快速评价沥青混合料离析新方法的应用研究

祝海折

(山西省交通科学研究院， 太原　030006)



快速评价沥青混合料离析新方法的应用研究

祝海折

(山西省交通科学研究院， 太原030006)

摘要：介绍沥青混合料离析产生的原因，对比分析目前沥青混合料离析评价方法的优缺点。基于无核密度仪在高速公路路面工程沥青混合料离析评价中的应用，指出无核密度仪对于沥青混合料离析程度的定量评价具有可行性、可靠性和便捷性，可以大范围推广应用。

关键词：无核密度仪；密度；沥青混合料；离析；正态分布

沥青路面离析是指路面某些区域内沥青混合料的油石比、混合料级配组成、外掺剂含量、构造深度、空隙率及压实度等指标产生了不均匀分布，造成沥青混合料路用性能在空间上分布不均匀，从而致使沥青路面早期病害加速发生。目前高速公路常见的早期病害如水损坏、表面坑槽、局部泛油、表面磨光等都与沥青混合料的离析有关[1-3]。

沥青混合料离析问题引起了国内外道路工作者的普遍关注。1997年，美国沥青路面施工技术协会(NAPA)对沥青混合料离析原因进行了系统研究和分析，针对沥青混合料容易产生离析的施工环节(如拌和、生产、运输及摊铺)进行了详细研究，并提出了相应的解决措施。2000年，美国国家沥青技术中心(NCAT)承担了公路联合研究项目“热拌沥青混合料路面的离析”(NCHRP 441)，重点研究了沥青路面离析的判别和检测方法及离析对沥青路面路用性能的影响[4-7]。

目前国内外沥青路面离析现场评价一般采用视觉观察法、现场铺砂法、钻芯法、核子密度仪法、激光构造深度法和无核密度仪测试法。视觉观察法往往凭经验判定，判别结果因人而异，具有误差较大等缺点；现场铺砂法可以测出沥青表面宏观构造深度来评价沥青混合料的离析，但是费时，效率低，采集的样本数有限；钻芯法对路面破坏较大，钻孔处往往诱发其他次生病害，并且判定结果受选点位置影响较大；核子密度仪法对试验人员有一定的辐射影响，国内一般不愿意采用；激光构造深度仪往往需要车载，现场配备不大可能，在施工现场难以推广应用；无核密度仪是一种测试效率高，精度高，对人体无辐射、对路面无破损快速检测设备[8-10]。笔者以某高速公路沥青路面施工过程中密度检测为例，介绍采用无核密度仪对沥青混合料离析进行评价，以定量地判断沥青路面离析程度。

1无核密度仪工作原理

无核密度仪由电磁波发生装置、电磁波接收器和隔离环3部分组成。其工作原理为：由于沥青路面结构层材料的密度与介电常数存在一定的比例关系，因此通过底部感应板产生的电磁场来测试路面结构层材料的介电常数，然后利用环状电容元件将电场信号转换成材料密度数值显示信号。先在设置菜单中输入所测试路面结构层材料的标准密度值(即室内击实马歇尔标准密度或最大理论密度)，然后测试过程中显示屏幕上就可以实时显示路面材料的密度、压实度、路表温度和湿度，同时还可以调整电磁波强度来改变无核密度仪测试厚度，以检测出不同厚度下不同类型沥青混合料的密度或压实度。因此，无核密度仪具有速度快、精度高和携带方便等优点，可以更好地指导施工，保证沥青混合料的施工质量。无核密度仪工作原理如图1所示。

图1　 无核密度仪工作原理

2无核密度仪标定

为保证无核密度仪测出的密度与压实沥青混合料的密度一致，在测试不同沥青混合料之前必须对无核密度仪进行标定，以得到相应的标定值。标定值仅可用于指定路面结构层材料，当检测其他结构层材料密度时，须重新标定并得到新的标定值。使用过程中需输入室内马歇尔标准密度或最大理论密度和标定值，并根据路面结构层的厚度输入相应的探测深度，然后才能检测。

沥青路面检测前，首先选取代表性的段落并钻取5～10个芯样，钻芯前按上述标定方法用无核密度仪检测其密度；然后钻取芯样，采用水中重法(密级配沥青混凝土)测定芯样的毛体积密度，并与无核密度仪测得的密度进行对比，计算标定值。沥青混合料密度及标定值的测定见表1，芯样实测的密度值与无核密度仪检测值对比见图2。

表1　沥青混合料密度及标定值测定　g/cm3

图2　无核密度仪测试密度与芯样实测密度对比

从表1可以看出，无核密度仪测试结果略大于芯样水中重法测试的密度，最大相差为0.038 g/cm3，最小为0.017 g/cm3；从图2也可以看出，2种不同密度测试方法测得的沥青混合料密度相差很小。由此可知，无核密度仪评价沥青路面密度具有可行性。

为了验证无核密度仪评价沥青路面密度的可行性，建立了无核密度仪与芯样实测密度的相关关系，见图3。从图3可以看出，无核密度仪测试密度与芯样实测密度的相关系数达0.801，两者密度大小变化趋势基本一致，由此可知无核密度仪评价沥青路面密度具有可行性；另外，相对传统密度检测方法，无核密度仪具有快速和无破损性，在沥青路面施工质量控制中具有较好的推广应用价值。

3空隙率评价沥青混合料离析依据

为了更直观、定量地去评价沥青路面的离析程度，需对无核密度仪测试得到的密度测试值进行最大理论密度换算，用换算后得到的沥青路面压实空隙率来评价沥青路面离析。

图3　无核密度仪测试密度与芯样实测密度相关性

以往研究表明，路面空隙率和路面离析之间有较好的相关性。本文参照美国NCAT “热拌沥青混合料路面的离析”(NCHRP 441)项目研究成果提出的评价标准来评价沥青混合料路面离析程度，其离析程度的评价标准见表2。

表2　沥青混合料离析程度评价标准

4无核密度仪应用实例

4.1工程概况

某高速公路沥青路面上面层采用SBS改性AC-13C沥青混合料，集料为珠石灰岩，矿粉由石灰岩磨细制成，SBS改性沥青为壳牌公司生产的壳牌70#A级石油沥青加工而成。沥青混合料最佳沥青含量为4.8%，设计空隙率为4.3%，沥青混合料的最大理论密度为2.541 g/cm3。考虑到该工程项目所在地区属高温多雨气候，现场路面压实空隙率按4%～6%控制。AC-13C改性沥青混合料生产配合比见表3。

表3　试验段沥青混合料生产配合比

4.2试验方案设计

在铺筑好的沥青路面上选取长50 m、宽11 m半幅路面区域作为测试区域，并划分1 m2的区域作为一个测试单元。将标定值输入无核密度仪中，进行550次无核密度试验。根据无核密度仪现场测定的密度数据，采用沥青混合料最大理论密度为标准密度计算各测点的现场压实空隙率，根据美国NCAT关于沥青混合料离析程度评价标准的建议，通过图表直观分析沥青路面离析情况。某高速公路沥青路面空隙率数据见表4。

由表4数据可以看出，左半幅路面靠近两侧边缘及中部区域，空隙率偏差较大，离析较严重，与现场实际调查情况完全吻合。由此可知，无核密度仪用于评价沥青混合料离析是可靠的。另外，现场调查分析发现，左半幅路面两侧边缘空隙率较大与摊铺机边部布料不均匀有直接关系，中部区域离析是由2台摊铺机梯队作业接缝搭接所致。因此，现场施工机械性能及施工组织对沥青路面摊铺施工质量起关键作用。

5统计分析

由无核密度仪离析程度评价标准可以得出，某高速公路沥青路面K18+001～K18+050中非离析面积占整个检测区域面积的78.61%，中度粗离析占17.77%，细离析占3.62%，无严重离析。用数理统计方法对该段沥青路面压实空隙率进行变异性分析，得出空隙率平均值为5.5%，标准偏差为0.53。

根据表4中测得的空隙率数据，以步长1%绘出沥青混合料空隙率分布直方图，见图4。从图4可以看出，沥青路面空隙率样本检测值总体呈正态分布，无偏性较好，符合统计规律，数据可靠，试验检测结果符合沥青路面现场实际施工状况，由此证明无核密度仪用于沥青路面离析评价是可靠的。

6结论

1) 为保证无核密度仪测出的密度与压实沥青混合料的密度一致，在测试不同沥青混合料前必须

表4　某高速公路沥青路面空隙率分布

注：1.0.5～10.5 m为测试点距中心桩号的距离；2.空隙率大于10%为重度离析，7%～10%为中度离析，3%～7%为无离析，0～3%为细度离析。

图4　沥青混合料压实空隙率分布直方图

对无核密度仪进行标定，以得到相应的标定值，用以修正测试值。

2) 无核密度仪可以快速评价沥青路面的铺筑质量，发现问题可及时调整，可科学合理地指导后续生产，提高沥青路面施工质量。

3) 沥青路面空隙率呈良好正态分布，空隙率均值和标准差可作为评判沥青路面施工质量均匀性的指标。

4) 无核密度仪是采用数理统计方法对沥青混合料离析程度作定量评价。其测试速度快、样本数据量大、精度高、可靠性强，适合推广应用。

参 考 文 献

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Research on Application of New Method for Quick Evaluation of Segregation of Asphalt Mixture

ZHU Haizhe

Abstract:This paper introduces reasons of segregation of asphalt mixture, compares and analyzes advantages and disadvantages of present evaluation methods for segregation of asphalt mixture. Based on application of non-nuclear density gauge in evaluation of segregation of asphalt mixture in pavement project of expressway, the paper points out feasibility, reliability and convenience of non-nuclear density gauge for quantitative evaluation for degree of segregation of asphalt mixture, and it can be popularized to apply in large scope.

Keywords:non-nuclear density gauge; density; asphalt mixture; segregation; normal distribution

文章编号：1009-6477(2016)01-0053-05

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

作者简介：祝海折(1983-)，男，山东省菏泽市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-05-18

基金项目：山西省交通运输厅科技计划项目(20150123)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.012