覃尚文

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

溫度離析是瀝青路面早期破壞的主要原因之一。溫度離析是指瀝青混合料在運(yùn)輸、攤鋪、碾壓過程中，由于施工工藝的不足和環(huán)境的影響造成瀝青混合料局部區(qū)域的溫度差異。溫度離析會(huì)造成路面局部區(qū)域壓實(shí)度不足，而路面壓實(shí)不均勻是路面水損害的主要原因。在重復(fù)荷載的作用下，路面進(jìn)一步壓實(shí)，平整度降低，

路面路用性能下降。研究表明，由于溫度離析的影響，瀝青面層的使用壽命會(huì)大大縮短，嚴(yán)重離析的路面使用壽命可能會(huì)減少50%以上。

目前國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)瀝青路面的溫度離析問題的關(guān)注度逐漸提高，但將其作為指導(dǎo)施工的質(zhì)量控制指標(biāo)的研究還較少。其中，彭余華等人觀測(cè)了不同條件下瀝青混合料攤鋪面的溫度分布，分析了其溫度離析的不同表現(xiàn)性狀和溫度差異的形成原因，發(fā)現(xiàn)溫度離析對(duì)瀝青面層的影響與溫度離析區(qū)域的面積、區(qū)域和溫度都有較大的聯(lián)系；郭大進(jìn)等人使用紅外熱像儀對(duì)多條高速公路施工過程中運(yùn)料車、攤鋪機(jī)進(jìn)料口、卸料斗、螺旋布料器軸后等不同離析位置進(jìn)行定位，總結(jié)紅外熱像儀定性判斷溫度離析情況的效果，發(fā)現(xiàn)紅外熱像儀能夠快速、重復(fù)、無損地確定發(fā)生離析的關(guān)鍵部位，并為施工提供有效依據(jù)；周志剛等人運(yùn)用紅外熱像儀觀測(cè)了隧道不同部位的溫拌瀝青混凝土攤鋪面的碾壓溫度分布情況，分析了其溫度離析的不同分布狀況和溫度差異的形成原因，發(fā)現(xiàn)溫拌瀝青混凝土碾壓溫度與其密度、壓實(shí)度、空隙率之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系；禤煒安等人采用紅外熱像儀對(duì)瀝青路面施工各階段溫度離析狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析其檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)與路面壓實(shí)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)紅外熱像圖可以反映瀝青混合料在運(yùn)輸、攤鋪、碾壓階段的溫度離析現(xiàn)象，并為瀝青路面施工全過程進(jìn)行安全監(jiān)控，能夠保證路面的壓實(shí)質(zhì)量。

目前國內(nèi)對(duì)溫度離析的相關(guān)評(píng)價(jià)規(guī)范尚未出臺(tái)，而在2000年，美國NCAT機(jī)構(gòu)在溫度離析判斷中總結(jié)推薦供行業(yè)參考的以溫度差來定義的方法如表1所示。

表1 NCAT溫度離析程度分類標(biāo)準(zhǔn)表

本文使用日本NEC公司生產(chǎn)的NEC-TH9100紅外熱成像儀檢測(cè)瀝青混合料在運(yùn)輸、攤鋪、碾壓階段的溫度離析情況，分析并提出溫度離析的防治措施；結(jié)合無核密度儀PQI-301分析混合料的溫度離析對(duì)路面壓實(shí)度的影響。

1 紅外熱成像儀

1.1 工作原理

本文采用日本NEC公司生產(chǎn)的NEC-TH9100紅外相機(jī)，這是一種非接觸、高靈敏的紅外線熱成像儀，具有自動(dòng)靈敏度設(shè)置、自動(dòng)調(diào)節(jié)中心溫度值、自動(dòng)聚焦等全自動(dòng)功能。TH9100紅外熱成像儀基本參數(shù)如表2所示。

表2 紅外相機(jī)TH9100基本參數(shù)表

NEC-TH9100主要由三個(gè)部分組成：探測(cè)器、監(jiān)視器和顯示屏，如圖1所示。紅外熱成像儀是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再將放大的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)就可以制成彩色或黑白的熱像圖。紅外相機(jī)不僅可以實(shí)時(shí)拍攝畫面，也可以保存圖片并批量處理圖片，及時(shí)獲取溫度數(shù)據(jù)。本軟件還提供了點(diǎn)、線、面三種溫度分析方式。選取點(diǎn)分析能顯示該點(diǎn)的溫度；在面的選取上有長方形、圓、橢圓等各種形狀可供選擇，也可自己繪制區(qū)域；線段可以自由繪制，線與面可以提供最高溫度、最低溫度、平均溫度。

圖1 紅外成像儀原理示意圖

1.2 操作步驟

(1)安裝好電池與SD卡，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要1 min的加載時(shí)間。(2)調(diào)焦：NEC-TH9100紅外相機(jī)具有手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)焦的功能，為了避免背景過熱或過冷的反射，影響目標(biāo)測(cè)量的精確性，調(diào)整焦距或測(cè)量方位以減少或者消除反射影響。(3)選擇合適的測(cè)溫范圍：NEC-TH9100紅外相機(jī)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)溫范圍，按住調(diào)焦按鈕5 s后可自動(dòng)調(diào)溫。(4)確定合適的測(cè)量距離：由于拍攝的距離限制了每張拍攝的范圍，拍攝過程宜進(jìn)行分區(qū)域拍攝，但相鄰圖像之間應(yīng)有重合部分。本文采用的拍攝距離在1.5～2 m之間。(5)拍攝圖片并保存：將存儲(chǔ)卡上的熱像圖導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，用紅外熱像儀配套的軟件NS9200進(jìn)行相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)處理。通過軟件處理后，可以顯示測(cè)量的日期、環(huán)境溫度、溫度范圍、輻射率等信息。

2 混合料溫度離析檢測(cè)分析

2.1 運(yùn)輸階段溫度檢測(cè)

本研究選擇在某高級(jí)公路下面層施工過程中進(jìn)行，下面層采用AC-25瀝青混合料。

由于瀝青混合料拌料場(chǎng)距離施工路段有一定的運(yùn)距，在運(yùn)輸過程中混合料與空氣和運(yùn)料車倉的接觸區(qū)域會(huì)導(dǎo)致溫度流失。首先在運(yùn)料車倉中選定4處合適位置，分別使用紅外熱成像儀對(duì)混合料在出拌料場(chǎng)、開始卸料與卸料中途進(jìn)行溫度測(cè)定。將各階段拍攝的圖片匯總，并使用紅外熱像儀配套軟件NS9200逐一分析，各階段溫度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 瀝青混合料出倉到攤鋪溫度變化匯總表

為了避免由于個(gè)別照片拍攝的隨機(jī)性造成誤差，更加合理地測(cè)定瀝青混合料在運(yùn)輸過程中的溫度離析，將4組圖片中的混合料溫度數(shù)據(jù)整合，并繪制成溫度變化趨勢(shì)圖，如圖2所示。

圖2 混合料運(yùn)輸過程中的溫度變化趨勢(shì)圖

(1)由圖2所示，混合料從拌料場(chǎng)運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地，混合料的溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，混合料的平均溫度從140.9 ℃降低到125.1 ℃。當(dāng)運(yùn)料車到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，車倉內(nèi)混合料最高溫度與最低溫度之間相差33.0 ℃，由表1NCAT溫度離析定義表可知，在運(yùn)輸過程中由于溫度流失達(dá)到了嚴(yán)度離析程度。

運(yùn)料車在快速的行駛過程中，加快了帆布層及車廂壁與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱，熱量交換頻繁迅速，導(dǎo)致運(yùn)料車內(nèi)混合料的溫度逐漸降低。為保證瀝青路面壓實(shí)合格率，施工人員應(yīng)加強(qiáng)混合料運(yùn)輸控制。減少熱量流失的關(guān)鍵是減少混合料與空氣的溫差，最直接的措施是加強(qiáng)覆蓋保溫。除了采用良好的保溫措施之外，應(yīng)采用大噸位的運(yùn)料車，盡量減少運(yùn)料車次。

(2)由圖2所示，混合料運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后，在卸料途中，混合料的平均溫差從125.1 ℃降低到118.5 ℃，降溫幅度不大，但混合料最低溫度低至81.8 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混合料最佳攤鋪溫度。

為了避免部分低溫混合料被攤鋪導(dǎo)致路面壓實(shí)度不足，待混合料運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后應(yīng)進(jìn)行二次拌合，有效減小溫度離析程度。

2.2 攤鋪階段溫度檢測(cè)

2.2.1 收斗離析

在瀝青路面施工過程中，使用紅外熱成像儀對(duì)攤鋪機(jī)料斗收斗前，拍攝斗內(nèi)瀝青混合料，匯總并分析，圖中收料斗內(nèi)溫度存在明顯差異。選取其中一處收斗熱成像圖與其可見光圖(見圖3)，在斗內(nèi)選取5個(gè)區(qū)域進(jìn)行局部溫度分析，結(jié)合軟件得出各區(qū)域溫度分布情況見表4。

表4 收斗時(shí)各區(qū)域混合料溫度表

圖3 收料斗混合料溫度熱成像與可見光示意圖

由圖3、表4可知，收斗時(shí)各區(qū)域混合料溫度，越靠近料斗外側(cè)混合料溫度越低，斗內(nèi)混合料集中區(qū)域溫度較高。區(qū)域C的平均溫度為117.9 ℃，區(qū)域A的平均溫度為77.6 ℃，相差達(dá)到了40.3 ℃，由表1可知，混合料達(dá)到了嚴(yán)重離析的程度。這是由于運(yùn)料車在卸料過程中，兩邊的混合料與外界接觸時(shí)間較長，而斗中間位置處有傳送帶不斷將瀝青混合料運(yùn)輸至螺旋布料器中。

收斗后，利用紅外成像儀對(duì)攤鋪區(qū)域進(jìn)行溫度捕捉，如圖4所示。該處最高溫度為125.2 ℃，最低溫度為101.9 ℃，溫差達(dá)到了23.3 ℃，由表1可知，混合料達(dá)到了中度離析的程度。同時(shí)該區(qū)域平均溫度為110.8 ℃，碾壓溫度已經(jīng)低于施工中規(guī)范要求的130 ℃。如圖4中可見光圖為該區(qū)域碾壓完成后的實(shí)拍圖，出現(xiàn)較為明顯的離析區(qū)域，利用無核密度儀在離析區(qū)域及周邊進(jìn)行密度檢測(cè)，數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5中離析區(qū)域壓實(shí)度偏小，同時(shí)該區(qū)域壓實(shí)質(zhì)量有明顯波動(dòng)現(xiàn)象，說明溫度離析影響壓實(shí)質(zhì)量。該離析區(qū)域溫度較低，在該處施工時(shí)為滿足施工質(zhì)量要求應(yīng)增加該處的碾壓次數(shù)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化攤鋪機(jī)收斗工序，減少收斗次數(shù)，降低收斗持續(xù)時(shí)間。

圖4 收斗造成離析與可見光示意圖

圖5 收斗離析及未離析密度對(duì)比圖

2.2.2 停機(jī)等料

因?yàn)r青混合料供應(yīng)不上、攤鋪機(jī)故障或其他原因而使攤鋪機(jī)停機(jī)，在此時(shí)間段利用紅外熱成像儀對(duì)螺旋布料器中的溫度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)比攤鋪機(jī)停機(jī)與再次運(yùn)行后的混合料溫度變化，如圖6為剛停機(jī)時(shí)混合料的溫度分布圖，圖7為再次運(yùn)行后混合料的溫度分布圖，同時(shí)記錄停機(jī)的時(shí)間。

圖6 剛停機(jī)溫度分布圖

圖7 再次運(yùn)行溫度分布圖

螺旋布料器剛停機(jī)混合料的平均溫度為149.2 ℃，再次運(yùn)行后混合料的平均溫度為137.9 ℃，溫差達(dá)到了11.3 ℃，為輕度離析。此處因更換擋板停機(jī)時(shí)間為3 min，短時(shí)間內(nèi)瀝青混合料在與外界接觸中溫度散失較大，說明攤鋪機(jī)停機(jī)狀態(tài)對(duì)溫度影響較大，為減少攤鋪機(jī)出現(xiàn)停機(jī)問題，應(yīng)加強(qiáng)施工組織管理與對(duì)機(jī)械設(shè)備的檢查工作。

攤鋪機(jī)的停機(jī)狀態(tài)也會(huì)影響熨平板位置的混合料溫度，如圖8為攤鋪機(jī)恢復(fù)工作后，拍攝熨平板停經(jīng)處區(qū)域。

圖8 熨平板溫度與可見光示意圖

如圖8所示，在攤鋪機(jī)停經(jīng)處熨平板前后出現(xiàn)明顯的溫度離析，圖中最高溫度為141 ℃，最低溫度為101 ℃，溫差達(dá)到了40 ℃，達(dá)到了嚴(yán)重離析的程度；同時(shí)對(duì)比可見光圖可以看出該處有明顯的橫向印記。由于攤鋪機(jī)停機(jī)使混合料在該處停留，攤鋪的瀝青混合料溫度在不斷下降，同時(shí)在螺旋布料器中的混合料集中熱量損失較慢，隨著時(shí)間的推移以印記為分界線溫差逐步增大，從而造成圖6中的溫度分布情況。該處攤鋪機(jī)停留時(shí)間過長，同時(shí)該處平均溫度為113.5 ℃已經(jīng)低于碾壓要求的施工溫度125 ℃，應(yīng)適當(dāng)增加碾壓次數(shù)。

2.3 碾壓階段溫度檢測(cè)

路面碾壓過程中的溫度離析主要是由于路面不同位置碾壓遍數(shù)的不同，導(dǎo)致溫度分散不均勻。使用紅外熱成像儀對(duì)瀝青混合料碾壓過程進(jìn)行跟蹤拍攝，各階段熱成像圖片匯總，并在各階段選擇典型溫度圖進(jìn)行分析。如圖9為瀝青混合料剛攤鋪時(shí)的溫度及可見光圖，在圖中選定4處區(qū)域進(jìn)行溫度分析如表5。

表5 碾壓后路面溫度分析表

圖9 碾壓后溫度與可見光示意圖

根據(jù)圖9可以看出，在壓路機(jī)碾壓過后，路面局部區(qū)域出現(xiàn)明顯的溫度離析，因在碾壓過程中，由于鋼輪壓路機(jī)碾壓時(shí)不停在灑水，接觸后導(dǎo)致面層熱量損失較大，同時(shí)碾壓過程中的速度不均勻，使灑水量在各斷面存在差異，從而造成各區(qū)域溫度分布不均勻。表5中區(qū)域D位置處的最高溫度與最低溫度溫差為13 ℃，由表1可知，路面碾壓階段出現(xiàn)了輕度離析現(xiàn)象。

3 均勻性對(duì)比

3.1 溫度均勻處壓實(shí)度檢測(cè)及分析

在瀝青路面攤鋪后用紅外熱成像儀進(jìn)行路面溫度均勻性分析，匯總圖片并利用紅外熱成像儀軟件處理。選取一處溫度分布均勻、無明顯離析現(xiàn)象的區(qū)域，最大溫差在10 ℃以內(nèi)。其熱成像圖與可見光情況見圖10，各區(qū)域溫度分布如表6所示。

表6 溫度攤鋪均勻數(shù)據(jù)紅外檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)表

圖10 溫度攤鋪均勻紅外成像與可見光示意圖

圖10結(jié)合可見光圖可以看出該位置溫度較為均勻，路面攤鋪效果良好。區(qū)域B接近路緣處，區(qū)域A是攤鋪機(jī)螺旋布料器中間處，折線A在整個(gè)攤鋪斷面溫度波動(dòng)值為8 ℃，整體溫度分布為中間處略高于路緣處。主要原因是分料器分料過程中，由于螺旋葉片左右兩端混合料與外界環(huán)境接觸時(shí)間較長，導(dǎo)致路緣處混合料溫度相對(duì)較低。

為驗(yàn)證該處在無溫度離析條件下的碾壓質(zhì)量狀況，拍攝紅外照片后用標(biāo)記筆在路緣處進(jìn)行位置標(biāo)記，待路面完成碾壓后進(jìn)行無核密度儀數(shù)據(jù)檢測(cè)，檢測(cè)壓實(shí)度結(jié)果見表7。

表7 溫度攤鋪均勻處PQI壓實(shí)度數(shù)據(jù)表

如表7所示，針對(duì)溫度攤鋪均勻處的壓實(shí)度PQI檢測(cè)，壓實(shí)度質(zhì)量要求滿足最大理論密度的94%，檢測(cè)區(qū)域壓實(shí)質(zhì)量合格率為100%，同時(shí)壓實(shí)質(zhì)量波動(dòng)性小，說明無溫度離析處壓實(shí)質(zhì)量均勻。

3.2 攤鋪層溫度不均勻處紅外檢測(cè)及分析

選取一處溫度分布不均勻、存在明顯離析現(xiàn)象的區(qū)域。其熱成像圖與可見光情況見圖11，各區(qū)域溫度分布數(shù)據(jù)見表8。

表8 溫度離析攤鋪層紅外檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)表

圖11 溫度攤鋪不均勻紅外成像與可見光示意圖

如圖11和表8所示，三個(gè)區(qū)域及折線斷面的平均溫度均滿足施工要求，結(jié)合可見光情況可以判定區(qū)域A位置處于路緣處，溫差達(dá)到18 ℃且溫度范圍分布較廣，結(jié)合表1說明該處屬于中度離析；區(qū)域B溫差為10.4 ℃，該處存在輕度離析；區(qū)域C位于路面中心位置是攤鋪機(jī)中心線處，溫度分布較為集中，沒有明顯的溫差。

拍攝紅外照片后利用油漆在相應(yīng)的路緣石位置標(biāo)記，待路面完成碾壓后進(jìn)行無核密度儀的數(shù)據(jù)檢測(cè)，檢測(cè)壓實(shí)度結(jié)果見表9。

表9 溫度攤鋪不均勻處PQI壓實(shí)度數(shù)據(jù)表

如表9所示，PQI檢測(cè)壓實(shí)度中出現(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量不合格的區(qū)域，通過與可見光對(duì)比不合格區(qū)域基本在溫度離析處，說明溫度離析直接影響路面壓實(shí)質(zhì)量。瀝青混合料發(fā)生溫度離析是顆粒間能量交換差異而導(dǎo)致集料出現(xiàn)溫差的現(xiàn)象，此現(xiàn)象也會(huì)在各工序中不斷傳遞，針對(duì)范圍較大的溫度離析區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行換料處理，小范圍溫度離析可適當(dāng)增加碾壓次數(shù)。

4 結(jié)語

(1)通過對(duì)比瀝青混合料在運(yùn)輸、攤鋪、碾壓階段的溫度離析可知，混合料在運(yùn)輸過程中溫度流失最為嚴(yán)重，溫度離析程度也最為明顯。運(yùn)料車應(yīng)加強(qiáng)覆蓋保溫措施，且應(yīng)采用大噸位的運(yùn)料車，盡量減少運(yùn)料車次。

(2)瀝青混合料溫度離析程度與路面壓實(shí)度之間具有良好的相關(guān)性，溫度離析越嚴(yán)重，瀝青混合料壓實(shí)度的合格率越低。壓實(shí)時(shí)檢測(cè)路面溫度，指導(dǎo)壓路機(jī)合理控制碾壓遍數(shù)。

(3)紅外熱像儀是一種高效、無損的溫度檢測(cè)手段，對(duì)路面溫度進(jìn)行檢測(cè)，可以同時(shí)在一定范圍內(nèi)獲取大量溫度信息，并能實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工。