公路工程瀝青路面施工質量檢測技術研究

王瑞林

(中鐵十七局集團第三工程有限公司，河北 石家莊 050081)

0 引 言

在現有的公路工程建設中，混凝土材料和瀝青材料是兩種最為主要的路面構筑材料[1-3]。相比于混凝土路面，瀝青路面由于具有多孔隙結構，可以有效地保證運營階段具有良好的降噪減震效果，保證了行車的平穩性和舒適性，在晴天不反光，在雨季也可以很好地對雨水和地表水進行滲透排泄，符合國家倡導的海綿城市建設理念；另外，瀝青路面的運營維護便捷，在運營成本上具有優勢。因此，瀝青材料在國內的高速公路、城市主干道等路面中得到廣泛應用[4]。

然而，由于施工質量原因以及道路運營時交通荷載的長期作用，瀝青路面容易出現裂縫和損壞等現象[5]。損毀不斷積累，將嚴重影響行車舒適度和安全度，也會降低瀝青路面的服役年限，以致不能夠滿足預期的設計使用年限要求[6-7]。在以往的公路工程瀝青路面的施工質量檢測中，一般采用鉆孔法進行抽樣測試，然而這種方法不僅存在采集樣本較小，以點帶面，而且也存在對已成形的路面造成了整體性破壞，屬于有損檢測。研究快速便捷、成本低廉的無損瀝青路面施工質量檢測方法成為施工控制的主要工作內容[8]。

1 公路工程瀝青路面的結構及施工質量檢測指標

公路瀝青路面是使用瀝青材料作為結合料，黏結各種粗集料與細集料修筑成面層，并與各類基層和墊層所組成的路面結構，其主要結構一般由面層、基層、底基層和墊層組成，為水平層狀結構。面層主要由細粒式瀝青混凝土層、粗粒式瀝青混凝土層組成，直接承受著機動車輛的荷載作用，也承受著自然因素的風化作用；基層為中間受力層，設置于面層與底基層之間，將面層傳遞而來的車輛荷載向下部的底基層和墊層中傳遞；底基層一般有水泥穩定碎石組成，是路面結構的次要承重層，具有應力擴散的作用；墊層則采用比例為4∶12∶84的水泥石灰土，設置在底基層與路基結構之間，起到排水、隔水、防凍脹和防污染的作用。

公路工程瀝青路面的施工過程中，機械設備碾壓、攤鋪質量不均、施工速率過快等會對公路工程瀝青路面的施工質量控制指標造成影響，進而使得結構出現質量缺陷，造成瀝青路面病害。因此有必要對瀝青路面的施工質量檢測指標進行研究，以明確施工期間的瀝青路面的質量控制要求和評估施工質量的優劣。在瀝青路面施工質量控制中，大致可以將實際施工之前的檢測指標分為3類：其一為體積檢測指標，主要包括路面的密度、孔隙率、瀝青含量、離析程度等；其二為性能檢測指標，主要包括瀝青路面的厚度、平整度、壓實度等；其三為結構檢測指標，主要包括路面的強度、剛度及不均勻性等。

2 地質雷達法基本原理及其在瀝青路面施工質量檢測中的應用

2.1 地質雷達法的基本原理

地質雷達法作為一種路面的無損檢測方法，具有檢測高效、成本低廉、理論成熟及具有圖像化成果等優勢，在瀝青路面工程的檢測中得到越來越廣泛的應用。地質雷達設備一般由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要負責數據的采集與預處理，而軟件部分則負責數據處理、數學運算以及數據的解譯。地質雷達法的基本原理是通過硬件設備內置的發射天線向道路內部發射電磁波，電磁波遇到不同電性介質的交界面后發生反射、折射和衍射等現象，反射的電磁波能被設備的接收天線接收，控制主機將電磁波信號轉化為電信號，將檢測信息數字化后存儲在設備存儲卡中，軟件設備可以隨時對采集數據進行調用、瀏覽和處理。地質雷達發射的電磁波在路面介質中的傳播主要服從麥克斯韋經典電磁理論，如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

?·B=0

(3)

?·D=0

(4)

式中：E為電磁矢量；H為磁場矢量；B為磁感強度；D為電感強度。

2.2 地質雷達法在瀝青路面施工質量檢測中的應用

地質雷達法在瀝青路面施工質量的檢測效果都是依賴于電磁波在瀝青路面結構中的傳播效率以及各結構層的介電常數差異。傳播效率方面可以通過傳播系數進行表示，地質雷達法設備發射的電磁波在瀝青路面結構中的傳播系數如式(5)所示。

(5)

式中：w為電磁波相位；μ為路面結構的泊松比；ε為道路結構的介電常數；σ為瀝青路面結構的電導率。

本文以河北省石家莊市某城市主干道的瀝青路面施工質量檢測項目為例，介紹地質雷達法在確定瀝青路面各個施工質量指標中的應用。

2.2.1 瀝青路面的結構層厚度檢測

瀝青路面的各個結構層的厚度主要通過地質雷達采集的電磁波信號進行解譯得到，如式(6)所示。

(6)

式中：c為光速；εr為瀝青路面結構的相對介電常數；△t為電磁波在各面層之間的傳播時間。

從式(6)可以知道，瀝青路面材料各層之間的相對介電常數差異是確定道路各結構層厚度的重要計算參數，因此在試驗之前需要對各個結構層進行實測，結果如圖1所示。

圖1 瀝青路面各個結構層介電常數的圖譜

從圖1可以看出，瀝青路面結構的介電常數值越小，其在圖譜中的表現為越向純藍色靠近，三維效果上表現為下凹，瀝青路面結構的介電常數值越大，其在圖譜中的表現為越向純紅色靠近，三維效果上表現為上突。

2.2.2 瀝青路面結構層的密度與含水率檢測

瀝青路面的密度和含水率是最為基本的施工質量參數。瀝青路面中含有較多的水分時，會直接導致瀝青路面的結構老化和承載力下降，嚴重的將導致面層中瀝青材料與其他礦物顆粒的黏結力急速下降，基層出現剝落，在機動車輛的反復碾壓下出現破損。因此在公路工程瀝青路面施工質量的監測中，需要對瀝青路面各個結構層含水率的異常范圍進行圈定，以便提出相應的整治措施。具體的含水率異常檢測方法是當地質雷達發射的電磁波遇到瀝青路面孔隙中的水分時，會發生激發極化現象，表現為電磁波振幅的變化。有研究表明，當瀝青結構孔隙中存在水分時，會引起電磁波反射波之間出現多個高頻振幅，而且隨著含水量的增加峰值越來越高。類似地，當公路工程瀝青路面存在壓實度不足時，其密度就會降低，導致路面結構內的孔隙增加，當孔隙內充填水分時，會引發電磁波的反復震蕩，而當孔隙內部為空氣時，瀝青路面結構內部孔隙的介電常數有所增加，電磁波遇到壓實度不足、密度較小的瀝青路面段落時，具有高頻反應。

2.2.3 瀝青路面結構層的破損脫空的檢測

瀝青路面結構層在施工機械荷載作用下會發生開裂、破損等現象，導致結構的外觀、承載力發生變化；如果施工過程中，地基碾壓質量差導致地基不均勻沉降，瀝青路面與路基結構層發生脫空現象，導致瀝青路面結構層受荷載后斷裂。這兩者的不良影響也會影響到瀝青路面運營階段的使用效果。為此，采用地質雷達法可以連續長距離地對瀝青路面的結構破損脫空情況進行掃描。在地質雷達的檢測過程中，如果電磁波遇到空洞或者脫空時，介質間的波阻抗差異導致反射的電磁波能量將明顯降低，在電磁波的時間域和頻率域均可以看到由于存在空洞和破碎導致的變化，波形上表現為不規則的雙曲線特征，且下方存在多次反射，具有可視化的圖像效果，如圖2所示。而對于瀝青與集料離析、壓實度導致的密度不足等路基病害，容易形成電磁波信號的在各個結構層之間的反射波能量較弱，導致波形錯亂，同相軸錯亂，圖像明暗程度也變化較大，在識別時可以與正常結構的路面電磁波反射信號進行區別和圈定范圍。

圖2 瀝青路面結構層存在脫空現象的波形反映

3 地質雷達檢測與無核密度儀器檢測對比分析

為了研究地質雷達在公路瀝青路面施工質量方面的檢測效果，試驗采用了實踐中常用的無核密度儀器對瀝青路面的密度、壓實度進行探測，同時在相同地段同等條件下對瀝青路面進行地質雷達測試，測試結束后在原位選取取樣點對瀝青路面進行鉆孔取樣，進行室內試驗獲取各結構層的介電常數以便于無核密度儀測試和地質雷達測試的數據解譯。將公路工程瀝青路面結構劃分為4個序列，采用無核密度儀檢測結果見表1。

表1 無核密度儀器檢測空隙率誤差率結果

從表1可以看出，在里程DK23+350中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為2.85%～5.32%；在里程DK23+650中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為2.50%～6.84%；在里程DK23+900中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為3.82%～6.23%；在里程DK24+300中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為3.08%～6.06%。

本文采用的地質雷達測試儀器為LTDsample-2000型地質雷達，發射天線為400 MHz，天線設備的尺寸為32 cm×32 cm×21 cm，探測深度范圍為0.1～3.0 m，厚度的監測誤差小于10%，可連續記錄8 192點，逐點測量，可提供偽彩圖和堆積波圖等。在采集數據完成后，首先對數據的格式進行轉化，將采集壞道和信號不良道，采取方向調整、中間道均衡以及合并、刪除等措施進行預處理，對于接觸不良導致的高度誤差，采取零點校正手段對反射波的起始零點進行校正。在測試的過程中，儀器設備受到周邊環境的影響，數據信號受到干擾，在揭示的過程中噪聲電磁波信號影響了有效信號的解譯，因此可以采取軟件內嵌的濾波功能進行數字濾波以消除噪聲，提高信噪比。在分析和處理電磁波數據時，常常遇到波形的垂直分辨率不足的問題，導致瀝青路面各層的反射截面不清晰，影響對有效信號或者波形同相軸的追蹤，因此，在實際處理數據的時候可以采用反褶積的數學處理方法提高電磁波的垂直分辨率，如圖3所示。

圖3 瀝青路面結構的地質雷達垂直分辨率提高

從圖3可以看出，經過分辨率提升之后，電磁波的初至時間清晰，反射波明顯，在具有壓縮不良，出現空隙或者脫空的地方，出現明顯的雙曲線波形，極大地提高了解譯的成功率，有利于讀取反射波的到達時間。

在同樣里程段的瀝青路面施工質量檢測中，采用地質雷達檢測的瀝青路面空隙率平均結果見表2。

表2 地質雷達儀器檢測空隙率平均值結果

從表2可以看出，在里程DK23+350中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為3.57%～4.32%；在里程DK23+650中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為2.15%～5.82%；在里程DK23+900中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為2.19%～4.46%；在里程DK24+300中，采用無核密度檢測儀檢測的瀝青路面結構空隙率誤差變化范圍為3.55%～4.55%。

對比表1和表2可以看出，對于同樣條件下的公路工程瀝青路面施工質量檢測，采用地質雷達法的檢測結果比采用無核密度儀器的檢測結果得到明顯提高。

4 結束語

瀝青路面是由瀝青材料黏結了集料形成的道路結構，在材料混合、攤鋪和碾壓的施工過程中，由于施工質量的控制要點和控制流程較多，導致瀝青結構路面出現壓實不足、結構脫空等，在運營過程中容易引發道路結構破損、開裂等病害，造成大量的維修和保養工作，嚴重硬性著道路的服役品質和車輛的行駛舒適度。本文結合具體的工程實例，分析了地質雷達的基本工作原理和瀝青路面施工質量檢測中的應用，對瀝青路面的厚度、密度與含水量以及結構層破損脫空等施工質量檢測指標進行了研究，并與無核密度儀器檢測結果進行了對比。研究結果表明，地質雷達法在公路工程瀝青路面施工質量檢測中的應用良好，采用地質雷達法的檢測空隙率誤差結果比采用無核密度儀器的檢測空隙率誤差結果得到明顯提高，具有明顯的經濟效益。