基于芯樣的瀝青路面施工均勻性評價方法

王 元

(廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510101)

0 引 言

瀝青路面具有良好的力學和路用性能，行車舒適、噪聲小、揚塵少且無接縫等眾多優點，在高速公路建設中得到越來越廣泛的應用，成為目前高等級公路路面的主要結構型式。但是，目前部分高速公路路面難以達到預期壽命，在通車幾年內出現早期損壞，嚴重影響公路的使用功能，需進行功能性修復或中修。造成該現象的原因很多，如氣候惡劣、環境影響和超載嚴重等，對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量，則直接影響瀝青路面的整體質量和使用耐久性。施工均勻性是瀝青路面長期使用性能的重要保證，瀝青路面出現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系。然而，瀝青路面最主要的驗收指標如彎沉、厚度、滲水系數和構造深度等均未涉及施工均勻性，施工過程中也未有相關均勻性的檢測方法、驗收指標和標準。近十多年來，隨著計算機技術的快速發展，數字圖像處理技術逐漸滲入到各行各業并越來越扮演著重要的角色。由于數字圖像技術具有快速、準確、檢測簡單和成本低等特點，在公路行業得到越來越廣泛的應用，如瀝青混合料設計與評價、施工質量控制和裂縫自動處理等。

基于數字圖像技術在瀝青路面施工均勻性的檢測與評價，能克服傳統離析檢測效率低，特別是目測主觀性大等缺點。本文以廣東省云湛高速公路(陽春至化州段)路面4標(BZK0+700～BZK33+363.329)瀝青上面層和中面層為研究對象，基于數字圖像處理技術，提出合適的瀝青路面施工均勻性評價指標并進行驗證，為提升瀝青路面施工質量提供技術與經驗支持。

1 研究與分析方法

作為一種散體顆粒材料，粗集料構成瀝青混合料骨架，其在在瀝青混合料中的分布狀態直接應影響瀝青混合料的力學性能。借助數字圖像處理技術，通過對瀝青混合料切片圖像中粗集料的分布均勻性進行統計分析，可確定粗集料空間分布特征對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，檢測路面施工厚度和壓實度，本文提出利用鉆取的芯樣檢測路面攤鋪的均勻性，一方面不增加檢測工作量，另一方面利用圖像處理技術自動獲得不均勻性指標，檢測方法快速、簡單和方便，具有良好的操作性。主要步驟為：(1)對鉆取的芯樣進行橫向切割，獲取瀝青混合料切片圖像；(2)利用“雙峰法”對切片圖像進行二值化處理，獲得集料的二值化圖像；(3)利用圖像處理軟件Image pro plus 6.0對二值化圖像進行處理，過濾細集料，提取圖像中大于2.36 mm粗集料并編號，劃分統計區域獲得不均勻特征參數。圖像處理與參數獲得方法如圖1所示。

圖1 圖像處理與參數獲得方法

為對路面施工均勻性進行評價，本文引入“不均勻系數”對粗集料分布特征進行定量分析。如圖1(c)所示，以二值化并對粗集料進行編號的瀝青混合料芯樣切片圖像為基礎，應用Matlab軟件將芯樣切片圖像作八等分處理，再對八個區域內的粗集料數量進行統計與分析。對于不均勻系數指標，有數目法和位置法兩種。由于高速公路路面施工具有速度快、工序銜接緊密等特點，路面施工檢測也應快速簡單、方便，以便為路面施工提供技術支持，及時糾正施工中存在的問題，提升路面施工質量。另外，大于2.36 mm粗集料構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，本文統計不均勻系數時，不考慮每一檔粗集料分布對均勻性的影響。具體方法為：統計圖像中每一區域內大于2.36 mm粗集料數目，并與芯樣切片粗集料總數量的平均值進行對比，即以標準偏差S衡量芯樣內粗集料數量的差異，稱為“不均勻系數”，計算方法如式(1)所示。

(1)

2 工程概況與路面結構

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、大西南地區以及大陸連接海南島的干線通道，其中陽春至化州段全長133.64 km，路面4標樁號范圍為BZK0+700～BZK33+363.329。路面結構為：4.5 cm SBS改性GAC-16C+5.5 cm SBS改性GAC-20C+7 cm GAC-25C +36 cm 水泥穩定級配碎石+18 cm 水泥穩定級配碎石+15 cm 級配碎石。瀝青路面施工過程中，中面層采用福格勒雙機施工，上面層采用全斷面大功率攤鋪機施工，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改性瀝青技術指標、各路面結構層級配分別如表1、表2所示。

表1 sBS瀝青技術性能指標

表2 瀝青混合料級配

3 檢測結果與分析

3.1 檢測指標分布特征

各瀝青結構層施工完成后，根據規范要求鉆取芯樣并切割，通過本文提出的數字圖像處理方法獲得瀝青中面層、上面層不均勻系數。為對福格勒雙機攤鋪和全斷面大功率攤鋪機攤鋪效果進行對比分析，本次對瀝青中面層和上面層均進行了滲水試驗。不均勻系數、滲水系數沿道路橫向變化特征分別如圖2、圖3所示。

圖2 不均勻系數沿道路橫向變化

圖3 滲水系數沿道路橫向變化

從圖2和圖3可以看出。

(1)瀝青上面層不均勻系數S值范圍為0.8～1.5，沿道路橫向S值變化范圍不大，表現為線性分布；對于瀝青中面層，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能獲得相對較好的均勻性。但是，由于采用全斷面大功率攤鋪機成本較高，瀝青混合料施工過程中應綜合考慮成本控制和質量要求，選擇合適的攤鋪機械設備。

(2)由于全斷面大功率攤鋪機下料斗位置處于道路橫向中間位置，結合圖2和圖3也發現，道路橫向中間6 m左右位置S值和滲水系數稍大，表明其離析相對較大，因此，采用全斷面大功率攤鋪機施工時應注意調整下料斗位置的機械參數，避免發生過大離析導致滲水系數過大，影響路面施工質量。

(3)圖3表明道路橫向中間部位滲水系數較為穩定，但邊部極少量檢測點滲水系數稍大，主要原因是由于邊部區域壓路機碾壓不便，導致邊部1 m范圍內區域處于欠壓狀態。因此，攤鋪過程中各參建單位應加強路面施工質量管控，采用小型壓路機對路面邊部區域進行補壓，確保路面邊部壓實效果。

3.2 檢測指標相關性分析

空隙率作為瀝青混合料設計和施工過程中的重要控制指標，為了解不均勻系數S值、空隙率以及滲水系數之間的相關關系，分析相關數據如圖4、圖5所示。

圖4 交通量分析圖

圖4 不均勻系數與滲水系數的關系

圖5 不均勻系數與空隙率的關系

從圖4、圖5可以看出，大部分檢測點滲水系數滿足100 ml/min的設計要求，滲水系數稍大的點均位于邊部區域。滲水系數、空隙率與不均勻系數S值之間均呈良好的二次拋物線相關關系。隨著S值的減小，滲水系數和空隙率均呈逐漸變小的趨勢，表明S值對瀝青路面檢測主控指標有著重要的影響，路面施工過程中應注意控制離析，確保瀝青混合料內各結構組分分布均勻，以達到良好的滲水系數、空隙率等交工驗收主控指標。

4 結 論

(1)采用全斷面大功率攤鋪機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成本較高，施工過程中應綜合考慮成本控制和質量要求，選擇合適的攤鋪機械設備。

(2)瀝青路面施工過程中，邊部區域1 m范圍內壓路機碾壓不便，攤鋪過程中各參建單位應加強路面施工質量管控，采用小型壓路機對路面邊部區域進行補壓，確保路面邊部壓實效果。

(3)滲水系數、空隙率與不均勻系數S值之間呈良好的二次拋物線相關關系，不均勻系數對瀝青路面檢測主控指標有著重要的影響，路面施工過程中應注意控制離析，確保瀝青混合料內各結構組成分布均勻，以便達到良好的交工驗收主控指標。