基于无损检测技术的沥青路面全幅施工均匀性研究

引言

沥青路面早期破坏(车辙、松散、开裂等)与施工过程中的均匀性质量存在直接的关系[1]。施工均匀性不足段落发生破坏的时间更早(通车两年内)，破坏速度更快，破坏程度更严重，存在较大的行车安全隐患，给后续高速公路运营管理造成很大的困扰。沥青路面施工均匀性不足的一种表现形式是离析，离析分类有：横向离析、纵向离析、竖向离析、片状离析、温度离析。美国NCHRP研究发现，沥青混凝土的施工离析是导致热拌沥青混合料路面早期破坏的主要因素，混凝土模量、抗拉强度等性能随着离析程度的增加而下降[2]。

混合料的拌合、运输、装卸、摊铺等环节的控制不到位，均会影响到沥青路面的非均匀性[3]。首先，混合料离析与沥青混合料级配稳定性控制不足密切相关，此外与混合料的温度控制、摊铺机的布料均匀性、摊铺速度、松铺系数、碾压工艺等息息相关。为减缓沥青路面的损坏时长，节约营运期间的养护成本，要求进一步提高沥青路面的施工均匀性，其中，摊铺机布料均匀性控制为施工离析控制中的重点，也是最大的难点[4]。

广东汕湛高速(新兴至阳春段)于2018年09月26日顺利通车，完工后的沥青路面施工均匀性整体水平较高，交工验收质量评分达97分。本文依托新阳高速路面工程，重点介绍沥青上面层混合料的全幅摊铺关键技术控制与均匀性评价方法，以期为其他类似项目提供参考。

并机摊铺技术

随着过去近三十年的高速公路建设发展，路幅宽度随着车道数的增多而增大。国内沥青路面的摊铺主要使用并机摊铺的形式，其中ABG、维特根、福格勒等摊铺设备应用较为广泛。两台设备的并机摊铺过程的搭接带，不可避免会出现纵向离析带[5]。同时，该接缝处由于位于螺旋布料器边部，粗集料颗粒较为集中，大粒径粒料自布料器往边部滚落导致接缝带亦存在竖向离析。此外，纵向接缝处因粗集料相对集中，温度下降明显，导致粗离析带的混合料空隙率明显偏大，渗水系数大，成为水损害易发点。另一方面，并机摊铺需要多套摊铺设备与操作人员、配合工人以及运输机械等，降低了施工效率，增加了施工成本。

全幅摊铺技术

二十世纪初，美国在SHRP计划为解决沥青路面施工离析问题，提出的连续摊铺和二次搅拌工艺取得较大进展，推动了沥青混凝土施工工艺的发展。国内主要从施工工艺与设备改造方面开展研究，提出了“大厚度、大宽幅、抗离析”的施工理念，较具代表性的为陕西中大机械公司研发的全幅摊铺设备。相比并机摊铺设备，中大摊铺机采用大扭矩液压马达驱动螺旋布料器，保证物料满埋螺旋布料器时的二次搅拌，增加料槽宽度，加装螺旋布料器叶片数量和增大螺旋直径，采用可伸缩料斗辅助功能等等。实现了高等级公路沥青路面单机全幅的一次性成型摊铺作业，解决了并机摊铺的接缝离析带。其主要的抗离析措施为：

(1)将布料螺旋深埋混合料，保证螺旋方向上混合料能够均匀搅拌与低速输送，减少高速抛扬现象，防止出现横向离析；

(2)采用离地高度可调的螺旋前导料板，降低大颗粒料向地面滚落，改善混合料在高度方向的均匀性，防止竖向离析；

(3)加大料槽宽度，增加螺旋支撑点，疏通混合料输送通道，改善混合料的横向与带状离析；

(4)增加螺旋布料器的反向过渡叶片数量与直径，提升二次搅拌动力，改善布料器吊臂处的离析。

传统的沥青混合料非均匀性检测方法有目测法与实测法。目测法受人为主观影响较大，目前诸多研究集中于实测法的检测手段与评价指标上。近年来多使用无核密度仪法、数字图像法、激光纹理仪法、钻芯法开展了测试，并形成了密度、空隙率、构造深度、厚度等评价指标[6,7]。但是单点的检测，数据样本有限，难以精确反映路面的整体情况。且钻芯法对路面结构造成破坏，属于有损检测。随着电磁波技术的发展，三维探地雷达以其测量范围广、精度高、后处理便捷等优点，成为道路大面积无损检测的新型手段。三维探地雷达主要基于电磁波三角反射原理，计算电磁波在沥青混合料中传播的时间差，进而计算沥青路面的厚度与介电常数。文献[8]通过现场测试验证了介电常数评价沥青路面均匀性的合理性。

工程概况

新阳高速采用双向四车道标准，设计速度100km/h，整体式路基宽度26m。试验段桩号为K21+100~K21+680左幅，摊铺长度580m，宽度11.5m，设计厚度4.5cm，采用中大抗离析王DT1900摊铺机进行全幅摊铺作业。

原材料

沥青胶结料采用壳牌SBS改性沥青，粗集料采用广西贵港石牛岭石场的辉绿岩碎石，细集料采用标段自加工的石灰岩机制砂，填料采用石灰岩磨细矿粉。经检验，各原材均满足规范与设计要求。

混合料级配

沥青上面层混合料采用广东省改进型骨架密实GAC-16C结构。按照试验规程的标准方法，通过确定沥青混合料试件密度、空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率、稳定度和流值等指标，绘制沥青用量与以上指标的关系曲线，确定最佳油石比，级配组成见表1。

施工工艺

(1)沥青混合料的拌制采用标定校核好的间歇式拌合楼进行沥青混合料制备。逐盘采集并打印材料用量和混合料产量、温度等参数，随时检查混合料的配合比变异。严格控制混合料的加热温度及搅拌时间，保证混合料充分搅拌。经现场目测观察，混合料无花白、冒青烟和离析等现象。

(2)混合料运输

为控制集料离析问题，运料车在拌合站装料时，应按“前、后、中”多次缓慢移动循环分堆装料，并采用“两布一被”方式进行运输与排队过程中的保温。现场运料车数量与装载能力与拌合站和摊铺设备匹配，摊铺现场的运料车不应少于5辆。

(3)混合料的摊铺

采用中大抗离析王DT1900摊铺机进行全断面非接触式平衡梁控制高程施工。作业前对设备进行全面的检查，调整好摊铺机各项参数，包括速度、熨平板仰角、宽度、螺旋布料器叶片大小与数量等。待熨平板预热到120℃以上，开始摊铺。摊铺作业做到缓慢、均匀、连续不断，摊铺速度控制为2.0~2.5m/min。摊铺过程避免频繁收斗甚至不收斗以消除窝料离析。摊铺过程采用插入式温度计对混合料进行严格的温度检测，减少混合料施工温度离析。做好雨季施工应急预案，如遇大风天气待料时间过长，或者降雨情况，应立即停止摊铺，并铲除碾压成型困难与内部积水混合料。

(4)混合料的碾压成型

经过方案对比，最终确定的碾压方案为：初压双钢轮前静后振一遍+复压双钢轮强振3遍+胶轮碾压3遍+终压双钢轮收光1~2遍，各环节碾压速度与温度按照表2控制。

现场摊铺问题与解决措施

(1)摊铺初期，摊铺机布料槽前方边部挡板开口过大，造成边部出现明显离析，后续关闭边部挡板，边部离析基本消除。

(2)摊铺机主机与伸缩段夯锤振动频率不一致，主机夯锤频率为8 Hz，伸缩段夯锤频率为27Hz，导致主机与伸缩段存在拖料现象，后续伸缩段夯锤频率调整为36 Hz，拖料现象消失。

(3)摊铺机中间出料口位置摊铺前期出现有条状粗离析带，经过调整反向螺旋叶片倾角后，粗离析带基本消失。

根据设计规范的厚度判别标准，采用不同颜色代表路面厚度分布情况，红色代表厚度不足区域，黄色代表厚度偏大区域。根据图1 的厚度分布云图，该段沥青路面厚度总体分布均匀性良好，平均值为4. 51 cm(大于设计厚度4.5cm) ，厚度合格率为94.32%。

介电常数检测结果

介电常数是评定路面均匀性的重要指标，根据文献的判别标准: 介电常数大于5.8 为细离析; 小于5.4为粗离析。对介于两者之间的根据数值大小用不同灰度表示，数值越大，相应地灰度值也越大，将检测结果绘制成直观的介电常数分布图。如图2所示，该路段介电常数均值为5.50，变异系数为8.78%(＜10%) ，整体均匀性较好。在桩号K21+240～K21 +440段，距中分带约5.5m处，存在相对介电常数整体偏大(＞5.80) 的轻微细离析条带，结合现场机械情况，主要为摊铺机反向旋螺叶片的磨损与倾角变化导致。经过调整，后续施工状况良好。

无核密度仪检测结果

在上面层试验段范围抽检一段路面，桩号为K21+340～K21+ 380右幅，共40m，对沥青混凝土上面层全断面进行检测，以验证介电常数的可靠性。根据无核密度仪检测结果，上面层GAC－16C混凝土的相对毛体积密度均值为2.530。采用无核密度仪检测出来的毛体积密度换算成沥青层空隙率，得出上面层空隙率分布情况如下图3。

根据换算结果可得到沥青层空隙数值统计如表3，结果表明: 检测区域毛体积密度标准差为0.028，变异系数为1.107%，空隙率非离析区域所占比例为75. 0%，与介电常数分布规律一致，验证了采用三维探地雷达的无损检测大数据评价沥青路面施工均匀性的可靠性。

(1)为了减少沥青混合料施工过程的摊铺离析，采用单机全幅摊铺设备代替传统的并机摊铺，可从施工机械的层次有效消除搭接位置的离析带。

(2)采用三维探地雷达测试技术，可以快速获取施工路段的路面厚度与介电常数，结合无核密度仪的检测结果，能够从体积指标与结构指标的角度全面评价沥青路面的施工质量。

(3)通过沥青混合料拌合过程、运输、摊铺与碾压等各施工环节的关键技术控制，对中大摊铺机反向螺旋叶片尺寸、倾角等关键参数调整，使得摊铺成型后的沥青混合料处于较均匀的状态，可为类似工程质量控制提供参考借鉴。