基于無損檢測PQI的瀝青混合料壓實度評價

(廣州珠江黃埔大橋建設有限公司 廣東 廣州 511434)

引言

路面壓實度是評價路面攤鋪質量的重要指標，通過無核密度儀對瀝青路面進行壓實度檢驗是保障瀝青路面質量控制的有效途徑，常規的壓實度檢測方法通過鉆芯取樣和核子密度儀法，鉆芯取樣法精度比較高，但是會對路面造成一定的損傷，而且費時費力，不利于進行大面積的檢驗；核子密度儀雖然沒有對路面造成損傷，但是由于具有放射源，對檢測人員的身體會造成一定的危害，而且儀器讀書時間較長，效率較低。無核密度儀和前兩者相比具有快速、高效、準確、對人無危害等特點而在工程實際運用中得到了廣泛的應用[1]-[2]。

目前針對無核密度儀在路面壓實度檢測方面都有較多的研究，但是針對PQI的檢測長度確定，離析程度的判別方面經驗成分判斷占據多一點，定量的研究相對比較少。本文通過對某高速公路路面壓實度檢測數據，利用MATLAB建立起壓實度的分布與PQI檢測長度之間的數學模型，來分析檢測長度對檢測結果的影響，為不同路段路面的檢測距離提出更加合理的建議。

一、無核密度儀的基本原理及檢測方法

本文介紹的無核密度儀為美國Ttanstech公司生產的PQI model301.該儀器的核心是微處理機，專門用于對瀝青路面壓實度的測量，不僅具有輕便易用、不具有放射性材料的特點，還可以使用多種單位；具有溫度和濕度補償；方便對數據進行操作處理的優勢。

(一)工作原理

瀝青混合料的密度都會與其介電常數具有直接關系。無核密度儀的工作原理就是利用儀器自帶的感應器建立環行電波，定量測測出瀝青混合料的介電常數，然后通過內部芯片對介電常數進行一系列的處理，將電信號轉換為密度數并通過內部電路傳送給顯示屏將讀數展現出來。在缺陷處，例如具有空隙的位置，電波的傳遞就會收到影響，使得混合料的介電常數發生了改變，從而影響密度[3]-[5]。

(二)檢測方法

1.儀器標定

PQI具有四種工作模式：連續模式、單點模式、平均模式、離析模式，對儀器的標定包括標準模式、單點模式、兩點模式以及人工模式。本文是在標準模式下對數據進行檢測[6]-[8]。

2.現場路面壓實度檢測

選定路面類型，根據路面的面層類型輸入該層的混合料最大顆粒粒徑以、面層的厚度以及最大理論密度]。

3.選擇適當工作模式

不同的工作模式滿足不同的檢測條件需求，本文所采用數據是在連續模式下采集的。

二、采用無核密度儀檢測瀝青路面壓實度

為研究無核密度儀檢測長度對路面壓實度檢測結果的影響，檢測過程中采用了1m×1m的檢測密度即沿著行車道橫向每隔1m檢測一個數據，縱向每隔1m檢測一個數據，總檢測長度為60m,為排除檢測的數據偶然性，一共進行了4組60m長度的檢測。得到了每組數據的無核檢測密度值，通過對每組數據進行芯樣標定，求得每組數據中每個測點的空隙率，分別按照檢測長度對每組數據的孔隙率按照30m、40m、50m、60m和60m縱向每隔2米取一個點的形式(見圖1)對每組數據的空隙率進行數學統計。

圖1 無核密度儀測點圖

三、MATLAB數學建模

(一)利用MATLAB進行Gaussian分布建模

MATLAB中提供了多種擬合模型，本次研究中采用了工程中應用最廣泛的Gaussian擬合，在Command Window窗口中輸入cftool函數得到高斯建模窗口，加載數據，進行擬合，在type of fit 命令欄中選擇Ganssian完成對實驗數據的擬合。

把各組實驗數據都加載到Curve fitting tool窗口，得到各組數據的擬合圖形，本文中分別對某高速公路K71+700～K71+760，K74+520～K74+580，K88+000～K88+060下面層空隙率分布數據進行了擬合，擬合結果分別見圖2、圖3、圖4(其中橫坐標x表示空隙率，縱坐y表示空隙率所占百分比，y30 vs.x、y40 vs.x、y50 vs.x 、y60 vs.x表示檢測距離為30m、40m、50m、60m時空隙率與其所占百分比的擬合圖形，y302 vs.x表示檢測長度為60m，但是縱向每隔2m取一個點時的空隙率與其百分比的擬合圖形)，Gaussian分布的各參數匯總如表1。

圖2 K71+700～K71+760 空隙率Gaussian分布圖

圖3 K74+520～K74+580 空隙率Gaussian分布圖

圖4 K88+000～K88+060 空隙率Gaussian分布圖

表1 Gaussian擬合分布參數表

分析表1中擬合曲線參數可知：1)對于K71+700～K71+760段SSE隨著檢測距離的增大而減小，R-Square和Adjusted R-square隨著檢測距離的增大而增大，說明檢測距離越長擬合的效果越好。空隙率分布越接近Gaussian分布，b1的值變化不是很大，十分的接近；

2)對于K74+520～K74+580、K88+000～K88+080段SSE隨著檢測距離的增大而增大，R-Square和Adjusted R-square隨著檢測距離的增大而減小，說明檢測距離越短擬合的效果越好。空隙率分布越接近Gaussian分布，b1的值隨著檢測距離的增大而變大，且檢測距離為30m×2和60m歲對應的b1值最為接近。

通過對某高速公路瀝青路面室內試驗得到下面層GAC-25目標配合比馬歇爾試驗結果，得到油石比與空隙率之間的相關關系如圖5所示，最終確定最佳油石比為4.1%,其對應空隙率為4.6%。

圖5 油石比與空隙率關系圖

表2 b1-4.6與檢測長度之間的關系

注：用∣b1-4.6∣可以表示服從Gaussian分布函數的空隙率均值與最佳油石比所對應的空隙率在坐標軸x上的距離。

通過比較b1和最佳油石比條件下對應的空隙率的差值的絕對值可以得Gaussian分布函數主軸的偏移距離，直觀的反映了檢測長度和壓實度評價效果之間的相關關系。

表3-2表明：

1)K71+700～K71+760段∣b1-4.6∣為正值且比較接近零，即表示攤鋪效果良好，無核密度儀檢測的瀝青路面壓實度與設計的目標級配壓實度十分接近，通過圖1推斷檢測長度對空隙率Gaussian分布函數影響不大；

2)K74+520～K74+580段∣b1-4.6∣為正值。數值都大于1，且數值隨著檢測長度的增大而增大，60m和30m×2所對應值最為接近，即表明攤鋪效果不是十分理想，與目標級配下路面壓實度的出入較大，路面出現中粗度離析的地方比較多，圖3能夠直觀的反應出來檢測長度對空隙率Gaussian分布函數影響較大，檢測距離越長，空隙Gaussian分布函數主軸離4.6越遠；

3)K88+000～K88+080段∣b1-4.6∣為負值數值都小于0，且數值隨著檢測長度的增大而增大，60m和30m×2所對應值最為接近，即表明攤鋪效果不是十分理想，與目標級配下路面壓實度的出入較大，路面出現細離析的地方比較多，圖4能夠直觀的反應出來檢測長度對空隙率的Gaussian分布函數影響較大，檢測距離越短，空隙率Gaussian分布函數主軸離4.6越遠，但是當檢測距離為50m時，空隙率Gaussian分布函數主軸離4.6較近。

四、結論

本文研究的目的旨在更好的控制路面的施工質量，提高施工效率，通過PQI檢測對瀝青路面進行更加科學的評價。本文通過對某公路無核密度儀的檢測數據的研究得出以下結論：

1)路面壓實度的評價與無核密度儀的檢測長度有一定的關系，檢測距離越長，越能夠真實的反應路面壓實度真實的情況；

2)在對路面的離析程度評價時，不同離析程度的路面對檢測長度要求不一樣，當路面壓實度較好，檢測的空隙率與目標級配下空隙率較為接近時，對檢測長度沒有太大要求；當路面偏向細離析時，檢測距離過短會對路面的評價產生較大誤差，應采用較長的檢測長度；當路面的偏向中粗度離析時，檢測距離過長會對路面的壓實度評價產生較大的誤差，應適當縮減檢測距離，研究發現50m是一個較為合理的檢測長度。

3)無論是路面攤鋪效果較好，還是出現了中粗離析或者細離析。當檢測長度為60m，縱向每隔1m檢測一個點和縱向每隔2m檢測一個點。路面空隙率的Gaussian分布函數參數都比較接近，所以可以采用檢測長度為60m，縱向每隔2米檢測一個點代替縱向每隔1米檢測一個點，從而提高檢測精度和檢測效率。