浅谈沥青路面非均匀性检测技术研究

路兴旺

【摘要】针对目前沥青路面早期病害严重，施工过程中缺乏沥青路面非均匀性实时检测的控制方法和标准，本文研究了沥青路面非均匀性国内外研究现状，沥青路面施工变异控制的国内外发展动态以及路面施工质量检测技术动态，实现我国沥青路面施工质量动态控制具有重要的现实意义。

【关键词】沥青路面，非均匀性，施工控制，检测技术

近年来，我国沥青路面早期病害现象相当严重，大量调查表明，路面病害与路面的非均匀性和施工质量不佳有很大关系。非均匀性是由沥青混合料的非均匀性和沥青路面施工的分均匀性导致的。东南大学的张望（2001）和陈红（2003）结合各自的试验路分别对沥青面层包括级配、油石比、压实度、空隙率、平整度、厚度及温度等施工参数变异性进行了系统研究，分析认为料源、施工工艺、施工机械、施工配合和检测手段等是造成变异的主要原因，最后提出了减小施工参数变异性的措施。根据之前的大量研究，对于影响沥青路面不均性的因素，总的可以归结为于材料、设计、施工工艺参数、机械等变异引起路面质量波动，并在路面上表现出来的路面质量不均匀和不稳定；从其分布特征看，有纵向非均匀性、横向非均匀性和竖向非均匀性。种种引起变异的因素有属于偶然原因引起，有的是系统原因引起，要克服这些偶然的和系统的原因，需要研究沥青路面非均匀性国内外的发展状态、控制措施以及各种先进的检测手段。

1.沥青路面非均匀性国内外研究动态

沥青路面非均匀性的一种表现形式是路面离析，有关离析对路面性能的影响，美国NCHRP 441项目[1]做了大量研究，研究认为在许多能潜在引起热拌沥青路面破坏的因素当中，影响最严重的当属沥青混合料的非均匀性；研究还表明材料的回弹模量、动态模量及抗拉强度等力学指标随着离析程度的加深而降低，路面的渗透性随着粗集料离析的增加而增加。另外该研究还调查了其他六个州的路面状况显示：疲劳裂缝或纵向的裂缝也与路面产生离析有很大关系。

沥青混合料离析直接或间接的导致路面服务水平下降，促使了路面破坏加速，最终路面产生松散、纵向裂缝、疲劳裂缝和车辙等早期破坏。美国一项研究报告[2]指出，仅仅为处理集料离析损坏所消耗的资金，从路面最初成本的10%增长到50%，例如，在Michigan开展的研究，预计严重离析、较严重离析和中等离析的沥青路面设计寿命将分别平均降低73%、57%和56%，更甚的由离析引起的纵向裂缝也将导致路面服务寿命降低50%；在Virginia调查发现，路面服务寿命降低的10%是由于轻度离析造成的。Elton（1989）研究认为，避免离析的最佳混合料设计是采用在最大密度级配曲线（A-Line，n=0.45）附近的具有良好的集料级配。沥青含量的大小也影响混合料的离析程度。Brock（1986）研究认为，混合料中沥青含量的轻微增加能显著地减少混合料的离析现象，并建议在沥青混合料设计时，取沥青含量=最佳沥青用量+0.2%。为了减少沥青混合料的变异性，任永利等人（2007）针对目前国内公路建设中沥青路面集料加工质量差、合格率低的缺点，从调查超过30个合同段沥青路面集料加工所用筛孔和集料级配的变异性入手，找到并利用一组标准化筛孔的筛网进行大规模集料加工；李立寒等人（2004）在現场检测和室内试验的基础上，分析了在沥青面层施工过程中沥青混合料材料组成的变化，特别是级配组成的变化特点，分析了现场压实度和空隙率变化及其分布特征，从而掌握沥青路面施工质量特征。

2.沥青路面施工变异控制研究动态

为了提高沥青路面质量管理水平，沥青路面施工变异动态控制技术逐渐得到了重视。美国等发达国家在20世纪70年代就将动态控制技术用于沥青路面的尝试，《NATIONAL ASPHALT PAVEMENT ASSOCIATION QIP 97》中也将动态控制技术列入正常的施工控制；于1994年，我国交通部开始将动态控制技术列入沥青路面施工技术规范附录，并要求有条件的地区优先推广应用。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）[3]同时指出：公路施工单位应以试验检测质量指标的变异系数（或标准差）作为施工水平的主要评价指标，并总结经验，自行建立各项施工指标变异系数的允许界限值。动态控制技术在实际生产中并未达到预期的使用效果，原因是：（1）由于看不到施工过程的生产参数如沥青用量、级配等的变异与路面质量检测指标间的明确关系，工程单位在实际操作中并不重视；（2）而由于质量检测参数如压实度、渗水系数等结果明显滞后于施工，根本就不能起到及时调控的作用。

为了实现对施工质量的直观评价，薛小刚[4]依据沥青混合料直接参数与间接参数之间的关系，绘制了沥青混合料体积参数通用图，通用图具有以下优点：（1）可以直观得到混合料质量是否合格的可接受区，并判断所生产的混合料是否合格或者其偏离程度；（2）能够直接得到不同压实标准下的沥青混合料体积状态参数，快速判断或预测所生产混合料的质量；（3）再结合已经应用开发的相关软件，将快速无损检测数据与沥青混合料体积参数通用图结合起来，从而实现沥青路面施工过程的实时控制，并给出相应的调控措施。

3.路面施工质量检测技术研究动态

在沥青路面施工过程中，由于施工变异而引起的路面非均匀性是很有可能发生的。目前施工质量检测是在随机位置钻芯取样进行试验和评价，这种“以点代面”的质量检测方法不能全面反映路面质量信息，按照美国一项研究[2]，在一般路面施工质量水平下，如每500m取一个样点，预计要从一个样点测出其为低密度区域（非均匀性）的可能性只有0.04%，常规的QC/QA检测并不能对这种施工质量问题提供足够的判断信息。所以无损连续检测技术成为国际上路面质量检测领域的发展趋势。

目前新兴的均匀性检测评价方法主要有热成像（Thermal Imaging）、探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）、激光表面构造测量（Laser surface texture measurements）等。

热成像技术的最新应用就是红外热像仪。它的优点在于能够绘出整个摊铺路的热量分布特征；可以在施工过程中应用，有利于承包商对出现的问题进行及时补救；加之有成熟的软件提供进程控制图，所以业主可以用于接受或识别那些需要进一步试验来判定离析的类型区域。热成像技术的缺点在于仅仅在路表面和接近路表处有效；并且温度和级配离析都会显示“冷”域，这就需要进一步试验更准确的定义离析的类型。

2000年，在NCHRP Report 441中，有奥本大学国家沥青技术研究中心总结了现有沥青路面离析评价方法，提出了推荐的方法和规范，把热成像和激光断面仪技术应用起来识别和度量热拌沥青混合料的非均匀性。

用激光断面仪来测量表面宏观构造已经有几年的历史，此方法来识别离析程度是通过激光断面仪所测得的表而构造深度，与事先假定的非离析区域表而构造深度之间的比较来划分的。研究表明：当路面表面构造深度在0.20～4.25mm之间时，激光断面仪方法和铺砂法之间有很强的相关性。但对于非常粗糙的路表面构造来说，激光断面仪所测得的数据偏低，由于激光不能穿透更深的空隙，然而砂子却可以填充。在2003年，Jay N. Megoda，Geoffrey M.. Rowe[5]等人提出了使用激光断面仪来识别路表面的非均匀性，并建立了与铺砂法之问的相互关系，借此关系可以标定激光断面仪所测得的数据，进而评价沥青路面的非均匀性。

对于热成像在识别沥青混合料均匀性方面的作用，瑞典研究者走在前列，同一时期芬兰的研究者在开发探地雷达GPR，来识别施工中混合料的均匀性。之后，有对这两项技术的联合运用展开了研究，利用探地雷达GPR来评价混合料在深度方向上的特性，利用红外热成像技术来识别并定义混合料非均匀性的程度。联合使用这两项技术可以提供沥青路面特性的三维概况。Manning和Holt[6]发现这一方法充分发挥并利用了这两项技术的优点，技术的综合运用能够增强单一技术的使用。国内彭勇[7]等人采用数字图象技术研究了沥青混合料的非均匀性。

4.结论

（1）沥青路面非均匀性的一种表现形式是路面离析，离析直接或间接的导致路面服务水平下降，解决这一问题投入资金量过大。

（2）无损连续检测技术成为国际上路面质量检测领域的发展趋势， 热成像技术和探地雷达GPR技术联合应用可以充分的评价沥青混合料的非均勻性。

参考文献

[1] Transportation Research Board， National Research Council. Segregation in Hot-Mix Asphalt Pavements（NCHRP report 441）[R].2000

[2] Jun xia Wu. Quantification of non-uniformity in Hot-Mix asphalt pavements [D]. A dissertation submitted to the faculty of The University of Utah.2005

[3] JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].人民交通出版社，2004

[4] 薛小刚，沥青混合料级配优化研究（长安大学硕士学位论文）2004

[5] Jay N. Meegoda， Geoffrey M. Rowe. Chamil H. Hettiarachchi， Nishantha， Bandara and Mark J. Sharrock， Correlation of Surface Texture， Segregation， and Measurementof Air Voids， FHWA-NJ-2002-026，2002

[6] Manning， D. G.， F. B. Holt. The Development of Deck Assessment by Radar and Thermography. Transportation 83 Research Record 1083. Transportation Research Board，National Research Council， Washington. D. C. 1986

[7] 彭勇.基于数字图像处理技术沥青混合料均匀性指标研究[D].同济大学，2005