沥青混合料摊铺均匀性即时评价方法

王心智,池 波,刘彦程

(龙建路桥股份有限公司,黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引 言

将沥青混合料均匀地摊铺在已修整好的路面基层上是保证路面施工质量的关键。近年来,普遍采用两台或多台摊铺机前后错开10～20 m呈梯队方式同步摊铺。但是这种摊铺方式在两台摊铺机的搭接部分和道路两端极易产生纵向条状离析带,使得沥青面层的使用寿命受到严重影响[1]。相比之下,单机宽幅摊铺优势明显,即整体性好、平整度高、消除了纵向接缝、保证了横坡的准确,同时经济性好,只需一台摊铺机即可完成作业[2]。早期单机宽幅摊铺产生的摊铺离析显著,随着摊铺机技术的发展,这种情况已经有所改观。

宽幅摊铺是指单机摊铺3车道或10 m以上的作业方式,随着我国新建和改扩建双向6车道以上的公路工程增多以及摊铺机厂家的技术升级,最近几年宽幅摊铺已经较为普遍。沥青混合料的摊铺离析及铺层的不均匀现象将对沥青路面的服役性能产生重要的影响,这对宽幅单机摊铺来说影响更为显著,在摊铺过程表现为颗粒离析、横断面平整度变异、厚度变异、初始密实度变异、温度离析等。在摊铺过程中及时发现、反馈并控制混合料不均匀现象具有重要的意义[1-3]。

沥青混合料颗粒离析的常规检测方法有:视觉观察法、铺砂法、抽提筛分法、核子密度仪法等。其中,视觉观察法适合于摊铺后即时判断,但这种判别存在人为主观性,标准不统一,无法定量评价;横断面平整度和厚度变异反映的是摊铺几何尺寸的不均匀变化,摊铺后可通过几何尺寸的测量即时控制,但无法实现变异趋势判断和预测;摊铺后初始密实度可采用无核密度仪检测,也可采用取样测量松铺层毛体积密度的方法进行;摊铺温度可通过红外温度枪和插入式温度计测得单点值来控制,但难以用来判断整个路段或区域的偏差。

结合京哈高速拉林河至哈尔滨段改扩建工程4车道超宽幅单机摊铺施工作业,使用中大DT2000型摊铺机,采用数字图像处理技术、几何尺寸规律采样数理统计、红外热成像仪等不同技术手段,实现了宽幅摊铺后摊铺质量的即时评价和反馈。

1 摊铺颗粒离析评价

1.1 数字图像评价颗粒离析原理

数字图像处理技术是将连续的图像离散化为可被处理的数字图像,并通过一系列运算处理,从而提取数字图像中有利于分析的特征与信息[4]。颗粒离析数字图像的处理流程是首先根据粗细颗粒和空隙在图片中的颜色深浅进行二值化或更多灰度阶的识别,如图1所示;其次对二值化图像进行尺寸、距离、面积等参数计算,并提取其中有意义的数据有目的地进行统计分析;最后根据统计分析指标对目标进行判断[5]。

图1 图像二值化转换

1.2 数字图像评价指标

在路面摊铺离析的判断分析过程中,采用MATLAB分析软件,引入四边静矩和面积比两项指标,来分析集料颗粒分布是否均匀和颗粒比例是否均一。

四边静矩评价理论假设集料颗粒均为圆形且密度相同,计算集料颗粒的面积及其形心到四边的距离,然后计算面积与距离四边的乘积即为静矩,静矩Su为

(1)

式中:N为颗粒个数;s(i)为第i个颗粒的像素面积;lu(i)为第i个颗粒形心到第u边的距离,u为1～4。

集料颗粒分布绝对均匀时的静矩值为标准静矩值,当集料颗粒不均匀分布时,所求得的静矩值将会偏离标准静矩值,由偏离的大小即可判断集料颗粒离析的程度。但由于无法得知绝对均匀时的静矩值,因此通过计算四边静矩和的变异系数来判断表面颗粒是否均匀分布。计算公式见公式(2)。

(2)

四边静矩变异系数不能反映粗细颗粒分布均匀而粗细比例不均的情况,因此引入面积比来控制每张图像中不同粒径颗粒的数量以及集料粗细比例。面积比A为某档集料颗粒的总像素面积P与整个图像像素面积M的比值,即

(3)

最大公称粒径小时,混合料颗粒离析可能性小;而经验上最大公称粒径大于20 mm的混合料取9.5 mm以上各档来进行面积比分析可靠性较高。

1.3 图像采集方法和结果分析

采用带60 cm高固定脚架的相机,跟随摊铺机每前进5 m在断面上均匀选取五点(左侧、左中、中间、右中、右侧)的高分辨率(3 000 px×3 000 px)正方形图片。

在试验段AC-20中面层共采取100个断面500点,通过MATLAB软件对图像的四边静矩变异系数和面积比进行计算,其计算结果如图2和图3所示。

图2 四边静矩变异系数分布

图3 面积比分布

由图2可知,在本试验段500幅图像中,当取四边静矩变异系数1.0%为界限值时,绝大多数采集点都在界限值之下,且凭现场经验判断为均匀。因此,将该试验段AC-20沥青混合料颗粒是否均匀分布的判断标准设定为Su=1.0%,此时500点中有14点不合格,占比2.8%,Su≤1.3%(可靠性90%)的占比98.8%,可认为试验段均匀性较好。

由图3可知,面积比数值分布较为集中,所以采用平均值±2倍标准差的方式确定面积比的离析范围。经计算,当面积比<0.32或>0.38范围时,实验段存在12点集料颗粒数量离析,占比2.4%,可判断为轻微。该结果与直观经验判断相符,可作为粗细比例是否均一的判别标准。

上述颗粒分布均匀性与粗细比例均一性皆经过直观经验判断,无漏检、错检。离析点与摊铺机收斗待料作业时间匹配,因此判断收斗待料带来了一定的离析。在400 m的连续作业中,随着作业衔接的连贯和收斗次数的减少,离析现象减少,图中指标不合格点也相应减少,上述两项指标对离析评价可靠。

2 横断面平整度和摊铺厚度变异评价

在下层平整度满足标准的基础上,沥青层横断面平整度和摊铺厚度变异可能来源于摊铺的不均匀变化。因摊铺面为等厚一字坡,本研究随摊铺机每前进25 m测定一个断面,对横断面平整度采用表面拉线测5点相对高差,同点用插尺法测厚度,结合图形和统计分析来评价其变异性。上述方法一方面反馈摊铺工艺,另一方面则可对宽幅摊铺机具工作稳定性加以评估[6-7]。

20个横断面5点相对高差如图4所示。

图4 横断面5点相对高差变化

图4中左右两边相对高差无明显差异,但中部相对边部明显偏低。上述数据是去除测绳中部悬垂误差的结果,因此可判定摊铺机熨平板中部略偏低或两侧略偏高。而后继调整则考虑边部和中部的初始密实度差异进行。

相对高差的同点厚度检测数据考虑基层平整度的影响,采用纵横向变异系数表征其变异性,结果如图5、图6所示。

图5 厚度纵向变异系数

图6 厚度横向变异系数

图5中A～E分别表征从左至右的5个断面,可以看出,两侧边缘纵断面的厚度变异系数较小,中间相对较大,但5个纵断面的变异系数均≤3%,以设计厚度60 mm为期望值,其不超过施工技术规范中相对偏差小于8%的规定。说明此试验段上该宽幅摊铺机的纵向摊铺厚度具有一定的稳定性。

图6显示只有试验段刚摊铺时的横断面变异系数超过5%,达到5.9%,除第一横断面的其余横断面变异系数均在2%～5%之间,说明该宽幅摊铺机在刚摊铺时会出现横向摊铺厚度略微不稳定,摊铺50 m之后摊铺厚度就能够达到稳定。

3 初始压密程度变异评价

摊铺机后的初始压实度可能随振捣梁或熨平板夯锤振动功率、频率设置,以及布料仓充盈程度而变异,此时即使摊铺表面平整也难以保证压实表面的平整。在摊铺起始阶段根据初始压实度及时调整振捣梁或熨平板夯锤振动参数对后续施工非常重要。

理想的初始密实度测定方式为采用非破坏性检测,如无核密度仪[8-9]。本试验段限于条件,采用直径30 cm圆筒压入松铺层中,称取筒内质量后,按松铺厚度计算毛体积密度,对松铺层沿不同横断面的变异做出评价。试验共在3个断面开展,分别在摊铺初始阶段、振捣梁调整后和稳定作业后进行,检验结果如图7所示。

图7 不同断面初始密实度

图7中摊铺初始的断面1的两侧密实度明显比中部低,且左侧偏低更多。该摊铺机两侧布料振捣熨平机构嫁接于中部约16 m宽的主机上,显然两侧的振捣功率偏低,为此调整了两侧嫁接处的振捣参数。同时,考虑到该机摊铺面的两侧始终比中部略高,调整须考虑不同部位松铺系数,计算后调小但保留了两侧与中部密实度的差异。经压实后横断面平整度检测,达到了调整的目标。

4 摊铺温度离析评价

由于施工过程及环境等各方面不可控制的因素,摊铺的沥青混合料一定存在一些温度有差异的区域,即温度离析。温度离析将导致压实度的不均匀,同样会影响路面的性能以及使用寿命。

在本研究中,通过手持热像仪跟随在摊铺机后每20 m对摊铺路面取像一次,并通过热像仪云图分析软件对摊铺面初压前的温度分布状况进行分析。

分析发现:大部分热成像图中的摊铺温度分布满足我国施工技术规范中混合料摊铺温度不低于130 ℃的要求。由1 000 m范围内的50张热像图分析得知,试验段沥青混合料摊铺面的极端温度为122 ℃和153 ℃,平均温度为147 ℃。根据美国的沥青路面摊铺离析标准,可根据温度差将温度离析程度分为无离析、轻度离析、中度离析以及重度离析,其对应的温差范围分别为(0 ℃,10 ℃)、[10 ℃,16 ℃]、[17 ℃,25 ℃]以及>25 ℃。

由此可知,本试验段大部分为无温度离析状态,仅有4处轻度温度离析以及两处重度温度离析。施工过程中可根据热成像分析结果及时寻找原因并进行调整,保证后续沥青路面的摊铺质量。

5 结 论

(1)采用数字图像处理技术以及数理统计分析,以四边静矩变异系数和面积比为指标,对单机宽幅摊铺的路面进行了颗粒离析评价。结果表明,上述颗粒分布均匀性与粗细比例均一性判断均经过直观经验判断,无漏检错检。离析点判断与摊铺机直观观察匹配,并能对离析程度加以判断。

(2)采用多点采样和统计分析,以表面相对高度变化和厚度变异系数为指标,可判断摊铺表面横坡平整度和厚度变异趋势,为摊铺机及工艺调整提供反馈数据。

(3)取样法能实现对初始压密程度的判断,并为摊铺机振捣参数调整提供依据。摊铺机振捣参数的调整应与横坡变异性数据结合,以调整后最终表面横坡与压密程度一致为最终标准。

(4)红外热成像技术可准确评定摊铺温度不均匀分布,并对其不均匀程度进行判断。施工过程中可根据热成像分析结果及时寻找原因并进行调整。

上述评价方法能即时地反映沥青路面摊铺过程中的不均匀情况,根据反馈及时调整后续摊铺工艺和摊铺机参数,适合于现场宽幅单机摊铺工艺的调整和优化。