張 苛 羅要飛 李文龍
(阜陽(yáng)師范學(xué)院信息工程學(xué)院1) 阜陽(yáng) 236041) (長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 西安 710064)
瀝青混合料由瀝青、集料和空隙等部分組成,理論上來(lái)講,形成瀝青路面的瀝青混合料中的各組成部分應(yīng)均勻分布.為實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的服務(wù)水平和長(zhǎng)久的使用壽命,瀝青路面內(nèi)部各組成材料應(yīng)該分布均勻.但是,由于施工過(guò)程的復(fù)雜性和眾多的不可預(yù)見(jiàn)因素,絕對(duì)的均勻是很難實(shí)現(xiàn)的,也就是說(shuō)瀝青路面的非均勻現(xiàn)象是不可避免的.非均勻現(xiàn)象是瀝青路面施工均勻性不佳,是由于路面材料組成、設(shè)計(jì)及施工等因素變異引起的質(zhì)量波動(dòng),并在路面上表現(xiàn)出來(lái)的質(zhì)量不均勻和不穩(wěn)定現(xiàn)象.非均勻的部位在行車(chē)荷載和自然因素的作用下,首先出現(xiàn)局部損害,并進(jìn)而發(fā)展成較大面積的損壞,如由于局部離析引起的松散與坑槽,局部路段級(jí)配不良或壓實(shí)不足引起的車(chē)轍等.因此,應(yīng)對(duì)瀝青路面的施工均勻性加以重視,實(shí)際工程中瀝青路面的非均勻現(xiàn)象必須處于可控范圍內(nèi),以保證瀝青路面良好的使用性能.
目前,瀝青路面的非均勻性已引起充分的重視,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)瀝青路面的非均勻現(xiàn)象展開(kāi)了廣泛的研究.當(dāng)前關(guān)于非均勻性的研究主要集中在混合料的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)階段,且大多采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M的方法研究離析對(duì)瀝青混合料性能的影響、改善混合料的抗離析性能及評(píng)價(jià)混合料在施工過(guò)程中的離析現(xiàn)象,還有一部分研究采用圖像處理技術(shù)研究瀝青混合料試件內(nèi)部集料和空隙的分布情況,涉及攤鋪碾壓完成后瀝青路面施工均勻性檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面的研究并不多.本文分別從瀝青混合料非均勻性的成因、非均勻性對(duì)瀝青混合料性能的影響、瀝青混合料非均勻性的評(píng)價(jià)及控制、瀝青路面非均勻性的檢測(cè)與評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行闡述,探討目前瀝青路面施工均勻性檢測(cè)存在的問(wèn)題和不足之處,最后針對(duì)瀝青路面的宏細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出瀝青路面施工均勻性精細(xì)化檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面未來(lái)進(jìn)一步研究的方向.研究成果可為瀝青路面非均勻性的預(yù)防和檢測(cè)提供一定的參考依據(jù).
為弄清瀝青混合料離析的成因及形成過(guò)程,陳靜云等[1]基于堆料試驗(yàn)研究了級(jí)配、瀝青用量及溫度對(duì)混合料離析的影響,發(fā)現(xiàn)級(jí)配和瀝青用量的影響程度大于溫度.馮忠緒等[2]從施工碾壓的角度分析了瀝青混合料的不均勻現(xiàn)象,并提出碾壓離析的概念.秦雯等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M集料從倉(cāng)體流出的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)由于細(xì)料向下滲透導(dǎo)致瀝青混合料在貯料倉(cāng)卸料時(shí)產(chǎn)生離析現(xiàn)象.彭余華等[4]從瀝青混合料的設(shè)計(jì)和施工方面分析了影響瀝青路面施工均勻性的因素.Wu等[5]建立了瀝青混合料離析程度與現(xiàn)場(chǎng)空隙率、瀝青含量、各篩孔通過(guò)率、路面密度間的關(guān)系模型,并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.Mahoney等[6]研究發(fā)現(xiàn)施工溫度較低區(qū)域的瀝青路面中瀝青含量和級(jí)配未發(fā)生明顯離析,但空隙率較周?chē)穆访嬉?Oginskas[7]根據(jù)不同篩孔集料通過(guò)率的變化情況發(fā)現(xiàn),采用不同來(lái)源的再生料制備的瀝青混合料試件的均勻性無(wú)顯著差異.
以上研究表明,瀝青混合料在施工過(guò)程中集料顆粒、混合料溫度和壓實(shí)功分布不均勻是造成瀝青路面非均勻現(xiàn)象的主要原因.集料顆粒的不均勻分布導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)級(jí)配離析,主要是施工過(guò)程中由于施工機(jī)械及人為因素引起混合料中粗細(xì)集料的分離,瀝青路面局部區(qū)域表現(xiàn)出粗集料或者細(xì)集料集中的現(xiàn)象.公稱(chēng)最大粒徑較大的瀝青混合料通常在施工過(guò)程中表現(xiàn)出較嚴(yán)重的集料離析現(xiàn)象.而攤鋪、碾壓等施工過(guò)程中瀝青混合料的溫度不均勻或弱壓實(shí)造成瀝青路面的空隙率偏大或偏小,導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)壓實(shí)離析,此時(shí)瀝青路面內(nèi)部的集料分布均勻性未出現(xiàn)明顯的變異情況.
在瀝青路面非均勻性現(xiàn)象中最常見(jiàn)的是級(jí)配離析和溫度離析,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)級(jí)配離析和溫度離析對(duì)瀝青混合料性能的影響開(kāi)展了大量研究.姜旺恒等[8]采用模擬動(dòng)水壓力試驗(yàn)研究了級(jí)配離析對(duì)瀝青混合料抗水損壞能力的影響,并提出了混合料生產(chǎn)及攤鋪階段的級(jí)配控制要求.李立寒等[9]研究發(fā)現(xiàn)粗集料離析瀝青混合料的水穩(wěn)定性不利,細(xì)集料離析顯著降低抗車(chē)轍及抗滑性能.張苛等[10]在室內(nèi)設(shè)計(jì)了不同離析程度的混合料,分析了級(jí)配離析程度對(duì)混合料路用性能的影響,發(fā)現(xiàn)中度和重度離析導(dǎo)致混合料的水穩(wěn)定性顯著下降.Azari等[11]研究了徑向非均勻性對(duì)瀝青混合料性能的影響,發(fā)現(xiàn)非均勻?yàn)r青混合料的剪切模量增大,抗車(chē)轍和抗疲勞性能大幅下降.另外,彭勇等[12-13]分別研究了瀝青混合料的均勻性對(duì)力學(xué)性能和疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)均勻性良好的混合料其力學(xué)性能變異較小,混合料發(fā)生離析后的疲勞壽命降低.鄭曉光等[14]研究了溫度離析對(duì)路面性能的影響,發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重溫度離析的路面易出現(xiàn)疲勞破壞和水損壞.
相關(guān)研究表明非均勻性對(duì)瀝青混合料的力學(xué)性能具有顯著影響,瀝青混合料發(fā)生離析后各項(xiàng)路用性能均出現(xiàn)一定程度的下降,非均勻性是導(dǎo)致瀝青路面使用性能下降的主要原因之一.因此,在施工過(guò)程中為保證瀝青路面的使用性能,需要控制瀝青混合料非均勻現(xiàn)象的發(fā)生.但是,目前通過(guò)控制關(guān)鍵篩孔集料的通過(guò)率或者試件的成型溫度、壓實(shí)作用次數(shù)等來(lái)模擬非均勻混合料具有一定的局限性,這種方法模擬的非均勻混合料同瀝青路面上的離析混合料存在一定的差異.因此,需要針對(duì)非均勻?yàn)r青混合料的室內(nèi)模擬或數(shù)值模擬開(kāi)展進(jìn)一步研究,使得模擬離析混合料同實(shí)際路面的非均勻現(xiàn)象盡可能一致.
針對(duì)瀝青混合料離析程度的評(píng)價(jià)方面,劉紅瑛等[15]開(kāi)發(fā)了一種集料離析測(cè)量?jī)x,利用前后料倉(cāng)集料通過(guò)率之差可有效評(píng)價(jià)混合料的級(jí)配離析情況.唐嫻等[16]開(kāi)發(fā)了瀝青混合料離析測(cè)定儀,提出采用離析勢(shì)能指數(shù)作為評(píng)價(jià)瀝青混合料離析程度的指標(biāo),并建立了瀝青混合料的離析標(biāo)準(zhǔn).包秀寧等[17]針對(duì)顆粒材料建立粒徑連續(xù)分布模型,提出以粒徑分散系數(shù)差為指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料的離析情況.楊博等[18]研究了離析級(jí)配曲線(xiàn)與設(shè)計(jì)級(jí)配曲線(xiàn)間的包絡(luò)面積和混合料性能偏差的相關(guān)性,提出采用級(jí)配曲線(xiàn)的包絡(luò)面積定量評(píng)價(jià)瀝青混合料的離析.麻旭榮等[19]分析瀝青混合料級(jí)配組成同體積參數(shù)之間的關(guān)系,提出以級(jí)配偏差值、空隙率、瀝青用量及最大理論密度的差值作為混合料離析程度的評(píng)價(jià)指標(biāo).
以上研究主要以瀝青混合料這種散體材料作為研究對(duì)象,分析瀝青混合料的施工過(guò)程中的集料離析行為,從顆粒的物質(zhì)特性著手,提出反映瀝青混合料集料顆粒動(dòng)態(tài)行為規(guī)律的離析評(píng)價(jià)指標(biāo).相關(guān)研究成果有助于提高瀝青混合料的設(shè)計(jì)質(zhì)量,改善瀝青混合料的抗離析性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)瀝青路面非均勻性的主動(dòng)控制.但瀝青路面作為一種產(chǎn)品,其最終的施工均勻性如何,還需要以瀝青路面作為研究對(duì)象,采用一定的技術(shù)手段對(duì)其施工均勻性進(jìn)行檢測(cè).
針對(duì)瀝青混合料離析程度的控制方面,文獻(xiàn)[4]從集料選擇、施工工藝、攤鋪機(jī)參數(shù)設(shè)置及攤鋪方式方面提出了粗粒式瀝青混合料離析的控制措施.光同文等[20]分別研究了瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)改善級(jí)配離析和溫度離析的效果,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)的應(yīng)用可有效減輕混合料的級(jí)配離析和溫度離析現(xiàn)象.王正韶[21]分析了SMA瀝青混合料在生產(chǎn)、施工過(guò)程中產(chǎn)生離析的原因,發(fā)現(xiàn)合理的生產(chǎn)及施工工藝可有效減輕離析現(xiàn)象.謝立揚(yáng)等[22]研究發(fā)現(xiàn)合理的攪拌缸幾何參數(shù)、沿?cái)嚢栎S縱向布置礦粉和瀝青、根據(jù)冷骨料級(jí)配調(diào)整熱料倉(cāng)比例和振動(dòng)篩孔尺寸等有效控制拌混合料的離析.鄭曉光等[23]建立了混合料溫度變化同密度、空隙率等參數(shù)變化的關(guān)系,建議在施工過(guò)程中將混合料的溫度變化范圍控制在20℃以?xún)?nèi).Liu等[24]研究了減輕瀝青路面壓實(shí)離析的方式,發(fā)現(xiàn)通過(guò)一些技術(shù)措施如改善攤鋪機(jī)和壓路機(jī)的操作特性,可以控制壓實(shí)離析的產(chǎn)生.
瀝青混合料離析的控制,可以從瀝青混合料的設(shè)計(jì)及施工過(guò)程等方面著手加強(qiáng)控制,尤其是瀝青混合料的運(yùn)輸、攤鋪、碾壓等施工工藝對(duì)瀝青路面非均勻性現(xiàn)象的影響最為顯著.瀝青混合料轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)、紅外熱像儀等設(shè)備的應(yīng)用可在一定程度上改善瀝青混合料的離析現(xiàn)象.施工時(shí)防止瀝青混合料料溫的散失,合理安排攤鋪工藝、及時(shí)充分壓實(shí),也是保證瀝青路面施工均勻的前提條件.同時(shí),在施工過(guò)程中還應(yīng)對(duì)瀝青混合料的配合比、施工工藝等及時(shí)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)瀝青混合料施工的動(dòng)態(tài)控制.
在瀝青路面非均勻性的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面,傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要有目測(cè)法和實(shí)測(cè)法.目測(cè)法簡(jiǎn)單快速,但評(píng)價(jià)結(jié)果因人而異,無(wú)法得到定量的結(jié)論,而實(shí)測(cè)法主要通過(guò)儀器設(shè)備測(cè)量瀝青路面的密度及構(gòu)造深度等指標(biāo)的變化,實(shí)測(cè)法的結(jié)果相對(duì)可靠,目前關(guān)于瀝青路面非均勻性的研究大多集中在實(shí)測(cè)法方面.張爭(zhēng)奇等[25]分析了無(wú)核密度儀PQI檢測(cè)瀝青路面的可行性,并通過(guò)采用PQI檢測(cè)瀝青路面的密度定量地評(píng)價(jià)路面的離析程度.包秀寧等[26]驗(yàn)證了采用構(gòu)造深度作為判別瀝青路面離析指標(biāo)的可行性,建立了不同離析程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).王端宜等[27]采用圖像處理技術(shù)測(cè)量瀝青路面的構(gòu)造深度,發(fā)現(xiàn)基于圖像處理的構(gòu)造深度測(cè)試方法操作方便、檢測(cè)精度高.宋永朝等[28]對(duì)采集的瀝青路面圖像進(jìn)行處理,通過(guò)計(jì)算路表下凹面積分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)評(píng)價(jià)瀝青路面紋理構(gòu)造分布的均勻性.Stroup等[29]采用紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)瀝青路面的溫度離析,并定義混合料的最大溫度變化范圍小于10 ℃、介于10 ℃~16 ℃、16 ℃~21 ℃和大于21 ℃為無(wú)離析、輕度離析、中度離析、重度離析.
以上研究多采用密度、空隙率、構(gòu)造深度等宏觀(guān)指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青路面的施工均勻性,也是目前瀝青路面檢測(cè)時(shí)常用的指標(biāo).大多情況下,這些指標(biāo)是一定體積或一定平面區(qū)域內(nèi)的平均值,僅能從總體上或者某些方面如路面表面反映瀝青路面的施工質(zhì)量均勻性,無(wú)法反應(yīng)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的體積組成特性和材料分布是否均勻.同時(shí),密度、構(gòu)造深度等指標(biāo)與瀝青路面的路用性能尤其是力學(xué)性能指標(biāo)間缺乏明確的相關(guān)規(guī)律.目前,宏觀(guān)指標(biāo)與瀝青路面施工均勻性的關(guān)系有待進(jìn)一步研究,僅依靠PQI無(wú)核密度儀、激光紋理儀、紅外熱像儀等檢測(cè)設(shè)備無(wú)法全面量化地反映瀝青路面的施工質(zhì)量均勻性.
國(guó)內(nèi)外也有不少學(xué)者嘗試基于數(shù)字圖像處理技術(shù),采用集料或者空隙的分布情況從細(xì)觀(guān)尺度方面評(píng)價(jià)瀝青混合料的均勻性.吳文亮等[30]將集料顆粒面積比的變異系數(shù)(均勻性指標(biāo))與集料的分計(jì)篩余百分率進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析,發(fā)現(xiàn)均勻性指標(biāo)可定量評(píng)價(jià)瀝青混合料的離析程度.彭勇等[31]從集料的分布數(shù)量和分布位置角度出發(fā),提出面積比系數(shù)k和均勻性指標(biāo)D等評(píng)價(jià)瀝青混合料離析程度的指標(biāo).李智等[32]基于CT掃描技術(shù),采用粗集料不均勻系數(shù)、試件顆粒豎向變異系數(shù)等指標(biāo)評(píng)價(jià)了路面結(jié)構(gòu)集料顆粒的豎向離析情況.Bessa等[33]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了瀝青混合料中集料的接觸點(diǎn)位、顆粒方向及離析情況.Bruno等[34]綜合利用多種數(shù)字圖像分割技術(shù)獲得了瀝青混合料切片集料的級(jí)配信息,并建議采用此方法評(píng)價(jià)混合料的礦料級(jí)配情況.Wu等[35]采用數(shù)字圖像技術(shù)分析瀝青混合料試件切片上集料的分布情況,提出以集料面積比的變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)瀝青混合料均勻性的指標(biāo).
但目前在進(jìn)行圖像處理時(shí),通常將粒徑大于2.36 mm甚至更粗的集料分割開(kāi)來(lái),忽視細(xì)集料顆粒對(duì)集料分布均勻性的影響,圖像分割的效率不高,且粗集料顆粒的粘連現(xiàn)象也未得到有效解決,數(shù)字圖像處理時(shí)各組分識(shí)別分離的精度還需要開(kāi)展進(jìn)一步研究.而以路面芯樣為研究對(duì)象,通過(guò)研究路面芯樣內(nèi)部材料的分布狀態(tài)表征瀝青路面的施工均勻性也具有一定的片面性.在路面上鉆取芯樣選取點(diǎn)位時(shí)通常采用隨機(jī)的方式,這種以點(diǎn)帶面的隨機(jī)取樣方式使得檢測(cè)結(jié)果不能全面反映一定區(qū)域內(nèi)瀝青路面的施工均勻性.
在瀝青混合料內(nèi)部的空隙特征方面,譚憶秋等[36]采用工業(yè)CT設(shè)備實(shí)現(xiàn)瀝青混合料空隙率計(jì)算的數(shù)字化,并推薦了最優(yōu)的CT掃描參數(shù).吳文亮等[37]研究了瀝青混合料試件、路面取芯試件中的面空隙沿深度方向的分布情況,發(fā)現(xiàn)各類(lèi)試件的面空隙沿深度方向的變化情況是不一致的.裴建中等[38]研究了多孔瀝青混合料的空隙豎向分布特,獲取混合料內(nèi)部空隙特征參數(shù)以及空隙豎向分布級(jí)配評(píng)價(jià)多孔排水瀝青混合料的空隙空間信息.蔣瑋等[39]研究了多孔瀝青混合料細(xì)觀(guān)空隙特征,提出了用于表征多孔瀝青混合料的細(xì)觀(guān)空隙特征參數(shù):空隙等效直徑、空隙面積、空隙數(shù)量、計(jì)盒維數(shù),發(fā)現(xiàn)計(jì)盒維數(shù)越大混合料內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜.Wang等[40]研究了水泥乳化瀝青混合料內(nèi)部空隙數(shù)量、空隙尺寸和空隙率等指標(biāo)的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)試件兩端部位的空隙數(shù)量多、尺寸大,中間部位相反.
以上研究多針對(duì)試件或芯樣內(nèi)部的空隙分布特性進(jìn)行評(píng)價(jià),證實(shí)了瀝青混合料的種類(lèi)不同、成型方式不同,內(nèi)部的空隙分布特征存在明顯的差異,為認(rèn)識(shí)混合料內(nèi)部的空隙等細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ).但相關(guān)研究?jī)H僅是對(duì)混合料內(nèi)部的空隙進(jìn)行單純地描述,且主要以斷層圖像的面空隙作為研究對(duì)象,主要涉及混合料內(nèi)部的空隙數(shù)量、空隙直徑、空隙沿試件高度的分布特點(diǎn)等方面,評(píng)價(jià)指標(biāo)多作為表征混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的參數(shù).瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布常規(guī)規(guī)律如何,在何種情況下瀝青混合料的空隙分布是均勻的尚缺乏有效的研究.此外,對(duì)于空隙分布不均勻的試件或者芯樣,其非均勻的程度也沒(méi)有明確的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn).因此還需要對(duì)瀝青混合料內(nèi)部空隙的分布均勻性進(jìn)行深入的評(píng)價(jià).
目前,瀝青路面的非均勻性已引起充分的重視,但相關(guān)研究大多采用室內(nèi)模擬的方法研究非均勻性對(duì)瀝青混合料性能的影響、改善混合料的抗離析性能及評(píng)價(jià)混合料在施工過(guò)程中的離析現(xiàn)象,涉及瀝青路面施工均勻性檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面的研究并不多.瀝青混合料是由集料、瀝青和空隙形成的多層次立體復(fù)合材料,未來(lái)可以從宏觀(guān)和細(xì)觀(guān)角度出發(fā),根據(jù)瀝青路面表面和內(nèi)部的材料組成及空間分布特點(diǎn),建立基于多重尺度的瀝青路面施工均勻性精細(xì)化檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系.具體可以從以下幾方面開(kāi)展深入的研究:
1) 實(shí)現(xiàn)非均勻?yàn)r青混合料的有效模擬 目前,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通常控制某一檔或幾檔篩孔的通過(guò)率以及不同的壓實(shí)溫度來(lái)模擬非均勻?yàn)r青混合料,這同實(shí)際瀝青路面非均勻現(xiàn)象存在一定的差異.如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)非均勻?yàn)r青混合料的有效模擬還需開(kāi)展進(jìn)一步研究.可嘗試借助離散單元法等軟件對(duì)瀝青混合料的非均勻程度進(jìn)行定量地模擬.
2) 瀝青混合料內(nèi)部集料顆粒的有效分離技術(shù) 目前,在進(jìn)行CT圖像處理時(shí),往往僅能將粒徑大于2.36 mm甚至更粗的集料分割開(kāi)來(lái),圖像分割的效率不高,且集料顆粒的粘連現(xiàn)象也未得到有效解決.同時(shí),在圖像處理過(guò)程中,常常會(huì)造成集料顆粒的膨脹或收縮,進(jìn)而影響最終集料分布均勻性的評(píng)價(jià)結(jié)果.CT圖像中,數(shù)字圖像處理技術(shù)組分識(shí)別分離的精度有待進(jìn)一步提高.
3) 建立基于多重尺度的瀝青路面施工均勻精細(xì)化檢測(cè)體系 路表紋理的構(gòu)造、集料和空隙的分布情況評(píng)價(jià)瀝青路面的施工均勻性,但現(xiàn)有的研究通常從路表或路面內(nèi)部采用集料或空隙等某一方面評(píng)價(jià)瀝青路面的施工均勻性,而采用單一或單方面的指標(biāo)無(wú)法全面有效地評(píng)價(jià)瀝青路面的施工均勻性.瀝青路面的表面和內(nèi)部材料的分布均勻性均會(huì)影響最終瀝青路面的施工質(zhì)量,需要從宏觀(guān)和細(xì)觀(guān)尺度著手,建立基于多重尺度的瀝青路面施工均勻精細(xì)化檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系.