市政道路沥青混凝土路面施工过程中超声波技术的应用

0 引言

沥青混凝土是建设高等级公路路面常用的结构层，具有表面平整没有接缝，行车舒适性好，路面耐磨性能好等特点，因而关于沥青混凝土道路施工与质量检测的技术是当今市政道路工程施工中比较重要的技术。市政道路工程的施工环境往往十分复杂，施工路线障碍多，如地下管网设施和地上的架空线杆等，这些障碍的处理难度高、费事费力。市政道路工程施工涉及沿线居民、商户，也涉及街道、绿化、通信、供电等众多单位，施工前需保证已经与各单位做好沟通，前期勘察、工程设计以及施工方案制定充分。施工过程中混料拌制、摊铺以及碾压等环节施工符合规范，才能保证市政道路工程施工的快速、有序推进，沥青混凝土路面的强度高、防滑、透水等优势的充分发挥。本文基于超声波技术的基本原理和衰减特性，探究了超声波技术在沥青路面施工与质量检测中的应用。

1 沥青混凝土路面施工中常见问题与质量检测方法

1.1 沥青混凝土路面施工常见问题

1.1.1 路面滑坡

很多情况下市政道路的施工都是建立在现有路基的基础上，为保障居民日常出行需求，需要半幅正常通车、半幅围挡起来施工，无法做到完全封路施工。加上地上设施以及复杂的地层环境，使得路基不稳定情况十分常见。在施工过程中，若新旧沥青混凝土路基之间没有做到有效衔接，或者软弱土路基问题没有处理好，都会导致沥青混凝土路基失稳，影响市政道路工程的施工质量。例如，在市政道路沥青混凝土路基的改建、扩建工程中，施工单位摊铺技术施工质量差或者直接在旧路基础上铺设新的沥青混凝土，导致新路和旧路之间承重不均匀，出现错台问题，很容易引发路面滑移、滑坡现象。

1.1.2 道路不均匀沉降

在实际的施工环境中，施工工艺、施工材料质量以及现场管理水平等因素都会导致沥青混凝土道路路基、路面出现不均匀的情况，施工过程中或是在道路投入使用后，出现道路不均匀沉降的严重问题，降低人们的高速、安全、舒适的通行体验。造成这种状况的原因，首先是沥青混凝土级配、材料配比不够合理，致使最终建成的道路强度达不到相关通行要求。其次是沥青混凝土施工水平不足，如摊铺不均匀、碾压不到位等。另外，施工过程中的养护不到位，也会促使道路在实际的投入使用中出现开裂、不均匀沉降等问题[1]。

1.2 沥青混凝土路面施工质量检测方法

沥青混凝土大量用于高等级公路的面层，其质量的检测与管理也相当重要。以往经常采用钻芯取样的方法检测路面结构的强度和厚度等指标，这种方法会对路面造成破坏，检测成本高、效率低。随着无损检测技术的发展与应用，沥青混凝土路面施工过程中质量的检测与控制更加方便高效。常用的无损检测方法如无核密度仪法、CT射线法、探地雷达法以及超声波检测法。超声波检测技术是利用超声波在材料结构中声学参数的变化，来检测材料结构内部缺陷和性质。当高频弹性波在材料中遇到裂缝、杂质等缺陷时其特性就会发生改变。该技术使用范围广、检测灵敏度高、检测设备轻便以及可现场检测等优势，使其能够较好实现对路面施工质量的全面把控[2-3]。

超声波的基本测量参数有声速、振幅、频率和波形。超声波在不同介质中传播时，会在介质交界面产生折射和反射作用。随着传播距离的增加，会出现能量衰减现象。衰减值的计算公式为：

其中，a为系数，A0为声源振幅，A是介质中某点的振幅。沥青路面中粗、细骨料占据了大多数的体积分数，不考虑水分情况下，将路面内部空隙看成弹性固体内部的空腔结构，那么沥青混凝土内部空隙对超声波的耗散作用满足以下公式：

式中Bn为耗散函数，C为广义力函数，K为黏滞波的复波数，k为波数，λ、μ为拉梅系数，R为散射颗粒的半径。

2 道路施工过程中超声波检测仪影响因素试验

2.1 试验方案与试件制备

2.1.1 试验方案

市政道路沥青混凝土路面施工过程中，路面的密度随着压实遍数呈现指数增长，但超声波速度没有随着路面密度的增长而线性增加，甚至会有所下降。说明在沥青混凝土路面施工过程中超声波检测受到多因素影响，为提升该技术的检测精度以及促进其在路面施工中的广泛应用，分析芯样密度、含水率、级配比因素对超声波检测仪的影响。采用混凝土超声波检测仪、沥青混合料拌合机、干燥箱等仪器在实验室环境下进行该项试验，试验材料粗集料采用玄武岩碎石，细集料采用玄武岩石屑，填料选择矿粉和普通硅酸盐水泥，沥青使用SBS改性沥青（PG70-28）。

2.1.2 试件制备流程

该实验所需超声波检测试件为Φ101.6×63.5mm的圆柱试件，每个试件制备所需沥青混凝土质量为4500g，制备流程如下：首先将各种集料烘干称量好之后预热，拌合机、试模、套筒等也需要预热，将沥青放入恒温箱加热。然后将预热好的粗集料放入拌锅中干拌，再放入沥青、矿粉拌合，于烘箱保温待用。将混合料装入试模，将混合料的表面整平为凸圆弧，同时要插入温度计检测混合料的温度，由击实仪进行击实，最后室温养护12个小时，拆下试模框架既得所需试件。

2.2 试验结果

2.2.1 芯样密度的影响

分别制作了3种不同密度的车辙试件以探究芯样密度对超声波速度的影响，低密度（L）、中密度（M）以及高密度（H）试件各2个，在试件中心轴和探头的圆点处做标记，并在试件表面和探头传感器均匀涂抹耦合剂，然后采用Pundit Lab测量每个试件中超声波穿透的速度值。各试件测量所得超声波速度值如表1所示。

表1 各试件的超声波速度值

由表1可知，沥青混凝土路面密度值增大，超声波速度也随之增大。沥青混合料密度平均值每增加120kg/m3，所测得超声波速度平均值增加381m/s左右，沥青路面密度值与超声波速度之间的相关性较强。在市政道路的施工过程中，超声波速度的高低可用于评估道路的施工质量好坏。超声波速度值不是单一受该因素的影响，也要综合考量别的因素。当沥青混凝土路面压实度为92%-95%时，超声波在穿透混凝土前后的速度值下降幅度大，当压实度为95%-97%时，超声波速度值衰减幅度较小。这是由于当沥青混凝土路面的压实度低于95%时，路面的内部空隙较多，相比于沥青混凝土介质，超声波在空气介质中的传播声能会被急剧削减，导致超声波速度降低、能量下降；当沥青混凝土路面的压实度在95%以上时，表明道路的施工质量较高，内部空隙少，空气介质对超声波的削减作用降低，因此沥青混凝土路面压实度较高时，检测到的超声波速度也相应提高[4]。

2.2.2 含水量的影响

在市政工程沥青混凝土路面压实施工过程中，振动压路机上的喷水装置向钢轮上均匀地喷水，若施工过程中喷洒的水量较大，会有部分水份慢慢渗入到沥青混凝土面层，填补到路面中的空隙处。由于超声波在水中的传播速度为1400m/s，在空气中的传播速度一般为340m/s，差距较大。因此，超声波速度变化也可作为沥青混凝土路面施工时含水量的考量因素。使用喷雾器向沥青混合料试件上逐渐喷洒雾状水，每次喷水量尽量在3～5mL之内，模拟现实市政工程施工过程中，压路机现场施工压实的状况。每次喷水后测量10次，以平均值作为最终的试件超声波声速。路面含水量对超声波声速的影响如表2所示。

表2 路面含水量试验结果

可见，随着沥青混凝土路面含水量的逐渐增加，超声波速度也会逐渐增大。当表面含水量大约在5%-17%时，超声波速度增长较快，增长幅度接近100m/s。当含水量继续加大时，由于沥青层面中的空隙已经被水分充分填充，相当于水分的填充量达到极值，超声波声速也就很难再有显著的增幅了。同时，也发现了试件的密度不同，受表面含水量的影响也不同，相比于H1和H2，密度偏低的L1、L2、M1、M2受表面含水量的影响更大。这是由于压实密度大的沥青混凝土路面中空隙相对较少，对超声波速度的衰减作用也较小[5]。

2.2.3 级配比影响

分别制作了3个ATB-25试件和3个AC-25试件。ATB-25矿质混合料配合比为：20～30mm（粗集料）∶10～20mm（粗集料）∶5～10mm（粗集料）∶0～5mm（粗集料）∶矿粉=37∶22∶16∶20∶5。AC-25矿质混合料配合比为：20～30mm（粗集料）∶10～20mm（粗集料）∶5～10mm（粗集料）∶2.5～5mm（粗集料）∶0～2.5mm（细集料）∶矿粉=16∶28∶19:8:25:4。采用直接布局的测量方式，记录密度一致的这两种试件所检测到的超声波声速。

发现在沥青混凝土路面密度相同的情况下，ATB-25试件中的超声波衰减程度低于AC-25试件，超声波声速在ATB-25路面中的传播速度要高于在AC-25路面中。这是由于AC-25中的细集料所占比例变高了，细集料使得该路面中产生了更多的散射体，使得超声波声能散射离开原传播途径，能量耗散更多。因此，沥青混凝土路面的原材料和级配比也是影响超声波波速的重要因素[6]。

3 超声波对沥青混凝土路面质量的仿真测试

市政工程中沥青混凝土路面的密实度是施工过程中的一个重要质量指标，一般路面密实度越大，孔隙率就越小，虽然施工过程中应保证密实度达到一定标准，但是并不是密实度越大越好。可通过测定接收端应力时程曲线的首波声时，来求得超声波在沥青混凝土中的相对速度，通过相对速度的大小，测定沥青混凝土的孔隙率和密实度。裂缝也是沥青混凝土最常见的病害之一，影响市政道路的施工质量与使用体验。可利用首波声时，测出超声应力波在沥青混凝土中的传播时间，求出传播路径的长度，进而求得裂缝深度。裂缝深度的计算公式如下：

其中，t是超声波接收器接收到的首波声时，l是两个超声换能器之间的距离，v是超声波在该类型沥青混凝土中的传播速度。建立一个含有裂缝的沥青混凝土路面模型D进行仿真分析，模型尺寸大小为500×200mm，在模型中间设置一个裂缝，宽3mm，深140mm，在裂缝的两侧对称布置3对有机玻璃楔块，分别距离裂缝100mm，160mm，220mm，作为超声波的发射端和接收端，建立的混凝土路面模型如图1所示[7]。

图1 沥青混凝土路面模型D

对建立好的模型赋予材料特性，设置分析步，施加载荷大小为0.1MPa的超声应力波，初始时间为0，幅值大小为5，频率为80kHz，对模型进行网格划分，创建任务进行仿真计算。计算完成后提取得到的应力时程曲线首波声时分别为0.08ms、0.10ms和0.12ms，计算出在该类模型中超声波传播的速度为4348m/s，利用公式（6）计算出裂缝的深度，分别为141mm、147mm、148mm，与实际设定的裂缝深度140mm相比，误差较小，能够满足实际的市政道路施工需求，也验证了超声波技术在沥青混凝土路面施工中裂缝深度计算的有效性[8]。

4 结语

通过对实验室实验和仿真分析相结合的方式，对超声波技术在市政道路沥青混凝土路面施工中的应用进行了探究。超声波检测仪的应用会受到众多因素的影响，该技术的应用可提高沥青路面质量及其施工水平，使市政道路工程的经济效益和社会效益得以充分发挥。