（水工结构工程专业论文）沥青混凝土路面离析检测技术及防治措施研究.pdf

郑州大学硕e 学位论文 摘要 摘要 离析是导致沥青混凝土路面早期破坏的主要原因之一。目前，我国对沥青 混凝士路面离析的判定及检测方法主要依赖于观察法、铺砂法和取芯法，这些 传统方法存在的主要问题是测速慢、主观性强、误差大，并且对路面具有一定 的破坏性。这种状况与我国当前公路建设的发展很不适应，为此亟需发展连续、 快速、无损的沥青混凝土路面离析检测技术。 路面雷达作为一种高效、快速、连续的新型路面无损检测设备，在检测路 面性能指标方面正发挥着越来越大的作用，目前已代表了路面结构层厚度、压 实度、离析、含水量等重要质量指标检测技术的发展方向；红外热像仪作为一 种先进红外测温设备，因其能够准确测出物体表面温度，也在沥青路面离析检 测方面得到了广泛的关注。 本文针对沥青混凝土路面离析检测技术及防止措施存在的问题，对沥青混 合料级配离析的路面雷达检测技术和温度离析的红外热像仪检测技术以及离析 的防治措施进行了研究。主要研究成果和结论如下： 1 、对沥青混凝土路面级配离析的路面雷达检测技术进行了研究，通过试验 得到了沥青混合料介电常数与密度、空隙率、沥青含量的相关关系以及密度与 构造深度的相关关系；通过对芯样介电常数与级配、密度、空隙率之间关系的 分析研究，得出了路面雷达检测判定沥青混合料级配离析的标准； 2 、对沥青混凝土路面温度离析的红外热像仪检测技术进行了研究，基于试 验得到了沥青混合料温度差和密度差的相关关系，并结合级配离析的路面雷达 检测试验结果，得出了沥青混合料温度离析的判定标准； 3 、基于以上沥青混合料级配离析及温度离析判定标准，研究沥青混合料离 析的防治措施。研究结果显示沥青混合料转运车对防治沥青混合料的级配离析 和温度离析具有明显的效果： 4 、本文提出的沥青混合料级配离析的路面雷达检测技术和温度离析的红外 热像仪检测技术以及离析防治措施，为沥青混凝土路面的离析提供了一种快速、 连续的无损检测手段和有效的防治手段。研究成果对于提高我国沥青混凝土路 面施工过程中的离析检测技术水平，减少沥青混合料的离析，从而降低沥青混 郑州大学硕士学位论文 摘要 凝土路面的早期破坏具有重要的理论意义和工程价值。 关键词：沥青混凝土路面，级配离析，温度离析，路面雷达，红外热像仪 l i 郑州大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p a v e m e n ts e g r e g a t i o ni s 吐l em a i nf a c t o r 协a tr e s u l t si n i n c i p i e n tc r e a ko f b i t u m i n o u sc o n c r e t ep a v e m e n t s p r e s e n n y ，t h es e g r c g a t i o nt e s ta n de s t i m a t i o no f b i t u m i n o u sc o n c r e t ep a v e m e n t si nc h i i l am a i n l yr e l yo nt m d i t i o n a lm e t h o d sa s v i s u a li d e m i f i c a t i o n ，s a l l dp 缸c ht e s t i n ga n dc o n g b u ta l lt h e s et e s tm e m o d s c a l ln o t s a t i s 母t h er e q u i r e m e n t so fm er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s 仇j c t i o nd u et o 廿l e i rs l o wt e s t s p e e d ，s 仃d n gs u b j e c t i v i 吼p m b a b l ee r r o r ，a i l dd e s t m c t i v i t yt o p a v e m e n t s t h e r e f o r e ，i ti s i n u 唱e n t n e e dt o 行n dar 印i d ，c o n t i n u o u sa 1 1 d n o n d e s n u c t i v es e 掣e g a t i o nt e s tt e c h n o l o g yo f b i t u m i n o u sc o n c 崩e p a v e m e n t s g r o u n d p e n e 仃a t i i l gr a d a r ，a sar a p i d ，l l i g he m c i e n ta n dn o n d e s 虮l c t i v et e s t e q u i p m e n t ，h a sp l a y e dm o r ea 1 1 dm o r ei m p o n a mm l ei nm ei n d e x e sc a p a b i l i 啦t e s to f p a v e m e m i tr e p r e s e m st l l ep r e s e n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft e s tt c c h n o l o g ya s r e a r d si m p o r t 趴ti n d e x e s 疵l u d i n gt l l i c l d l e s s ，c o m p a c t i o n ，s e g 叫舛i o n ，、v a t e r c o m e n t 柚ds oo n i n 衄e di m a 西n 岛a sa 1 1a d v a n c e di n 丘a r e d 把m p e r a t l l r e - m e a s u r i n g d e v i c e ，i sa b l et om e a s u r et 1 1 et e m p e 眦u f ea c c l l r a t e l ya i l dh a sa n r a c t e d 哇d e l y a t t e n t i o n 靠o mm ea s p e c to f s e g r e g a t i o nt e s to f b i t 啪i 1 1 0 u sp a v e m e n t e x p e r i m e 删r e s e a r c h e s 、e r ec a 埔e do u ta g a i l l s ts e g r e g 撕o nt e s tt e c h n o l o g y p r o b l e m so fb i t n i n o l l sc o n c r e t ep a v 啪e n t sb yu s i n gg r o u n d p e l l e n 砒i n gr a d a rt o t e s ta g g r e g a t es e 铲e g a t i o no fa s p h a l tm i xa n d1 1 l f a r e di m a g i n gt 0t e s tt e m p e r a t u r c s e 窟挥g a t i o n b e s i d e s ，e 扛b c t i v ep r e v e m i o nm e a s u r e sa g a i n s ts e g r c g a t i o n 、v e r ea l s o r e 8 e a r c h e di nm i sp a l ) e lt h em a i l lr c s 黜hr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n si n c l u d ea s f o l l o w s ： 1 s i g l l m c a i l tf i n d i n g s 锄dr e m l t sf r o m 也ee x p e r i m e 删r e s e a r c h e sr e g a r d i n g t 1 1 ea g g r e g a t es e g r e g 越o nt e s to fa s p h a l tm i xb yu s i n gg r o u n d - p e n e 订a t i n gr a d a ra r e a sf o l l o w s ：t h em u n l a lr e l a t i o n s h j pb e t 、c e nt h ed i e l e c 仃i c ，d e n s i 坝p e r c e n ta i rv o i d a i l da s p h a l tc o n t e n to fb i 删n o u sm i x t l l r ea n dt 1 1 ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd e n s i t va n d t h es u r f h c et e x m r ed e p m ；t h ec r i t e r i o nf o rd e t e r i i l i m n gb i t 啪i n o u sm i x s e g r e g a t i o n b yg p ri so b t a i n e dt h r o u 曲m ea n a l y s i so fm u t u a lr e l a t i o n s m pb e t w e e n 也e i i i 郑卅大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e l e c t r i c ，g r a d a t i o n ，d e n s i t ya n da i rv o i dp e r c e n to fc o r es a m p l e s 2 t h em u t u a lr e l a t i o i l s h j pb e t w e e nt e m p e r a t u r ed i a 爸r e n c eo fm i x t u r ca n dt h e d e n s i t yd b r e n c ea r eo b t a i l 武丘o m 也ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c h r e g a r d i n gt h e t e m p e r a t u r es e g r c g a t i o no fb i t i l m i n o u sc o n c r e t ep a v e m e n t su s i n gi n f h r e di m a g i n g c o m b i n j n g、v i 血 t h ee x p e r i m e m a lr e s l l l t so fa g g r e g a t es e 粤_ e g a t i o nt e s tb y g r o u n d - p e n e 觚址i n gr a d a r ，m ee s t i m a t i o nc r i t e r i o no ft c m p c m t u r es e g r e g a t i o nf o r b i t i l m i n o u sm i xi sa c | l i e v e d 3 m e a s u r e st oi m p m v es e g r e g a t i o no fb i n l m i n o u sm i x 、v e r cr e s e a r c h e db a s e d o nc r i t e “o n sf o rd e t e m l i i l i n gt 1 1 ea g g r e g a t es e g r e g a t i o na i l dt e m p e r a m r es e g r e g a t i o n o b 诅i n e di nt h i sp 印e r 1 m er e s u l ts h o w s 恤ta s p tm i x t u r et 协s f e rv c l l i c l eh a s o b v i o u s l yi m p m v e da g 掣g a t es e g r c g a t i o n a n d t e m p e r a t u r es e g r e g a t i o n o f b i t u m i n o u sm i x 4 t h et e s tt e c l l i l o l o g i e sa 心p u tf o n v a r di nm i sp a p e r u s i n gg r o l l n d - p e n e t r a t i n g r a d a rt ot e s ta g 罂g a t es e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i xa 1 1 di n f a r e di m a g i n gt ot e s t t 锄p e m t l l r es e g r e g a t i o nm i d e ar a p i d ，c o m i n u a u sa n dn o n d e 曲m c t i v em e m o df o r s e g r e g a t i o nt e s t o fb i t u m i i l o i l sc o n c r e t e p a v e m e n t sa n de f r e c t i v ep r c v e n t i o n m e a s u r e s t h e s ce x p e r i m e m a lr e s l l l t sa r eo fm e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea i l di m p o r t a m e n g i n e 甜n gv a l u ei ni m p r o v i i l gs e g r e g a t i o nt e s tt e c l l i l o l o g yo fb i t u i n i n o u sc o n c r e t e p a v e m e n t sd 崩n gt h cp r o c e s so f c o n s 打u c t i o ni nc l l i n a t h e r e f o 】他i t 丽l lh e l pr e d u c e b i 仙n i n o u sm i xs e g r e g a t i o ns oa st or e d u c ei n c i p i e n tc r e a ko f b i t u i n i n o u sc o n c r e t e p a v e m e m s k | e yw o r d s ：a s p h a l tc 蹦吼ep a v e m e n t s ；a g 擎e g a t ea e g r e g a t i o n ；t e m p e s e g r c g a t 岫g r o t l i l dp e n e 打拙gr a d 甜( g p r ) ；i n 加r e di m a 画n g ( i r ) 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的 一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：五予1 唰弓 g 年皇月砖日 郑卅大学预 。学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程背景 近年来，随着我国经济的迅速发展，国家对公路建设的投资越来越大，特 别是高速公路建设的投资，每年投资上千亿元，高速公路发展非常迅速。2 0 0 4 年中国高速公路里程新增4 4 0 0 公里，高速公路通车里程超过3 4 万公里，居世 界各国高速公路通车里程第二的位置；2 0 0 5 年底，我国高速公路总里程达到4 1 万公里，继续保持世界第二。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划， 从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使 我国高速公路里程达到8 5 万公里【l 】。对于高速公路如此大的投入和如此快的发 展速度，保证工程质量，减少因过早破坏而导致的浪费，就显得尤为重要。 用于高等级公路路面的结构层主要有水泥混凝土路面和沥青混凝土路面两 种。与水泥混凝土路面相比，沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、行车舒 服、耐磨、振动小、噪声低、施工期短、养护维修简便、适宜分期修建等优点， 因而得到越来越广泛的应用 2 1 。据初步统计，在我国已建成的高等级公路中， 沥青混凝土路面约占7 5 以上，沥青混凝土路面对于促进我国交通运输业的发 展起到了积极的推动作用。 随着我国高速公路的发展，我国的公路施工技术及路面质量已经有了较大 提高，但是由于我国高速公路建设起步较晚，旌工经验少、施工水平参差不齐， 加上交通量的迅猛增长及重车比例的增加，沥青路面在使用年限内甚至是运营 初期( 2 3 年) 就开始出现一些早期破坏，特别是对于占高速公路很大比例的沥 青混凝土路面来说，早期破坏的种类多，破坏严重。沥青混凝土路面的破坏形 式主要有裂缝、车辙、松散、剥落等。裂缝是沥青混凝土路面最主要的一种破 损形式，按其成因不同分为横向裂缝、纵向裂缝、局部网裂和龟裂；车辙主要 包括失稳型车辙、结构型车辙和磨耗型车辙：在水的作用下，沥青与矿料之间 的粘附性变差，沥青从矿料表面剥离，导致路面的松散、剥落和坑槽口j ：另外 还有泛油、石料磨光及路面破损引起的表面功能降低或丧失等病害【4 】【5 j 。 沥青路面病害发生的原因是多方面的，其中包括路面设计不合理、旌工质量 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 水平不高、养护管理不到位、交通量大、重车多、超载现象严重、水对路面结构 的破坏、气候的影响等原因。而其中一个重要的原因就是施工质量存在问题。 在施工方面，虽然在大多数高速公路沥青面层已经使用了优质的材料，施 工中使用了比较先进的施工机械，但是还是无法修建出高水平的沥青混凝土路 面。其主要原因是我国目前沥青混凝土路面施工技术总体水平偏低，施工过程 中还存在着以下问题：原材料质量和配合比控制不到位，混合料的拌和、摊铺 和碾压温度没有控制好，运输和摊铺过程中出现级配离析、温度离析，压实度 不够，路面的构造深度不均，沥青面层分幅摊铺时两幅接茬处未处理好等【6 】【7 1 。 其实在沥青混凝土路面的早期破坏中，有很多是局部破坏，如松散、坑槽、泛 油、网裂、龟裂等。造成这些破坏的主要原因是沥青混合料的离析，所以要想 解决这些早期破坏的问题，必须先解决沥青混合料的离析问题。 目前，在施工过程中，沥青混合料的离析并不能得到及时的检测和解决， 主要由于传统的检测方法多为事后检测，不能够及时反映沥青混凝土路面的离 析状况。为了保证和提高路面质量，不仅需要提高旌工水平，使用更加先进的 施工机械，而且更需要采用先进、快速的检测设备和检测方法，对路面质量进 行实时、快速的检测，及时发现问题，解决问题，减少沥青混合料的离析。 另外，对沥青混台料离析的防治措旌还不能从根本消除离析，并且影响因 素较多，不易控制，需要寻求一种操作简单、效果明显的防治措施或手段。 1 2 国内外路面离析检测技术的现状分析 检测技术作为公路建设与管理中的关键性、基础性技术，对于控制工程质 量至关重要，也决定着路网养护决策的科学性，并直接影响养护资金分配的合 理性。工程质量是通过试验检测数据来评定的，而试验检测数据是否准确可靠， 则在很大程度上取决于检测仪器和检测方法是否先进合理，先进的设备可以使 速度和效率都有明显的提高，检测的速度不只是提高检测的效率，并能使检测 扩大覆盖率，减少对施工进度的影响。而我国对于公路的检测方法与水平与国 外相比还有很大的差距，对于沥青混凝土路面离析的检测也不例外。 1 2 1 国内离析检测技术研究现状 我国公路工程检测技术还停留在世界发达国家八十年代初期或中期水平， 2 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 检测设备和检测方法比较原始、落后，不能很好地对工程质量进行全面、快速、 准确的评价。许多费用高、效率低、劳动强度大，甚至对工程有破坏性的检测 仪器和检测方法仍在继续使用。 目前，我国对于离析的检测方法还主要依赖于观察法、铺砂法和取芯法， 这些传统的检测方法的特点如下： 1 、观察法：该法适用于大粒径及较粗的沥青混合料，不适用于小粒径和细 级配的沥青混合料。该法是一种主观的判别方法，无法量化，具有一定的局限 性： 2 、铺砂法【8 】：因为离析区域与非离析区域沥青混凝土路面表面纹理深度会 明显变化，所有可以通过铺砂法来确定路表的构造深度，从而判断沥青混凝土 路面的离析程度，但是这种方法比较费时，并且砂铺法的测定结果经常受测试 者主观意志和测试方法的左右，明明看来已经有严重离析的部位，却可能测得 相同的构造深度： 对于构造深度的测量，我国公路的行业标准公路路基路面现场测试规程 中推荐了三种方法： a 、手工铺砂法 该方法是人工手动进行量砂、摊铺并测量铺砂尺寸，然后按照式( 1 1 ) 对 表面构造深度进行计算： 功：掣 ( 1 1 ) d 2 式中：t d 路面表面构造深度( i m ) ； v 砂的体积( 2 5 c m 3 ) ； d 摊平砂的平均直径( 咖) 。 b 、电动铺砂法 该方法是人工手工量砂、电动铺砂仪进行铺砂、手工量取尺寸，然后按照 式( 1 2 ) 对表面构造深度进行计算： ：粤x 1 0 0 0 ( 1 2 ) 工l 式中：t d 路面表面构造深度( m m ) ； l 。玻璃板上5 0 m l 量砂摊铺的长度( m m ) ； 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 l 路面上5 0 m l 量砂摊铺的长度( m m ) 。 c 、激光构造深度仪测定沥青路面构造深度 该方法是采用激光构造深度仪对路表面的构造深度进行连续采集，激光构 造深度仪根据激光脉冲反射原理来测定路面表面构造深度大小。 另外，华南理工大学的王端宜睁j 等人使用采用数字图像分析技术分析路表 的构造深度，并与激光构造深度仪所测的构造深度进行对比分析。 3 、取芯法【1 0 】：取芯法是一种传统的破坏性密度检测试验，通过在离析区域 钻芯取样，分析芯样的密度、空隙率、沥青含量和级配组成，通过与设计值或 标准值的比较来判定路面离析的程度，取芯法对路面具有很大的破坏性。 混合料的密实度不均匀往往是铺筑过程中的温度不均匀造成的【l ”，而观察 法只能定性地判断表面离析，主观性较大；铺砂法虽然可以根据测定的构造深 度来判定离析的程度，而构造深度反映的只是沥青混凝土路面表面的离析状况， 不能反映路面内部的状况；而取芯法对路面的破坏性又较大；并且这些方法判 定的也只是沥青混合料的级配离析，无法对温度离析进行判定，如果不能及早 发现温度离析，就无法从根本上对离析进行防治。因此随着我国公路建设的不 断发展，迫切需要寻找先进的检测仪器和检测方法检测混合料的级配离析和温 度离析，从而提高我国沥青混凝土路面的离析检测技术水平。 1 2 2 国外离析检测技术研究现状 近二十年来，国际上路面检测与评价技术的发展十分迅速，总体趋势是： 由人工检测向自动化检测技术发展，由破损类检测向无破损检测技术发展，由 一般技术向高新技术发展。比如，机电一体化技术及高精度传感器被应用于路 面弯沉检测，激光技术被用于路面断面检测，雷达技术被用于路面厚度检测， 模式识别与图像处理技术被用于路面病害观测等。 由于离析的直接后果会导致混合料的密度不同，国外开发出了测试精度较 高的测试仪器，核子密度仪就是一种经常采用的仪器设备。利用核子密度仪在 不同的位置检测，密度的波动范围越大，离析就越严重。而对于温度离析的检 测，则广泛采用红外热像仪检测混合料的温度离析。国外除了测试沥青路面的 构造深度外，还对一些新型的检测方法进行了试验研究，具体如下： l 、核子密度仪测定法：美国一些部门采用核子密度仪来测定路面离析。佐 郑州人学硕 。学位论文 第一章绪论 治亚州采用的方法是在路面上铺砂，使用核子密度仪在背反射模式下测定路面 密度，如果密度差异超过0 1 6 3 9 c m 3 ，就认为路面离析。堪萨斯州采用核予密 度仪在路面上测4 条纵向密度线，如果密度差异大于o 0 8 c m 3 或最小值比平均 值小o 0 4 9 c m 3 就认为路面离析。 在路面离析处粗料集中的地方，级配偏粗、沥青用量偏少，该处的密度未 必会小，核子密度测定仪可能检测不出这种离析。另外采用核子密度仪测定不 同级配沥青混合料时检测结果差异较大，这对采用核子密度仪检测、判定沥青 混合料的离析造成了一定的难度： 2 、红外热像仪检测法：通过红外热像仪绘制整个路面区域的热量分布图， 从而检测和解决施工中出现的温度离析现象。红外热像仪所包含的软件可以分 析热量分布图，从而可以用来评价路面施工质量1 1 1 1 2 1 【1 3 】。红外热像仪检测法只 能检测到沥青混凝土路面表层的温度，不能反映沥青混合料的内部温度的差异。 目前，红外热像仪主要用于施工过程控制，无法对施工完成后路面的离析进行 检测与评价； 3 、探地雷达与红外热像仪联合测定法：美国德克萨斯州交通部研究表明【1 引， 探地雷达与红外热像仪联合使用可以测定沥青路面的离析，探地雷达( g p r ) 分析 路面材料离析与密度的变化规律，红外热像仪判断和测量路面表面的温度离析 【1 5 ，从而对沥青路面离析进行综合评价。 对于离析的检测，本文主要通过利用路面雷达、红外热像仪结合p q i 密度 仪对旌工路段进行试验研究，得到了检测沥青混凝土路面的级配离析和温度离 析的检测方法和判断标准，从而用来检测和控制沥青路面面层施工质量，降低 发生早期病害的可能性。 1 3 沥青混凝土路面离析的防治措施 目前，为了减轻沥青混合料路面的离析，提高沥青混合料的均匀性，采取了 很多防治措施，除了在设计上选择与压实层厚度相匹配的混合料类型，适当减小 集料最大粒径外，在施工阶段中首先应特别注意以下问题【1 6 】： l 、加强集料生产的管理，仔细清除覆盖层，使用清洁的、均质的集料； 2 、拌和厂应该将集料堆放在硬化的土地上，细集料要加棚盖用来防雨： 3 、拌和厂要选择合理的振动筛筛孔，严格控制将超粒径料排除出去，拌和 郑州大学硕。t ：学位论文 第一章绪论 机要解决漏粉问题，对拌和机的传感器要仔细标定，不得使用称量不准的拌和楼； 4 、拌和机每拌都必须打印料仓和沥青的数量，记录集料、沥青和混合料的 温度，并随时检查打印结果与设定值之间的差值有无大的波动，如有疑问必须立 即停止拌和： 5 、运料车每次卸料都要跟着移动位景，上面加盖苫布，运输途中不得休息 停留； 6 、严格控制摊铺机铺筑宽度，一般不宜超过6 m 8 m ，以采用两台摊铺机梯 队作业为好； 7 、控制摊铺速度，确保慢速、均匀、不间断地摊铺； 8 、加强压实，合理安排压路机的数量和类型，由几台压路机均匀压实，初 压要紧跟摊铺机碾压，提倡采用大吨位轮胎压路机碾压； 9 、加强质量管理和检查，通过肉眼观察、温度计检查温度、核子密度仪检 测密度、砂铺法检测构造深度等手段对离析情况和均匀性作出评价，如有严重离 析现象发现，必须进行处理。 为了解决离析和均匀性问题，美国近年来在施工过程中采用了一种沥青混合 料的转运车，它是介于摊铺机和运料车之间的一种过渡设备，运料车运来的混合 料不象往常那样卸在摊铺机的料斗中，而是卸在这种转运车中，转运车接到混合 料后不间断的搅拌，使有可能在拌和、贮存、运输过程中产生的离析得以消除， 使得级配和温度均匀一致。转运车紧跟在摊铺机后面，以与摊铺枫完全相同的速 度向前推进，并不断地向摊铺机供料，摊铺机上的料斗并不起贮存混合料的作用， 转运车卸下的混合料经过摊铺机的传送带直接进入螺旋拨料器，立即铺筑到路面 上，摊铺机的宽度严格受到控制，因此在运料车卸下材料以后直至铺筑到路面上 不会再产生离析，温度也十分均匀，据认为这是防治沥青混合料离析的根本措施。 本文在第五章就针对使用沥青混合料转运车来防治沥青混合料的离析进行了试 验研究，结果表明转运车对防治沥青混合料的温度离析和级配离析具有较好的效 果。 1 4 本文主要工作及意义 针对我国对沥青混合料离析的检测技术和离析防治措施相对落后的问题， 本文主要依托西部交通建设科技项目：“沥青路面工程质量过程控制的研究”， 郑州大学硕l 学位论文第一章绪论 对沥青混合料级配离析的路面雷达检测技术、沥青混合料温度离析红外热像仪 检测技术和沥青混合料离析的防治措施展开了试验研究。本文的主要 ：作、研 究成果和结沦如下： l 、详细分析了沥青混凝土路面离析的类型、产生的原因、对沥青路面性能 的影响以及防治措施和国内外对离析检测判别标准；论述了路面雷达检测技术 的发展概况、工作原理，并介绍了路面材料介电特性； 2 、对沥青混凝土路面级配离析的路面雷达检测技术进行了试验研究，分析 了路面性能指标和介电常数之间的关系，得到了沥青混合料介电常数与密度、 空隙率、沥青含量的相关关系以及密度与构造深度的相关关系；通过对样点介 电常数与级配、密度、空隙率之间关系的分析，得到了路面雷达检测判定沥青 混合料级配离析的标准； 3 、对沥青混凝土路面温度离析的红外热像仪检测技术进行了试验研究，分 析了沥青混合料温度差与密度差之间的关系，得到了二者的相关关系，并结合 级配离析的路面雷达检测试验结果，得出了沥青混合料温度离析的判定标准； 4 、基于以上沥青混合料级配离析及温度离析判定标准，研究沥青混合料离 析的防治措施。研究结果显示沥青混合料转运车对防治沥青混合料的级配离析 和温度离析具有明显的效果。 本文提出的沥青混合料级配离析的路面雷达检测技术和温度离析的红外热 像仪检测技术以及离析防治措施，为沥青混凝土路面的离析提供了一种快速、 连续的无损检测手段和有效的防治手段。研究成果对于提高我国沥青混凝土路 面旋工过程中的离析检测技术水平，减少沥青混合料的离析，从而降低沥青混 凝士路面的早期破坏具有重要的理论意义和工程价值。 郑州大学硕士学位论文 第二章沥青混糍十路面离析的分析 第二章沥青混凝土路面离析的分析 2 1 沥青路面离析的类型与分类 对于沥青混合料离析有两种，一种是级配离析，另一种是温度离析。级配 离析是指混合料中一个粒径或多个粒径集料的比例以一定程度偏离了设计级 配；而温度离析是指路面摊铺中由于混合料温度的差异引起的路面质量不均匀。 离析可能发生在集料的储存、运输，沥青混合料的储存、运输、卸载、摊铺和 碾压等方面【2 0 1 。典型的离析形式有： l 、卡车末端离析：这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 理深。特别是采用一台摊铺机旌工的中、下面层，卡车末端离析现象比较普遍， 而上面层小粒径( a k l 3 、s m a l 3 ) 也容易发生该类离析。当采用两台摊铺机施 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，一些路段一直存在 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、操作者的培训等来消除。 3 、接缝离析：在中上面层施工较为常见，当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，少了则接 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，因此应高度重视。 4 、随机性离析：在施工的过程中也会发生，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。 郑州人学硕十学位论文第二章沥青混凝十路面离析的分析 2 2 沥青路面离析产生的原因 造成沥青混合料离析的原因是多方面的，主要原因如下【1 副： 1 、原材料的质量存在问题：由于施工单位的集料多半不是自己生产的，而 是来自社会料场，存在一个工程的集料往往来自好几个料场，集料质量参差不 齐。不仅石料质量不同，覆盖层和风化层清除不干净，破碎和筛分机械不统一， 筛孔尺寸混乱，导致集料产品质量及规格存在差异，以及实际级配与配合比设 计所采用的级配有很大的差距。另外，大部分高速公路的沥青拌和厂都是临时 在沿线设置的移动式拌和厂，许多采石场也是因为附近修建公路才临时组建的。 因此许多采石场及拌和厂的生产和材料堆放场地不规则，许多料场不同材料之 间没有挡墙，互相不能完全分开，材料存放在没有硬化的土地上，装载机铲料 时很容易将士地的粘土杂物带入料仓。移动式拌和厂的材料场一般不设防雨顶 棚，下雨对集料的含水量影响很大，尤其是砂子、石屑等细集料，不同部位的 含水量也不一样，干燥状态和潮湿状态时的流动情况差异很大，拌和机的供料 控制会有很大的波动，直接影响配合比。 2 、运输造成的离析：不正确的装料会出现级配离析，沥青混合料运输的过 程中出现刹车也会导致混合料出现级配离析，运输中没有加盖苫布、料车等待 卸料时间过长会导致混合料出现温度离析。所以为了减少混合料出现离析，需 要正确地装卸沥青混合料，运输过程中要加盖苫布，安排好机械组合，避免出 现因摊铺机出现问题而造成的离析现象，也要避免出现料车等待卸料时间过长 而造成沥青混合料温度降低。 3 、摊铺过程中的离析：沥青混合料摊铺机在摊铺混合料过程中造成混合料不 均匀或离析的原因有，混合料从运料车卸到摊铺机的过程中，一定程度上会产生 粗细集料的分离；如果运料车与摊铺机产生碰撞，会影响摊铺机后的混合料的多 少和密度；混合料卸到摊铺机料斗中以后，中间的混合料进入摊铺机的速度快， 两边的混合料可能会停留相当长时间，直至两侧的挡板立起才将混合料折向中 间，这期间两侧的混合料比中间的混合料的温度要降低得多，从而使铺到路面的 混合料的温度不一样；摊铺机的螺旋拨料器在向两侧摊铺时也会产生离析，在加 长的接头部位，如果调整不好，往往会有一个不平顺的坎，摊铺的混合料在这里 往往会离析；铺机摊铺宽度越长，混合料的离析越严重，现在许多高速公路为了 9 郑卅1 人学硕十学位论文 第二章沥青混凝土路面离析的分析 提高平整度而采取全幅摊铺的方式，也是造成混合料离析的主要原因【2 0 1 。 4 、混合料压实不均匀出现的离析：压路机在压实混合料时无论如何是不可能 做到温度、遍数、速度都一样的，边上和中间也会不一样，早压的和晚压的温度 也不一样，压路机的吨位也会因为所加的水不断减少而稍有变化，再加上铺到路 上的温度本身就有相当的差异，也会导致一定的离析。 2 3 离析对沥青路面性能的影响 沥青混合料的离析是造成路面早期损坏的根本原因，即使暂时没有损坏， 对沥青混合料的使用性能也有严重的影响。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。 一般认为，对基本上没有发生离析的区域，由于有了非常好的配合比设计 和满意的压实，这样的区域空隙率必然符合设计的要求，是可以接受的。这样 的混合料的沥青含量都在设计沥青用量的0 3 之内，集料级配通过率也没有显 著的差别，这样就能保证有9 0 以上的混合料的劲度模量大于预定值。在轻微 离析的区域混合料的劲度模量约为无离析区域的7 0 9 0 ，空隙率将增加1 4 。如果存在级配的离析，粗集料最大粒径的通过率将会比规定的大5 以上， 同时导致沥青含量比设计的减少o 3 o 7 5 。在发生中等程度离析的区域， 混合料的劲度模量将降低到无离析区域的3 0 7 0 ，增加空隙率2 6 ，如果 再存在级配离析，最大的两个筛孔将会比规定的大1 0 以上，沥青含量更可能 减少o 7 5 1 3 。两在严重离析的区域，混合料的劲度模量将降低到无离析 区域的3 0 以下，增加空隙率超过4 ，如果同时存在严重的级配离析，最大的 3 个筛孔将会比规定的大1 5 以上，沥青含量更可能减少1 5 。在这种区域钻 孔或切割试件时有可能会崩塌，取不出试件，或者切割时就散了。总之，由于集 料级配、沥青用量的离析和压实度的不一样，造成混合料的空隙率不同，级配 不同，对混合料性能的影响比较明显。提高混合料的均匀性是提高沥青混合料 使用性能的重要技术途型”】。 国外研究表明，因为温度离析导致的密度偏低的区域容易出现周期性的车 辙，另外，在这些离析区域还容易出现纵向的疲劳裂缝：级配离析会导致该区 域出现松散和纵向的疲劳裂缝，然而，与温度离析区域相比不会出现困车辆的 1 0 郑州大学硕上学位论文 第二章沥青混凝路面离析的分析 碾压而出现沉陷；离析会使路面的使用寿命减少2 0 5 8 【2 1 f 2 2 】。美国国家交 通研究委员会所得到的路面离析对路面性能具体影响程度见表2 1 ： 表2 1 沥青混合料离析程度路面性能的影响 沥青混合料特性 未离析轻度离析中度离析 重度离析 沥青混合料特性占未离析区域特性的百分比 渗透性细微随着离析粗造度的增加而增加 回弹模量细微 7 0 9 0 5 0 7 0 2 1 2 5 本章小结 本章对沥青混凝土路面离析进行了分析，具体的分析内容如下： 1 、沥青混凝土路面离析分为级配离析和温度离析，离析的形式主要有卡车 末端离析、带状离析、接缝离析、随机性离析等； 2 、离析产生的原因主要有原材料的质量存在问题，即石料的质量不符合要 求；运输造成的级配离析和运料车表面沥青混合料的温度离析；摊铺过程中造 成的离析以及混合料碾压过程中压实不均匀所出现的离析； 3 、混合料的离析对沥青路面性能有着比较严重的影响，它影响着路面的渗 透性、回弹模量、动态模量、干抗拉强度、湿抗拉强度、车辙以及路面的使用 寿命。随着离析程度的增加，对以上各指标的影响也越大； 4 、对于离析的判定，目前我国尚无明确的质量判定标准；美国国家沥青研 究中心( n c a t ) 提出了四种离析情况，即未离析、轻度离析、中度离析和重度 离析，并给出了相应的判定标准。 郑州人学硕| ：学位论文 第三章沥青混含料级配离析的路面雷达检测技术研究 第三章沥青混合料级配离析的路面雷达检测技术研究 3 1 路面雷达检测技术概述 3 1 1 路面雷达的发展概况 路顽雷达是在探地雷达的基础上发展起柬的，而探地雷达是一种用于确定 地下介质分布的广谱( m h z g h z ) 电磁技术口6 】【2 7 1 ，其工作原理类似于探空雷 达。探地雷达所用的采样频率一般为数兆赫兹左右，而发射与接收的射频频率 一般在l o h z 2 1 0 h 2 之间。雷达波频率高，波长短，遵守波的传播规律， 具有入射、反射、折射与衰变等传播特点2 8 1 。 7 0 年代中期以来，针对路面结构的特点和工程实际需要发展起来的路用探 地雷达( 也称为路面雷达) 技术受到广泛关注。路面雷达综合应用了瞬态电磁 场理论、时域测量技术、纳秒脉冲源技术、超宽带天线技术和信号处理技术等 多方面的技术成果，具有快速、连续、无损伤等特点。它通过发射天线从地表 向地下发射高频脉冲电磁波，利用电磁波在介质介电特性变化的界面上发生反 射和折射的原理，根据接收天线接收的回波信号的形状、时延等特征参数，分 析计算路面结构层的厚度。 8 0 年代以来，美国的g s s i 公司、p 1 】l s e r a d a r 公司、p e n e t r a d a r 公司以及加 拿大的s s i 公司等厂家相继推出了商用路面雷达检测系统和配套的数据分