沥青混凝土路面离析评价方法新构想

摘　要: 沥青混凝土路面的离析状况, 主要是由其混合料组成成分中集料的分布状态所决定。基于这一点, 在对目前的沥青混凝土路面离析评价方法进行回顾的同时, 提出了沥青混凝土路面离析评价方法的新构想。

关键词: 沥青混凝土路面; 离析; 评价; 新构想

    沥青混合料的组成成分包括沥青、集料、添加剂和空隙4部分。沥青混凝土路面的离析是其混合料中组成成分分布不均匀性的综合反映, 其中, 集料的分布不均匀性又是最主要的因素, 因为其他3个组成成分的分布状态是由集料的分布状态所决定的。

    在沥青混合料的生产和摊铺过程中, 离析一直是主要的问题。概括起来, 沥青混凝土路面离析的评价方法有无损类与破损类之分。前者主要有视觉识别、铺砂试验、核子密度仪、热成像、拖地雷达、激光断面仪和地震波路面结构分析等; 而后者主要有抽提筛分和截面分析等。

1　离析评价方法回顾

    基于已有的文献资料, 本文主要评述几种目前常用的无损类和最新破损类沥青混凝土路面离析的评价方法。

1.1　无损类

    无损类都是在现场评价离析。

1.1.1　核子密度仪

    核子密度仪是通过描绘路面沿纵向的密度来识别离析区域的。此法的基本前提假设是离析区域的密度小。然而有文献指出此法取得成功是有限的。

    因为: (1) 使用这些仪器的一般前提假设是混合料的密度随着粗集料离析的加重而降低, 这一假设没有考虑到级配和最大密实曲线的关系, 若现场配合比公式(JMF) 始于最大密实曲线之上, 当级配曲线向最大密实曲线移动时, 同类沥青混合料中粗集料的分散可以产生更高的密实度; (2) 不同类的离析对测量的变异性有着不一样的影响, 常用的石灰石显著增加试验的变异性, 而碎石对此却没有多大的影响, 如果混合料是由粗石灰石和细碎石组成, 在粗集料或细集料聚集地方, 试验变异性结果的变化使充分识别或度量离析非常困难。

1.1.2　热成像

    任何物体都散发具有能量的红外线, 且能被红外扫描器所接收。热成像就是把这些红外线转换为电子脉冲, 然后经过处理生成物体热能量视图。热图像的色彩可由用户选择, 代表路面温度的不同变化,如: 蓝色代表温度较低区域, 红色代表温度较高区域。热成像技术显示高空隙率区域, 因为与集料和沥青相比, 空气的热容量最小。假如重离析造成高空隙率, 则热成像技术能够很容易识别。

    该技术可用于沥青混凝土路面的质量控制,因为其可以在沥青混凝土路面铺筑的过程中使用。图1和图2 分别为某一热图像及其对应的路面离析情况。

    2000年, NCHRPReport441中, 奥本大学国家沥青技术研究中心在总结现有沥青混凝土路面离析评价方法的基础上, 提出使用红外热像仪和ROSAN激光断面仪去识别评价路面离析的严重程度。报告根据红外照相机的记录, 划分了不同离析程度时的温度范围, 如表1所示。

    运用此项技术的优点: 能够绘出整个摊铺路面的热量分布特征; 该技术能够在施工过程中被应用,其利于承包商对出现的问题进行及时补救; 有成熟的软件提供进程控制图, 业主利用其去接受或识别那些需要进一步试验来判定离析类型和程度的区域。

    而不足之处: 此技术仅在路表面和接近路表面处有效; 温度和级配离析都会显示“冷”域, 这就需要进一步的试验去更加准确地定义离析的类型; 试验数据要在混合料第一次压实前取得, 因为面层的压实改变了表面热量的特征; 此技术运用到施工后的路面评价是值得怀疑的, 因为来自旧路面的红外线依赖路面吸收的太阳能; 需要一个标定过程, 确保不同相机以同等量级和敏感度记录微差的温度。

1.1.3　激光断面仪

    激光断面仪用于测量表面宏观构造已经有好几年了。该技术可用于沥青混凝土路面的质量保证。激光断面仪工作原理与测量结果分别如图3和图4所示。

    该法用于评价离析就是通过激光断面仪所测得的表面构造深度, 与事先假定的非离析区域里表面构造深度之间的比较来划分离析程度。NCHRPReport 441 中, 根据构造比划分离析区域的结果, 如表2所示。

    该技术的优点之处: 因为该技术能够以正常的行车速度操作, 所以能快速取得连续的纵表面构造剖面图; 能提供量化数据, 可与非均匀表面构造的视觉识别相对应; 设备便利可携, 价格适宜, 且能被安装在任何车辆上; 设备和分析软件容易使用, 能提供所得数据的统计分析结果。

    缺点之处: 该技术只能测量沥青混凝土路面的表面缺陷, 在深度方向上有关非均匀性的信息则无法获取, 这就意味着需要第二种试验方法去进一步定义非均匀区域里离析的类型与程度; 为得到较好的分辨率, 需要较慢的速度; 路面要干燥, 潮湿的路表面会改变激光束的反射; 可能统计是依赖混合料的类型, 这需要在使用该设备的试验中得到评估。

1.2　破损类(Dest ruct ive test ing)

    尽管破损类基本上是在室内评价离析, 但首先要现场取芯。

    2001年Tashman等人发表文章, 提出如何研究混合料中粒径大于2.36mm集料的离析状况。

    其方法是把混合料的水平截面和竖直截面划分成等面积的内外2个区域, 选择能够描述这些区域内集料平均粒径差异的参数来评价离析。

    基于数字图像处理技术, 2004 年Hunter等人在TRB上撰文, 提出评价混合料中集料离析的2 种方法。这2种方法都是通过比较截面上相等区域里集料累计面积值的大小来评价离析程度的。

    基于NCHRPReport441中的大量试验数据,2004年的TRB上, 吴军霞(音译)等人对用多元变量模型来评价沥青混合料路面的离析进行了分析, 提出沥青混凝土路面的离析程度能够从其主要成分(空隙率、沥青含量和级配) 的变化上来预测,密实度的变化与离析的程度间有着很好的相关性。式(1) 用于预测密实度的变化(相对于非离析区域而言, 下同)。

    沥青混凝土路面的离析状况, 主要由其组成成分中集料的分布状态所决定, 截面上集料的分布位置和分布数目决定了截面上集料的分布状态。

    Tashman法和Hunter法虽能评价沥青混凝土路面在深度方向上的离析状况, 但它们的评价结果却是部分的、不全面的, 因为这2种方法在考虑截面上集料的分布数目(累计的集料面积表示) 的同时,对集料的分布位置考虑得不多。多元变量模型仅能提供相对结果, 而不能获得混合料中各成分具体的分布状况。

2　离析评价方法新构想

    对沥青混凝土路面离析的评价就是对其混合料中集料的分布状态的评价, 包括集料的分布位置和分布数量。理论上, 均匀的沥青混合料就是在沥青混合料的任一截面上, 任意关于截面中心对称的任意区域里各档集料的颗粒数目相等, 位置关于截面中心对称。

2.1　集料分布位置

    若沥青混合料是均匀的, 则在该沥青混合料的任一截面上, 各档集料重心(质心) 都应与该截面几何中心重合。

    根据2点间距离公式, 计算截面上各档集料与该截面几何中心的偏差。

2.2　集料分布数目

    若沥青混合料是均匀的, 则在该沥青混合料的任一截面上, 关于截面中心对称的任意区域里各档集料的颗粒数目相等。

    根据标准差, 计算截面上各档集料分布数目的状态参数。

2.3　截面上集料的离析状态

    根据截面上集料的分布位置和分布数目, 计算截面上集料的离析状态。

2.4　混合料整体离析状态

    单一截面上集料的分布状态不能代表整个试件中集料的分布状态。因此, 为减少这类误差, 需要做同一试件的一组平行截面, 如平行的水平截面或竖直截面, 取均值来代表整体情况。试件的具体划分形式如图5和图6所示。

    一组水平截面上集料分布状态的均值代表该试件中集料在水平方向上的分布状态, 而一组竖直截面上集料分布状态的均值则代表该试件中集料在竖直方向上的分布状态。综合集料在水平和竖直方向上的分布状态, 来研究集料在试件整体中的分布状态, 评价离析状态。

3　结语

    准确、迅速、客观、定量地评价沥青混凝土路面的离析状况是比较困难的。通过对现有文献资料的研究, 发现目前的沥青混凝土路面离析评价方法都或多或少地存在不足, 不能准确地评价沥青混凝土路面的离析状况。沥青混凝土路面的离析状况, 主要是由混合料组成成分中集料的分布状态所决定。基于沥青混合料中集料的分布状态, 对沥青混凝土路面离析进行评价的构想是可行的。