沥青混凝土路面施工质量均匀性检测与研究

2013-01-11 06:51:30郑辉媚周国强

城市道桥与防洪 2013年7期

郑辉媚，周国强，陈杰

（广东省长大公路工程有限公司，广东广州 511431）

1 概述

随着广东省高等级公路建设的迅速发展，良好的路面施工质量是实现沥青混合料预期路用性能的根本前提。因此研究沥青混凝土路面施工质量的均匀性检测与控制方法具有现实意义。在沥青路面的施工过程中，混合料的技术参数通常会发生非均质性的变化（即所谓的“离析”现象），使实际的级配和沥青含量严重偏离设计值，配合比设计就成为虚设，路面质量处于失控状态。沥青路面离析是指在路面某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀，通常归类为级配离析、温度离析、压实离析等。路面离析的区域粗骨料集中，表面构造深度必然较正常情况偏大；反之，细骨料集中的区域，表面构造深度较正常情况偏小；沥青混凝土路面的破坏，特别是表面破坏与沥青混凝土路面表面离析密切相联，沥青混凝土路面离析评价已成为近年来沥青混凝土路面技术研究的重要课题。

目前，国内外用于评价沥青路面离析的无损检测手段有多种：目测法、铺砂法、核子密度或无核密度和核子沥青含量法、透水法、雷达、红外热敏、地震波、激光构造深度法等。目测法、铺砂构造深度法和激光构造深度法比较适合于沥青混凝土路面表面离析的检测和识别。为了评价沥青混合料路面的均匀性并指导施工，本文研究采用适合沥青路面大面积均匀性检测的无损检测方法——激光纹理仪，评价沥青面层混合料路表与内部均匀性，并作为沥青路面施工质量控制与改进的依据。

2 TRL激光纹理仪检测沥青路面表面均匀性

激光纹理仪可快速连续测量沥青路表面的纹理轮廓，检测的数据类似于视觉观测得到的路面纹理构造数据，形象直观。它是激光构造深度法中相对简便、快捷、准确的一种方法。

2.1 激光纹理仪的工作原理及检测步骤

研究应用WDM公司研制开发的TRL微型纹理仪（MTM）。

激光纹理仪是采用激光脉冲反射原理来测定路面构造深度的。脉冲调制半导体激光产生红外光线发射到路表面，光接收器通过透镜接收反射光，发射光之间的角度可根据反射光射到光传感器上的位置来确定，进而激光传感器到目标的距离就可根据该角度和激光传感器的光学几何尺寸计算出来，见图1所示。激光单元由一个测试头和AD转换器组成，转换器将来自测试头信号转换成数值输出信号。

图1 激光纹理仪工作原理图

在新铺筑的沥青路面，为了避免高温对设备造成不良影响，通常在施工后每间隔一天或半天用激光纹理仪对路面的构造深度进行测量。首先选择一段长度100 m左右有代表性的路段，用皮尺对选定的路段区域进行纵向（行车方向）和横行（垂直行车方向）网格划分；其次沿着路面纵向以3～6 km/h的步行速度推动激光纹理仪，每10 m便得到一个区域的测量结果平均值，连续测量进而得到整个路段的构造深度数据。

通过激光纹理仪采集整个路段的构造深度数据比较容易实现，而对于采集到的数据用何种方法进行分析是正确评价离析的关键，不同的分析方法得到的评价结果有很大的差异。要正确、客观地评价路面的离析状况，第一，必须准确客观确定路面构造深度的期望值；第二，将检测结果量化，划分离析等级；第三，将评价结果进行统计分析，显示离析情况；第四，根据统计结果分析评价整个区域内的离析状况及其分布，分别对路段区域沥青路面施工质量进行评价。

2.2 确定期望的表面构造深度值

沥青混凝土路面表面离析识别或判别的第一步是确定期望的表面构造深度值（对应非离析状态），并以此作为尺度进行判别或识别。目前，有以下几种原则确定沥青路面表面构造深度的期望值：

（1）以检测路段表面构造深度的平均值作为构造深度期望值。

（2）以权威人士指定的构造深度作为构造深度期望值。

（3）以在试验室按目标配合比或经批准的生产配合比，制成的标准试件测得的构造深度作为构造深度期望值。

（4）某些国家制定了预测模型，通过模型计算得到构造深度期望值。

比较上面4个原则可以看出：原则（1）包含有施工误差的影响，而且，对于大样品而言，缺乏统计意义；原则（2）具有主观评价成分，与实际路面情况往往存在较大差异；原则（3）虽然比较适宜的客观评价方法，但室内试件的成型方法和实际路面的碾压成型有较大的区别，且真正实施起来比较麻烦；原则（4）适应于各自国家的沥青混合料组成结构及设计原理，对我国未必适用。

该项研究提出一套新的确定原则：根据激光纹理仪所测得的沥青路面表面构造深度的数值，从最小值（或最小值以下）开始以给定的区间大小（如0.05为间隔）进行分段，使总区间的大小涵盖某路段范围内所测得的所有构造深度值；统计整个路段内落在每一小区间段内的样本个数；再应用相关分析软件得到柱状图，然后对数据采用相应的拟合方法进行拟合，得到拟合曲线及方程。分析拟合结果得到数学期望，即为人们所寻找的路面构造深度期望值。

下面以广东省某高速公路实测数据为例，通过激光纹理仪实测的路面构造深度值，评价路面的施工离析情况。统计激光纹理仪实测的路面构造深度值如表1所列，得到分布的柱状图如图2所示。

应用SAS统计学软件分析，由 Kolmogorov-Smirnov方法得到该样本的 P-value＞0.580，服从正态分布。说明该路段构造深度数据出现的频率服从正态分布如图3所示。

为了正态拟合后函数表达式清晰，以图3的整数横坐标表示图2的区间横坐标。相应关系式为：

式中：m——构造深度分布个数；

x——构造深度区间代表值。

得到正态拟合曲线方程为：

式中：y0为偏移量；xc为数学期望；A为曲线下的面积；w/2为方差。

正态拟合所得到的结果如表2所列。

根据拟合结果，得到xc＝3.62944，代入公式（1），得到相应区间为0.382～0.432 mm，取区间中值作为构造深度的期望值，即为0.41 mm。

2.3 离析分级

离析程度的量化界定同样是非常重要的，为获得测量结果达到什么程度被判定为离析，国内外进行了大量实验研究和探索。有关文献提出五个级别：细度离析、非离析、轻度离析、中度离析和重度离析。通过相应手段获得期望值以后，以表面构造深度测量值与期望值的比值作为分级的定量界限，再根据表3所提出的分级标准进行分级。假设构造深度的期望值为1 mm，则所有构造深度介于0.80 mm～1.10 mm之间的路段，就可以定义为无离析路段，依此类推。非离析路段所占的比例越大，说明路面施工均匀性控制越好。