快速無損檢測技術(shù)在大豐華高速公路瀝青路面的應(yīng)用

蔡 良

(廣東省南粵交通大豐華高速公路管理中心，廣東 梅州 514300)

0 引言

公路施工過程中一般采用3m直尺法和連續(xù)式平整度儀對路面平整度進(jìn)行測試，其測試效率相對較低，試驗結(jié)果受到一定的人為因素影響；而車載顛簸累計儀和車載式激光平整度儀設(shè)備雖然提高了檢測效率，但采樣間距較大，且設(shè)備相對昂貴[1-2]。此外，鋪砂法和滲水儀法作為檢測構(gòu)造深度和滲水系數(shù)的常規(guī)方法，由于只能單點抽測，其試驗結(jié)果的離散性較大，難以作為較長路面的代表值[3]。因此只能通過增加路面檢測頻率來提高試驗結(jié)果的連續(xù)性，從而導(dǎo)致試驗次數(shù)增加，檢測效率下降，同時也增加了人為因素對試驗結(jié)果的影響風(fēng)險。且如試驗后試驗砂和封水材料無法及時清理時，會對該測點處的路面造成一定的不可逆的損傷。

陳小輝[4]將高精度斷面儀運(yùn)用于路面沉降檢測，認(rèn)為手推式高精度斷面儀相比于多功能車在局部路段的平整度檢測中精度更高；遲鳳霞[5]采用激光紋理得到構(gòu)造深度數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)評價瀝青路面的表面離析；史紀(jì)村[6]認(rèn)為對于密級配瀝青混合料，可采用溫差評價法來評價其滲水系數(shù)。上述研究認(rèn)為，傳統(tǒng)檢測方法得到的檢測數(shù)據(jù)已無法滿足較長路面的快速無損檢測的需求?？焖贌o損檢測技術(shù)由于具有無損傷、高效率、數(shù)據(jù)離散性小、數(shù)據(jù)樣本豐富等特點，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測方法效率低、離散性大且數(shù)據(jù)量較少的不足。

大豐華高速公路全長40.149km，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計車速100km/h，整體式路基寬26m，2017年開始施工，計劃2021年建成通車。瀝青面層施工期間，采用快速無損檢測技術(shù)對鋪筑成果進(jìn)行檢測和評價。本文應(yīng)用快速無損檢測技術(shù)的工作原理，并結(jié)合大豐華高速公路工程實例，為新建項目施工質(zhì)量檢測評定提供實踐經(jīng)驗參考。

1 快速無損檢測技術(shù)

1.1 高精度斷面儀

Walking Profiler G3手推式高精度斷面儀，測試中有多種速度可選擇，測試結(jié)果為國際平整度指數(shù)IRI。高精度斷面儀不僅歸類為一級設(shè)備，而且還被用作校準(zhǔn)和評估其他一級設(shè)備(如高速輪廓曲線儀)的參考儀器[7]。其采用的測試原理是模擬1/4汽車模型的車輛在80km/h的時速時，車輛系統(tǒng)行駛距離與后軸豎直方向上的積累相對位移的比值[8-9]。

1.2 高精度激光紋理儀

手推式高精度激光紋理儀的原理是通過二極管激光發(fā)射器發(fā)射紅外激光光束，照射到路面結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生反射光并被儀器內(nèi)部的光敏傳感器中的透鏡接收，利用反射光射入光敏傳感器的位置推算入射光源和反射光源之間的夾角。根據(jù)得到的角度信息，激光傳感器利用幾何計算便可獲得激光傳感器到路面構(gòu)造之間的距離[10]。按以上步驟獲得的高程數(shù)據(jù)換算為平均斷面深度MPD等指標(biāo)來評價路面的粗糙程度，以表征路面抗滑能力、噪音吸收能力以及輪胎阻力的能力。

圖1 測試原理

1.3 紅外滲水測試儀

紅外滲水測試系統(tǒng)由紅外熱成像儀、360°云臺護(hù)罩、距離傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試車組成[11]。測試車裝載帶有360°云臺護(hù)罩紅外熱成像儀，對整個測試路段進(jìn)行紅外掃描，得到全斷面溫度數(shù)據(jù)，同時通過距離傳感器記錄車速以及對應(yīng)行駛的距離，再通過不同的區(qū)域選取代表性位置進(jìn)行滲水系數(shù)測試，建立滲水系數(shù)與路表溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，從而得到全斷面的滲水系數(shù)測試結(jié)果，溫度、滲水系數(shù)、樁號等信息通過Excel進(jìn)行輸出。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速連續(xù)全斷面路面滲水性能檢測，測試效率高、全覆蓋，測試結(jié)果能夠全面地評價路面表面的滲水性能。

2 檢測方案及結(jié)果分析

2.1 平整度

采用高精度斷面儀對測試路段縱斷面進(jìn)行測試，測試速度控制在3km/h左右，測試過程連續(xù)不間斷，按照距離中央分隔帶3m、5m、7m、9m縱向連續(xù)測試4個斷面，每0.125m輸出一個國際平整度指數(shù)IRI。測試結(jié)果見表1。

表1 各路段IRI數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

表2 各點IRI數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布結(jié)果

圖2 IRI分布概率

所測路段縱向IRI均值為0.64m/km，IRI分布在0～2之間的比例為99.0%。對比4個斷面的IRI平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可知，距中道路中間區(qū)域的IRI小于中央分隔帶側(cè)和路肩側(cè)的IRI，且整體數(shù)據(jù)的離散性也更小，兩組數(shù)值的數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)出較好的相對一致性。結(jié)合施工現(xiàn)場進(jìn)行分析，主要原因為：(1)瀝青混合料通過攤鋪機(jī)的螺旋布料器葉片輸送到中分帶時，由于中分帶一側(cè)和路肩側(cè)缺乏葉片或內(nèi)部料位過低，導(dǎo)致瀝青混合料無法進(jìn)行二次攪拌，粗集料易發(fā)生局部離析現(xiàn)象，此時因粗集料和瀝青膠漿分布不均勻影響碾壓性能；(2)邊部碾壓不充分，收面不及時所致。建議加強(qiáng)邊部混合料施工控制，提高均勻性和碾壓性能，同時加強(qiáng)邊部碾壓并及時收面，達(dá)到提高路面整體平整度的目的。

2.2 構(gòu)造深度

采用激光紋理儀對測試路段縱斷面進(jìn)行測試，按照距離中央分隔帶3m、5m、7m、9m縱向連續(xù)測試4個斷面，每1m輸出一個構(gòu)造深度結(jié)果。測試結(jié)果(表3)表明，構(gòu)造深度總體平均值為1.05mm。通過Origin軟件對構(gòu)造深度頻數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合，數(shù)據(jù)結(jié)果整體呈正態(tài)分布，修正后相關(guān)系數(shù)R2=0.994 71。中央分隔帶一側(cè)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差相對較大，說明道路中央?yún)^(qū)域開口已經(jīng)得到了充分的填充，側(cè)面反映了構(gòu)造深度試驗結(jié)果與平整度結(jié)果具有較好的一致性。

表3 各路段激光斷面平均構(gòu)造深度測試數(shù)據(jù)

圖3 構(gòu)造深度正態(tài)分布曲線

圖4 構(gòu)造深度正態(tài)分布云圖

輸出每1m的激光斷面構(gòu)造深度MPD(mm)的平均值，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計對804個樣本進(jìn)行計算，求得本測試區(qū)域的構(gòu)造深度期望值為1.05。根據(jù)表4的判別標(biāo)準(zhǔn)與構(gòu)造深度期望值相乘得到測試路段的均勻性判定標(biāo)準(zhǔn)及分布情況(表5)，各斷面離析等級分布概率見表6。

表4 表面顆粒離析判別標(biāo)準(zhǔn) (單位：mm)

表5 表面顆粒均勻性判別標(biāo)準(zhǔn)及各等級所占比例

表6 各斷面離析程度所占比例 (單位：%)

圖5 整體離析分布狀況

構(gòu)造深度總體平均值為1.05mm，非離析占整體的86.4%，輕微粗離析占整體的12.4%，細(xì)離析占整體的1.1%，未發(fā)現(xiàn)中度離析，表明整體構(gòu)造的均勻性較好。由表6可知，道路兩側(cè)區(qū)域輕微粗離析占比相對較大，其中中分帶側(cè)輕微粗離析占比達(dá)到30.8%。由于道路兩側(cè)表面開口較大，粗集料浮于表層，瀝青膠漿沉積于底層，路表空隙尚未被瀝青膠漿充分填充，此時加強(qiáng)邊部的碾壓和收面工作，粗集料受到壓力擠壓瀝青膠漿，使得瀝青膠漿上浮，更好地填充路表空隙，有助于提高路面整體的均勻性。

2.3 滲水系數(shù)

采用全斷面滲水狀況測試系統(tǒng)掃描待測試的路段，縱向和橫向分別間隔5m和1m間距(共12個縱斷面)獲得滲水系數(shù)測試值。測試時，掃描整個待測路段的溫度場，獲得其路表溫度分布范圍信息為45℃～50℃。同時選取8個測試點進(jìn)行滲水系數(shù)測試，通過Origin軟件對滲水系數(shù)CW與路表溫度T的關(guān)系進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，擬合公式為：y=1.24E30e-x/0.72+0.77，相關(guān)系數(shù)R2=0.987 29，相關(guān)性較好。滲水系數(shù)和路表溫度整體成負(fù)相關(guān)，原因是較低的路表溫度是由于路表開口較大、路面熱量散失較多導(dǎo)致的，滲水系數(shù)也相對較大；當(dāng)路表存在積水時，該區(qū)域溫度散失較大，進(jìn)行紅外掃描得到的溫度數(shù)據(jù)偏小，使得實際測試的滲水系數(shù)偏大。后續(xù)檢測時應(yīng)注意檢測時機(jī)并保證路面干燥，以期得到可靠的數(shù)據(jù)。

圖6 路表溫度與滲水系數(shù)擬合曲線

測試路段共進(jìn)行了429個點的測試，其中所有的測試點測得的滲水系數(shù)均小于100ml/min。從總體數(shù)據(jù)的平均值來看，滲水系數(shù)大致位于0～60ml/min之間，占比94.4%。測試結(jié)果見表7，道路兩側(cè)滲水系數(shù)略大于道路中間區(qū)域的，表明道路中間區(qū)域的壓實度更高，抗?jié)B水能力更強(qiáng)，其結(jié)果與平整度、構(gòu)造深度具有一定的相關(guān)性。

表7 各車道滲水系數(shù) (單位：ml/min)

圖7 滲水系數(shù)分布云圖

3 結(jié)論

(1)由高精度斷面儀測試結(jié)果可知：所測路段縱向IRI均值為1.05m/km，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48，IRI分布在0～2m/km之間的比例為99.0%。所測得的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值能夠較好地反映路面的平整度狀況。

(2)由激光紋理儀測試結(jié)果可知：所測路段數(shù)據(jù)結(jié)果整體呈正態(tài)分布，修正后的相關(guān)系數(shù)R2=0.994 71；總體平均值為1.05mm，表面紋理較豐富，抗滑性能較好；測試路段非離析占比86.4%，輕微粗離析占比12.4%，細(xì)離析占比1.1%，中度離析占比0，表明整體構(gòu)造均勻性較好。加強(qiáng)邊部碾壓有助于提高整體均勻性。

(3)由紅外滲水儀測試結(jié)果可知：所測路段總體滲水系數(shù)較小，平均值為24.2ml/min，滲水系數(shù)全部小于100ml/min；滲水系數(shù)CW與路表溫度T的關(guān)系滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合公式為：y=1.24E30e-x/0.72+0.77，相關(guān)系數(shù)R2=0.987 29，相關(guān)性較好；當(dāng)路面局部存在積水時，將導(dǎo)致試驗結(jié)果比實際結(jié)果偏大。

(4)高精度斷面儀、激光紋理儀和紅外滲水儀具有樣本數(shù)量豐富、測試效率高、對路面無損傷等優(yōu)點，可以滿足長度較長路面功能的快速檢測和整體評價。通過數(shù)理統(tǒng)計等方法，可對施工質(zhì)量進(jìn)行綜合評價和分析，各數(shù)據(jù)之間具有一定的相關(guān)性，有助于提高工程質(zhì)量。