基于無人機紅外熱成像技術的瀝青路面施工均勻性評價

□ 王禮存 楊 權 張周芹 施瑛琪

隨著我國社會經濟的快速發展和公眾對高質量出行需求的不斷提升，我國的道路建設已經取得了顯著成就。截至2021 年底，全國公路總里程已達到528.07萬公里，同比增長8.26 萬公里，現已開通“瀝青路面改擴建+智慧交通”建設模式，實現道路“全天候通行、全路段感知、全過程管控”。在我國公路飛速發展的同時，交通量的逐年增長以及道路管理養護的不及時，致使瀝青路面出現不同程度的損壞。隨著服役年限的增加，瀝青路面從隨機出現的局部小范圍破損，逐漸擴展成為大面積損壞。這些損壞主要有裂縫、推移、松散及坑槽等。

瀝青作為一種感溫性材料，溫度與其使用性能密切相關，溫度變化必定會影響瀝青混合料的性能，因此瀝青路面施工時的溫度控制會直接影響瀝青路面的壓實度和耐久性。美國國家交通委員會（TRB）的項目研究報告指出，重度溫度離析會使瀝青路面使用壽命減少50%以上，瀝青混合料的施工溫度對瀝青路面的使用性能起著重要作用。瀝青路面的溫度在瀝青混合料運輸、攤鋪、碾壓每個階段都會有不同程度的降低，因此需要對整個施工作業流程進行溫度控制。對于路面的溫度檢測，傳統的“以點代面”式的檢測方法并不能實際反映瀝青路面的施工質量，也不能有效監控溫度異常變化情況。為探究瀝青路面施工過程中出現的溫度不均勻現象，采用無人機紅外熱成像技術對路面進行溫度檢測，能準確定位所拍攝的區域且能定時采集圖像，對瀝青路面全斷面測溫，以數據和圖像結合的形式直觀、全面地分析溫度分布情況，進而對路面不均勻處采取措施，盡可能避免產生溫度離析。

一、SMA-13 瀝青混合料溫度離析研究

1. SMA-13 瀝青混合料溫度離析評價標準

根據文獻和工程經驗，將SMA-13 瀝青混合料的空隙率分為4個等級：未離析（＜4%），輕度離析（4%～6%），中度離析（6%～8%），重度離析（＞8%）。在美國NCAT 報告的方法基礎上，提出溫度離析指標。由于碾壓溫度難以準確測量，因此采用無人機紅外熱成像技術對碾壓后溫度進行測量，選取溫度均勻區域的平均溫度作為基準值，對檢測路段的溫度差和空隙率差進行分析，繪制曲線圖，根據空隙率變化范圍確定溫差的離析標準。

選取新鋪瀝青路面上面層碾壓完成后50 米×7.5米區域，將其劃分為0.5 米×0.5 米的方格，用無人機紅外熱成像和無核密度儀分別測量該區域的碾壓后溫度和空隙率。平均溫度和平均空隙率分別為51℃和3.41%。溫度差和空隙率差之間的相關性較強，相關系數R2 為0.9589，表明溫度升高時空隙率減小。根據不同離析程度的空隙率變化確定基于溫差的溫度離析評價標準。

2. 基于紅外熱成像技術的瀝青路面溫度均勻性評價

利用無人機紅外熱成像技術，測量瀝青混合料在運輸、攤鋪、碾壓過程中的溫度，分析溫度離析的位置和原因，并提出改進措施。選取某一段高速瀝青路面上面層施工，運料車從拌合站到施工現場的距離為5公里，環境氣溫為19℃。

（1）運輸過程中的溫度均勻性評價。通過檢測運料車的到場溫度、開始卸料溫度、卸料中途溫度，根據紅外熱圖像數據，發現運料車中瀝青混合料表層溫度低于內部溫度，表層最高溫度為153.8℃，最低溫度為105.7℃，內部溫度介于160℃～170℃之間。由此可見，運輸過程中，料車表面與內部產生重度離析現象，與運輸距離、環境溫度、篷布覆蓋等因素有關。為降低瀝青混合料的熱量散失，應加強運料車的保溫性能，采用3 次裝料法和潤滑劑等措施。

（2）攤鋪過程中的溫度均勻性評價。通過檢測攤鋪機受料斗、螺旋布料器及攤鋪后面層溫度，結合紅外熱圖像進行分析。攤鋪機受料斗中間溫度介于158℃～162℃之間，而兩側溫度在138℃左右時，出現重度離析現象。這是因為受料斗兩側的混合料等待時間長，散熱快。螺旋布料器能夠輕微攪拌混合料，改善離析程度，但中間與兩側仍有約20℃的溫差。攤鋪形成的路面滿足規范要求，但兩側溫度不均勻。為解決這一問題，可以調整螺旋葉片的間距、大小和傾斜角度；還可以調整螺旋布料器的高度，加快瀝青混合料的流動速度。

（3）碾壓過程中的溫度均勻性評價。通過檢測碾壓過程中的路面溫度，結合紅外熱圖像進行分析。在碾壓過程中，路面溫度隨碾壓遍數的增加而降低。可以發現，每個階段溫度下降速率基本一致，終壓過程結束后，所測區域溫度雖然能滿足規范規定的90℃，但靠近路肩位置存在明顯的溫度離析。經分析，由于在攤鋪過程中兩側的瀝青混合料與空氣接觸面較大，溫度散失快，導致溫度偏低，在碾壓過程中兩側瀝青混合料溫度整體偏低，形成重度離析。對于碾壓過程產生的溫度離析，只能通過采取一定措施來減小攤鋪階段產生的溫度離析程度，從而提高路面質量。在碾壓過程中應控制好壓路機的噴水量，避免噴水量過大造成路面溫度急劇下降；對出現溫度離析的路段，增加碾壓遍數使路面密實度提高，從而減少熱量散失。

（4）瀝青路面溫度均勻性評價。通過對碾壓完成且未開放交通的瀝青路面進行溫度均勻性評價，結合SMA-13 溫度離析評價標準，對無人機紅外熱成像所測路段的平均溫度值與實測值取差值，得出該路段不同程度的溫度離析情況。從整體來看，該路段溫差大多集中在1℃～3℃，未出現大面積離析情況，輕度離析所占比重較大，占比51.6%，而重度離析所占比重較少。因此，可采用無人機紅外熱成像檢測技術瀝青路面施工溫度來直觀掌握溫度離析情況，進而對瀝青路面施工均勻性作出評價，為檢測瀝青路面施工質量提供了一種快速評價手段。

二、溫度離析對瀝青路面均勻性的影響

為了考慮瀝青路面材料和環境的差異性，研究了瀝青混合料溫度對相關性能試驗的影響。通過對施工現場上面層集料的室內試驗，分析了不同溫度成型的SMA-13 瀝青混合料試件的路用性能。利用無人機紅外熱成像技術檢測瀝青路面施工過程中的溫度分布，對比溫度離析區域和未離析區域的芯樣性能，評價瀝青路面的施工質量。

1. 溫度離析對瀝青混合料路用性能的影響

（1）溫度離析對高溫穩定性的影響。通過車轍試驗測定不同溫度成型的瀝青混合料試件的動穩定度，評價溫度離析對瀝青混合料抗車轍能力的影響。可以發現，不同溫度成型的瀝青混合料試件動穩定度都滿足規范要求。動穩定度隨溫度升高而增大，在185℃時達到最大值。說明溫度離析程度越大，高溫穩定性越差。原因是溫度升高導致空隙率減小，集料粘結緊密，壓實度增大，抗車轍能力增強。反之，溫度相差越大，空隙越大，容易出現壓密性車轍。

（2）溫度離析對低溫抗裂性的影響。通過測定不同溫度成型的瀝青混合料試件破壞時的最大彎拉應變，評價溫度離析對瀝青混合料低溫抗裂能力的影響。試驗結果可以發現，瀝青混合料彎拉應變隨溫度升高而增大，在145℃以上時明顯增高。按規范要求，成型溫度165℃以上時才能滿足低溫抗裂性能。由此可見，溫度離析對瀝青混合料低溫抗裂性能有很大影響。為保證低溫抗裂性能，在不超過規范規定溫度的前提下應盡可能提高拌和溫度，減少空隙率，提高低溫破壞應變值。

（3）溫度離析對水穩定性的影響。通過采用凍融劈裂試驗分析不同溫度成型下瀝青混合料的水穩定性，測定6 組不同溫度成型的瀝青混合料試件受到水損害前后的劈裂強度比，進而評價溫度離析對瀝青混合料水穩定性的影響。試驗結果可以發現，空隙率隨溫度升高而下降，在185℃時才滿足規范要求。未凍融組和凍融組的劈裂強度值及強度比都隨溫度升高而增大，在145℃以上時相差不大，并且都滿足規范要求。綜合表明，溫度離析對凍融劈裂強度比的影響較小，不同溫度成型下的瀝青混合料試件都能保持良好的水穩定性。

2. 基于漢堡輪轍試驗的瀝青混合料均勻性評價

通過漢堡輪轍試驗對比溫度離析區域和未離析區域的芯樣抗車轍性能，可以發現兩組芯樣的輪轍深度都滿足規范要求，但溫度離析區域的輪轍深度大于未離析區域的輪轍深度，說明溫度離析會降低瀝青混合料的抗車轍能力，影響施工質量。原因可能在于溫度離析區域的空隙率偏大，集料間粘結不緊密，容易出現壓密性車轍。因此，施工過程中應高度重視瀝青混合料的溫度離析，盡量減少溫度差異，提高路面的均勻性和使用年限。

3. 基于X-ray CT 技術的瀝青混合料均勻性評價

借助X-rayCT 掃描技術對試驗試件進行斷層掃描試驗，獲取每一結構面的清晰圖像，并采用數字圖像處理技術提取和分析空隙率數據。對兩種類型瀝青混合料試件沿高度方向取一典型截面進行對比，可以發現溫度均勻處的瀝青混合料試件各組分分布均勻，空隙較小；而溫度離析處的瀝青混合料試件各組分分布差異較大，空隙較大，空隙率相差1.98%。由此可見，溫度離析對瀝青混合料均勻性有一定影響。

三、主要結論與不足之處

以SMA-13 瀝青路面上面層為研究對象，利用無人機紅外熱成像技術，檢測瀝青混合料在運輸、攤鋪、碾壓過程中的溫度，評價溫度離析的程度和原因，為評價瀝青路面施工質量提供參考。

1. 主要結論

（1）通過對紅外熱圖像的處理分析，發現運輸過程中，運料車表層及兩側混合料溫度差異較大，是產生重度離析的主要原因。攤鋪過程中，受料斗及螺旋布料器兩側容易發生溫度離析。碾壓過程中，路面兩側會出現局部離析帶。

（2）通過分析不同溫度成型的瀝青混合料試件的路用性能，發現溫度差異對瀝青混合料性能有影響，高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性都隨溫度升高而改善，但只有在一定溫度以上才能滿足規范要求。

（3）從溫度不均勻處鉆取芯樣，評價溫度不均勻對瀝青路面施工質量的影響。通過漢堡輪轍試驗和X-rayCT 技術，發現溫度不均勻處的瀝青混合料輪轍深度和內部組分均勻性都大于溫度均勻處的瀝青混合料，雖然輪轍深度都滿足規范要求，但溫度離析處會隨著服役年限增加而出現車轍病害。

2. 存在的不足之處

研究瀝青路面施工過程中的溫度檢測，采用無人機紅外熱成像技術，提出了SMA-13 瀝青混合料的溫度離析評價指標。但還存在一些不足之處，需要進一步完善和深入研究。

（1）無人機紅外熱成像技術只能測定被測物體表面的溫度，不能反映其內部溫度分布情況，因此在評價瀝青路面溫度均勻性時可能有一定的差異。為了提高紅外熱成像技術的精度和可靠性，需要對其原理和方法進行更深入的研究。

（2）只針對SMA-13 瀝青混合料的溫度離析評價指標進行探討，未涉及其他級配的評價指標。為了完善溫度離析評價體系，需要對不同級配的瀝青混合料進行更多的試驗研究工作。

溫度離析評價指標是基于瀝青路面碾壓后的溫度，未考慮碾壓前的路面溫度。由于施工現場條件的限制，碾壓前的路面溫度難以檢測，但對溫度散失程度有影響。因此，可以與碾壓前溫度進行對比，以確保溫度離析評價標準的準確性。