瀝青混合料攤鋪均勻性即時評價方法

王心智,池 波,劉彥程

(龍建路橋股份有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引 言

將瀝青混合料均勻地攤鋪在已修整好的路面基層上是保證路面施工質量的關鍵。近年來,普遍采用兩臺或多臺攤鋪機前后錯開10～20 m呈梯隊方式同步攤鋪。但是這種攤鋪方式在兩臺攤鋪機的搭接部分和道路兩端極易產生縱向條狀離析帶,使得瀝青面層的使用壽命受到嚴重影響[1]。相比之下,單機寬幅攤鋪優勢明顯,即整體性好、平整度高、消除了縱向接縫、保證了橫坡的準確,同時經濟性好,只需一臺攤鋪機即可完成作業[2]。早期單機寬幅攤鋪產生的攤鋪離析顯著,隨著攤鋪機技術的發展,這種情況已經有所改觀。

寬幅攤鋪是指單機攤鋪3車道或10 m以上的作業方式,隨著我國新建和改擴建雙向6車道以上的公路工程增多以及攤鋪機廠家的技術升級,最近幾年寬幅攤鋪已經較為普遍。瀝青混合料的攤鋪離析及鋪層的不均勻現象將對瀝青路面的服役性能產生重要的影響,這對寬幅單機攤鋪來說影響更為顯著,在攤鋪過程表現為顆粒離析、橫斷面平整度變異、厚度變異、初始密實度變異、溫度離析等。在攤鋪過程中及時發現、反饋并控制混合料不均勻現象具有重要的意義[1-3]。

瀝青混合料顆粒離析的常規檢測方法有:視覺觀察法、鋪砂法、抽提篩分法、核子密度儀法等。其中,視覺觀察法適合于攤鋪后即時判斷,但這種判別存在人為主觀性,標準不統一,無法定量評價;橫斷面平整度和厚度變異反映的是攤鋪幾何尺寸的不均勻變化,攤鋪后可通過幾何尺寸的測量即時控制,但無法實現變異趨勢判斷和預測;攤鋪后初始密實度可采用無核密度儀檢測,也可采用取樣測量松鋪層毛體積密度的方法進行;攤鋪溫度可通過紅外溫度槍和插入式溫度計測得單點值來控制,但難以用來判斷整個路段或區域的偏差。

結合京哈高速拉林河至哈爾濱段改擴建工程4車道超寬幅單機攤鋪施工作業,使用中大DT2000型攤鋪機,采用數字圖像處理技術、幾何尺寸規律采樣數理統計、紅外熱成像儀等不同技術手段,實現了寬幅攤鋪后攤鋪質量的即時評價和反饋。

1 攤鋪顆粒離析評價

1.1 數字圖像評價顆粒離析原理

數字圖像處理技術是將連續的圖像離散化為可被處理的數字圖像,并通過一系列運算處理,從而提取數字圖像中有利于分析的特征與信息[4]。顆粒離析數字圖像的處理流程是首先根據粗細顆粒和空隙在圖片中的顏色深淺進行二值化或更多灰度階的識別,如圖1所示;其次對二值化圖像進行尺寸、距離、面積等參數計算,并提取其中有意義的數據有目的地進行統計分析;最后根據統計分析指標對目標進行判斷[5]。

圖1 圖像二值化轉換

1.2 數字圖像評價指標

在路面攤鋪離析的判斷分析過程中,采用MATLAB分析軟件,引入四邊靜矩和面積比兩項指標,來分析集料顆粒分布是否均勻和顆粒比例是否均一。

四邊靜矩評價理論假設集料顆粒均為圓形且密度相同,計算集料顆粒的面積及其形心到四邊的距離,然后計算面積與距離四邊的乘積即為靜矩,靜矩Su為

(1)

式中:N為顆粒個數;s(i)為第i個顆粒的像素面積;lu(i)為第i個顆粒形心到第u邊的距離,u為1～4。

集料顆粒分布絕對均勻時的靜矩值為標準靜矩值,當集料顆粒不均勻分布時,所求得的靜矩值將會偏離標準靜矩值,由偏離的大小即可判斷集料顆粒離析的程度。但由于無法得知絕對均勻時的靜矩值,因此通過計算四邊靜矩和的變異系數來判斷表面顆粒是否均勻分布。計算公式見公式(2)。

(2)

四邊靜矩變異系數不能反映粗細顆粒分布均勻而粗細比例不均的情況,因此引入面積比來控制每張圖像中不同粒徑顆粒的數量以及集料粗細比例。面積比A為某檔集料顆粒的總像素面積P與整個圖像像素面積M的比值,即

(3)

最大公稱粒徑小時,混合料顆粒離析可能性小;而經驗上最大公稱粒徑大于20 mm的混合料取9.5 mm以上各檔來進行面積比分析可靠性較高。

1.3 圖像采集方法和結果分析

采用帶60 cm高固定腳架的相機,跟隨攤鋪機每前進5 m在斷面上均勻選取五點(左側、左中、中間、右中、右側)的高分辨率(3 000 px×3 000 px)正方形圖片。

在試驗段AC-20中面層共采取100個斷面500點,通過MATLAB軟件對圖像的四邊靜矩變異系數和面積比進行計算,其計算結果如圖2和圖3所示。

圖2 四邊靜矩變異系數分布

圖3 面積比分布

由圖2可知,在本試驗段500幅圖像中,當取四邊靜矩變異系數1.0%為界限值時,絕大多數采集點都在界限值之下,且憑現場經驗判斷為均勻。因此,將該試驗段AC-20瀝青混合料顆粒是否均勻分布的判斷標準設定為Su=1.0%,此時500點中有14點不合格,占比2.8%,Su≤1.3%(可靠性90%)的占比98.8%,可認為試驗段均勻性較好。

由圖3可知,面積比數值分布較為集中,所以采用平均值±2倍標準差的方式確定面積比的離析范圍。經計算,當面積比<0.32或>0.38范圍時,實驗段存在12點集料顆粒數量離析,占比2.4%,可判斷為輕微。該結果與直觀經驗判斷相符,可作為粗細比例是否均一的判別標準。

上述顆粒分布均勻性與粗細比例均一性皆經過直觀經驗判斷,無漏檢、錯檢。離析點與攤鋪機收斗待料作業時間匹配,因此判斷收斗待料帶來了一定的離析。在400 m的連續作業中,隨著作業銜接的連貫和收斗次數的減少,離析現象減少,圖中指標不合格點也相應減少,上述兩項指標對離析評價可靠。

2 橫斷面平整度和攤鋪厚度變異評價

在下層平整度滿足標準的基礎上,瀝青層橫斷面平整度和攤鋪厚度變異可能來源于攤鋪的不均勻變化。因攤鋪面為等厚一字坡,本研究隨攤鋪機每前進25 m測定一個斷面,對橫斷面平整度采用表面拉線測5點相對高差,同點用插尺法測厚度,結合圖形和統計分析來評價其變異性。上述方法一方面反饋攤鋪工藝,另一方面則可對寬幅攤鋪機具工作穩定性加以評估[6-7]。

20個橫斷面5點相對高差如圖4所示。

圖4 橫斷面5點相對高差變化

圖4中左右兩邊相對高差無明顯差異,但中部相對邊部明顯偏低。上述數據是去除測繩中部懸垂誤差的結果,因此可判定攤鋪機熨平板中部略偏低或兩側略偏高。而后繼調整則考慮邊部和中部的初始密實度差異進行。

相對高差的同點厚度檢測數據考慮基層平整度的影響,采用縱橫向變異系數表征其變異性,結果如圖5、圖6所示。

圖5 厚度縱向變異系數

圖6 厚度橫向變異系數

圖5中A～E分別表征從左至右的5個斷面,可以看出,兩側邊緣縱斷面的厚度變異系數較小,中間相對較大,但5個縱斷面的變異系數均≤3%,以設計厚度60 mm為期望值,其不超過施工技術規范中相對偏差小于8%的規定。說明此試驗段上該寬幅攤鋪機的縱向攤鋪厚度具有一定的穩定性。

圖6顯示只有試驗段剛攤鋪時的橫斷面變異系數超過5%,達到5.9%,除第一橫斷面的其余橫斷面變異系數均在2%～5%之間,說明該寬幅攤鋪機在剛攤鋪時會出現橫向攤鋪厚度略微不穩定,攤鋪50 m之后攤鋪厚度就能夠達到穩定。

3 初始壓密程度變異評價

攤鋪機后的初始壓實度可能隨振搗梁或熨平板夯錘振動功率、頻率設置,以及布料倉充盈程度而變異,此時即使攤鋪表面平整也難以保證壓實表面的平整。在攤鋪起始階段根據初始壓實度及時調整振搗梁或熨平板夯錘振動參數對后續施工非常重要。

理想的初始密實度測定方式為采用非破壞性檢測,如無核密度儀[8-9]。本試驗段限于條件,采用直徑30 cm圓筒壓入松鋪層中,稱取筒內質量后,按松鋪厚度計算毛體積密度,對松鋪層沿不同橫斷面的變異做出評價。試驗共在3個斷面開展,分別在攤鋪初始階段、振搗梁調整后和穩定作業后進行,檢驗結果如圖7所示。

圖7 不同斷面初始密實度

圖7中攤鋪初始的斷面1的兩側密實度明顯比中部低,且左側偏低更多。該攤鋪機兩側布料振搗熨平機構嫁接于中部約16 m寬的主機上,顯然兩側的振搗功率偏低,為此調整了兩側嫁接處的振搗參數。同時,考慮到該機攤鋪面的兩側始終比中部略高,調整須考慮不同部位松鋪系數,計算后調小但保留了兩側與中部密實度的差異。經壓實后橫斷面平整度檢測,達到了調整的目標。

4 攤鋪溫度離析評價

由于施工過程及環境等各方面不可控制的因素,攤鋪的瀝青混合料一定存在一些溫度有差異的區域,即溫度離析。溫度離析將導致壓實度的不均勻,同樣會影響路面的性能以及使用壽命。

在本研究中,通過手持熱像儀跟隨在攤鋪機后每20 m對攤鋪路面取像一次,并通過熱像儀云圖分析軟件對攤鋪面初壓前的溫度分布狀況進行分析。

分析發現:大部分熱成像圖中的攤鋪溫度分布滿足我國施工技術規范中混合料攤鋪溫度不低于130 ℃的要求。由1 000 m范圍內的50張熱像圖分析得知,試驗段瀝青混合料攤鋪面的極端溫度為122 ℃和153 ℃,平均溫度為147 ℃。根據美國的瀝青路面攤鋪離析標準,可根據溫度差將溫度離析程度分為無離析、輕度離析、中度離析以及重度離析,其對應的溫差范圍分別為(0 ℃,10 ℃)、[10 ℃,16 ℃]、[17 ℃,25 ℃]以及>25 ℃。

由此可知,本試驗段大部分為無溫度離析狀態,僅有4處輕度溫度離析以及兩處重度溫度離析。施工過程中可根據熱成像分析結果及時尋找原因并進行調整,保證后續瀝青路面的攤鋪質量。

5 結 論

(1)采用數字圖像處理技術以及數理統計分析,以四邊靜矩變異系數和面積比為指標,對單機寬幅攤鋪的路面進行了顆粒離析評價。結果表明,上述顆粒分布均勻性與粗細比例均一性判斷均經過直觀經驗判斷,無漏檢錯檢。離析點判斷與攤鋪機直觀觀察匹配,并能對離析程度加以判斷。

(2)采用多點采樣和統計分析,以表面相對高度變化和厚度變異系數為指標,可判斷攤鋪表面橫坡平整度和厚度變異趨勢,為攤鋪機及工藝調整提供反饋數據。

(3)取樣法能實現對初始壓密程度的判斷,并為攤鋪機振搗參數調整提供依據。攤鋪機振搗參數的調整應與橫坡變異性數據結合,以調整后最終表面橫坡與壓密程度一致為最終標準。

(4)紅外熱成像技術可準確評定攤鋪溫度不均勻分布,并對其不均勻程度進行判斷。施工過程中可根據熱成像分析結果及時尋找原因并進行調整。

上述評價方法能即時地反映瀝青路面攤鋪過程中的不均勻情況,根據反饋及時調整后續攤鋪工藝和攤鋪機參數,適合于現場寬幅單機攤鋪工藝的調整和優化。