可以表示服從Gaussian分布函數(shù)的空隙率均值與最佳油石比所對(duì)應(yīng)的空隙率在坐標(biāo)軸x上的距離。

通過(guò)比較b1和最佳油石比條件下對(duì)應(yīng)的空隙率的差值的絕對(duì)值可以得Gaussian分布函數(shù)主軸的偏移距離，直觀(guān)的反映了檢測(cè)長(zhǎng)度和壓實(shí)度評(píng)價(jià)效果之間的相關(guān)關(guān)系。

表3-2表明：

1)K71+700～K71+760段∣b1-4.6∣為正值且比較接近零，即表示攤鋪效果良好，無(wú)核密度儀檢測(cè)的瀝青路面壓實(shí)度與設(shè)計(jì)的目標(biāo)級(jí)配壓實(shí)度十分接近，通過(guò)圖1推斷檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)空隙率Gaussian分布函數(shù)影響不大；

2)K74+520～K74+580段∣b1-4.6∣為正值。數(shù)值都大于1，且數(shù)值隨著檢測(cè)長(zhǎng)度的增大而增大，60m和30m×2所對(duì)應(yīng)值最為接近，即表明攤鋪效果不是十分理想，與目標(biāo)級(jí)配下路面壓實(shí)度的出入較大，路面出現(xiàn)中粗度離析的地方比較多，圖3能夠直觀(guān)的反應(yīng)出來(lái)檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)空隙率Gaussian分布函數(shù)影響較大，檢測(cè)距離越長(zhǎng)，空隙Gaussian分布函數(shù)主軸離4.6越遠(yuǎn)；

3)K88+000～K88+080段∣b1-4.6∣為負(fù)值數(shù)值都小于0，且數(shù)值隨著檢測(cè)長(zhǎng)度的增大而增大，60m和30m×2所對(duì)應(yīng)值最為接近，即表明攤鋪效果不是十分理想，與目標(biāo)級(jí)配下路面壓實(shí)度的出入較大，路面出現(xiàn)細(xì)離析的地方比較多，圖4能夠直觀(guān)的反應(yīng)出來(lái)檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)空隙率的Gaussian分布函數(shù)影響較大，檢測(cè)距離越短，空隙率Gaussian分布函數(shù)主軸離4.6越遠(yuǎn)，但是當(dāng)檢測(cè)距離為50m時(shí)，空隙率Gaussian分布函數(shù)主軸離4.6較近。

四、結(jié)論

本文研究的目的旨在更好的控制路面的施工質(zhì)量，提高施工效率，通過(guò)PQI檢測(cè)對(duì)瀝青路面進(jìn)行更加科學(xué)的評(píng)價(jià)。本文通過(guò)對(duì)某公路無(wú)核密度儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)的研究得出以下結(jié)論：

1)路面壓實(shí)度的評(píng)價(jià)與無(wú)核密度儀的檢測(cè)長(zhǎng)度有一定的關(guān)系，檢測(cè)距離越長(zhǎng)，越能夠真實(shí)的反應(yīng)路面壓實(shí)度真實(shí)的情況；

2)在對(duì)路面的離析程度評(píng)價(jià)時(shí)，不同離析程度的路面對(duì)檢測(cè)長(zhǎng)度要求不一樣，當(dāng)路面壓實(shí)度較好，檢測(cè)的空隙率與目標(biāo)級(jí)配下空隙率較為接近時(shí)，對(duì)檢測(cè)長(zhǎng)度沒(méi)有太大要求；當(dāng)路面偏向細(xì)離析時(shí)，檢測(cè)距離過(guò)短會(huì)對(duì)路面的評(píng)價(jià)產(chǎn)生較大誤差，應(yīng)采用較長(zhǎng)的檢測(cè)長(zhǎng)度；當(dāng)路面的偏向中粗度離析時(shí)，檢測(cè)距離過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)路面的壓實(shí)度評(píng)價(jià)產(chǎn)生較大的誤差，應(yīng)適當(dāng)縮減檢測(cè)距離，研究發(fā)現(xiàn)50m是一個(gè)較為合理的檢測(cè)長(zhǎng)度。

3)無(wú)論是路面攤鋪效果較好，還是出現(xiàn)了中粗離析或者細(xì)離析。當(dāng)檢測(cè)長(zhǎng)度為60m，縱向每隔1m檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)和縱向每隔2m檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)。路面空隙率的Gaussian分布函數(shù)參數(shù)都比較接近，所以可以采用檢測(cè)長(zhǎng)度為60m，縱向每隔2米檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)代替縱向每隔1米檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)，從而提高檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。