基于溫度掃描的排水瀝青路面面域滲透性評價

宋 柳，劉斌清，葉超強

(1.廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530000；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

0 引言

排水瀝青路面是采用孔隙率為18%～25%的大孔隙結構瀝青混合料修筑的路面功能層，其主要作用是通過水的滲透，消除路表自由水膜，提高路面行車安全系數。滲透性能是決定排水瀝青路面排水功能的重要指標，是實現路面總體排水能力的關鍵。排水瀝青路面施工過程中，一般采用單點的滲透系數及滲水系數進行混合料材料設計指標及成型排水瀝青路面性能評價，但對于面域滲透性能缺乏評價手段及控制方法，導致無法對過程進行有效控制，不利于保證排水瀝青路面總體透水效果。

瀝青混合料的孔隙特性與施工后的表面散熱狀態存在一定的相關性，本文采用紅外熱成像儀對排水瀝青路面施工后的表面溫度進行面域化掃描，建立面域化溫度與滲透狀況的關系，以建立排水瀝青路面面域滲透性能評價方法，為排水路面總體滲透性控制提供參考。

1 評價機理

1.1 排水瀝青路面滲透性能影響因素

排水瀝青路面滲透性能一般采用單點滲水系數進行測試評價，在室內一般采用車轍板試件進行滲水系數測試及對馬歇爾試件進行滲透系數測試。研究表明，路面的透水性能與混合料內部的空隙率成正比，空隙率越大，則混合料的滲水性能越強。按照日本的研究成果，排水性路面的滲透系數應達到10-2cm/s以上，對應實體的滲水系數在5 000 mL/min以上為宜。排水瀝青路面空隙率及滲透性能主要受礦料級配(4.75 mm、2.36 mm篩孔通過率)、細集料含量(0.075 mm篩孔通過率)、瀝青用量以及施工過程的壓實功等因素影響。其中，4.75 mm及2.36 mm以上通過率與滲水系數呈正相關關系；細集料含量及瀝青用量與滲水系數呈負相關關系；施工過程壓實功越大，則空隙率越小，對應的滲水能力也減小[1]。

已有透水瀝青路面工程中，因局部過壓、瀝青析漏、級配波動等原因造成局部排水不暢的質量缺陷較為普遍，特別是采用“SBS瀝青+高黏劑+纖維”的混合料，若纖維添加不均勻或礦粉細度發生變化，排水瀝青路面較容易出現局部孔隙較小的透水不良區域。

1.2 施工過程路面溫度影響因素

排水瀝青路面施工碾壓后，路面表面溫度狀態存在一定的差異，其路表溫度差異主要受混合料散熱狀態及碾壓過程熱交換作用影響。其主要影響因素見表1。

表1 排水瀝青路面施工過程表面溫度影響因素分析表

根據施工過程路面溫度影響因素分析可見，攤鋪過程局部級配離析及溫度離析均會影響混合料空隙率，對排水瀝青路面的滲透性能存在一定影響。壓實過程中局部壓實過大或漏壓也會影響排水瀝青路面的滲透性能。而攤鋪過程中的混合料散熱及鋼輪壓路機灑水熱交換與其滲透性能沒有直接相關性，不會直接影響其滲透性。由此可見，在排水瀝青混合料出場級配穩定且施工環境相對一致的情況下，施工過程中的路表散溫狀態能夠反映排水瀝青混合料的滲透狀態。因此，可以借助對表面溫度狀況的總體測試，反映排水瀝青路面的總體滲透性能。

1.3 面域化溫度掃描評價機理

紅外熱成像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡將被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，其與物體表面的熱分布場相對應。通俗地講，紅外熱成像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱像圖，熱像圖上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。紅外熱成像儀基于面域上采集的點可以對固定位置進行溫度掃描，確定一定面域范圍內的溫度平均值[2]。

針對排水瀝青路面面域滲水效果評價要求，可采用紅外熱成像儀進行局部溫度差異特異區的識別，其能夠識別出面域化滲透性能不良區域，解決了常規的單點滲水儀檢測方法難以有效甄別透水不良區域的問題。考慮到路面施工過程中溫度差異較大，影響因素多，在本文采用終壓完成后的路面狀況作為判斷依據。

2 面域滲透性能評價方法

2.1 面域溫度特異區識別標準

排水瀝青混合料中各材料的散熱程度不同，材料離析會造成其局部發生溫度離析；同時在碾壓過程中因碾壓遍數不同，路面散溫及碾壓過程灑水降溫程度也不同。結合排水瀝青路面碾壓后路表溫度影響因素分析，借助紅外熱成像儀對其進行面域化掃描可以有效對透水不良區域進行判斷。不同溫度狀態的路面，其紅外熱像圖的顏色呈現區別。因而，對終壓完成后的路面表面進行紅外熱成像儀掃描，可以快速判明溫度離析區域。參考NCHRP 441用來判定溫度離析的標準[3-4]，見表2。

表2 溫度離析標準表

借鑒路面溫度離析概念，以溫度輕度離析評價標準作為多孔瀝青混合料表面滲透性能差異的篩選條件，即以溫度差異是否超過10 ℃作為高、低溫特異區判斷標準，進行排水瀝青路面施工過程面域溫度甄別。

2.2 設計混合料滲透性能

本研究設計的膠粉復合改性瀝青排水路面，采用膠粉復合改性高黏瀝青作為結合料，設計級配參考常用級配，室內模擬采用車轍板試件測試混合料滲透性能，結果見表3。

表3 設計混合料滲水性能試驗結果表

由表3可知，在設計空隙率為19.4%的情況下，混合料滲水系數為6 762 mL/min，滿足相關規范要求。

2.3 溫度掃描特異區識別方法

如圖1所示，在排水瀝青路面施工過程中，存在低溫區域和高溫區域。根據其溫度影響，高溫區域散熱較快，孔隙相對偏大；低溫區域散熱慢，往往是細料膠泥集中或過壓區域，因此其孔隙偏小。根據紅外溫度掃描圖，以溫度差異10 ℃作為特異區判斷標準，標記亮區(高溫區，>10 ℃)和暗區(低溫區，<10 ℃)，確定區域面積及與平均溫度的差值，作為路面滲透性能評價特異區。

圖1 紅外熱成像儀面域化篩選示例圖

2.4 溫度特異區滲水性能一致性分析

結合排水瀝青混合料滲透性影響因素可以判斷，特異區域中的低溫區屬于滲透性偏低區，高溫區屬于滲透性偏大區。在鋪筑的透水瀝青路面中選定低溫區域和高溫區域各1處，對低溫區、高溫區及正常段落進行空隙率測試及滲水性能測試，不同區域的測試結果如圖2所示。

圖2 紅外熱成像儀面域化異常區域滲水系數及空隙率測試結果對比圖

根據圖2分析，終壓后透水瀝青路面表面溫度特異區域的情況如下：

(1)高溫特異區。路面平均空隙率達22.7%，滲水系數達到7 831(mL/min)，根據溫度掃描區域面積可以判斷，該部位屬于邊部漏壓區，碾壓遍數較正常路段少。

(2)低溫特異區。路面平均空隙率為16.8%，滲水系數為4 964(mL/min)，略低于相關技術規范要求。根據溫度掃描區域及施工工藝可以判斷，該部位為過度碾壓區，且瀝青混合料存在一定的膠漿及瀝青聚集現象。

(3)正常路段。路面平均空隙率為19.8%，滲水系數為6 877(mL/min)，路面滲水性能良好，與室內車轍板試驗確定的6 762 ml/min的滲水系數基本一致。

由此可見，采用溫度掃描方法確定的特異區，與排水瀝青路面滲透性能具有較好的相關性。

3 路面滲透性能驗證

在經溫度掃描確定的路面滲透性能特異區的基礎上，參照現行規范排水瀝青路面測試評價方法，采用多點滲透系數統計分析以及模擬降雨的灑水試驗方法進行路面的滲透性能驗證。

3.1 面域滲透系數測試統計分析

采用電子滲水儀，對實體31.5萬m3的排水瀝青路面進行多點滲水系數隨機檢測，試驗數據匯總統計如圖3所示。

圖3 排水瀝青路面滲水系數隨機檢測結果散點圖

由圖3可見，實體鋪筑的排水瀝青路面滲水系數均大于滿足現行規范要求的5 000 mL/min，滲水系數在5 000～8 000 mL/min，滲水能力普遍滿足要求。

圖4 不同特異區與滲水系數回歸關系擬合曲線圖

通過對多點特異區進行滲水系數測試可以發現，隨著路面攤鋪后溫度的升高，滲水系數呈升高趨勢。其主要原因是攤鋪后路面溫度與路面散溫狀態及碾壓次數有關，散熱快的區域其碾壓次數相對較少，或因存在局部空隙較大的狀態，其表面溫度較高。通過回歸公式分析，排水瀝青路面碾壓后路表溫度與滲水系數符合二元一次方程的回歸規律，其回歸系數 0.787 1 相對偏低，但總趨勢一致(見圖4)。由此可見，采用溫度特異區進行排水瀝青路面滲透性的表征具有一定的合理性。

3.2 面域滲透性灑水驗證

鋪筑完成后，選取紅外溫度掃描特異區不明顯的正常排水瀝青路面，采用整體灑水試驗方法，直觀驗證模擬降雨狀態下排水瀝青路面的總體滲透性能。

由灑水試驗可知，在模擬強降水狀態下排水瀝青透水路面的表面水能夠迅速排除，無局部積水現象。這表明在采用溫度掃描無特異區域的排水瀝青路面，其實際的總體面域滲水效果可以得到良好保證。由此可見，采用紅外溫度掃描進行特異區識別的方法，能夠較好地保證排水瀝青路面總體滲透性能。

4 結語

本文根據排水瀝青路面滲透性能影響因素分析，結合排水瀝青路面的表面溫度狀態影響因素，選取施工終壓后路表溫度進行溫度掃描，以確定路面溫度特異區與滲透系數的關聯，得到結論如下：

(1)借助紅外熱成像儀對排水瀝青路面的表面溫度進行掃描，以10 ℃作為溫度特異區篩選條件，能夠有效篩選路面溫度特異的區域。

(2)所篩選的路面溫度特異區與排水瀝青路面滲透系數存在一定的相關性，符合二元一次方程的回歸規律，其回歸系數0.787 1相對偏低，但總趨勢一致。

(3)面域化滲水效果驗證表明，所采用的以溫度掃描進行排水瀝青路面面域滲透效果控制的方法，可有效控制排水瀝青路面施工過程滲透性能的動態質量，使總體滲水效果良好。

(4)實際應用該方法時，因不同工程需結合控制目的及環境狀況不同，可根據項目情況通過試驗段確定面域溫度掃描的施工環節和特異溫度界定范圍，以確定針對性的控制標準。