王惠勇

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2. 新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室，南京，211112）

瀝青路面某一區(qū)域內(nèi)主要物理性質(zhì)的不均勻，會(huì)導(dǎo)致瀝青路面力學(xué)性能和使用性能降低，在行車荷載和雨水的作用下極易發(fā)生早期損壞，大大縮短道路使用壽命。鑒于瀝青路面施工不均勻的危害，道路工作者一直致力于瀝青路面施工均勻性檢測評價(jià)技術(shù)研發(fā)，從而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)瀝青路面施工過程中出現(xiàn)的不均勻區(qū)域，并采取針對性的補(bǔ)救措施，提高瀝青路面施工質(zhì)量，保證路面使用品質(zhì)，延長道路使用壽命。

本文采用激光斷面儀、探地雷達(dá)分別采集瀝青路面表面構(gòu)造特征和內(nèi)部壓實(shí)度、厚度的點(diǎn)狀測試數(shù)據(jù)；利用點(diǎn)狀測試數(shù)據(jù)映射繪制狀況分布云圖；根據(jù)施工均勻性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定狀況分布云圖中可能存在質(zhì)量隱患的不均勻區(qū)域。從而達(dá)到快速、無損、客觀檢測施工質(zhì)量，由點(diǎn)及面、由表及里評價(jià)路面均勻性的目的。

1 路面表面均勻性快速無損檢測技術(shù)

瀝青路面路表構(gòu)造主要由被瀝青包裹的粗、細(xì)集料和集料間的空隙組成。路表構(gòu)造的變化與集料離析程度具有一定的相關(guān)性；路表構(gòu)造較為粗糙的區(qū)域，往往粗骨料較為集中，空隙率較大、瀝青含量低，易出現(xiàn)早期水損害；路表構(gòu)造較為致密的區(qū)域，則細(xì)集料較為集中，空隙率較小、瀝青含量高，易產(chǎn)生車轍、泛油等病害［1］。

根據(jù)測試設(shè)備的不同，路表構(gòu)造特征評價(jià)指標(biāo)主要包括平均構(gòu)造深度MTD、流出時(shí)間OFT、平均剖面深度MPD。

平均構(gòu)造深度MTD通常采用手動(dòng)鋪砂法進(jìn)行測定，將固定體積的標(biāo)準(zhǔn)砂均勻攤鋪在路面上，計(jì)算嵌入凹凸不平的表面空隙中的砂的體積與覆蓋面積之比。流出時(shí)間OFT通過流出儀監(jiān)測固定體積的水通過路面排除的時(shí)間，構(gòu)造深度決定了出水率大小，構(gòu)造深度大的路面水流出的時(shí)間短，在非常光滑的平面上，流出時(shí)間可以是無限長。但上述兩個(gè)評價(jià)指標(biāo)都必須人工進(jìn)行測試，效率低、速度慢、精度差，不能很好地滿足公路建設(shè)者對瀝青路面施工質(zhì)量全面、快速、無損檢測的要求。

平均剖面深度MPD是目前唯一可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)、高效采集的路表構(gòu)造特征評價(jià)指標(biāo)。國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的平均剖面深度MPD檢測設(shè)備是激光斷面儀，其基本原理是通過向路面投射、接收高速脈沖激光，獲取路表縱向紋理輪廓信息，進(jìn)而求得路面的平均剖面深度MPD。平均剖面深度MPD計(jì)算方法如下：剖面深度的基準(zhǔn)評價(jià)單元為100 mm，將基準(zhǔn)評價(jià)單元平均分為左右兩個(gè)子單元，計(jì)算兩個(gè)子單元剖面深度峰值與基準(zhǔn)評價(jià)單元剖面深度均值的差值，差值再平均就是基準(zhǔn)評價(jià)單元的剖面深度，如圖1所示。所有基準(zhǔn)評價(jià)單元剖面深度的均值即為測定的平均剖面深度MPD。

圖1 基準(zhǔn)評價(jià)單元剖面深度示意圖

我國《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008）要求必須進(jìn)行激光斷面儀測值與鋪砂法構(gòu)造深度值相關(guān)關(guān)系對比試驗(yàn)，將平均剖面深度MPD轉(zhuǎn)換為平均構(gòu)造深度MTD評價(jià)路表構(gòu)造特征［2］。國外一般直接采用平均剖面深度MPD評價(jià)路表構(gòu)造特征，世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）在1995年就證明了平均剖面深度MPD與平均構(gòu)造深度MTD、流出時(shí)間OFT之間存在良好的相關(guān)性，并提出如下經(jīng)驗(yàn)性的轉(zhuǎn)換公式：

2 路面內(nèi)部均勻性快速無損檢測技術(shù)

瀝青混合料攤鋪、碾壓成型過程中易發(fā)生厚度、壓實(shí)度不均勻現(xiàn)象，從而導(dǎo)致瀝青面層技術(shù)性能降低，在行車荷載和雨水的作用下，逐步出現(xiàn)車轍、坑槽等多種形式的路面病害。

目前，我國主要采用現(xiàn)場鉆芯法檢測評價(jià)瀝青路面厚度、壓實(shí)度等表征路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)在質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)場鉆芯法雖然簡單、直觀，但其檢測速度慢、成本高、測點(diǎn)少、隨機(jī)性高、代表性相對較低，且對路面結(jié)構(gòu)層造成破壞，取芯位置在某種程度上成為后期病害產(chǎn)生的薄弱部位；同時(shí)也不能對路面厚度、壓實(shí)度均勻性進(jìn)行很好的檢測和評價(jià)。

探地雷達(dá)GPR利用天線向路面結(jié)構(gòu)層發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，電磁波在各結(jié)構(gòu)層交界面發(fā)生反射，通過接收反射回波信號，根據(jù)其時(shí)延、形狀及頻譜特性等參數(shù)，解譯出路面結(jié)構(gòu)層厚度、壓實(shí)度、損壞狀況等信息［3］，如圖2所示。

圖2 探地雷達(dá)測定瀝青路面厚度

探地雷達(dá)GPR測試瀝青路面厚度技術(shù)方法比較成熟，廣泛應(yīng)用于實(shí)體工程檢測。2008年我國修訂《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2008）時(shí)，將探地雷達(dá)測定路面厚度納入，成為我國交通行業(yè)工程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。短脈沖雷達(dá)測定路面厚度試驗(yàn)方法（T 0913—2008）要求采用鉆孔取芯法標(biāo)定瀝青面層相對介電常數(shù)，然后將相對介電常數(shù)和電磁波在路面面層中的雙程走時(shí)，代入式（3），計(jì)算路面結(jié)構(gòu)層厚度。

式中：T為面層厚度；c為電磁波在空氣中的傳播速度，取300 mm/ns；εr為相對介電常數(shù)；Δt為雷達(dá)波在路面面層中的雙程走時(shí)。

由于瀝青混合料被壓實(shí)時(shí)，空氣含量減少，瀝青和骨料的含量相應(yīng)增加，瀝青混合料的復(fù)合介電常數(shù)增加而瀝青混合料的空隙率（壓實(shí)度）與介電常數(shù)存在相關(guān)性，因此可通過測試介電常數(shù)間接表征路面壓實(shí)度。目前我國還未頒布探地雷達(dá)測定路面壓實(shí)度的技術(shù)規(guī)程。近些年，國外開展了大量關(guān)于探地雷達(dá)測定瀝青路面壓實(shí)度的研究［4］，核心是如何建立介電常數(shù)與空隙率的關(guān)系模型，其中比較經(jīng)典是芬蘭公路局的空隙率計(jì)算模型：

式中：y為空隙率，A、B為模型參數(shù)，可回歸計(jì)算得出；εx為介電常數(shù)。

美國、德國等國家均采用上述模型計(jì)算瀝青路面現(xiàn)場空隙率。本文也推薦采用此模型計(jì)算空隙率，檢測瀝青路面壓實(shí)度，評價(jià)路面內(nèi)部均勻性，具體方法如下：根據(jù)測試路段的介電常數(shù)檢測數(shù)據(jù)，選取介電常數(shù)分布跨度比較大的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場取芯，標(biāo)定芯樣室內(nèi)試驗(yàn)測定空隙率。利用標(biāo)定芯樣的空隙率和介電常數(shù)檢測數(shù)據(jù)回歸計(jì)算模型參數(shù)，然后計(jì)算測試路段全線的空隙率，評價(jià)測試路段壓實(shí)度狀況。

本文按照上述方法在某高速公路進(jìn)行了探地雷達(dá)測定瀝青路面壓實(shí)度試驗(yàn)。探地雷達(dá)采樣間隔為10 m，測試速度為60 km/h，測線布設(shè)于硬路肩，試驗(yàn)檢測結(jié)果如圖3~圖4所示。

圖3 測試路段介電常數(shù)與空隙率轉(zhuǎn)換關(guān)系式

圖4 測試路段現(xiàn)場空隙率隨里程變化

3 路面狀況分布云圖繪制

瀝青路面任何區(qū)域都有可能發(fā)生施工不均勻，均勻性測試范圍應(yīng)覆蓋瀝青路面全部區(qū)域，才能消除漏檢的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過科學(xué)、合理布設(shè)快速無損檢測設(shè)備的測線，使瀝青路面平均剖面深度、厚度、壓實(shí)度測試點(diǎn)，以約1 m×1 m的網(wǎng)格均勻分布在測試路段，如圖5所示。點(diǎn)狀測試數(shù)據(jù)映射成路面狀況分布云圖，全斷面評價(jià)測試路段的施工均勻性。

云圖是一種適用范圍很廣的可視化技術(shù)，不僅可對標(biāo)量場數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，也可以對矢量場分量進(jìn)行可視化，能反映被測物體的數(shù)值、分布、形狀、范圍等特征信息，廣泛應(yīng)用于工程、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。

圖5 瀝青路面施工均勻性測線、測點(diǎn)布設(shè)

本文采用MATLAB軟件中的griddata插值函數(shù)，利用采集的平均剖面深度MPD、厚度、壓實(shí)度測點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制瀝青路面均勻性分布云圖， 主要過程如下：將ZI=griddata（x，y，z，XI，YI）調(diào)整形如z=f（x，y）的曲面，使之與非等間距矢量（x，y，z）中的數(shù)據(jù)吻合，并在指定的（XI，YI）點(diǎn)處插補(bǔ)此曲面，生成ZI，此曲面一定通過這些數(shù)據(jù)點(diǎn)。XI和YI通常構(gòu)成均勻網(wǎng)格，XI可以是行矢量，這種情況下該矢量確定一個(gè)具有固定列數(shù)的矩陣。與之類似，YI可以是列矢量，確定一個(gè)具有固定行數(shù)的矩陣。［XI，YI，ZI］=griddata（x，y，z，XI，YI）函數(shù)返回與上述矩陣相同的插補(bǔ)后的矩陣ZI，并返回由行矢量XI和列矢量yi形成的矩陣XI和YI。最終將二維點(diǎn)或者矩陣通過轉(zhuǎn)置進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，按照坐標(biāo)格式分布在坐標(biāo)軸上，并通過不同顏色顯示數(shù)據(jù)值的大小，使之更加直觀，將路面檢測數(shù)據(jù)通過二維坐標(biāo)軸的形式顯示出來，可視化地描述瀝青路面路表構(gòu)造、厚度、壓實(shí)度的分布狀況［5］。

4 瀝青路面施工均勻性評價(jià)

我國相關(guān)規(guī)范對新建瀝青路面構(gòu)造深度、厚度、壓實(shí)度提出了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，如表1所示。

表1 瀝青路面施工均勻性指標(biāo)技術(shù)要求

統(tǒng)計(jì)理論表明，產(chǎn)品質(zhì)量過程控制正常情況下符合正態(tài)分布。正態(tài)分布有一個(gè)對質(zhì)量管控制很重要結(jié)論，即無論均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ取何值，產(chǎn)品質(zhì)量特性值落在μ±3σ之間的概率為99.73%，落在μ±3σ之外的概率為100%-99.73%=0.27%，而超過一側(cè)，即大于μ+3σ或小于μ-3σ的概率為0.27%/2=0.135%≈1‰。

本文根據(jù)我國公路瀝青路面設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范技術(shù)要求，結(jié)合正態(tài)分布理論，提出基于路況云圖的瀝青路面施工均勻性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。然后，即可根據(jù)施工均勻性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在瀝青路面施工均勻性分布云圖上，讀取路面路表平均坡面深度，路面內(nèi)部厚度、壓實(shí)度的不均勻區(qū)域。

表2 基于路況云圖的瀝青路面施工均勻性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

5 工程應(yīng)用

揚(yáng)州市S331省道是省干線公路網(wǎng)中重要組成部分，同時(shí)也是揚(yáng)州市公路網(wǎng)“八縱十橫”中的一條，直接連接著京滬高速公路，在周邊公路網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。測試路段樁號為K110+000~K119+000，標(biāo)段全長9.0 km，現(xiàn)有路面寬度9 m，土路肩寬2×1.5 m，公路等級為二級公路，日平均交通量約6 000輛。測試路段維修改造方案為銑刨原路面兩層瀝青面層（4 cm+5 cm），然后進(jìn)行基層18 cm水泥就地冷再生，最后回鋪4 cm普通瀝青Sup13上面層+6 cm廠拌溫再生普通瀝青下面層。

瀝青路面攤鋪施工結(jié)束后，采用ARAN9000多功能車測試鋪面的平均剖面深度MPD，采用中心頻率為1 GHz的Wavebounce型探地雷達(dá)測試鋪面的厚度和壓實(shí)度，測線分別位于左、右輪跡帶和行車道中，縱向采集頻率1次/m。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，利用MATLAB軟件繪制路面均勻性狀況分布云圖，如圖6所示。最后，根據(jù)施工均勻性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定瀝青路面施工不均勻區(qū)域。

圖6 江蘇S331省道寶應(yīng)運(yùn)東段平均剖面深度MPD云圖

6 結(jié)論

瀝青路面局部區(qū)域施工不均勻是引發(fā)瀝青路面早期損壞的重要成因。利用激光斷面儀、探地雷達(dá)快速無損采集路面表面構(gòu)造特征、內(nèi)部厚度及壓實(shí)度，依據(jù)施工均勻性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用路面狀況分布云圖，確定施工不均勻區(qū)域，從而全面、客觀、公正評價(jià)瀝青路面施工質(zhì)量，為瀝青路面全面快速無損質(zhì)量檢測提供了新的基

［1］Stephen Sebesta，Tom Scullion. REPORT S2-R06C-RR-1：Using Infrared and High-Speed Ground-Penetrating Radar for Uniformity Measurements on New HMA Layers［R］.Washington，D. C. 2013.

［2］JTG E600—2008公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程［S］.

［3］黎春林.探地雷達(dá)檢測路面含水量、空隙率和壓實(shí)度的應(yīng)用研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2003.

［4］遲鳳霞，張肖寧，薛忠軍，等.基于激光紋理儀的瀝青路面表面離析評價(jià)方法［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2008，21（5）：1-5.

［5］杜小甫，王成恩.基于等值線數(shù)據(jù)的一種新的云圖算法［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（5）：624-627.