市政道路瀝青混凝土路面施工過程中超聲波技術(shù)的應(yīng)用

0 引言

瀝青混凝土是建設(shè)高等級(jí)公路路面常用的結(jié)構(gòu)層，具有表面平整沒有接縫，行車舒適性好，路面耐磨性能好等特點(diǎn)，因而關(guān)于瀝青混凝土道路施工與質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)是當(dāng)今市政道路工程施工中比較重要的技術(shù)。市政道路工程的施工環(huán)境往往十分復(fù)雜，施工路線障礙多，如地下管網(wǎng)設(shè)施和地上的架空線桿等，這些障礙的處理難度高、費(fèi)事費(fèi)力。市政道路工程施工涉及沿線居民、商戶，也涉及街道、綠化、通信、供電等眾多單位，施工前需保證已經(jīng)與各單位做好溝通，前期勘察、工程設(shè)計(jì)以及施工方案制定充分。施工過程中混料拌制、攤鋪以及碾壓等環(huán)節(jié)施工符合規(guī)范，才能保證市政道路工程施工的快速、有序推進(jìn)，瀝青混凝土路面的強(qiáng)度高、防滑、透水等優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。本文基于超聲波技術(shù)的基本原理和衰減特性，探究了超聲波技術(shù)在瀝青路面施工與質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 瀝青混凝土路面施工中常見問題與質(zhì)量檢測(cè)方法

1.1 瀝青混凝土路面施工常見問題

1.1.1 路面滑坡

很多情況下市政道路的施工都是建立在現(xiàn)有路基的基礎(chǔ)上，為保障居民日常出行需求，需要半幅正常通車、半幅圍擋起來施工，無法做到完全封路施工。加上地上設(shè)施以及復(fù)雜的地層環(huán)境，使得路基不穩(wěn)定情況十分常見。在施工過程中，若新舊瀝青混凝土路基之間沒有做到有效銜接，或者軟弱土路基問題沒有處理好，都會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土路基失穩(wěn)，影響市政道路工程的施工質(zhì)量。例如，在市政道路瀝青混凝土路基的改建、擴(kuò)建工程中，施工單位攤鋪技術(shù)施工質(zhì)量差或者直接在舊路基礎(chǔ)上鋪設(shè)新的瀝青混凝土，導(dǎo)致新路和舊路之間承重不均勻，出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)問題，很容易引發(fā)路面滑移、滑坡現(xiàn)象。

1.1.2 道路不均勻沉降

在實(shí)際的施工環(huán)境中，施工工藝、施工材料質(zhì)量以及現(xiàn)場(chǎng)管理水平等因素都會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土道路路基、路面出現(xiàn)不均勻的情況，施工過程中或是在道路投入使用后，出現(xiàn)道路不均勻沉降的嚴(yán)重問題，降低人們的高速、安全、舒適的通行體驗(yàn)。造成這種狀況的原因，首先是瀝青混凝土級(jí)配、材料配比不夠合理，致使最終建成的道路強(qiáng)度達(dá)不到相關(guān)通行要求。其次是瀝青混凝土施工水平不足，如攤鋪不均勻、碾壓不到位等。另外，施工過程中的養(yǎng)護(hù)不到位，也會(huì)促使道路在實(shí)際的投入使用中出現(xiàn)開裂、不均勻沉降等問題[1]。

1.2 瀝青混凝土路面施工質(zhì)量檢測(cè)方法

瀝青混凝土大量用于高等級(jí)公路的面層，其質(zhì)量的檢測(cè)與管理也相當(dāng)重要。以往經(jīng)常采用鉆芯取樣的方法檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和厚度等指標(biāo)，這種方法會(huì)對(duì)路面造成破壞，檢測(cè)成本高、效率低。隨著無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，瀝青混凝土路面施工過程中質(zhì)量的檢測(cè)與控制更加方便高效。常用的無損檢測(cè)方法如無核密度儀法、CT射線法、探地雷達(dá)法以及超聲波檢測(cè)法。超聲波檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在材料結(jié)構(gòu)中聲學(xué)參數(shù)的變化，來檢測(cè)材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和性質(zhì)。當(dāng)高頻彈性波在材料中遇到裂縫、雜質(zhì)等缺陷時(shí)其特性就會(huì)發(fā)生改變。該技術(shù)使用范圍廣、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)設(shè)備輕便以及可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，使其能夠較好實(shí)現(xiàn)對(duì)路面施工質(zhì)量的全面把控[2-3]。

超聲波的基本測(cè)量參數(shù)有聲速、振幅、頻率和波形。超聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在介質(zhì)交界面產(chǎn)生折射和反射作用。隨著傳播距離的增加，會(huì)出現(xiàn)能量衰減現(xiàn)象。衰減值的計(jì)算公式為：

其中，a為系數(shù)，A0為聲源振幅，A是介質(zhì)中某點(diǎn)的振幅。瀝青路面中粗、細(xì)骨料占據(jù)了大多數(shù)的體積分?jǐn)?shù)，不考慮水分情況下，將路面內(nèi)部空隙看成彈性固體內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)，那么瀝青混凝土內(nèi)部空隙對(duì)超聲波的耗散作用滿足以下公式：

式中Bn為耗散函數(shù)，C為廣義力函數(shù)，K為黏滯波的復(fù)波數(shù)，k為波數(shù)，λ、μ為拉梅系數(shù)，R為散射顆粒的半徑。

2 道路施工過程中超聲波檢測(cè)儀影響因素試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案與試件制備

2.1.1 試驗(yàn)方案

市政道路瀝青混凝土路面施工過程中，路面的密度隨著壓實(shí)遍數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，但超聲波速度沒有隨著路面密度的增長(zhǎng)而線性增加，甚至?xí)兴陆?。說明在瀝青混凝土路面施工過程中超聲波檢測(cè)受到多因素影響，為提升該技術(shù)的檢測(cè)精度以及促進(jìn)其在路面施工中的廣泛應(yīng)用，分析芯樣密度、含水率、級(jí)配比因素對(duì)超聲波檢測(cè)儀的影響。采用混凝土超聲波檢測(cè)儀、瀝青混合料拌合機(jī)、干燥箱等儀器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)材料粗集料采用玄武巖碎石，細(xì)集料采用玄武巖石屑，填料選擇礦粉和普通硅酸鹽水泥，瀝青使用SBS改性瀝青（PG70-28）。

2.1.2 試件制備流程

該實(shí)驗(yàn)所需超聲波檢測(cè)試件為Φ101.6×63.5mm的圓柱試件，每個(gè)試件制備所需瀝青混凝土質(zhì)量為4500g，制備流程如下：首先將各種集料烘干稱量好之后預(yù)熱，拌合機(jī)、試模、套筒等也需要預(yù)熱，將瀝青放入恒溫箱加熱。然后將預(yù)熱好的粗集料放入拌鍋中干拌，再放入瀝青、礦粉拌合，于烘箱保溫待用。將混合料裝入試模，將混合料的表面整平為凸圓弧，同時(shí)要插入溫度計(jì)檢測(cè)混合料的溫度，由擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)，最后室溫養(yǎng)護(hù)12個(gè)小時(shí)，拆下試模框架既得所需試件。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 芯樣密度的影響

分別制作了3種不同密度的車轍試件以探究芯樣密度對(duì)超聲波速度的影響，低密度（L）、中密度（M）以及高密度（H）試件各2個(gè)，在試件中心軸和探頭的圓點(diǎn)處做標(biāo)記，并在試件表面和探頭傳感器均勻涂抹耦合劑，然后采用Pundit Lab測(cè)量每個(gè)試件中超聲波穿透的速度值。各試件測(cè)量所得超聲波速度值如表1所示。

表1 各試件的超聲波速度值

由表1可知，瀝青混凝土路面密度值增大，超聲波速度也隨之增大。瀝青混合料密度平均值每增加120kg/m3，所測(cè)得超聲波速度平均值增加381m/s左右，瀝青路面密度值與超聲波速度之間的相關(guān)性較強(qiáng)。在市政道路的施工過程中，超聲波速度的高低可用于評(píng)估道路的施工質(zhì)量好壞。超聲波速度值不是單一受該因素的影響，也要綜合考量別的因素。當(dāng)瀝青混凝土路面壓實(shí)度為92%-95%時(shí)，超聲波在穿透混凝土前后的速度值下降幅度大，當(dāng)壓實(shí)度為95%-97%時(shí)，超聲波速度值衰減幅度較小。這是由于當(dāng)瀝青混凝土路面的壓實(shí)度低于95%時(shí)，路面的內(nèi)部空隙較多，相比于瀝青混凝土介質(zhì)，超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播聲能會(huì)被急劇削減，導(dǎo)致超聲波速度降低、能量下降；當(dāng)瀝青混凝土路面的壓實(shí)度在95%以上時(shí)，表明道路的施工質(zhì)量較高，內(nèi)部空隙少，空氣介質(zhì)對(duì)超聲波的削減作用降低，因此瀝青混凝土路面壓實(shí)度較高時(shí)，檢測(cè)到的超聲波速度也相應(yīng)提高[4]。

2.2.2 含水量的影響

在市政工程瀝青混凝土路面壓實(shí)施工過程中，振動(dòng)壓路機(jī)上的噴水裝置向鋼輪上均勻地噴水，若施工過程中噴灑的水量較大，會(huì)有部分水份慢慢滲入到瀝青混凝土面層，填補(bǔ)到路面中的空隙處。由于超聲波在水中的傳播速度為1400m/s，在空氣中的傳播速度一般為340m/s，差距較大。因此，超聲波速度變化也可作為瀝青混凝土路面施工時(shí)含水量的考量因素。使用噴霧器向?yàn)r青混合料試件上逐漸噴灑霧狀水，每次噴水量盡量在3～5mL之內(nèi)，模擬現(xiàn)實(shí)市政工程施工過程中，壓路機(jī)現(xiàn)場(chǎng)施工壓實(shí)的狀況。每次噴水后測(cè)量10次，以平均值作為最終的試件超聲波聲速。路面含水量對(duì)超聲波聲速的影響如表2所示。

表2 路面含水量試驗(yàn)結(jié)果

可見，隨著瀝青混凝土路面含水量的逐漸增加，超聲波速度也會(huì)逐漸增大。當(dāng)表面含水量大約在5%-17%時(shí)，超聲波速度增長(zhǎng)較快，增長(zhǎng)幅度接近100m/s。當(dāng)含水量繼續(xù)加大時(shí)，由于瀝青層面中的空隙已經(jīng)被水分充分填充，相當(dāng)于水分的填充量達(dá)到極值，超聲波聲速也就很難再有顯著的增幅了。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了試件的密度不同，受表面含水量的影響也不同，相比于H1和H2，密度偏低的L1、L2、M1、M2受表面含水量的影響更大。這是由于壓實(shí)密度大的瀝青混凝土路面中空隙相對(duì)較少，對(duì)超聲波速度的衰減作用也較小[5]。

2.2.3 級(jí)配比影響

分別制作了3個(gè)ATB-25試件和3個(gè)AC-25試件。ATB-25礦質(zhì)混合料配合比為：20～30mm（粗集料）∶10～20mm（粗集料）∶5～10mm（粗集料）∶0～5mm（粗集料）∶礦粉=37∶22∶16∶20∶5。AC-25礦質(zhì)混合料配合比為：20～30mm（粗集料）∶10～20mm（粗集料）∶5～10mm（粗集料）∶2.5～5mm（粗集料）∶0～2.5mm（細(xì)集料）∶礦粉=16∶28∶19:8:25:4。采用直接布局的測(cè)量方式，記錄密度一致的這兩種試件所檢測(cè)到的超聲波聲速。

發(fā)現(xiàn)在瀝青混凝土路面密度相同的情況下，ATB-25試件中的超聲波衰減程度低于AC-25試件，超聲波聲速在ATB-25路面中的傳播速度要高于在AC-25路面中。這是由于AC-25中的細(xì)集料所占比例變高了，細(xì)集料使得該路面中產(chǎn)生了更多的散射體，使得超聲波聲能散射離開原傳播途徑，能量耗散更多。因此，瀝青混凝土路面的原材料和級(jí)配比也是影響超聲波波速的重要因素[6]。

3 超聲波對(duì)瀝青混凝土路面質(zhì)量的仿真測(cè)試

市政工程中瀝青混凝土路面的密實(shí)度是施工過程中的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，一般路面密實(shí)度越大，孔隙率就越小，雖然施工過程中應(yīng)保證密實(shí)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，但是并不是密實(shí)度越大越好。可通過測(cè)定接收端應(yīng)力時(shí)程曲線的首波聲時(shí)，來求得超聲波在瀝青混凝土中的相對(duì)速度，通過相對(duì)速度的大小，測(cè)定瀝青混凝土的孔隙率和密實(shí)度。裂縫也是瀝青混凝土最常見的病害之一，影響市政道路的施工質(zhì)量與使用體驗(yàn)?？衫檬撞晻r(shí)，測(cè)出超聲應(yīng)力波在瀝青混凝土中的傳播時(shí)間，求出傳播路徑的長(zhǎng)度，進(jìn)而求得裂縫深度。裂縫深度的計(jì)算公式如下：

其中，t是超聲波接收器接收到的首波聲時(shí)，l是兩個(gè)超聲換能器之間的距離，v是超聲波在該類型瀝青混凝土中的傳播速度。建立一個(gè)含有裂縫的瀝青混凝土路面模型D進(jìn)行仿真分析，模型尺寸大小為500×200mm，在模型中間設(shè)置一個(gè)裂縫，寬3mm，深140mm，在裂縫的兩側(cè)對(duì)稱布置3對(duì)有機(jī)玻璃楔塊，分別距離裂縫100mm，160mm，220mm，作為超聲波的發(fā)射端和接收端，建立的混凝土路面模型如圖1所示[7]。

圖1 瀝青混凝土路面模型D

對(duì)建立好的模型賦予材料特性，設(shè)置分析步，施加載荷大小為0.1MPa的超聲應(yīng)力波，初始時(shí)間為0，幅值大小為5，頻率為80kHz，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建任務(wù)進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算完成后提取得到的應(yīng)力時(shí)程曲線首波聲時(shí)分別為0.08ms、0.10ms和0.12ms，計(jì)算出在該類模型中超聲波傳播的速度為4348m/s，利用公式（6）計(jì)算出裂縫的深度，分別為141mm、147mm、148mm，與實(shí)際設(shè)定的裂縫深度140mm相比，誤差較小，能夠滿足實(shí)際的市政道路施工需求，也驗(yàn)證了超聲波技術(shù)在瀝青混凝土路面施工中裂縫深度計(jì)算的有效性[8]。

4 結(jié)語

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和仿真分析相結(jié)合的方式，對(duì)超聲波技術(shù)在市政道路瀝青混凝土路面施工中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。超聲波檢測(cè)儀的應(yīng)用會(huì)受到眾多因素的影響，該技術(shù)的應(yīng)用可提高瀝青路面質(zhì)量及其施工水平，使市政道路工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益得以充分發(fā)揮。