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        PQI用于瀝青混合料密度檢測(cè)的影響因素分析

        2016-05-17 03:19:38林欽國(guó)熊斌丹
        公路交通技術(shù) 2016年2期

        林欽國(guó),熊斌丹

        (中交四航局第一工程有限公司, 廣州 510500)

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        PQI用于瀝青混合料密度檢測(cè)的影響因素分析

        林欽國(guó),熊斌丹

        (中交四航局第一工程有限公司, 廣州510500)

        摘要:分析無(wú)核密度儀(PQI)用于瀝青混合料密度檢測(cè)時(shí)的影響因素。影響因素包括:集料種類,級(jí)配,碾壓遍數(shù),水,瀝青混合料溫度,檢測(cè)深度。檢測(cè)結(jié)果表明:集料種類及水對(duì)PQI檢測(cè)值有顯著影響;級(jí)配變化及碾壓遍數(shù)變化對(duì)PQI檢測(cè)值有影響;瀝青混合料溫度和檢測(cè)深度對(duì)PQI檢測(cè)值無(wú)顯著影響?;跈z測(cè)結(jié)果,給出PQI用于瀝青路面施工中壓實(shí)度快速檢測(cè)的建議。

        關(guān)鍵詞:道路工程;無(wú)核密度儀;壓實(shí)質(zhì)量;無(wú)損檢測(cè)

        瀝青混凝土路面施工中,壓實(shí)度是一個(gè)非常重要的控制指標(biāo),壓實(shí)度不足容易導(dǎo)致瀝青路面早期損壞。瀝青路面壓實(shí)度與原材料、級(jí)配、施工機(jī)械、施工方法均密切相關(guān)[1-2]。壓實(shí)度檢測(cè)目前最常用的是鉆芯法,其次還有核子密度儀法等。

        鉆芯法具有以下缺點(diǎn):1) 有損檢測(cè)。鉆芯對(duì)路面結(jié)構(gòu)有破壞,鉆芯位置回填混合料難以達(dá)到初始?jí)簩?shí)度,該薄弱位置容易導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)水損害。2) 效率低。鉆取芯樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力,測(cè)試密度也需要間隔24 h以上。3) 代表性差。根據(jù)JTG F80/1—2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,每車道200 m測(cè)1處壓實(shí)度,難以反映該路段的壓實(shí)質(zhì)量及均勻性。核子密度儀法雖然能夠?qū)β访鎸?shí)行無(wú)損檢測(cè),但是其具有微小的核輻射,恐對(duì)人體健康造成危害,且對(duì)儀器的運(yùn)輸、保存、使用等都有嚴(yán)格規(guī)定。儀器使用前,人員需經(jīng)過(guò)培訓(xùn),并做到專人專用。因此,該方法在我國(guó)未得到普遍推廣。

        基于此,一種利用材料介電常數(shù)快速測(cè)量瀝青路面密度的無(wú)核密度儀——PQI,在國(guó)內(nèi)逐漸得到推廣[3-4],并在新河高速公路、青銀高速公路、亳阜高速公路、通丹高速公路等公路工程路面施工質(zhì)量控制中得到較好的應(yīng)用。瀝青混合料的介電常數(shù)與材料密度有良好的相關(guān)性,利用PQI能夠快速、無(wú)損檢測(cè)路面材料的密度,并可通過(guò)大量的壓實(shí)度數(shù)據(jù)來(lái)反映壓實(shí)的真實(shí)狀況,可較為全面、客觀地評(píng)價(jià)瀝青混凝土路面的壓實(shí)質(zhì)量[5-7]。

        雖然PQI已在國(guó)內(nèi)部分工程中得到應(yīng)用,但對(duì)于儀器使用過(guò)程中的影響因素目前尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究,這也是我國(guó)在路面施工檢測(cè)中PQI應(yīng)用推廣較為緩慢的一個(gè)因素。由PQI檢測(cè)原理可知,若瀝青路面材料的介電常數(shù)發(fā)生變化,則最終檢測(cè)值也會(huì)相應(yīng)改變[8-9],而影響路面材料介電常數(shù)的因素主要有混合料和測(cè)試條件2種,因此有必要從這2方面對(duì)PQI用于混合料密度檢測(cè)的影響因素進(jìn)行研究。本文利用Trans-Tech最新的PQI380儀器從混合料因素(級(jí)配、集料種類、碾壓遍數(shù))、測(cè)試條件因素(混合料溫度、水、檢測(cè)深度)2方面考慮,并通過(guò)控制干擾因素、變化單個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn),以分析不同因素對(duì)PQI檢測(cè)值的影響。PQI380如圖1所示。

        圖1 PQI380

        1混合料對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        為了研究混合料對(duì)PQI檢測(cè)值的影響,以控制不確定因素,在室內(nèi)成型不同的車轍試件,并用PQI進(jìn)行檢測(cè)。成型試件時(shí),采用逐檔配料來(lái)精確控制混合料級(jí)配,保證油石比、碾壓遍數(shù)等條件相同。車轍試件成型完畢后,在同一時(shí)間段內(nèi)用PQI進(jìn)行檢測(cè)。

        1.1集料種類對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        瀝青混合料級(jí)配采用AC-25,集料分別選用玄武巖、輝綠巖、石灰?guī)r3種類型。3種母巖的密度及介電常數(shù)范圍分別是:玄武巖密度為2.6~3.3 g/cm3,介電常數(shù)約為8~9;輝綠巖密度為2.9~3.2 g/cm3,介電常數(shù)約為11~12;石灰?guī)r密度為2.3~3.0 g/cm3,介電常數(shù)約為6~7。不同材質(zhì)集料的密度與介電常數(shù)也各不相同。每種集料成型8 cm加厚車轍試件各3塊,每塊試件配料質(zhì)量均為12 180 g,油石比為4.0%,瀝青為SK-70瀝青。合成級(jí)配和規(guī)范要求的級(jí)配范圍如圖2所示。9塊試件均按照規(guī)范要求成型,拌和溫度相同,碾壓次數(shù)相同。待3種集料試件冷卻至室溫后,用PQI依次測(cè)試其9塊試件的密度,結(jié)果如圖3所示。

        圖2 AC-25合成級(jí)配

        圖3 不同材質(zhì)集料車轍試件的PQI檢測(cè)密度

        圖3中的密度值為PQI未經(jīng)過(guò)校正的原始數(shù)據(jù)。由圖3可以看出PQI檢測(cè)結(jié)果為石灰?guī)r集料混合料密度值最小,玄武巖次之,輝綠巖最大;不同集料PQI檢測(cè)值差異非常顯著,對(duì)同種集料試件PQI檢測(cè)值取平均值,石灰?guī)r與輝綠巖PQI檢測(cè)密度之差為0.211 g/cm3。為了驗(yàn)證PQI檢測(cè)值與混合料芯樣實(shí)際密度的關(guān)系,待PQI檢測(cè)完畢后,分別對(duì)3種集料車轍試件各鉆取4個(gè)芯樣,用表干法測(cè)其毛體積密度,并取毛體積密度的平均值作為該試件的毛體積密度,結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出,表干法檢測(cè)不同集料種類試件的密度大小排序與PQI檢測(cè)結(jié)果相同,但同種試件的檢測(cè)值有較大偏差。不同集料種類PQI所測(cè)得的密度值與鉆芯實(shí)測(cè)的毛體積密度相關(guān)關(guān)系如圖5所示。

        從圖5可以看出,PQI檢測(cè)值與混合料密度值有很好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)R2=0.96~0.99),因此,采用PQI檢測(cè)混合料密度完全可行。但由于不同集料種類對(duì)應(yīng)的擬合曲線并不相同,因此對(duì)于不同集料種類的瀝青混合料,測(cè)試前應(yīng)鉆取芯樣并測(cè)量其密度,以校正PQI檢測(cè)值,保證PQI檢測(cè)數(shù)據(jù)具有代表性。

        圖4 不同車轍試件的毛體積密度

        圖5 不同試件PQI檢測(cè)值與毛體積密度的擬合

        1.2混合料級(jí)配對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,對(duì)于AC-25級(jí)配瀝青混凝土,4.75 mm篩孔通過(guò)率大于40%為細(xì)型級(jí)配,小于40%為粗型級(jí)配。為分析級(jí)配對(duì)PQI檢測(cè)值的影響,選擇目標(biāo)級(jí)配、粗級(jí)配、細(xì)級(jí)配3種級(jí)配成型8 cm厚的車轍試件,其級(jí)配曲線如圖6所示。成型試件過(guò)程中需保持裝料質(zhì)量、油石比、碾壓遍數(shù)相同,并進(jìn)行3次平行試驗(yàn),共成型9塊車轍試件。

        圖6 3種級(jí)配混合料的級(jí)配曲線

        用PQI測(cè)得3種級(jí)配、9塊試件密度數(shù)據(jù),如圖7所示。由圖7可以看出,3種級(jí)配密度由大到小依次為細(xì)級(jí)配、目標(biāo)級(jí)配、粗級(jí)配。由此可知混合料的級(jí)配狀況對(duì)混合料密度有較為顯著的影響;對(duì)同種級(jí)配試件PQI檢測(cè)值取平均值,細(xì)級(jí)配與粗級(jí)配PQI檢測(cè)密度之差為0.083 g/cm3。

        圖7 3組級(jí)配車轍試件密度數(shù)據(jù)

        筆者分析了級(jí)配對(duì)混合料密度造成影響的原因,認(rèn)為:在裝料質(zhì)量、油石比、碾壓遍數(shù)相同的情況下,級(jí)配越粗,其細(xì)集料相對(duì)較少,更難填充粗集料之間的空隙,導(dǎo)致混合料空隙率增大,密度減??;而級(jí)配越細(xì),填隙越充分,碾壓越密實(shí),混合料空隙相對(duì)較小,密度就越大,PQI便能夠檢測(cè)出不同級(jí)配瀝青混合料的密度波動(dòng)情況,從而可為現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料級(jí)配波動(dòng)檢測(cè)提供依據(jù)。

        1.3碾壓遍數(shù)對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        瀝青路面施工過(guò)程中,初壓,復(fù)壓、終壓等施工工序往往是交替進(jìn)行。碾壓過(guò)程中,多臺(tái)壓路機(jī)在同一路段作業(yè),相互間的干擾經(jīng)常存在,難免存在部分路段碾壓不到或部分路段超壓的情況。

        因此,在車轍試件成型過(guò)程中,采取控制碾壓遍數(shù)的措施來(lái)模擬碾壓次數(shù)對(duì)試件密度的影響?;旌狭霞?jí)配采用如圖2所示的級(jí)配,且保證油石比、裝料質(zhì)量不變。共成型3塊試件,并分別用PQI測(cè)量碾壓8、10、12、14、16、18、20、22遍的試件密度值,結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出,隨著碾壓遍數(shù)增加,車轍試件密度不斷增大,在達(dá)到18遍后,密度趨于穩(wěn)定;碾壓遍數(shù)對(duì)混合料密度有較為顯著的影響;對(duì)3組試件PQI檢測(cè)值取平均值,碾壓22遍較碾壓8遍PQI檢測(cè)密度提高了0.092 g/cm3。

        筆者分析了碾壓遍數(shù)對(duì)車轍試件密度造成影響的原因,認(rèn)為:在裝料質(zhì)量、油石比、碾壓工藝相同的情況下,隨著碾壓遍數(shù)增加,瀝青混合料間空隙不斷被壓密,密度也就不斷增加,在達(dá)到一定碾壓遍數(shù)后,混合料中空隙難以被進(jìn)一步壓密,密度增大不明顯,反而有將集料壓碎的風(fēng)險(xiǎn)。

        圖8 車轍試件密度隨碾壓次數(shù)的變化

        本文就混合料角度對(duì)PQI檢測(cè)值的影響進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明,集料種類對(duì)PQI檢測(cè)值的影響最大,其次是碾壓遍數(shù)和級(jí)配。主要原因可能是,瀝青混合料中絕大部分是礦物集料,而不同集料其密度不同,所組成混合料的壓實(shí)特性也不同,故混合料集料種類對(duì)PQI檢測(cè)值影響最大。碾壓遍數(shù)與級(jí)配變化往往導(dǎo)致混合料空隙率發(fā)生變化,進(jìn)而影響混合料的密度,致使PQI檢測(cè)值也相應(yīng)改變。

        2測(cè)試條件對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        2.1混合料溫度對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        現(xiàn)有研究表明,瀝青混合料的介電常數(shù)會(huì)隨測(cè)試時(shí)混合料溫度的高低產(chǎn)生一定的變化。因此,有必要研究不同溫度混合料的PQI檢測(cè)值的變化情況。PQI380集成溫度傳感器顯示溫度范圍為-17.7~177.6 ℃。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí),采用PQI對(duì)剛成型完畢的車轍試件進(jìn)行檢測(cè)。混合料集料采用石灰?guī)r,級(jí)配采用圖2所示級(jí)配,且進(jìn)行3組試驗(yàn)。試驗(yàn)方式為:用烘箱加熱試件6 h到指定溫度后,立即拿出試件進(jìn)行測(cè)試,混合料溫度從130 ℃起每降5 ℃測(cè)1次,最低測(cè)試溫度為20 ℃。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。不同混合料溫度采集密度值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

        圖9 PQI檢測(cè)密度隨混合料溫度變化

        g/cm3

        由圖9可以看出,不同混合料溫度下 PQI檢測(cè)的車轍試件密度值僅有小幅變化。由表1數(shù)據(jù)可知,3#試件密度檢測(cè)值極差最大,為0.022;1#試件密度檢測(cè)值極差最小,為0.012。3#試件密度檢測(cè)值變異系數(shù)最大,為0.29,1#試件密度檢測(cè)值變異系數(shù)最小,為0.13。綜合圖9 和表1數(shù)據(jù),密度檢測(cè)值的波動(dòng)在可控范圍內(nèi),混合料溫度對(duì)PQI檢測(cè)的影響較小。由此可知,混合料溫度對(duì)PQI密度檢測(cè)值影響不大,在室外溫度或路面施工碾壓溫度下均可利用PQI對(duì)路面進(jìn)行密度測(cè)試。

        2.2水對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        水的介電常數(shù)約為80,而常見(jiàn)集料的介電常數(shù)約為10,在自然條件下,降水會(huì)使瀝青路面內(nèi)部存在一定水分,因此研究水對(duì)PQI檢測(cè)值會(huì)產(chǎn)生多大影響,對(duì)于工程應(yīng)用十分重要。室內(nèi)試驗(yàn)時(shí),通過(guò)變化車轍試件噴水量來(lái)研究水對(duì)PQI檢測(cè)密度的影響。具體方法是:使用噴霧器每次向試件整個(gè)表面均勻噴灑2 g水,并分別測(cè)試PQI檢測(cè)值;加水至22 g時(shí)試件表面已充分濕潤(rùn)并有大量水珠,此時(shí)中止灑水。3塊不同試件灑水后密度檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。不同加水量下的PQI密度值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

        圖10 水對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果的影響

        g/cm3

        由圖10可以看出,隨著水量的增加,同一塊車轍試件PQI檢測(cè)密度值呈減小趨勢(shì)。由表2數(shù)據(jù)可知,加22 g水后,2#試件的PQI檢測(cè)值減小了0.268 g/cm3,1#和3#試件也減小了0.15 g/cm3。試驗(yàn)結(jié)果表明,水會(huì)對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果造成較大誤差,含水量越大,PQI檢測(cè)密度越小。因此,利用PQI檢測(cè)瀝青路面密度時(shí)應(yīng)保證路面干燥且無(wú)水分。

        2.3檢測(cè)深度對(duì)PQI檢測(cè)值的影響

        PQI說(shuō)明書(shū)上規(guī)定PQI檢測(cè)路面的有效深度范圍為2.5~10 cm。因此,為了驗(yàn)證不同檢測(cè)深度對(duì)檢測(cè)值的影響,筆者通過(guò)設(shè)定不同的檢測(cè)深度進(jìn)行分析,試件采用圖2所示的級(jí)配。3塊車轍試件厚度均為8 cm,檢測(cè)深度依次設(shè)定為2、3、4、5、6、7、8 cm,比較不同深度下PQI檢測(cè)的密度變化,結(jié)果如圖11所示。

        圖11 不同檢測(cè)深度車轍試件密度測(cè)試結(jié)果

        由圖11可以看出,在不改變儀器擺放位置且僅改變儀器檢測(cè)深度設(shè)置情況下,3~8 cm檢測(cè)深度范圍內(nèi)的PQI檢測(cè)密度均無(wú)顯著波動(dòng),在檢測(cè)深度小于儀器規(guī)定的2.5 cm時(shí),密度值最大,憑經(jīng)驗(yàn)判斷其數(shù)據(jù)與實(shí)際密度有較大偏差,故檢測(cè)數(shù)據(jù)失真;當(dāng)檢測(cè)深度在3~8 cm厚度范圍內(nèi)時(shí),PQI檢測(cè)密度無(wú)顯著差異。因此,使用PQI進(jìn)行瀝青路面密度檢測(cè)時(shí),檢測(cè)深度應(yīng)設(shè)定在儀器規(guī)定的檢測(cè)深度范圍內(nèi)。

        本文就測(cè)試條件對(duì)PQI檢測(cè)值的影響進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,水對(duì)PQI檢測(cè)值的影響最大,其次是混合料溫度,在規(guī)定的檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)深度變化對(duì)PQI檢測(cè)值無(wú)影響。主要原因可能是,水的介電常數(shù)與混合料有很大差異,雖然水對(duì)混合料密度沒(méi)有實(shí)質(zhì)影響,但由于被測(cè)材料介電常數(shù)發(fā)生明顯改變,故致使PQI密度檢測(cè)值也相應(yīng)改變。在混合料溫度變化情況下,PQI檢測(cè)值呈小幅波動(dòng),但誤差不大。由此可知,混合料溫度對(duì)PQI密度檢測(cè)值影響不大。

        3PQI工程應(yīng)用建議

        本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究,對(duì)PQI的工程應(yīng)用提出以下建議。

        1) 當(dāng)集料種類或級(jí)配發(fā)生改變時(shí),必須對(duì)PQI進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)定,否則可能會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。

        2) 由于級(jí)配變化和碾壓遍數(shù)的變化會(huì)對(duì)PQI檢測(cè)值造成影響,因此可采用PQI對(duì)瀝青路面不同位置進(jìn)行大量檢測(cè),以有效反映路面壓實(shí)質(zhì)量的差異性和均勻性,從而更好地分析瀝青混合料的離析程度和壓實(shí)度分布。

        3) 由于混合料溫度對(duì)PQI檢測(cè)值無(wú)顯著影響,因此在瀝青混合料降溫前的碾壓過(guò)程中可采用PQI實(shí)時(shí)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)。若施工中發(fā)現(xiàn)壓實(shí)度不滿足要求,則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓,確保壓實(shí)質(zhì)量。

        4) 使用PQI檢測(cè)路面密度時(shí),須保證路面處于干燥狀態(tài)。若路面含有水分,則可能導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏小。

        5) 使用PQI檢測(cè)路面密度時(shí),PQI檢測(cè)深度的設(shè)定必須在儀器規(guī)定范圍內(nèi),且要在路面的實(shí)際厚度內(nèi)。

        4結(jié)論

        1) 水和集料種類的變化對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果有顯著影響。隨著混合料含水量增大,PQI檢測(cè)值呈減小趨勢(shì);不同集料種類混合料的PQI檢測(cè)值有較大差異。因此,利用PQI檢測(cè)瀝青路面密度時(shí),應(yīng)保證路面表面與內(nèi)部處于干燥狀態(tài)。當(dāng)路面集料種類發(fā)生變化時(shí),應(yīng)重新對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。

        2) 級(jí)配變化與碾壓遍數(shù)對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果有影響,這種影響的產(chǎn)生是因?yàn)檫@2種因素直接影響到混合料的密度,進(jìn)而導(dǎo)致PQI檢測(cè)結(jié)果改變。混合料溫度與檢測(cè)深度對(duì)PQI檢測(cè)結(jié)果影響不大,混合

        料碾壓完畢后即可用PQI進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)深度應(yīng)滿足儀器說(shuō)明書(shū)的要求。

        3) 利用PQI檢測(cè)瀝青路面密度具有快速無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)核密度儀與芯樣表干法測(cè)得的密度具有很好的線性關(guān)系,具有較高的測(cè)試精度,不僅大大提高了檢測(cè)頻率,而且還確保了檢測(cè)結(jié)果具有代表性。

        參 考 文 獻(xiàn)

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        Analysis for Influence Factors for Use of PQI to Test Density of Asphalt mixture

        LIN Qinguo, XIONG Bindan

        Abstract:This paper analyzes the influence factors for use of PQI to test the density of asphalt mixture. The influence factors include type of aggregate, grading, number of rolling compaction, water, temperature of asphalt mixture and testing depth. The results of test show that the type of aggregate and water exhibit outstanding influences on the tested values of PQI; the changes in grading and number of rolling compaction have influences on the tested values of PQI; and the temperature of asphalt mixture and testing depth show no remarkable influences on the tested values of PQI. Based on the results of test, the paper presents the recommendations on use of PQI for quick test of the degree of compaction during construction of asphalt pavement.

        Keywords:road project; PQI; quality of compaction; nondestructive testing

        文章編號(hào):1009-6477(2016)02-0046-06

        中圖分類號(hào):U416.217

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

        作者簡(jiǎn)介:林欽國(guó)(1982-),男,廣東省惠來(lái)縣人,本科,工程師。

        收稿日期:2015-12-30

        DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.011

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