趙德明，蔣龍松

(1.江蘇江南水務(wù)股份有限公司;2.江蘇省交通科學(xué)研究院)

1 引 言

壓實(shí)度是瀝青路面施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此在施工過(guò)程中必須對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。目前施工質(zhì)量控制過(guò)程中常用的壓實(shí)度檢測(cè)方法主要鉆取芯樣法，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得芯樣壓實(shí)度。由于鉆取芯樣法存在效率低、對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成破損、代表性差的缺點(diǎn)，已不能滿足施工質(zhì)量中壓實(shí)度快速檢測(cè)的要求，因此有必要研究應(yīng)用新型的瀝青路面壓實(shí)度質(zhì)量快速檢測(cè)設(shè)備。探地雷達(dá)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，能夠快速檢測(cè)瀝青路面介電常數(shù)，而瀝青路面的密度和材料的介電常數(shù)存在一定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量面層介電常數(shù)，然后與已知密度的混合料特征值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)對(duì)瀝青路面壓實(shí)質(zhì)量快速、可靠、安全、無(wú)損的檢測(cè)。

2 探地雷達(dá)與PQI 工作原理

瀝青路面介電常數(shù)是路面各個(gè)組成成分介電常數(shù)和體積比例的函數(shù)。當(dāng)路面被壓實(shí)時(shí)，壓實(shí)度增加，空隙率減小，導(dǎo)致空氣組分介電常數(shù)減小，同時(shí)瀝青和骨料比例增加，因此壓實(shí)度增加時(shí)，空隙率減小，路面介電常數(shù)增加。

探地雷達(dá)作為一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，利用電磁波對(duì)地表的穿透能力，向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波，通過(guò)接收天線獲取回波信號(hào)。雷達(dá)接收信號(hào)是路面介電常數(shù)的函數(shù)，包含著豐富的路面內(nèi)部信息，其中介電常數(shù)是路面密度和材料狀況的反映。利用表面反射方法獲取空氣層和面層分界面反射振幅得到面層介電常數(shù)，具體如下。

式中:Aa為面層反射振幅，Am為金屬板全反射振幅。

PQI 根據(jù)瀝青路面材料的密度與介電常數(shù)之間存在一定的比例關(guān)系，通過(guò)感應(yīng)板產(chǎn)生的探測(cè)磁場(chǎng)來(lái)測(cè)試壓實(shí)瀝青混合料的介電常數(shù)，然后利用電子部件將場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成密度度數(shù)。通過(guò)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)密度即最大理論密度可以得到瀝青混合料的壓實(shí)度。為了保證PQI 測(cè)試的密度與壓實(shí)瀝青混合料的密度一致，在測(cè)試不同瀝青混合料之前需要對(duì)PQI 進(jìn)行標(biāo)定。

在某試驗(yàn)路段瀝青路面選擇一塊干燥沒(méi)有污染的地方，指定面積為150 cm，寬為75 cm 的測(cè)試區(qū)域，在區(qū)域中畫出五個(gè)互不重疊的圓，分別標(biāo)記為一、二、三、四、五。將PQI 按順序放在放在第一個(gè)圓中，用粉筆沿著底部畫一個(gè)圓記為1測(cè)點(diǎn)，然后沿著1 側(cè)點(diǎn)，左上、右上、左下、右下畫一個(gè)圓分別標(biāo)記為測(cè)點(diǎn)2、3、4、5，并測(cè)量其密度值，按照此種方法測(cè)量另外四個(gè)圓記錄在表中。最后在在每個(gè)圓中取芯，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量芯樣的密度。取5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值作為該圓的PQI測(cè)試密度，將每個(gè)圓內(nèi)取芯密度與PQI 測(cè)試密度的差值的平均值作為標(biāo)定值。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 PQI 標(biāo)定結(jié)果

3 探地雷達(dá)在瀝青路面壓實(shí)度檢測(cè)的應(yīng)用

3.1 PQI 與取芯法對(duì)比試驗(yàn)

探地雷達(dá)通過(guò)接收分界面的反射信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)體，而反射信號(hào)的強(qiáng)弱取決于介電常數(shù)的差異，路面材料介電常數(shù)的差異是探地雷達(dá)檢測(cè)壓實(shí)度的先決條件。瀝青路面介電常數(shù)是路面空氣、瀝青、骨料組成成分介電常數(shù)和體積比例的函數(shù)。當(dāng)路面被壓實(shí)時(shí)，空隙率減小，導(dǎo)致空氣組分比例減小，同時(shí)瀝青和骨料比例增加，因此壓實(shí)度增加時(shí)，空隙率減小，路面介電常數(shù)增加。瀝青路面的介電常數(shù)可以反映路面的壓實(shí)狀況，但是若要介電常數(shù)準(zhǔn)確表征壓實(shí)度，需PQI檢測(cè)的瀝青密度對(duì)探地雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定。

為了檢驗(yàn)PQI 測(cè)量瀝青路面密度的準(zhǔn)確性，選取試驗(yàn)段通過(guò)PQI 五點(diǎn)法測(cè)量瀝青路面平均密度，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的PQI 測(cè)量密度。通過(guò)PQI 測(cè)量密度和取芯密度的對(duì)比，具體結(jié)果見表2，并作出曲線如圖1 所示。

表2 PQI 測(cè)試密度值與取芯密度對(duì)比結(jié)果

續(xù)表2

圖1 PQI 與取芯密度線性回歸曲線圖

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，PQI 密度與取芯密度最大誤差在1.6%，而且PQI 密度與取芯密度有很好的相關(guān)性，，相關(guān)系數(shù)為0.922，結(jié)果表明PQI 密度能夠較好的反映瀝青路面實(shí)際壓實(shí)狀況。而且相對(duì)于傳統(tǒng)的密度檢測(cè)方法，PQI 更加快速和無(wú)損，對(duì)于后期標(biāo)定探地雷達(dá)測(cè)試的介電常數(shù)有重要意義。

3.2 探地雷達(dá)測(cè)試結(jié)果與分析

以某高速公路路面壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，分析探地雷達(dá)檢測(cè)路面壓實(shí)度的方法和精度。采用探地雷達(dá)檢測(cè)了試驗(yàn)路段行車道，并在相應(yīng)位置利用PQI 測(cè)量瀝青路面密度，以此驗(yàn)證檢測(cè)探地雷達(dá)檢測(cè)精度，其中探地雷達(dá)以1 m 為基本單元進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和分析。

測(cè)試前首先布置探地雷達(dá)測(cè)線，雷達(dá)測(cè)線設(shè)置在行車道輪跡帶處，并在測(cè)線處標(biāo)記PQI 測(cè)點(diǎn)位置。測(cè)試過(guò)程中保持車輛勻速，不變換車道，探地雷達(dá)沿著測(cè)線位置行駛，且探地雷達(dá)覆蓋標(biāo)記的PQI 測(cè)點(diǎn)位置，并在PQI 測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行標(biāo)記。測(cè)試完成后在車道上放置金屬板進(jìn)行全反射試驗(yàn)，以獲取入射波振幅。雷達(dá)測(cè)試完成后，在PQI 測(cè)點(diǎn)位置利用5 點(diǎn)法測(cè)量測(cè)點(diǎn)的平均密度，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用“真空法”測(cè)得混合料的最大理論相對(duì)密度，計(jì)算測(cè)點(diǎn)壓實(shí)度，得到探地雷達(dá)測(cè)試面層介電常數(shù)以及PQI 測(cè)量壓實(shí)度如表3，并作出面層介電常數(shù)與空隙率曲線如圖2 所示:

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，探地雷達(dá)測(cè)量的面層介電常數(shù)與PQI測(cè)量的空隙率有較好的相關(guān)性，v空隙率=－ 3.367 9ε面層介電常數(shù)+26.068，相關(guān)系數(shù)為0.925 2，結(jié)果表明探地雷達(dá)測(cè)試的面層介電常數(shù)能夠較好的反映瀝青路面實(shí)際壓實(shí)狀況。而且相對(duì)于傳統(tǒng)的鉆取芯樣法檢測(cè)壓實(shí)度，探地雷達(dá)更加快速、無(wú)損，在瀝青路面空隙率質(zhì)量控制中有很好地推廣應(yīng)用價(jià)值。

表3 探地雷達(dá)測(cè)量介電常數(shù)與PQI 測(cè)量壓實(shí)度結(jié)果

圖2 面層介電常數(shù)與空隙率線性回歸曲線圖

4 結(jié) 論

介紹了探地雷達(dá)和PQI 檢測(cè)瀝青路面壓實(shí)度的原理及方法，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例將PQI 測(cè)試密度與取芯密度對(duì)比，以及建立探地雷達(dá)檢測(cè)面層介電常數(shù)與空隙率相關(guān)關(guān)系，得到的主要結(jié)論如下。

(1)通過(guò)將PQI 測(cè)試密度與取芯密度對(duì)比得到結(jié)論為，PQI 密度與取芯密度最大誤差在1.6%，而且PQI 密度與取芯密度有很好的相關(guān)性，ρ芯樣密度=390 2ρPQI密度－929.99 ，相關(guān)系數(shù)為0.922，表明PQI 測(cè)試密度能夠較好地反映實(shí)際路面密度狀況，為后期PQI 標(biāo)記探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)提供了支持。

(2)從實(shí)際高速公路路面面層厚度檢測(cè)結(jié)果可知，探地雷達(dá)與取芯方法測(cè)得的路面面層厚度雖然有一定的誤差，但二者相關(guān)性較高。探地雷達(dá)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，相對(duì)取芯而言，減少了對(duì)原路面的破壞，且能快速高效的實(shí)現(xiàn)路面厚度檢測(cè)。

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