基于红外热像仪的沥青混合料温度离析控制

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(1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南)，山东 济南 250031)

0 前言

随着我国交通事业的快速发展，我国公路交通建设取得了巨大的成就。路面结构形式以沥青路面为主。随着交通量的逐年增大，沥青路面出现了不同程度的早期损坏。大多数科研工作者将解决早期病害的侧重点放到沥青混合料的级配、沥青、改性剂以及施工工艺等方面，而在沥青混合料施工温度控制方面研究较少。

通过后期研究发现，正是沥青混合料施工温度对沥青路面的路用性能有着关键性影响。沥青作为一种感温性材料，温度是决定其工艺特性和使用性能的首要因素。因此，沥青混合料的性能优劣亦与温度密切相关。施工时温度的控制会直接影响到沥青面层的压实度、强度、密实性和耐久性。

随着红外热像仪技术的日趋成熟，被逐渐应用到各行各业中，亦被引用到沥青路面施工过程中。红外热像仪在沥青路面施工过程中的应用避免了传统温度检测方法的随机性、延时性等诸多不足，进一步提高了沥青路面施工质量。

1 红外热像仪测试原理

自然界任何物体，只要温度高于绝对零度，就会不停地以电磁辐射的形式向周围发出红外辐射能量，红外辐射能量的大小与物体表面温度关系密切。

红外热像仪将物体发出的红外辐射聚集到探测器上，探测器把入射的辐射转换成电信号，进而将整个目标的温度特性处理成一个平面可见图像，即热图。同时，其内置的电子元件将该信息转化成温度读数并显示出来，也可使用专业红外图像处理软件对所拍摄红外图像进行全面性分析。

2 项目概况

本工程中面层AC—20沥青混合料采用SUPERPAVE设计方法，沥青胶结料采用SBS改性沥青(I—D)，PG分级为PG76—22，设计沥青用量4.3%，设计级配关键筛孔通过率如表1。

表1 设计级配关键筛孔通过率各筛孔(mm)的通过率/%26 51913 29 54 752 361 180 30 150 075100 095 775 463 139 425 917 47 56 34 9

设计级配最佳沥青用量下沥青混合料体积指标为空隙率：3.9%、矿料间隙率：13.2%、饱和度：70.5%。

3 红外热像仪在混合料施工过程中的温度跟踪检测

采用红外热像仪对沥青混合料的出厂直到碾压完毕过程中的温度变化进行跟踪检测，包括对装料、卸料、摊铺、碾压等关键位置和步骤进行观测取像研究。

图1是沥青混合料装车过程中的红外光谱图。发现拌和完毕后的沥青混合料温度比较均匀，为180～185 ℃。随着混合料的装车，边侧车厢温度有所升高，但还是与混合料自身的料温形成一个较大的温差，这也导致了贴近车厢的混合料温度有部分散失。

图1 沥青混合料装车红外光谱图

运输车到达现场准备卸料，揭开覆盖后，其表面混合料的温度为170～175 ℃。但是通过图2可以发现，运输车起斗后，沥青混合料内部温度仍然在180～185 ℃。这表明，在混合料运输过程中，只要做好充足的保温措施，混合料内部温度几乎没有损耗，只是其外壳温度有所损失。

图2 沥青混合料卸料红外光谱图

由于施工现场靠近沿海，进入秋季以来施工受天气影响较大，加之当天风力较大。如图3所示，摊铺过后，混合料温度下降了约20～25 ℃，降低至155～160 ℃，对碾压来说，温度已经偏低。并且摊铺过后，沥青混合料温度呈现带状分布，尤其以边部的温度降低最为明显。

碾压过程中，由于碾压跟进不及时和钢轮压路机的喷水等诸多因素，导致混合料温度下降过快，以至于不能满足复压、终压所需温度。

图3 摊铺过后温度红外光谱图

通过对装料、卸料、摊铺、碾压整个过程温度场的观测，可以发现，在运输车覆盖措施充分的前提下，沥青混合料的温度损失主要发生在摊铺和碾压过程中，且这两个阶段温度下降速度较快，最终影响了沥青混合料的路用性能。

4 路面施工横向温度分布及相应的PQI测定值分析

在不同天气状况下，采用红外热像仪对各施工断面进行施工温度采集，并使用无核密度仪PQI对成型路面进行压实度检测。以其中一台固定板摊铺机的摊铺宽度作为一个采集断面，并以摊铺机中点作为“0”基准点，左右分别测定2个点。

对所采集4个断面施工时的天气状况和机械状况统计如表2。

表2 采集断面天气状况采集断面摊铺机螺旋布料器到侧挡板距离/m天气温度/℃风力/级10 5晴6～153～420 5多云7～17微风30 2多云6～144～540 2晴9～18微风

各采集断面的摊铺后温度及成型路面压实度测定结果如表3，并绘制如图4、图5。

通过以上采集数据及图表分析，可得出以下结论:

1) 采用红外热像仪测定的摊铺后混合料温度与无核密度仪PQI测定的成型路面压实度呈正相关，混合料温度越高，成型压实度越大，反之则越小。

2) 摊铺机螺旋布料器输送混合料的过程中，不可避免地存在温度损失的情况。当天气状况相近时，偏中部混合料温度散失较小，边部混合料温度损失较大。其中，边部混合料温度损失的大小与螺旋布料器到侧挡板的距离呈正相关。螺旋布料器到侧挡板的距离越大，边部混合料温度损失越大，反之损失越小。

表3 各采集断面测定结果采集断面测点位置/m摊铺后温度/℃压实度/%采集断面测点位置/m摊铺后温度/℃压实度/%-2．7152．396．8-2．7154．797．2-1．4164．198．1-1．4158．597．510．0162．598．130．0160．997．81．4160．297．91．4159．297．72．7149．896．42．7155．097．4-2．7161．997．8-2．7169．798．7-1．4171．399．0-1．4175．899．220．0175．699．540．0178．099．61．4173．899．31．4176．499．42．7164．598．02．7170．598．5

图4 各采集点温度

图5 各采集点压实度

3) 天气状况越好，气温越高，风速越小，温度散失越小，摊铺断面沥青混合料温度的离散型越小，压实度越均匀；反之，天气状况越差，摊铺断面沥青混合料温度的离散型越大，尤其以边部的温度离析最为显著，压实度亦难满足。

4) 天气因素对成型路面压实度的影响程度远大于机械因素。这表明，沥青混合料的性能对温度因素影响尤为敏感。

5 路面施工纵向温度分布及相应的PQI测定值分析

目前，大部分的沥青路面施工都没有使用转运车，而是直接使用普通运输车。因此，沥青路面或多或少都存在施工温度的纵向离析。

通过红外热像仪对某一施工段落摊铺温度进行持续性监测，以每辆运输车所载混合料铺筑的段落进行7次测定，测定位置设在同一纵断面上，并记下桩号。待路面铺筑完毕成型后，在各个位置用无核密度仪PQI进行压实度检测，结果如表4、图6。

表4 各个车测点测定结果类别测点摊铺后温度/℃压实度/%类别测点摊铺后温度/℃压实度/%1162．497．62165．598．23171．098．5第1车测点4175．799．05178．199．46179．299．67173．698．88165．898．0第2车测点9168．298．310171．098．311178．399．412180．299．7第2车测点13180．599．714175．198．915168．598．216171．398．317174．999．0第3车测点18178．899．519180．399．620183．199．921177．499．2

图6 连续3辆运输车混合料温度分布

在现场摊铺时，运用红外热像仪对连续3辆运输车所摊铺段落进行了温度监测。通过温度变化情况可以发现：

1) 每一辆运料车初始卸料时，沥青混合料温度是最低的。这是由于运料车起斗时，其尾部和大部分表面混合料首先被倾倒下来，而这部分混合料在整个运料车中温度是最低的。另外，如果没能够保持持续性摊铺，摊铺机料斗中残存的混合料温度也是很低的，亦会造成初始摊铺的温度较低。

2) 随着卸料的持续进行，混合料的温度在不断提升，并达到一个最高点。这部分混合料处于车厢中部，不与空气及车厢的内壁接触，其温度下降速度较缓慢，一直保持较高的温度。

3) 到了每一车最后2个测点，也就是卸料的末期，沥青混合料的温度会有小幅度的下降。主要有两个原因: 一是由于料车前端接触车厢壁的混合料在运输过程中料温有一定的损失；二是在运输车卸料完毕后，部分摊铺机操作手有收斗的习惯，而此时摊铺机料斗中的混合料料温是很低的，极易出现由混合料温度离析引起的成型路面片状离析。

通过无核密度仪PQI的后续检测(如表3、图7)，发现成型路面的压实度与温度变化呈现正相关，进一步证实了沥青混合料温度控制对沥青路面施工质量的重要性。

图7 连续3辆运输车混合料成型路面压实度分布

通过红外热像仪和无核密度仪PQI的测定结果分析，告诫在后续的施工过程中:

1) 运输车的覆盖措施要充分。做好车厢四周的保温措施，尤其是上部的覆盖，避免运输过程中出现“兜风”现象。

2) 放慢摊铺机行进速度。既能保证沥青路面的连续性施工，避免由于出现摊铺机等料造成温度离析的现象，同时又能保证路面的初始压实度。

3) 对摊铺机操作手进行施工前技术培训，在混合料正常摊铺过程中严禁收斗，避免由于收斗造成的混合料温度离析。

6 结语

本文提出了应用红外热像仪对沥青路面施工温度检测的方法，通过分析各检测环节的温度数据，研究了施工过程中混合料的温度变异性，并结合无核密度仪PQI的检测结果，得出以下结论：

1) 通过各断面数据采集结果分析，红外热像仪和无核密度仪PQI对现场施工温度及压实度测定结果较为准确、一致，可以快速、无损地确定发生温度变异的部位，为沥青混合料施工控制提供依据。

2) 红外热像仪对沥青路面施工的温度检测有实时性、准确性、全面性、针对性等诸多优点，可以及时反映出施工过程中存在的混合料温度离析和机械问题，便于施工方及时采取改进措施，保证了沥青路面的施工质量。

3) 红外热像仪和无核密度仪PQI的检测方法简单，耗时短，对成型路面无破损。可以在短时间采集大量的数据样本，对沥青路面的质量评价提供客观依据。

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