王 元

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510101)

0 引 言

瀝青路面具有良好的力學(xué)和路用性能，行車舒適、噪聲小、揚(yáng)塵少且無接縫等眾多優(yōu)點(diǎn)，在高速公路建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為目前高等級(jí)公路路面的主要結(jié)構(gòu)型式。但是，目前部分高速公路路面難以達(dá)到預(yù)期壽命，在通車幾年內(nèi)出現(xiàn)早期損壞，嚴(yán)重影響公路的使用功能，需進(jìn)行功能性修復(fù)或中修。造成該現(xiàn)象的原因很多，如氣候惡劣、環(huán)境影響和超載嚴(yán)重等，對(duì)于瀝青路面使用性能最重要影響因素之一的瀝青混合料施工過程質(zhì)量，則直接影響瀝青路面的整體質(zhì)量和使用耐久性。施工均勻性是瀝青路面長(zhǎng)期使用性能的重要保證，瀝青路面出現(xiàn)的諸多早期損壞如車轍、水損害、抗滑性能衰減過快和泛油等，都與瀝青混合料的施工均勻性有較大關(guān)系。然而，瀝青路面最主要的驗(yàn)收指標(biāo)如彎沉、厚度、滲水系數(shù)和構(gòu)造深度等均未涉及施工均勻性，施工過程中也未有相關(guān)均勻性的檢測(cè)方法、驗(yàn)收指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。近十多年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)逐漸滲入到各行各業(yè)并越來越扮演著重要的角色。由于數(shù)字圖像技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、檢測(cè)簡(jiǎn)單和成本低等特點(diǎn)，在公路行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，如瀝青混合料設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、施工質(zhì)量控制和裂縫自動(dòng)處理等。

基于數(shù)字圖像技術(shù)在瀝青路面施工均勻性的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，能克服傳統(tǒng)離析檢測(cè)效率低，特別是目測(cè)主觀性大等缺點(diǎn)。本文以廣東省云湛高速公路(陽(yáng)春至化州段)路面4標(biāo)(BZK0+700～BZK33+363.329)瀝青上面層和中面層為研究對(duì)象，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，提出合適的瀝青路面施工均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)并進(jìn)行驗(yàn)證，為提升瀝青路面施工質(zhì)量提供技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)支持。

1 研究與分析方法

作為一種散體顆粒材料，粗集料構(gòu)成瀝青混合料骨架，其在在瀝青混合料中的分布狀態(tài)直接應(yīng)影響瀝青混合料的力學(xué)性能。借助數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過對(duì)瀝青混合料切片圖像中粗集料的分布均勻性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可確定粗集料空間分布特征對(duì)混合料路用性能的影響。由于瀝青路面施工完成后需鉆取芯樣，檢測(cè)路面施工厚度和壓實(shí)度，本文提出利用鉆取的芯樣檢測(cè)路面攤鋪的均勻性，一方面不增加檢測(cè)工作量，另一方面利用圖像處理技術(shù)自動(dòng)獲得不均勻性指標(biāo)，檢測(cè)方法快速、簡(jiǎn)單和方便，具有良好的操作性。主要步驟為：(1)對(duì)鉆取的芯樣進(jìn)行橫向切割，獲取瀝青混合料切片圖像；(2)利用“雙峰法”對(duì)切片圖像進(jìn)行二值化處理，獲得集料的二值化圖像；(3)利用圖像處理軟件Image pro plus 6.0對(duì)二值化圖像進(jìn)行處理，過濾細(xì)集料，提取圖像中大于2.36 mm粗集料并編號(hào)，劃分統(tǒng)計(jì)區(qū)域獲得不均勻特征參數(shù)。圖像處理與參數(shù)獲得方法如圖1所示。

圖1 圖像處理與參數(shù)獲得方法

為對(duì)路面施工均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文引入“不均勻系數(shù)”對(duì)粗集料分布特征進(jìn)行定量分析。如圖1(c)所示，以二值化并對(duì)粗集料進(jìn)行編號(hào)的瀝青混合料芯樣切片圖像為基礎(chǔ)，應(yīng)用Matlab軟件將芯樣切片圖像作八等分處理，再對(duì)八個(gè)區(qū)域內(nèi)的粗集料數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。對(duì)于不均勻系數(shù)指標(biāo)，有數(shù)目法和位置法兩種。由于高速公路路面施工具有速度快、工序銜接緊密等特點(diǎn)，路面施工檢測(cè)也應(yīng)快速簡(jiǎn)單、方便，以便為路面施工提供技術(shù)支持，及時(shí)糾正施工中存在的問題，提升路面施工質(zhì)量。另外，大于2.36 mm粗集料構(gòu)成瀝青混合料主骨架，是抵抗外部荷載的主要載體，也是瀝青混合料路用性能最主要的影響因素。因此，本文統(tǒng)計(jì)不均勻系數(shù)時(shí)，不考慮每一檔粗集料分布對(duì)均勻性的影響。具體方法為：統(tǒng)計(jì)圖像中每一區(qū)域內(nèi)大于2.36 mm粗集料數(shù)目，并與芯樣切片粗集料總數(shù)量的平均值進(jìn)行對(duì)比，即以標(biāo)準(zhǔn)偏差S衡量芯樣內(nèi)粗集料數(shù)量的差異，稱為“不均勻系數(shù)”，計(jì)算方法如式(1)所示。

(1)

2 工程概況與路面結(jié)構(gòu)

汕(頭)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支線工程是珠三角通往粵西地區(qū)、大西南地區(qū)以及大陸連接海南島的干線通道，其中陽(yáng)春至化州段全長(zhǎng)133.64 km，路面4標(biāo)樁號(hào)范圍為BZK0+700～BZK33+363.329。路面結(jié)構(gòu)為：4.5 cm SBS改性GAC-16C+5.5 cm SBS改性GAC-20C+7 cm GAC-25C +36 cm 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石+18 cm 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石+15 cm 級(jí)配碎石。瀝青路面施工過程中，中面層采用福格勒雙機(jī)施工，上面層采用全斷面大功率攤鋪機(jī)施工，攤鋪寬度12.25 m。中面層GAC-20C各檔集料比例為：18～22 mm∶11～18 mm∶6～11 mm∶3～6 mm∶0～3 mm∶礦粉∶水泥=8∶34∶23∶8∶23∶3∶1，瀝青用量為4.31%；上面層GAC-16C各檔集料比例為：12～19 m∶6～12 mm∶4～6 mm∶0～4 mm∶礦粉=36∶26∶8∶26∶4，瀝青用量為4.49%。SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)、各路面結(jié)構(gòu)層級(jí)配分別如表1、表2所示。

表1 sBS瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

表2 瀝青混合料級(jí)配

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 檢測(cè)指標(biāo)分布特征

各瀝青結(jié)構(gòu)層施工完成后，根據(jù)規(guī)范要求鉆取芯樣并切割，通過本文提出的數(shù)字圖像處理方法獲得瀝青中面層、上面層不均勻系數(shù)。為對(duì)福格勒雙機(jī)攤鋪和全斷面大功率攤鋪機(jī)攤鋪效果進(jìn)行對(duì)比分析，本次對(duì)瀝青中面層和上面層均進(jìn)行了滲水試驗(yàn)。不均勻系數(shù)、滲水系數(shù)沿道路橫向變化特征分別如圖2、圖3所示。

圖2 不均勻系數(shù)沿道路橫向變化

圖3 滲水系數(shù)沿道路橫向變化

從圖2和圖3可以看出。

(1)瀝青上面層不均勻系數(shù)S值范圍為0.8～1.5，沿道路橫向S值變化范圍不大，表現(xiàn)為線性分布；對(duì)于瀝青中面層，S值分布較為分散，但基本大于1.5，表明瀝青面層施工過程中，采用全斷面大功率攤鋪機(jī)能獲得相對(duì)較好的均勻性。但是，由于采用全斷面大功率攤鋪機(jī)成本較高，瀝青混合料施工過程中應(yīng)綜合考慮成本控制和質(zhì)量要求，選擇合適的攤鋪機(jī)械設(shè)備。

(2)由于全斷面大功率攤鋪機(jī)下料斗位置處于道路橫向中間位置，結(jié)合圖2和圖3也發(fā)現(xiàn)，道路橫向中間6 m左右位置S值和滲水系數(shù)稍大，表明其離析相對(duì)較大，因此，采用全斷面大功率攤鋪機(jī)施工時(shí)應(yīng)注意調(diào)整下料斗位置的機(jī)械參數(shù)，避免發(fā)生過大離析導(dǎo)致滲水系數(shù)過大，影響路面施工質(zhì)量。

(3)圖3表明道路橫向中間部位滲水系數(shù)較為穩(wěn)定，但邊部極少量檢測(cè)點(diǎn)滲水系數(shù)稍大，主要原因是由于邊部區(qū)域壓路機(jī)碾壓不便，導(dǎo)致邊部1 m范圍內(nèi)區(qū)域處于欠壓狀態(tài)。因此，攤鋪過程中各參建單位應(yīng)加強(qiáng)路面施工質(zhì)量管控，采用小型壓路機(jī)對(duì)路面邊部區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓，確保路面邊部壓實(shí)效果。

3.2 檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)性分析

空隙率作為瀝青混合料設(shè)計(jì)和施工過程中的重要控制指標(biāo)，為了解不均勻系數(shù)S值、空隙率以及滲水系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，分析相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 交通量分析圖

圖4 不均勻系數(shù)與滲水系數(shù)的關(guān)系

圖5 不均勻系數(shù)與空隙率的關(guān)系

從圖4、圖5可以看出，大部分檢測(cè)點(diǎn)滲水系數(shù)滿足100 ml/min的設(shè)計(jì)要求，滲水系數(shù)稍大的點(diǎn)均位于邊部區(qū)域。滲水系數(shù)、空隙率與不均勻系數(shù)S值之間均呈良好的二次拋物線相關(guān)關(guān)系。隨著S值的減小，滲水系數(shù)和空隙率均呈逐漸變小的趨勢(shì)，表明S值對(duì)瀝青路面檢測(cè)主控指標(biāo)有著重要的影響，路面施工過程中應(yīng)注意控制離析，確保瀝青混合料內(nèi)各結(jié)構(gòu)組分分布均勻，以達(dá)到良好的滲水系數(shù)、空隙率等交工驗(yàn)收主控指標(biāo)。

4 結(jié) 論

(1)采用全斷面大功率攤鋪機(jī)能有效提高瀝青路面施工的均勻性，但由于采用全斷面大功率攤鋪機(jī)成本較高，施工過程中應(yīng)綜合考慮成本控制和質(zhì)量要求，選擇合適的攤鋪機(jī)械設(shè)備。

(2)瀝青路面施工過程中，邊部區(qū)域1 m范圍內(nèi)壓路機(jī)碾壓不便，攤鋪過程中各參建單位應(yīng)加強(qiáng)路面施工質(zhì)量管控，采用小型壓路機(jī)對(duì)路面邊部區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓，確保路面邊部壓實(shí)效果。

(3)滲水系數(shù)、空隙率與不均勻系數(shù)S值之間呈良好的二次拋物線相關(guān)關(guān)系，不均勻系數(shù)對(duì)瀝青路面檢測(cè)主控指標(biāo)有著重要的影響，路面施工過程中應(yīng)注意控制離析，確保瀝青混合料內(nèi)各結(jié)構(gòu)組成分布均勻，以便達(dá)到良好的交工驗(yàn)收主控指標(biāo)。