基于红外热像仪技术的沥青混合料析离现象研究

汪建明

(甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司， 甘肃 定西　730030)



基于红外热像仪技术的沥青混合料析离现象研究

汪建明

(甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司， 甘肃 定西730030)

[摘要]研究主要目的是应用红外热像仪技术检测及判别沥青混凝土粒料析离。首先以实验室制作模拟沥青拌合料析离试件，包括相同沥青含油量试件及不同程度粗与细粒料比例级配试件，应用红外热像仪拍摄，获得试件表面辐射温度分布，经过资料处理找出热对比与位置关系，初步了解析离的特征及作为温度析离初步判别指标。结果显示，热对比曲线的震荡幅度较为平缓时，此粒料间黏结较好较为密实，反之，热对比曲线的震荡幅度较为大时，热对比有较明显的差距，此粒料间可能有析离或孔隙产生。此可说明析离试件有较大的热对比变化，将可进一步做为现场析离的指标。

[关键词]无损检测； 热影像仪； 析离

1概述

沥青混凝土析离长久以来是指富含粗颗粒料局部分布于路面某一区域而细粒料局部分布于另一区域的路面上。富含粗粒料的区域经常呈现较高孔隙率及较低沥青含油量，也因为如此，路面含有粗颗粒料析离区域经常造成严重的沥青混凝土性能问题，包括降低密度、减少劲度、减少抗拉强度、减少疲劳寿命。在另一方面，富含有粗颗粒析离区则经常呈现低孔隙率及高沥青含油量，因此造成析离区域局部下陷，造成不均匀表面纹理，而加速早期破坏。虽有传统性检测方法，但属破坏性检测，在现场挖取检测试件进行检测，检测完毕后，须将挖取部分填满，检测范围小、耗时、费力。利用红外热像仪进行沥青混凝土无损检测方式，可做大范围损害评估，进而评估析离的沥青混凝土对路面的影响。Christopher等人[1]，针对两种不同的公称最大粒径，13.2 mm及25 mm及两种不同的粒料型态，石灰岩及砾石级配，在现场进行现有路面及热拌沥青厂热影检测，发现热影像仪用来检测沥青混凝土的效果似乎不大，除非再加上目视加以辅佐，同时热影像仪无法检测当析离发生在路面下的状况。Mahoney等人[2]利用热影像仪测华盛顿州交通部的路面计划并在温度大的位置注记。接着在路面较冷区钻芯取样13组，并于实验室获得这些试样的级配分布，沥青含油及孔隙率，从试验结果发现在路面较冷区的孔隙比平均高于3.9%，但在级配及沥青含油量去无明显析离现象。Stephen等人利用热影像仪技术来侦测沥青混凝土铺筑时所产生析离位置，检测结果显示，温度差确实与沥青混凝土材料性质有关，同时说明温度差大于13.9 ℃时，德州的沥青混凝土有析离问题。基于此，他们发展PAV-IR系统并连结PAV-IR软件套件作为收寻并显示析离可能位置，以提供铺筑机操作者降低沥青铺筑所造成析离问题，进而减少路面提早破坏可能性。Henault等人[3]在康狄州选择11个正在进行路面计划，研究发展沥青混凝土施工时降低温度差的方法，并探讨温度析离与粒料析离是否存在某种关系及热影像仪是否可以用来辨识粒料析离。研究发现在路面较冷区的孔隙率只有些微高于邻近路面，这与之前研究者有些不同，他们推测可能归因于良好的压实施工。温度析离与粒料析离相互独立，但也能同时存在。温度析离与粒料析离无法利用热影像仪技术来区别，但作者们仍认为热影像仪是一个有效方法来检测沥青混凝土施工的温度差。

因此沥青混凝土的析离有2种： ①粒料析离； ②温度析离。温度析离是指沥青路面上有一单独区域的温度明显与其他位置沥青路面不同，而粒料析离是指沥青路面上有一单独区的颗粒尺寸分布明显与其他位置沥青路面不同。温度析离与粒料析离是不相同因素所造成，但有可能相同存在于路面上，因而造成区别这两种析离困难，温度析离可以由红外热像仪技术来检测出，粒料析离较难由红外热像仪技术来辨识。大部分研究者都用温度差，即析离区温度与邻近正常区温度之差，检测温度析离，但当用温度差作为温度析离的指标时材料的传导特性却被多数研究者忽略，以致热影像仪的功能未能完全发挥。 本研究目的是应用红外线热影像技术检测沥青混凝土粒料析离，利用不同粒料配比进行热影像拍摄，并借由拍摄照片分析是否有粒料析离的现象。经由热影像图片可以清楚显是各不同配比粒料试件照射试件的辐射温度，经由计算各不同配比粒料热对比找出粒料析离特征、析离程度和范围。

2研究方法及步骤

2.1研究方法

本研究应用红外热像仪照射不同粒料析离试件，析离试件的粒料级配分为无析离、轻度、重度析离三种。目前现场采用温度差作为析离判别准则，而温度差较难判别粒料析离，因此尝试以热对比作为粒料析离指标。红外热像仪是通过非接触探测红外线能量，任何物体以热的形式发射红外线辐射，当物体一旦受到热源加热，物体表面辐射温度下降，直到与环境温度平衡，热的传播与物体材料热性质有关，例如热传导系数、热比容及密度。当路面呈现粗颗粒分布时，在颗粒间将有较大的孔隙比例，这将导致这区域沥青混凝土的加速冷却，换言之，呈现较低的温度，相反地，沥青混凝土呈现较密或较细颗粒分布时，续热时间较久，而使得这区域呈现较高温度。基于这个结果，红外热像仪因可应用在辨识沥青混凝土的粒料析离。

2.2研究步骤

2.2.1制作析离沥青混凝土试件

本研究采用的沥青为90号道路石油沥青，粒料源自某拌合站的河床料。将选定3种不同级配粒料(见图1)，这3种粒料级配是根据密级配沥青混凝土规范配比来调整，将粒料放置170 ℃烘箱烘干1 h将与含油量5.5%沥青拌合，两者拌和温度157 ℃～161 ℃ ，两者拌合90 s，完成拌合。迅速将拌合后沥青混凝土，倒进木制作30×30×66 cm模型里，试件的压实为自制的圆柱体混凝土滚轮来回滚压50次后，放置恒温24 h后，再来拆模，完成沥青混凝土试件。图2(a、b、c)分别为无析离、中度析离、重度析离沥青试件。试件制作完成后，在试件上横向标示3条线从上到下分别为A-A测线、B-B测线、C-C测线，纵向标试3条线从左到右分别为D-D测线、E-E测线、F-F测线，以供热影像仪检测读取线上温度。

图1　沥青混凝土级配曲线图Figure 1　Asphalt concrete grading curve

(a) 无析离(b)中度析离(c) 重度析离

2.2.2实验室热影像仪检测

① 建立热影像仪系统。

本研究热影像仪系统设备包括红外热像仪、加热器、笔记型电脑、数位摄影机及温度计。红外热像仪是美国FLUKE公司出产的TIR4FT红外热像仪(见图3)，温度解析度0.1 ℃，而加热器为自制卤素灯加热器。

图3　TIR4FT红外热像仪Figure 3　TIR4FT infrared thermal image instrument

② 热影像检测。

初步经过选定放射率及测试距离(1.0 m垂直距离)及自动调焦及开始进行检测。检测时先由加热器对试件加热后，加热时间每隔5 min拍摄热影像图，加热至15 min时试件温度已大约达到60 ℃，不再继续加热，使其试件开始降温，每隔5 min并拍摄热影像图，直到试件降至大约与环境温度差不多相同时，停止拍摄，约1 h拍摄13张热影像图。

2.3热影像资料分析

本研究从热影像仪所拍摄可获得试件标示表面辐射温度分布图像，使用TIR4FT红外热像仪配套软件分析图像。接着分别在无析离、轻度、重度选取样点，经由配套软件分析升温段及降温段变化曲线接着以下列公式计算热对比C(t)变化曲线。

(1)

式中：Tv(t)为析离区辐射温度；Ts(t)为环境温度，实验室的环境温度为26 ℃，以上式计算各沥青混凝土试件，制作图表来判断沥青析离区域。

3研究成果

3.1沥青混凝土试件与表面温度变化关系

此三块试件分别为无析离(见图4(a))、中度析离(见图4(b))、高度析离(见图4(c))，拍摄加热15 min温度大约达到60 ℃热影像图，在各试件上方呈现温度较低的状况，由于上方放置保丽龙片，所以不考虑此区温度影响。在无析离试件照射达60 ℃热影像图(见图4(a))，可以看出来表面温度变化不大，表面温度很平均，沥青包裹粒料良好，加热时平均表面温度上升稳定。在重度析离试件照射达60 ℃热影像图(见图4(c))，发现有些地方温度较高，由于含油量不足，无法包裹住粒料，孔隙率增加，有孔隙的地方，表面温度较高，也因而呈现表面温度变化较大。

(a) 无析离(b) 中度析离

(c) 重度析离

3.2沥青混凝土试件与热对比关系

分别在无析离(见图2(a))、轻度析离(见图2(b))、重度析离(见图2(c))体上横向标示三条线从上到下分别为A-A测线、B-B 测线、C-C测线，纵向标试三条线从左到右分别为D-D测线、E-E测线、F-F测线，以供热影像仪检测读取线上温度每隔约3.5 cm取一点温度，每条线上各会有9点，观察各试件在不同级配各测线与热对比关系(见图5)。在A-A测线(见图5(a))，无析离与中度析离热对比最大值与最小值温差不大，此地方可能较无析离，而重度析离最大值与最小值温差较大，此区域可能有析离。在B-B测线上(见图5(b))，各曲线较无平缓，但重度析离在21～28 cm的地方热对比明显的下降，此区域可能有析离或孔隙产生。

在C-C测线上(见图5(c))，重度析离曲线上，0.5～3.5 cm的测线上热对比上升，热对比温差较大此区域有孔隙产生。在E-E测线上方(见图2(a))无析离试件上方有明显的粗粒料，造成照射的温度有所落差，在无析离的曲线上有明显的震荡(见图5(d))。在F-F测线上(见图5(f))，重度析离曲线上，0.5～7 cm的测线上热对比温差较大此区域有孔隙产生。在热对比最大值与最小值有着明显的差距时，此区域可能有析离或孔隙产生，而热对比曲线上下震荡较为平缓时，而粒料之间黏结较为密实良好。

图5　每条测线每隔3.5 cm各点的热对比曲线图Figure 5　Line every 3.5 cm each point thermal contrast curve

4结论与建议

① 在同一测线上的热对比曲线的震荡幅度较为平缓时，此粒料间黏结较好较为密实，反之，热对比曲线的震荡幅度较为大时，热对比有较明显的差距，此粒料间可能有析离或孔隙产生。

② 当试件路面上，表面温度热影像图中，有明显的温度较高的特征，极有可能是孔洞。

③ 本研究借由红外热像仪来判别是否沥青混凝土有析离的现象产生，借由表面温度照射来转换成热对比曲线图，找出热对比温差距较大的地方，找出析离的区域与范围大小。

④ 本研究制作各试件，使用相同含油量作为探讨，往后可进一步探讨不同含油量与不同配比粒料表面温度与热对比的关系，进而去找出粒料析离与含油量的关系。

⑤ 由于红外热像仪红外热像仪，因有环境辐射温度的影响，因此外在环境温度需加以考虑。

⑥ 本研究将尝试在实验室建构检测析离程序与评估析离的沥青混凝土对路面性能影响，进而在现场里探讨。

[参考文献]

[1]Williams， R. Christopher； Duncan， Gary Jr.；White，Thomas D.(2013)，Hot-mix asphalt segregation；Measurement and effect，Transportation，Research Record，n.1543，Nov，p.97-105.

[2]Stropup-Gardiner， M， andE. R.Brown(2012)， NCHRP Report 411：Segregation in Hot-Mix Asphalt Pavements，TRB，National Research Council，Washington，D.C..

[3]Henault，John W.；Larsen，Donald A.(2009)，Thermal imaging of hot-mix asphalt paving projects in connecticut，Transportation Research Record，n.1946，Construction，p.63-70.

[4]Khedaywi，taisir S.；White，Thomas D.(2010)，Development and analysis of laboratory techniques for simulating segregation，Transportatian Research Record，n.1492，Jul，p.36-45.

[5]张国柄，邱志雄，张相杰.评价沥青路面离析状态的无损检测方法探讨[J].中外公路，2006，6(3)：2-7.

[6]沈金安.沥青与沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2000.

[7]郭大进.运用红外热像仪改善沥青混合料温度离析效果的研究[J].公路交通科技，2007，3(4)：5-10.

Based on the Technology of Thermal Imaging Instrument Research Asphalt Mixture Separation Phenomenon

WANG Jianming

(Gansu Provincial Highway Aviation Tourism Investment Group Co， Ltd Dingxi， Gansu 730030， China)

[Abstract]Purpose of this study is to apply infrared thermal image instrument detection and discrimination of asphalt concrete aggregate separation technology.First with laboratory simulation of asphalt mix separation specimens，including the same asphalt content of specimen and different degree of coarse and fine aggregate proportion grading specimen，using infrared thermal image instrument，obtained the specimen surface temperature distribution，find the exact location of the thermal contrast and relations through data processing，a preliminary understanding of separation characteristics and temperature separation as preliminary judging index.Results show that the thermal contrast curve when the oscillation amplitude is relatively flat，good coherence between the aggregate is relatively dense，on the other hand，the thermal contrast curve of the oscillation amplitude is relatively large，the thermal contrast has the obvious gap，may have a separation between the aggregate or pore.This can explain separation specimens have larger thermal contrast change，will further serve as an indicators of the separation.

[Key words]nondestructive testing； thermal image instrument； separatio

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0055-04

[作者简介]汪建明(1973-)，男，甘肃定西人，高级工程师，研究方向：公路工程。

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(201312024)

[收稿日期]2014-10-29