基于路况云图的沥青路面施工均匀性快速无损检测评价技术

王惠勇

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2. 新型道路材料国家工程实验室，南京，211112）

沥青路面某一区域内主要物理性质的不均匀，会导致沥青路面力学性能和使用性能降低，在行车荷载和雨水的作用下极易发生早期损坏，大大缩短道路使用寿命。鉴于沥青路面施工不均匀的危害，道路工作者一直致力于沥青路面施工均匀性检测评价技术研发，从而能及时发现沥青路面施工过程中出现的不均匀区域，并采取针对性的补救措施，提高沥青路面施工质量，保证路面使用品质，延长道路使用寿命。

本文采用激光断面仪、探地雷达分别采集沥青路面表面构造特征和内部压实度、厚度的点状测试数据；利用点状测试数据映射绘制状况分布云图；根据施工均匀性评价标准，确定状况分布云图中可能存在质量隐患的不均匀区域。从而达到快速、无损、客观检测施工质量，由点及面、由表及里评价路面均匀性的目的。

1 路面表面均匀性快速无损检测技术

沥青路面路表构造主要由被沥青包裹的粗、细集料和集料间的空隙组成。路表构造的变化与集料离析程度具有一定的相关性；路表构造较为粗糙的区域，往往粗骨料较为集中，空隙率较大、沥青含量低，易出现早期水损害；路表构造较为致密的区域，则细集料较为集中，空隙率较小、沥青含量高，易产生车辙、泛油等病害［1］。

根据测试设备的不同，路表构造特征评价指标主要包括平均构造深度MTD、流出时间OFT、平均剖面深度MPD。

平均构造深度MTD通常采用手动铺砂法进行测定，将固定体积的标准砂均匀摊铺在路面上，计算嵌入凹凸不平的表面空隙中的砂的体积与覆盖面积之比。流出时间OFT通过流出仪监测固定体积的水通过路面排除的时间，构造深度决定了出水率大小，构造深度大的路面水流出的时间短，在非常光滑的平面上，流出时间可以是无限长。但上述两个评价指标都必须人工进行测试，效率低、速度慢、精度差，不能很好地满足公路建设者对沥青路面施工质量全面、快速、无损检测的要求。

平均剖面深度MPD是目前唯一可实现连续、自动、高效采集的路表构造特征评价指标。国内外应用最为广泛的平均剖面深度MPD检测设备是激光断面仪，其基本原理是通过向路面投射、接收高速脉冲激光，获取路表纵向纹理轮廓信息，进而求得路面的平均剖面深度MPD。平均剖面深度MPD计算方法如下：剖面深度的基准评价单元为100 mm，将基准评价单元平均分为左右两个子单元，计算两个子单元剖面深度峰值与基准评价单元剖面深度均值的差值，差值再平均就是基准评价单元的剖面深度，如图1所示。所有基准评价单元剖面深度的均值即为测定的平均剖面深度MPD。

图1 基准评价单元剖面深度示意图

我国《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008）要求必须进行激光断面仪测值与铺砂法构造深度值相关关系对比试验，将平均剖面深度MPD转换为平均构造深度MTD评价路表构造特征［2］。国外一般直接采用平均剖面深度MPD评价路表构造特征，世界道路协会（PIARC）在1995年就证明了平均剖面深度MPD与平均构造深度MTD、流出时间OFT之间存在良好的相关性，并提出如下经验性的转换公式：

2 路面内部均匀性快速无损检测技术

沥青混合料摊铺、碾压成型过程中易发生厚度、压实度不均匀现象，从而导致沥青面层技术性能降低，在行车荷载和雨水的作用下，逐步出现车辙、坑槽等多种形式的路面病害。

目前，我国主要采用现场钻芯法检测评价沥青路面厚度、压实度等表征路面结构层内在质量的技术指标。现场钻芯法虽然简单、直观，但其检测速度慢、成本高、测点少、随机性高、代表性相对较低，且对路面结构层造成破坏，取芯位置在某种程度上成为后期病害产生的薄弱部位；同时也不能对路面厚度、压实度均匀性进行很好的检测和评价。

探地雷达GPR利用天线向路面结构层发射高频带短脉冲电磁波，电磁波在各结构层交界面发生反射，通过接收反射回波信号，根据其时延、形状及频谱特性等参数，解译出路面结构层厚度、压实度、损坏状况等信息［3］，如图2所示。

图2 探地雷达测定沥青路面厚度

探地雷达GPR测试沥青路面厚度技术方法比较成熟，广泛应用于实体工程检测。2008年我国修订《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008）时，将探地雷达测定路面厚度纳入，成为我国交通行业工程标准试验方法。短脉冲雷达测定路面厚度试验方法（T 0913—2008）要求采用钻孔取芯法标定沥青面层相对介电常数，然后将相对介电常数和电磁波在路面面层中的双程走时，代入式（3），计算路面结构层厚度。

式中：T为面层厚度；c为电磁波在空气中的传播速度，取300 mm/ns；εr为相对介电常数；Δt为雷达波在路面面层中的双程走时。

由于沥青混合料被压实时，空气含量减少，沥青和骨料的含量相应增加，沥青混合料的复合介电常数增加而沥青混合料的空隙率（压实度）与介电常数存在相关性，因此可通过测试介电常数间接表征路面压实度。目前我国还未颁布探地雷达测定路面压实度的技术规程。近些年，国外开展了大量关于探地雷达测定沥青路面压实度的研究［4］，核心是如何建立介电常数与空隙率的关系模型，其中比较经典是芬兰公路局的空隙率计算模型：

式中：y为空隙率，A、B为模型参数，可回归计算得出；εx为介电常数。

美国、德国等国家均采用上述模型计算沥青路面现场空隙率。本文也推荐采用此模型计算空隙率，检测沥青路面压实度，评价路面内部均匀性，具体方法如下：根据测试路段的介电常数检测数据，选取介电常数分布跨度比较大的5个点进行现场取芯，标定芯样室内试验测定空隙率。利用标定芯样的空隙率和介电常数检测数据回归计算模型参数，然后计算测试路段全线的空隙率，评价测试路段压实度状况。

本文按照上述方法在某高速公路进行了探地雷达测定沥青路面压实度试验。探地雷达采样间隔为10 m，测试速度为60 km/h，测线布设于硬路肩，试验检测结果如图3~图4所示。

图3 测试路段介电常数与空隙率转换关系式

图4 测试路段现场空隙率随里程变化

3 路面状况分布云图绘制

沥青路面任何区域都有可能发生施工不均匀，均匀性测试范围应覆盖沥青路面全部区域，才能消除漏检的风险。本文通过科学、合理布设快速无损检测设备的测线，使沥青路面平均剖面深度、厚度、压实度测试点，以约1 m×1 m的网格均匀分布在测试路段，如图5所示。点状测试数据映射成路面状况分布云图，全断面评价测试路段的施工均匀性。

云图是一种适用范围很广的可视化技术，不仅可对标量场数据进行可视化，也可以对矢量场分量进行可视化，能反映被测物体的数值、分布、形状、范围等特征信息，广泛应用于工程、工业、医学等学科领域。

图5 沥青路面施工均匀性测线、测点布设

本文采用MATLAB软件中的griddata插值函数，利用采集的平均剖面深度MPD、厚度、压实度测点数据绘制沥青路面均匀性分布云图， 主要过程如下：将ZI=griddata（x，y，z，XI，YI）调整形如z=f（x，y）的曲面，使之与非等间距矢量（x，y，z）中的数据吻合，并在指定的（XI，YI）点处插补此曲面，生成ZI，此曲面一定通过这些数据点。XI和YI通常构成均匀网格，XI可以是行矢量，这种情况下该矢量确定一个具有固定列数的矩阵。与之类似，YI可以是列矢量，确定一个具有固定行数的矩阵。［XI，YI，ZI］=griddata（x，y，z，XI，YI）函数返回与上述矩阵相同的插补后的矩阵ZI，并返回由行矢量XI和列矢量yi形成的矩阵XI和YI。最终将二维点或者矩阵通过转置进行数据网格化，按照坐标格式分布在坐标轴上，并通过不同颜色显示数据值的大小，使之更加直观，将路面检测数据通过二维坐标轴的形式显示出来，可视化地描述沥青路面路表构造、厚度、压实度的分布状况［5］。

4 沥青路面施工均匀性评价

我国相关规范对新建沥青路面构造深度、厚度、压实度提出了验收标准和技术要求，如表1所示。

表1 沥青路面施工均匀性指标技术要求

统计理论表明，产品质量过程控制正常情况下符合正态分布。正态分布有一个对质量管控制很重要结论，即无论均值μ和标准差σ取何值，产品质量特性值落在μ±3σ之间的概率为99.73%，落在μ±3σ之外的概率为100%-99.73%=0.27%，而超过一侧，即大于μ+3σ或小于μ-3σ的概率为0.27%/2=0.135%≈1‰。

本文根据我国公路沥青路面设计、施工技术规范技术要求，结合正态分布理论，提出基于路况云图的沥青路面施工均匀性评价标准，如表2所示。然后，即可根据施工均匀性评价标准，在沥青路面施工均匀性分布云图上，读取路面路表平均坡面深度，路面内部厚度、压实度的不均匀区域。

表2 基于路况云图的沥青路面施工均匀性评价标准

5 工程应用

扬州市S331省道是省干线公路网中重要组成部分，同时也是扬州市公路网“八纵十横”中的一条，直接连接着京沪高速公路，在周边公路网中发挥着重要作用。测试路段桩号为K110+000~K119+000，标段全长9.0 km，现有路面宽度9 m，土路肩宽2×1.5 m，公路等级为二级公路，日平均交通量约6 000辆。测试路段维修改造方案为铣刨原路面两层沥青面层（4 cm+5 cm），然后进行基层18 cm水泥就地冷再生，最后回铺4 cm普通沥青Sup13上面层+6 cm厂拌温再生普通沥青下面层。

沥青路面摊铺施工结束后，采用ARAN9000多功能车测试铺面的平均剖面深度MPD，采用中心频率为1 GHz的Wavebounce型探地雷达测试铺面的厚度和压实度，测线分别位于左、右轮迹带和行车道中，纵向采集频率1次/m。数据采集结束后，利用MATLAB软件绘制路面均匀性状况分布云图，如图6所示。最后，根据施工均匀性评价标准，确定沥青路面施工不均匀区域。

图6 江苏S331省道宝应运东段平均剖面深度MPD云图

6 结论

沥青路面局部区域施工不均匀是引发沥青路面早期损坏的重要成因。利用激光断面仪、探地雷达快速无损采集路面表面构造特征、内部厚度及压实度，依据施工均匀性评价标准，利用路面状况分布云图，确定施工不均匀区域，从而全面、客观、公正评价沥青路面施工质量，为沥青路面全面快速无损质量检测提供了新的基

［1］Stephen Sebesta，Tom Scullion. REPORT S2-R06C-RR-1：Using Infrared and High-Speed Ground-Penetrating Radar for Uniformity Measurements on New HMA Layers［R］.Washington，D. C. 2013.

［2］JTG E600—2008公路路基路面现场测试规程［S］.

［3］黎春林.探地雷达检测路面含水量、空隙率和压实度的应用研究［D］.郑州：郑州大学，2003.

［4］迟凤霞，张肖宁，薛忠军，等.基于激光纹理仪的沥青路面表面离析评价方法［J］.中国公路学报，2008，21（5）：1-5.

［5］杜小甫，王成恩.基于等值线数据的一种新的云图算法［J］.东北大学学报（自然科学版），2013，34（5）：624-627.