快速評價瀝青混合料離析新方法的應(yīng)用研究

祝海折

(山西省交通科學(xué)研究院， 太原　030006)

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快速評價瀝青混合料離析新方法的應(yīng)用研究

祝海折

(山西省交通科學(xué)研究院， 太原030006)

摘要：介紹瀝青混合料離析產(chǎn)生的原因，對比分析目前瀝青混合料離析評價方法的優(yōu)缺點。基于無核密度儀在高速公路路面工程瀝青混合料離析評價中的應(yīng)用，指出無核密度儀對于瀝青混合料離析程度的定量評價具有可行性、可靠性和便捷性，可以大范圍推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無核密度儀；密度；瀝青混合料；離析；正態(tài)分布

瀝青路面離析是指路面某些區(qū)域內(nèi)瀝青混合料的油石比、混合料級配組成、外摻劑含量、構(gòu)造深度、空隙率及壓實度等指標(biāo)產(chǎn)生了不均勻分布，造成瀝青混合料路用性能在空間上分布不均勻，從而致使瀝青路面早期病害加速發(fā)生。目前高速公路常見的早期病害如水損壞、表面坑槽、局部泛油、表面磨光等都與瀝青混合料的離析有關(guān)[1-3]。

瀝青混合料離析問題引起了國內(nèi)外道路工作者的普遍關(guān)注。1997年，美國瀝青路面施工技術(shù)協(xié)會(NAPA)對瀝青混合料離析原因進(jìn)行了系統(tǒng)研究和分析，針對瀝青混合料容易產(chǎn)生離析的施工環(huán)節(jié)(如拌和、生產(chǎn)、運輸及攤鋪)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并提出了相應(yīng)的解決措施。2000年，美國國家瀝青技術(shù)中心(NCAT)承擔(dān)了公路聯(lián)合研究項目“熱拌瀝青混合料路面的離析”(NCHRP 441)，重點研究了瀝青路面離析的判別和檢測方法及離析對瀝青路面路用性能的影響[4-7]。

目前國內(nèi)外瀝青路面離析現(xiàn)場評價一般采用視覺觀察法、現(xiàn)場鋪砂法、鉆芯法、核子密度儀法、激光構(gòu)造深度法和無核密度儀測試法。視覺觀察法往往憑經(jīng)驗判定，判別結(jié)果因人而異，具有誤差較大等缺點；現(xiàn)場鋪砂法可以測出瀝青表面宏觀構(gòu)造深度來評價瀝青混合料的離析，但是費時，效率低，采集的樣本數(shù)有限；鉆芯法對路面破壞較大，鉆孔處往往誘發(fā)其他次生病害，并且判定結(jié)果受選點位置影響較大；核子密度儀法對試驗人員有一定的輻射影響，國內(nèi)一般不愿意采用；激光構(gòu)造深度儀往往需要車載，現(xiàn)場配備不大可能，在施工現(xiàn)場難以推廣應(yīng)用；無核密度儀是一種測試效率高，精度高，對人體無輻射、對路面無破損快速檢測設(shè)備[8-10]。筆者以某高速公路瀝青路面施工過程中密度檢測為例，介紹采用無核密度儀對瀝青混合料離析進(jìn)行評價，以定量地判斷瀝青路面離析程度。

1無核密度儀工作原理

無核密度儀由電磁波發(fā)生裝置、電磁波接收器和隔離環(huán)3部分組成。其工作原理為：由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料的密度與介電常數(shù)存在一定的比例關(guān)系，因此通過底部感應(yīng)板產(chǎn)生的電磁場來測試路面結(jié)構(gòu)層材料的介電常數(shù)，然后利用環(huán)狀電容元件將電場信號轉(zhuǎn)換成材料密度數(shù)值顯示信號。先在設(shè)置菜單中輸入所測試路面結(jié)構(gòu)層材料的標(biāo)準(zhǔn)密度值(即室內(nèi)擊實馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度或最大理論密度)，然后測試過程中顯示屏幕上就可以實時顯示路面材料的密度、壓實度、路表溫度和濕度，同時還可以調(diào)整電磁波強度來改變無核密度儀測試厚度，以檢測出不同厚度下不同類型瀝青混合料的密度或壓實度。因此，無核密度儀具有速度快、精度高和攜帶方便等優(yōu)點，可以更好地指導(dǎo)施工，保證瀝青混合料的施工質(zhì)量。無核密度儀工作原理如圖1所示。

圖1　 無核密度儀工作原理

2無核密度儀標(biāo)定

為保證無核密度儀測出的密度與壓實瀝青混合料的密度一致，在測試不同瀝青混合料之前必須對無核密度儀進(jìn)行標(biāo)定，以得到相應(yīng)的標(biāo)定值。標(biāo)定值僅可用于指定路面結(jié)構(gòu)層材料，當(dāng)檢測其他結(jié)構(gòu)層材料密度時，須重新標(biāo)定并得到新的標(biāo)定值。使用過程中需輸入室內(nèi)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度或最大理論密度和標(biāo)定值，并根據(jù)路面結(jié)構(gòu)層的厚度輸入相應(yīng)的探測深度，然后才能檢測。

瀝青路面檢測前，首先選取代表性的段落并鉆取5～10個芯樣，鉆芯前按上述標(biāo)定方法用無核密度儀檢測其密度；然后鉆取芯樣，采用水中重法(密級配瀝青混凝土)測定芯樣的毛體積密度，并與無核密度儀測得的密度進(jìn)行對比，計算標(biāo)定值。瀝青混合料密度及標(biāo)定值的測定見表1，芯樣實測的密度值與無核密度儀檢測值對比見圖2。

表1　瀝青混合料密度及標(biāo)定值測定　g/cm3

圖2　無核密度儀測試密度與芯樣實測密度對比

從表1可以看出，無核密度儀測試結(jié)果略大于芯樣水中重法測試的密度，最大相差為0.038 g/cm3，最小為0.017 g/cm3；從圖2也可以看出，2種不同密度測試方法測得的瀝青混合料密度相差很小。由此可知，無核密度儀評價瀝青路面密度具有可行性。

為了驗證無核密度儀評價瀝青路面密度的可行性，建立了無核密度儀與芯樣實測密度的相關(guān)關(guān)系，見圖3。從圖3可以看出，無核密度儀測試密度與芯樣實測密度的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.801，兩者密度大小變化趨勢基本一致，由此可知無核密度儀評價瀝青路面密度具有可行性；另外，相對傳統(tǒng)密度檢測方法，無核密度儀具有快速和無破損性，在瀝青路面施工質(zhì)量控制中具有較好的推廣應(yīng)用價值。

3空隙率評價瀝青混合料離析依據(jù)

為了更直觀、定量地去評價瀝青路面的離析程度，需對無核密度儀測試得到的密度測試值進(jìn)行最大理論密度換算，用換算后得到的瀝青路面壓實空隙率來評價瀝青路面離析。

圖3　無核密度儀測試密度與芯樣實測密度相關(guān)性

以往研究表明，路面空隙率和路面離析之間有較好的相關(guān)性。本文參照美國NCAT “熱拌瀝青混合料路面的離析”(NCHRP 441)項目研究成果提出的評價標(biāo)準(zhǔn)來評價瀝青混合料路面離析程度，其離析程度的評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2　瀝青混合料離析程度評價標(biāo)準(zhǔn)

4無核密度儀應(yīng)用實例

4.1工程概況

某高速公路瀝青路面上面層采用SBS改性AC-13C瀝青混合料，集料為珠石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)制成，SBS改性瀝青為殼牌公司生產(chǎn)的殼牌70#A級石油瀝青加工而成。瀝青混合料最佳瀝青含量為4.8%，設(shè)計空隙率為4.3%，瀝青混合料的最大理論密度為2.541 g/cm3?？紤]到該工程項目所在地區(qū)屬高溫多雨氣候，現(xiàn)場路面壓實空隙率按4%～6%控制。AC-13C改性瀝青混合料生產(chǎn)配合比見表3。

表3　試驗段瀝青混合料生產(chǎn)配合比

4.2試驗方案設(shè)計

在鋪筑好的瀝青路面上選取長50 m、寬11 m半幅路面區(qū)域作為測試區(qū)域，并劃分1 m2的區(qū)域作為一個測試單元。將標(biāo)定值輸入無核密度儀中，進(jìn)行550次無核密度試驗。根據(jù)無核密度儀現(xiàn)場測定的密度數(shù)據(jù)，采用瀝青混合料最大理論密度為標(biāo)準(zhǔn)密度計算各測點的現(xiàn)場壓實空隙率，根據(jù)美國NCAT關(guān)于瀝青混合料離析程度評價標(biāo)準(zhǔn)的建議，通過圖表直觀分析瀝青路面離析情況。某高速公路瀝青路面空隙率數(shù)據(jù)見表4。

由表4數(shù)據(jù)可以看出，左半幅路面靠近兩側(cè)邊緣及中部區(qū)域，空隙率偏差較大，離析較嚴(yán)重，與現(xiàn)場實際調(diào)查情況完全吻合。由此可知，無核密度儀用于評價瀝青混合料離析是可靠的。另外，現(xiàn)場調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，左半幅路面兩側(cè)邊緣空隙率較大與攤鋪機(jī)邊部布料不均勻有直接關(guān)系，中部區(qū)域離析是由2臺攤鋪機(jī)梯隊作業(yè)接縫搭接所致。因此，現(xiàn)場施工機(jī)械性能及施工組織對瀝青路面攤鋪施工質(zhì)量起關(guān)鍵作用。

5統(tǒng)計分析

由無核密度儀離析程度評價標(biāo)準(zhǔn)可以得出，某高速公路瀝青路面K18+001～K18+050中非離析面積占整個檢測區(qū)域面積的78.61%，中度粗離析占17.77%，細(xì)離析占3.62%，無嚴(yán)重離析。用數(shù)理統(tǒng)計方法對該段瀝青路面壓實空隙率進(jìn)行變異性分析，得出空隙率平均值為5.5%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.53。

根據(jù)表4中測得的空隙率數(shù)據(jù)，以步長1%繪出瀝青混合料空隙率分布直方圖，見圖4。從圖4可以看出，瀝青路面空隙率樣本檢測值總體呈正態(tài)分布，無偏性較好，符合統(tǒng)計規(guī)律，數(shù)據(jù)可靠，試驗檢測結(jié)果符合瀝青路面現(xiàn)場實際施工狀況，由此證明無核密度儀用于瀝青路面離析評價是可靠的。

6結(jié)論

1) 為保證無核密度儀測出的密度與壓實瀝青混合料的密度一致，在測試不同瀝青混合料前必須

表4　某高速公路瀝青路面空隙率分布

注：1.0.5～10.5 m為測試點距中心樁號的距離；2.空隙率大于10%為重度離析，7%～10%為中度離析，3%～7%為無離析，0～3%為細(xì)度離析。

圖4　瀝青混合料壓實空隙率分布直方圖

對無核密度儀進(jìn)行標(biāo)定，以得到相應(yīng)的標(biāo)定值，用以修正測試值。

2) 無核密度儀可以快速評價瀝青路面的鋪筑質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題可及時調(diào)整，可科學(xué)合理地指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)，提高瀝青路面施工質(zhì)量。

3) 瀝青路面空隙率呈良好正態(tài)分布，空隙率均值和標(biāo)準(zhǔn)差可作為評判瀝青路面施工質(zhì)量均勻性的指標(biāo)。

4) 無核密度儀是采用數(shù)理統(tǒng)計方法對瀝青混合料離析程度作定量評價。其測試速度快、樣本數(shù)據(jù)量大、精度高、可靠性強，適合推廣應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research on Application of New Method for Quick Evaluation of Segregation of Asphalt Mixture

ZHU Haizhe

Abstract:This paper introduces reasons of segregation of asphalt mixture, compares and analyzes advantages and disadvantages of present evaluation methods for segregation of asphalt mixture. Based on application of non-nuclear density gauge in evaluation of segregation of asphalt mixture in pavement project of expressway, the paper points out feasibility, reliability and convenience of non-nuclear density gauge for quantitative evaluation for degree of segregation of asphalt mixture, and it can be popularized to apply in large scope.

Keywords:non-nuclear density gauge; density; asphalt mixture; segregation; normal distribution

文章編號：1009-6477(2016)01-0053-05

中圖分類號：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：祝海折(1983-)，男，山東省菏澤市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-05-18

基金項目：山西省交通運輸廳科技計劃項目(20150123)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.012