基于電磁混合理論的瀝青路面密度預(yù)估方法

熊學(xué)堂， 譚憶秋，2，*， 張德津， 肖神清， 王 偉

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150090；3.深圳大學(xué)廣東省城市空間信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518060）

施工過程中，瀝青路面密度過大或過小，都會導(dǎo)致路面運(yùn)營后產(chǎn)生車轍或水損害等早期病害，嚴(yán)重影響路面的使用性能和服役壽命，從而極大地增大路面的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用［1］.傳統(tǒng)方法采用局部取芯來評定瀝青路面的壓實(shí)狀況，這樣會對路面造成損傷，并且所得數(shù)據(jù)代表性較差.因此對瀝青路面密度的高效、無損和準(zhǔn)確檢測尤為重要.目前，電磁技術(shù)如探地雷達(dá)（GPR）可以高速、連續(xù)和全斷面地測定瀝青 路面的 相對介 電常數(shù)［2?3］，而瀝 青路面 的相對 介電常數(shù)與其體積指標(biāo)如密度、空隙率或含水量等有較 好 的 相 關(guān) 性［4?7］.對 瀝 青 路 面 密 度 進(jìn) 行 有 效 控 制的關(guān)鍵在于探究瀝青混合料密度與介電特性的關(guān)系.

國內(nèi)外很多學(xué)者深入測試研究了瀝青混合料的介電特性，試圖構(gòu)建瀝青混合料的毛體積相對密度與相對介電常數(shù)的關(guān)系模型，從而實(shí)現(xiàn)對瀝青路面密度的預(yù)估.在瀝青混合料的介電特性測試方法方面，F(xiàn)auchard 等［8］采用圓柱形諧振腔測量了瀝青混合料及礦料的復(fù)介電常數(shù)，該方法測試精度較高，但對試件尺寸制作要求很高，否則會引起較大測量誤差；于曉賀等［9］通過高溫介電常數(shù)平臺測定了不同濕度瀝青混合料試件的相對介電常數(shù)，測試樣本尺寸為直徑26 mm×高12 mm，因樣本較小，故其代表性相對欠缺；Loizos 等［10］在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將Percometer 介電常數(shù)儀置于瀝青路面芯樣表面，可快速測得其相對介電常數(shù)，取得了較好的測試效果.在瀝青混合料的密度預(yù)估模型方面，Al?Qadi 等［11］根據(jù)復(fù)合介質(zhì)與組分之間的介電模型關(guān)系，得出了瀝青混合料的理論密度預(yù)估模型（CRIM 模型、Rayleigh 模型和B?ttcher模型），并初步驗(yàn)證了采用Rayleigh 模型對瀝青混合料密度進(jìn)行預(yù)估的可行性；Leng 等［12］考慮礦料形狀因子的影響，提出了改進(jìn)的B?ttcher 模型，即ALL 模型，該模型參數(shù)中不同類型瀝青的相對介電常數(shù)均取經(jīng)驗(yàn)值3，礦料的相對介電常數(shù)則根據(jù)標(biāo)定芯樣反算得到.然而實(shí)際上不同模型的反算結(jié)果存在一定差異.

綜上所述，目前缺乏對不同瀝青混合料密度預(yù)估模型的系統(tǒng)比較及適用性分析；同時，模型參數(shù)（礦料和瀝青的相對介電常數(shù)）對瀝青混合料密度預(yù)估結(jié)果影響較大，還需要進(jìn)一步確定.鑒于此，本文引入了4 種密度預(yù)估模型，以期闡明它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，分析密度預(yù)估模型的影響因素；利用Percometer 介電常數(shù)儀解決模型參數(shù)測定精度問題，通過室內(nèi)多組常規(guī)簡易試驗(yàn)來對模型進(jìn)行優(yōu)選；最后通過現(xiàn)場瀝青路面取芯試驗(yàn)來驗(yàn)證模型的有效性，為瀝青路面密度的準(zhǔn)確檢測提供技術(shù)參考.

1 密度預(yù)估模型

復(fù)合材料的介電常數(shù)與其組成相的介電常數(shù)及體積分?jǐn)?shù)之間存在函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系式稱為復(fù)合材料的介電模型，其中介電模型分為半經(jīng)驗(yàn)混合模型和電磁混合理論模型.半經(jīng)驗(yàn)混合模型主要起源于Lichtenecker?Rother（LR）方程［13］，其遵循冪律法則，如式（1）所示.電磁混合理論模型根據(jù)含散射體復(fù)合材料的有效介電常數(shù)自洽理論，可以構(gòu)建電磁學(xué)宏觀物理量（有效介電常數(shù)）與微觀物理量（單位體積內(nèi)散射體的數(shù)量和極化率）之間的理論關(guān)系式，見式（2）［14］.

式中：εeff為多相復(fù)合材料的有效介電常數(shù)；N為材料的相數(shù)；Vi、εi分別為第i相的體積分?jǐn)?shù)和介電常數(shù)；a為擬合參數(shù)，?1≤a≤1；εk為第k相的介電常數(shù)，復(fù)合材料的第k相為背景介質(zhì)（1≤k≤N），其他相散射體均勻分布于其中；u為散射體形狀因子；v為相鄰散射體間的影響系數(shù).

針對三相復(fù)合材料，Brovelli 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a=0.5 時，LR 方程式（1）轉(zhuǎn)變成CRIM 介電模型，其計算的復(fù)合材料有效介電常數(shù)誤差最小.而瀝青混合料可看作由瀝青、礦料和空隙空氣組成的三相復(fù)合材料，將瀝青混合料各組分體積參數(shù)和介電常數(shù)代入CRIM 介電模型，其中空隙空氣的相對介電常數(shù)為1，可得到用來預(yù)估瀝青混合料密度的CRIM模型：

式中：γf、γt分別為瀝青混合料的毛體積相對密度和理論最大相對密度；γb、γse分別為瀝青相對密度和礦料有效相對密度；εAC、εb、εs分別為瀝青混合料、瀝青和礦料的相對介電常數(shù)；Pb為瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

假定復(fù)合材料中散射體統(tǒng)一為球形，即u=2，則當(dāng)v=0 時，忽略相鄰散射體的影響，式（2）可轉(zhuǎn)換成一維散射的Rayleigh 介電模型；當(dāng)v=2 時，式（2）可轉(zhuǎn)換成三維散射的B?ttcher介電模型.基于以上介電模型，將連續(xù)相瀝青作為背景介質(zhì)，則礦料和空隙空氣作為散射體被瀝青均勻包裹，可得用來預(yù)估瀝青混合料密度的Rayleigh 模型和B?ttcher 模型，分別見式（4）、（5）：

實(shí)際情況下，瀝青混合料的礦料和空隙空氣并不是理想的球體，它們形態(tài)多樣，而散射體形狀因子u取決于散射體的形狀.Leng［16］基于B?ttcher 介電模型（v=2），對5 種類型瀝青路面芯樣的密度與介電常數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了非線性擬合，求得u的最優(yōu)解為-0.3，進(jìn)而得到了用來預(yù)估瀝青混合料密度的ALL 模型：

2 介電特性試驗(yàn)

2.1 原材料與測試設(shè)備

本文設(shè)計了3 種級配類型的瀝青混合料，礦料級配分別取JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中AC?13、AC?20 和AC?25 級配中值.瀝青混合料的礦料均為石灰?guī)r，瀝青為90#瀝青.Percometer介電常數(shù)儀由主機(jī)連接SF 177 電容傳感器探頭，可將其探頭置于料場未破碎礦石和大桶瀝青表面，直接從主機(jī)上讀取礦料和瀝青的相對介電常數(shù).該介電常數(shù)測試方法有效避免了礦料和瀝青相對介電常數(shù)取值的不確定性，無需像傳統(tǒng)方法那樣通過標(biāo)定多個試樣來計算礦料的相對介電常數(shù).

2.2 試驗(yàn)方法

為了較好地成型不同空隙率的瀝青混合料試件，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀將不同質(zhì)量的瀝青混合料統(tǒng)一制作成直徑100 mm×高度84 mm的試件，不同類型的瀝青混合料試件各成型12個.試件上、下面各切割一部分，切割后試件高度為70 mm，這樣測試面可以與Percometer探頭更好地有效接觸.在試件上、下面不同方位各測量5次，取均值作為瀝青混合料試件的相對介電常數(shù).采用表干法測量切割后試件的毛體積相對密度.瀝青混合料的理論最大相對密度通過真空法測得.

3 結(jié)果與分析

不同類型瀝青混合料的實(shí)測參數(shù)值見表1.將各瀝青混合料試件的毛體積相對密度與相對介電常數(shù)實(shí)測結(jié)果，以及表1 中參數(shù)值分別代入密度預(yù)估模型式（3）~（6），可得出相應(yīng)模型的密度預(yù)估值.

表1 不同類型瀝青混合料的實(shí)測參數(shù)值Table 1 Measured parameter values of different types of asphalt mixtures

3.1 密度預(yù)估模型比較

各瀝青混合料實(shí)測密度和預(yù)估密度見圖1.由圖1可見：各瀝青混合料的密度與相對介電常數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；瀝青混合料的密度增大，即相對介電常數(shù)較小的空隙空氣所占體積比例減小，則混合料的相對介電常數(shù)增大；由于試件高度方向的材料離析，故個別測量結(jié)果存在變異性.對于不同級配類型的瀝青混合料，Rayleigh 模型和ALL 模型的預(yù)估密度結(jié)果接近，瀝青混合料相對介電常數(shù)較小時，模型預(yù)估密度較實(shí)測密度偏小，相對介電常數(shù)較大時則反之；CRIM 模型與B?ttcher 模型的預(yù)估密度結(jié)果相近，其變化趨勢與Rayleigh 模型和ALL 模型預(yù)估密度的變化趨勢基本一致，但CRIM 模型與B?ttcher 模型的預(yù)估密度值始終小于Rayleigh模型和ALL模型.對模型預(yù)估密度與實(shí)測密度進(jìn)行局部比較發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料相對介電常數(shù)存在一個臨界值，在臨界值以上CRIM 模型和B?ttcher 模型預(yù)估密度與實(shí)測密度較吻合（即模型預(yù)估精度較高），在臨界值以下則Rayleigh 模型和ALL模型的預(yù)估精度較高.對于AC?13、AC?20 和AC?25瀝青混合料，相對介電常數(shù)臨界值均為6.7.

圖1 各瀝青混合料實(shí)測密度和預(yù)估密度Fig.1 Measured density and predicted density of different asphalt mixtures

為了量化比較不同模型對瀝青混合料密度的預(yù)估精度，將4 種模型對不同類型瀝青混合料各12 個試件的預(yù)估密度相對誤差分別取均值，結(jié)果見圖2.由圖2 可見：對于不同類型的瀝青混合料，Rayleigh模型和ALL 模型的預(yù)估密度平均相對誤差都小于2.6%，明顯小于CRIM 模型和B?ttcher 模型；ALL 模型預(yù)估密度的平均相對誤差最小，說明其預(yù)估精度最高，其對AC?13、AC?20 和AC?25 瀝青混合料密度的預(yù)估值平均相對誤差分別為0.8%、1.6%和2.5%；此外，4 種模型對AC?13、AC?20 和AC?25 瀝青混合料密度的預(yù)估值整體精度逐步遞減.這與瀝青混合料的最大公稱粒徑有關(guān)，最大公稱粒徑越大，混合料均勻性越差，則模型對該混合料的密度預(yù)估平均相對誤差越大.

圖2 瀝青混合料密度預(yù)估模型的平均相對誤差Fig.2 Average relative errors of asphalt mixture density prediction models

3.2 空隙率對模型密度預(yù)估精度的影響

由圖2 可知，Rayleigh 模型和ALL 模型相對于另外2 種模型更適用于瀝青混合料的密度預(yù)估.本節(jié)進(jìn)一步分析瀝青混合料空隙率Va對Rayleigh 模型和ALL 模型預(yù)估精度的影響.圖3 給出了不同類型瀝青混合料預(yù)估密度相對誤差與空隙率的關(guān)系.由圖3 可見，Rayleigh 模型和ALL 模型預(yù)估密度相對誤差均隨著瀝青混合料空隙率的增大而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.這是由于圖1 中瀝青混合料相對介電常數(shù)較小或較大時，模型預(yù)估密度與實(shí)測密度偏差變大；尤其當(dāng)瀝青混合料空隙率偏大時，會出現(xiàn)明顯的電磁散射，從而降低相對介電常數(shù)的檢測精度.由圖3（a）可見：對于AC?13 瀝青混合料，ALL 模型預(yù)估精度要高于Rayleigh 模型；在AC?13 瀝青混合料空隙率為3.4%~7.5%時，2 種模型預(yù)估密度相對穩(wěn)定和準(zhǔn)確，Rayleigh 模型預(yù)估密度的相對誤差在1.0%內(nèi)，而ALL 模型預(yù)估密度的相對誤差均小于0.5%；在其他空隙率情況下，2 種模型預(yù)估密度的相對誤差均小于2.5%. 由圖3（b）可見：對于AC?20 瀝青混合料，Rayleigh 模型和ALL 模型預(yù)估精度相當(dāng)；在AC?20 瀝青混合料空隙率為1.7%~4.4% 時，2 種模型預(yù)估密度的相對誤差均小于2.0%；而對于Va≥5.7%的瀝青混合料，2 種模型預(yù)估密度的相對誤差較大，均超過了3.0%.由圖3（c）可見：對于AC?25 瀝青混合料，2 種模型預(yù)估密度的相對誤差普遍偏大；空隙率3.8%~5.0%的AC?25瀝青混合料預(yù)估密度相對誤差小于2.5%；當(dāng)Va≤3.4% 或Va≥6.3% 時，預(yù)估密度的相對誤差明顯增大.

圖3 不同類型瀝青混合料預(yù)估密度相對誤差與空隙率的關(guān)系Fig.3 Relationship between predicted density relative errors and void ratios of different asphalt mixtures

3.3 現(xiàn)場路面模型驗(yàn)證

室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選出了Rayleigh 模型和ALL 模型，為了驗(yàn)證這2 種模型對現(xiàn)場瀝青路面密度預(yù)估的適用性，開展了瀝青路面GPR 檢測和取芯驗(yàn)證研究.在鋪筑國道京撫公路木蘭段大中修工程瀝青上面層之前，對施工完的長度為1 km 的AC?20 瀝青下面層標(biāo)記出5 處取芯位置，分別進(jìn)行GPR 檢測、取芯和Percometer 介電常數(shù)儀測量.采用MALA 探地雷達(dá)，中心頻率1.2 GHz 的天線，測點(diǎn)間距0.4 cm，快速檢測瀝青下面層標(biāo)記點(diǎn)，其橫斷面GPR 圖見圖4.從圖4 瀝青層取芯點(diǎn)的單道反射波形中，提取電磁波從瀝青層表面到層底傳播的雙程走時Δt，當(dāng)瀝青層厚度h已知時，可推算出GPR 檢測的瀝青混凝土等效相對介電常數(shù)

圖4 瀝青下面層橫斷面GPR 圖Fig.4 GPR image of asphalt lower layer cross section

式中：c為電磁波在真空中的傳播速率，c=30 cm/ns.

瀝青下面層5 個芯樣的厚度和相對介電常數(shù)測量值見表2.由表2 可見，由GPR 厚度反算法即式（7）計算的εAC與Percometer 介電常數(shù)儀直接測量值之間的誤差較小，平均相對誤差為1.0%.

Percometer 與GPR 所得相對介電常數(shù)的關(guān)系見圖5.由圖5 可見，兩者與等值線的擬合優(yōu)度R2=0.934，表明Percometer 介電常數(shù)儀和GPR 厚度反算法的結(jié)果具有較好的一致性.

圖5 Percometer 與GPR 所得相對介電常數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between relative permittivity derived from Percometer and GPR

在鋪筑瀝青下面層測試路段當(dāng)天，對拌和站的90#基質(zhì)瀝青、石灰?guī)r礦料和熱拌瀝青混合料進(jìn)行檢測分析，獲取AC?20 瀝青下面層密度預(yù)估模型所需的參數(shù)值，見表3.將表2 中Percometer 介電常數(shù)儀測量的芯樣相對介電常數(shù)和表3 中參數(shù)值代入Rayleigh 模型和ALL 模型，計算得到瀝青下面層芯樣的模型預(yù)估密度和實(shí)測密度，結(jié)果見表4.

表2 瀝青下面層5 個芯樣的厚度和相對介電常數(shù)測量值Table 2 Thickness and relative permittivity measured values of 5 cores in asphalt lower layer

表3 下面層瀝青混合料實(shí)測參數(shù)值Table 3 Measured parameter values for asphalt mixture of lower layer

由表4 可見：2 種模型預(yù)估的芯樣密度均小于表干法實(shí)測的密度值，這與芯樣空隙率均大于5.0%（即相對介電常數(shù)較?。┯嘘P(guān)，這與圖1（b）的分析結(jié)果相符；2 種模型預(yù)估密度的相對誤差均隨著芯樣空隙率的增大而增大，特別是在空隙率Va>6%時，相對誤差增大且超過3.0%，這與圖3（b）的規(guī)律相吻合；Rayleigh 模型和ALL 模型預(yù)估密度的平均相對誤差分別為2.7% 和2.5%，均方根誤差RMSE 分別為0.070 2 和0.061 8，說明Rayleigh 模型和ALL 模型的預(yù)估精度接近.以上密度誤差分析結(jié)果驗(yàn)證了Rayleigh 模型和ALL 模型對AC?20 瀝青層密度預(yù)估的準(zhǔn)確性和可行性.

表4 瀝青下面層芯樣的實(shí)測密度和模型預(yù)估密度Table 4 Measured γf and predicted γf of cores in asphalt lower layer

4 結(jié)論

（1）Percometer 介電常數(shù)儀可以快速、直接測定瀝青、礦料和瀝青混合料試件的相對介電常數(shù)，并且其測量值與GPR 檢測結(jié)果的相對誤差不超過1.5%，證明了Percometer介電常數(shù)儀測試方法的有效性.因此，Percometer介電常數(shù)儀能有效消除道路材料相對介電常數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值的隨機(jī)性，保證測試結(jié)果的代表性，為路面材料介電特性研究提供一種高效技術(shù)手段.

（2）4 種密度預(yù)估模型中，Rayleigh 模型和ALL模型整體精度明顯高于CRIM 模型與B?ttcher 模型；而ALL 模型的預(yù)估密度平均相對誤差最小，采用ALL模型得到的AC?13、AC?20和AC?25瀝青混合料預(yù)估密度平均相對誤差分別為0.8%、1.6%和2.5%.

（3）模型預(yù)估精度與瀝青混合料的級配類型和空 隙 率 密 切 相 關(guān)；4 種 模 型 對 于AC?13、AC?20 和AC?25 瀝青混合料預(yù)估密度的平均相對誤差均依次遞增；瀝青混合料的空隙率較小或較大時，Rayleigh模型和ALL 模型預(yù)估密度的相對誤差會明顯增大.

（4）現(xiàn)場AC?20 瀝青層取芯驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，Rayleigh 模型和ALL 模型密度預(yù)估精度均較高，平均相對誤差分別為2.7% 和2.5%，均方根誤差RMSE 分 別 為0.070 2 和0.061 8，2 種模型均適 用 于現(xiàn)場AC 類瀝青路面的密度預(yù)估.