高速公路沥青路面离析的检测与评定--道路工程--工程技术--论文--路桥网

高速公路沥青路面离析的检测与评定

曹荣吉　张志祥

【江苏省交通科学研究院　南京210017】

　
摘　要　本文探索了采用目测法、铺砂法、核子密度仪法、取样法以及红外线摄像法等手段进行沥青路面离析的检测，在对江苏省高速公路沥青路面施工过程进行大量调查的基础上，提出了高速公路沥青路面离析的指标和评定的建议标准，可用于高速公路沥青路面施工的质量控制。
关键词　沥青路面　离析　检测　评定

1　前言

　　混合料离析问题几十年来一直受到道路承包商、工程管理者和研究人员的广泛关注。沥青路面离析就是路面某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀，比如沥青含量、集料组成、添加剂含量以及路面的空隙率等。
　　沥青混合料离析可大致分为两种类型：级配离析和温度离析。级配离析出现时，沥青路面上一些区域粗料集中，另一些区域细料集中，使得混合料变得不均匀，级配及沥青用量与设计不一致，导致路面呈现出较差的结构和纹理特性。一些区域细料集中、孔隙率小，可能会出现泛油、车辙；另一些区域粗料集中、孔隙率太大，可能会导致路面水损坏。温度离析是指沥青混合料在储存、运输及摊铺中受天气、施工机械影响，由于热量损失而出现温度差异的状况。混合料的温度离析，会导致路面压实度不均匀，温度较低的区域，路面的空隙率较大、纹理深度也较大，这些区域的路面易出现早期损坏。温度离析造成的后果与级配离析一样严重，都会导致沥青路面的早期损坏，大大缩短沥青路面的使用寿命。研究表明，严重离析的路面使用寿命可能会减少50％以上〔1〕。目前高速公路沥青路面的一些早期损坏，如松散、网裂、坑洞、局部严重辙槽、局部泛油、新铺沥青路面的构造深度不均等，都与沥青混合料的离析密切相关。
　　鉴于混合料离析对路面性能的影响较大，一些国家对沥青路面离析的研究非常重视，已经开展了防止离析的相关研究。1997年，美国沥青路面协会（NAPA）对沥青路面离析的原因进行了分析，并提出了一些减少路面离析措施。2000年，美国国家交通研究委员会（TRB）设立了研究项目“热拌沥青混合料路面的离析”（NCHRP441），重点探索沥青路面离析的检测方法。美国的佐治亚、华盛顿、康奈狄格、堪萨斯等州也进行了一些研究，一些州还将离析指标作为路面验收以及工程付款的依据之一。加拿大安大略省对沥青路面的离析也进行了一些研究，并于1999年将构造深度比作为离析的评定指标，并同路面的付款系数挂钩。
研究离析问题目的在于解决以下问题：如何检测沥青路面的离析？怎样确定离析程度的划分标准？离析对路用性能的影响？采用那些措施可以减少沥青路面离析？其中沥青路面离析的检测方法及评定标准是研究的难点。本文在借鉴国外研究经验的基础上，采用目前现有的检测手段，对江苏省在建高速公路路面离析状况进行了大量调查，通过研究分析，提出了沥青路面离析检测方法及相应的离析评定标准。

2　视觉观察法

　　视觉观察法即根据路面的表观状况和调查者的经验进行离析检测的方法。这是一种主观的判别方法，有一定的局限性，只适用于大粒径及较粗的沥青混合料，对于小粒径和细级配的沥青混合料并不适用。视觉观察法没有明确的离析程度评定标准，且不同的调查者之间有时会产生分歧。
　　采用视觉观察法对江苏省在建的高速公路进行了调查，发现路面离析现象普遍存在，只是程度不同而已。典型的离析类型有：
　　(1)卡车末端离析是最常见的离析形式，主要是由于摊铺机收斗引起的，在路面上形成规则的、间隔一致的翼状离析。离析处摊铺机中央区域细料多，比较密实；摊铺机两侧粗料集中，细集料、沥青含量少，空隙率较大，表面纹理很深。特别是采用一台摊铺机施工的中、下面层，卡车末端离析现象比较普遍。如上面层粒径小（AK13、SMA13）、且采用两台摊铺机施工，则卡车末段离析现象不明显。
　　(2)带状离析也是比较常见的一种形式，通常出现于摊铺机的中央，也有位于边缘或其它地方。上、中、下面层均有这种情况出现，一些标段一直存在带状离析。产生这种现象的主要原因是摊铺设备或摊铺机操作的问题，比如熨平板安装不当、螺旋布料器转速不够、摊铺机卡料等。这些现象可以通过设备的更新与维护、操作手的培训来消除。
　　(3)接缝离析在中上面层施工较为常见，由于采用两台摊铺机施工，路中央的纵向热接缝往往是最薄弱的环节。接缝处摊铺的混合料过多或过少，都会在接缝处产生离析现象，多了会形成桥的效应，影响接缝两侧的压实，少了接缝处压实不足。如果两台摊铺机的摊铺厚度不一致，则接缝处厚度小的一侧不容易压实。两台摊铺机后面的碾压温度差异过大也会造成接缝离析。此外接缝离析往往会同卡车末端离析或其它形式的离析形成组合效应。由于纵向接缝处位于行车道，轮载作用的次数多，因此应高速重视。
　　(4)随机性离析在施工也时有发生。因设备故障、摊铺机停机、拌合楼生产的混合料波动过大、碾压不及时等都可能造成随机性离析。低气温施工随意停机或保温措施不够往往会形成这种离析形态。

3　铺砂法

　　路面离析区域与非离析区域沥青路面表面纹理深度会有明显的变化，可以通过铺砂法测路面构造深度，评定路面离析的程度。但这种方法比较费时。
　　加拿大安大略省采用离析处路面的构造深度与非离析处路面构造深度的比值来评定离析的程度，并已列入其路面规范OPSS－313(详见表1)。
　　表1中采用非离析处路面的构造深度TD非离析处作为参照物，采用离析处的构造深度之比(TD离析处/TD非离析处)作为评价指标。但由于集料材质、混合料级配以及施工工艺均影响路面的构造深度，即使相同级配类型，不同标段间的构造深度也会有所不同，因此很难确定某种级配的标准构造深度值（TD非离析处）。因本文建议采用(TD离析处/TD平均)为离析的评定指标，其中TD平均为检测路段构造深度的平均值。
采用铺砂法对高速公路进行抽样调查，同时对调查路段取芯，分析芯样密度与构造深度的变化关系，在大量检测基础上确定的离析评定标准见表2。

4　钻芯法（取样法）

　　通过钻芯取样、分析芯样的材料组成及芯样密度，以评定离析的程度。取芯法费时费力，同时上面层施工一般不允许过多取芯，所以仅在发现路面明显离析，才采用此法进行调查。由于路面离析处级配、沥青用量、芯样密度都可能发生变化，因此三指标均可作为离析的评定指标，文献〔2〕提出的标准见表3。
表3的标准并非针对高速公路，与江苏省高速公路沥青路面施工控制标准（如级配变化<±5％，沥青用量变化<±0.2％，现场空隙率3％～7％）相比，要求偏低。结合高速公路的技术要求及施工水平现状，确定的钻芯法检测高速公路沥青路面离析的标准见表4。
　　另一种方法是在摊铺机后面取样，通过分析混合料级配、沥青用量变化来评定离析的程度。美国许多州规定，在施工控制中混合料的检测样品应在碾压之前，应从摊铺机后面取样。这样可使承包商关注混合料在拌合、运输、摊铺整个过程中的均匀性。连徐高速公路某标段采用这种方法进行了调查，分别在两台摊铺机的两翼取样，做抽提试验，分析级配、沥青用量的变化，其结果见表5。
　　表5的分析结果表明该标段AC20I的施工，两台摊铺机的混合料4.75～16mm差异较大，摊铺机2后面出现了的中等程度的级配离析。

5　核子密度仪法

　　核子密度仪可以检测路面的密度，根据检测路段路面密度的变化范围，确定该路段离析程度的等级。核子密度仪是路面无损检测的重要手段，采用核子密度仪检测具有快速、简便，且对路面无损坏的优点。但由于路面离析处粗料集中的地方，级配偏粗、沥青用量也偏少，该点的密度值未必会小，因此核子密度测定仪有可能检测不出这种离析。
　　美国一些州制定了核子密度仪检测离析的方法和标准，不同地区标准各异。佐治亚州采用如果密度差异超过0.163g/cm3，就认为路面离析。堪萨斯州采用在路面上测4条纵向密度线，如果密度差异大于0.08g/cm3或最小值比平均值小0.04g/cm3就认为路面离析。爱荷华州采用如果离析处的密度与非离析处的密度之比值在98％～95.1％，就认为是明显离析，如果低于95％就认为是严重离析。
　　本文在对施工资料统计分析的基础上，建议采用的评定指标为检测路段路面的平均密度m平均与离析处密度mi之差的绝对值，建议的评定标准与表4中密度差的标准一致(详见表6)。
采用核子密度仪对宁靖盐高速公路某标的上面层Ak13路面进行检测，绘制检测路段的密度分布图如图1。图中路面中央的纵向接缝处有3处路面的密度偏低。调查表明两台摊铺机接缝处的路面压实度要比两侧路面的压实度低，依据表6的评定标准，图1属于轻度离析。

6　红外线摄像法

　　红外摄像仪可绘制整个区域的热量分布图，并可以利用软件分析热量分布图，评价温度离析状况。红外摄像仪只能探测到表面及表层的温度分布情况，红外摄像仪对完工后路面的评价精确度不够高，不同红外摄像仪经过标定后测定结果才可用于分析比较。
　　本文采用红外摄影仪对高速公路沥青路面的温度离析状况进行了调查，调查表明上面层改性沥青混合料在低气温施工存在明显的温度离析。其主要原因是目前高速公路施工中混合料的运输一般采用非专业车辆，保温措施不够，混合料在运输过程中便产生明显的温度离析；并且施工中不使用物料转运车（MTV），混合料在摊铺之前没有二次拌和的过程。施工中温度离析的调查数据表明，现有的施工水平较难满足表7的要求。建议的温度离析评定标准见表8。
　　温度离析主要在卡车卸完料、摊铺机收斗时出现，上一车的剩料与下一车表面的冷料混合在一起摊铺，由于这部分冷料粘度大，集聚在摊铺机螺旋布料器中央，摊铺后便在摊铺机中央形成明显的温度离析带，如图2所示。
　　温度离析的另一种形式为两幅摊铺机衔接不好或碾压不及时，先摊铺的混合料没有及时碾压而在接缝两侧形成温度差异，图3所示的两台摊铺机后面的温度差异超过了30℃，属于严重的温度离析。
温度离析在料车上就已经产生，图4为卡车刚开始卸料时，料车上部混合料的温度状况，表面的温度有些已低于90℃，属于严重离析。

7　结论

　　离析的检测与评定在国际上尚处于研究阶段，本文在借鉴国外研究成果的基础上，采用视觉调查法、铺砂法、取样法、核子密度仪法及红外线摄像法，对高速公路沥青路面施工中的离析状况进行了大量的调查，通过分析研究，提出了建议标准，见表9。
　　铺砂法、核子密度仪法可与视觉观察法相结合应用于路面离析的无破损检查与评定，当存在争议时可用取芯法做最终的判定。
　　红外线摄像法在低气温施工时，可用于温度离析的检测，以督促施工单位改进设备与工艺。
　　应当指出，本文提出的沥青路面离析评定标准，尚需在工程实践中得到进一步的验证。

参考文献

[1]ASTECTechnicalPaperT－134,TemperatureSegregation/TemperatureDifferentialDamage.
[2]NAPA,SegregationCausesandCuresforHotMixAsphalt,1997
[3]NCHRPReport441，SegregationinHot－MixAsphaltPavements，2000
[4]IowaDepartmentofTransport,MethodsofTestEvaluationSegregationinHot－MixAsphaltPavementUsingaNuclearDensityGauge.