PQI用于沥青混合料密度检测的影响因素分析

林钦国，熊斌丹

(中交四航局第一工程有限公司， 广州　510500)

PQI用于沥青混合料密度检测的影响因素分析

林钦国，熊斌丹

(中交四航局第一工程有限公司， 广州510500)

摘要：分析无核密度仪(PQI)用于沥青混合料密度检测时的影响因素。影响因素包括：集料种类，级配，碾压遍数，水，沥青混合料温度，检测深度。检测结果表明：集料种类及水对PQI检测值有显著影响；级配变化及碾压遍数变化对PQI检测值有影响；沥青混合料温度和检测深度对PQI检测值无显著影响。基于检测结果，给出PQI用于沥青路面施工中压实度快速检测的建议。

关键词：道路工程；无核密度仪；压实质量；无损检测

沥青混凝土路面施工中，压实度是一个非常重要的控制指标，压实度不足容易导致沥青路面早期损坏。沥青路面压实度与原材料、级配、施工机械、施工方法均密切相关[1-2]。压实度检测目前最常用的是钻芯法，其次还有核子密度仪法等。

钻芯法具有以下缺点：1) 有损检测。钻芯对路面结构有破坏，钻芯位置回填混合料难以达到初始压实度，该薄弱位置容易导致路面结构水损害。2) 效率低。钻取芯样费时费力，测试密度也需要间隔24 h以上。3) 代表性差。根据JTG F80/1—2004《公路工程质量检验评定标准》规定，每车道200 m测1处压实度，难以反映该路段的压实质量及均匀性。核子密度仪法虽然能够对路面实行无损检测，但是其具有微小的核辐射，恐对人体健康造成危害，且对仪器的运输、保存、使用等都有严格规定。仪器使用前，人员需经过培训，并做到专人专用。因此，该方法在我国未得到普遍推广。

基于此，一种利用材料介电常数快速测量沥青路面密度的无核密度仪——PQI，在国内逐渐得到推广[3-4]，并在新河高速公路、青银高速公路、亳阜高速公路、通丹高速公路等公路工程路面施工质量控制中得到较好的应用。沥青混合料的介电常数与材料密度有良好的相关性，利用PQI能够快速、无损检测路面材料的密度，并可通过大量的压实度数据来反映压实的真实状况，可较为全面、客观地评价沥青混凝土路面的压实质量[5-7]。

虽然PQI已在国内部分工程中得到应用，但对于仪器使用过程中的影响因素目前尚未进行系统研究，这也是我国在路面施工检测中PQI应用推广较为缓慢的一个因素。由PQI检测原理可知，若沥青路面材料的介电常数发生变化，则最终检测值也会相应改变[8-9]，而影响路面材料介电常数的因素主要有混合料和测试条件2种，因此有必要从这2方面对PQI用于混合料密度检测的影响因素进行研究。本文利用Trans-Tech最新的PQI380仪器从混合料因素(级配、集料种类、碾压遍数)、测试条件因素(混合料温度、水、检测深度)2方面考虑，并通过控制干扰因素、变化单个因素进行试验，以分析不同因素对PQI检测值的影响。PQI380如图1所示。

图1　PQI380

1混合料对PQI检测值的影响

为了研究混合料对PQI检测值的影响，以控制不确定因素，在室内成型不同的车辙试件，并用PQI进行检测。成型试件时，采用逐档配料来精确控制混合料级配，保证油石比、碾压遍数等条件相同。车辙试件成型完毕后，在同一时间段内用PQI进行检测。

1.1集料种类对PQI检测值的影响

沥青混合料级配采用AC-25，集料分别选用玄武岩、辉绿岩、石灰岩3种类型。3种母岩的密度及介电常数范围分别是：玄武岩密度为2.6～3.3 g/cm3，介电常数约为8～9；辉绿岩密度为2.9～3.2 g/cm3，介电常数约为11～12；石灰岩密度为2.3～3.0 g/cm3，介电常数约为6～7。不同材质集料的密度与介电常数也各不相同。每种集料成型8 cm加厚车辙试件各3块，每块试件配料质量均为12 180 g，油石比为4.0%，沥青为SK-70沥青。合成级配和规范要求的级配范围如图2所示。9块试件均按照规范要求成型，拌和温度相同，碾压次数相同。待3种集料试件冷却至室温后，用PQI依次测试其9块试件的密度，结果如图3所示。

图2　AC-25合成级配

图3　不同材质集料车辙试件的PQI检测密度

图3中的密度值为PQI未经过校正的原始数据。由图3可以看出PQI检测结果为石灰岩集料混合料密度值最小，玄武岩次之，辉绿岩最大；不同集料PQI检测值差异非常显著，对同种集料试件PQI检测值取平均值，石灰岩与辉绿岩PQI检测密度之差为0.211 g/cm3。为了验证PQI检测值与混合料芯样实际密度的关系，待PQI检测完毕后，分别对3种集料车辙试件各钻取4个芯样，用表干法测其毛体积密度，并取毛体积密度的平均值作为该试件的毛体积密度，结果如图4所示。从图4中可以看出，表干法检测不同集料种类试件的密度大小排序与PQI检测结果相同，但同种试件的检测值有较大偏差。不同集料种类PQI所测得的密度值与钻芯实测的毛体积密度相关关系如图5所示。

从图5可以看出，PQI检测值与混合料密度值有很好的相关性(相关系数R2=0.96～0.99)，因此，采用PQI检测混合料密度完全可行。但由于不同集料种类对应的拟合曲线并不相同，因此对于不同集料种类的沥青混合料，测试前应钻取芯样并测量其密度，以校正PQI检测值，保证PQI检测数据具有代表性。

图4　不同车辙试件的毛体积密度

图5　不同试件PQI检测值与毛体积密度的拟合

1.2混合料级配对PQI检测值的影响

JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》规定，对于AC-25级配沥青混凝土，4.75 mm筛孔通过率大于40%为细型级配，小于40%为粗型级配。为分析级配对PQI检测值的影响，选择目标级配、粗级配、细级配3种级配成型8 cm厚的车辙试件，其级配曲线如图6所示。成型试件过程中需保持装料质量、油石比、碾压遍数相同，并进行3次平行试验，共成型9块车辙试件。

图6　3种级配混合料的级配曲线

用PQI测得3种级配、9块试件密度数据，如图7所示。由图7可以看出，3种级配密度由大到小依次为细级配、目标级配、粗级配。由此可知混合料的级配状况对混合料密度有较为显著的影响；对同种级配试件PQI检测值取平均值，细级配与粗级配PQI检测密度之差为0.083 g/cm3。

图7　3组级配车辙试件密度数据

笔者分析了级配对混合料密度造成影响的原因，认为：在装料质量、油石比、碾压遍数相同的情况下，级配越粗，其细集料相对较少，更难填充粗集料之间的空隙，导致混合料空隙率增大，密度减小；而级配越细，填隙越充分，碾压越密实，混合料空隙相对较小，密度就越大，PQI便能够检测出不同级配沥青混合料的密度波动情况，从而可为现场沥青混合料级配波动检测提供依据。

1.3碾压遍数对PQI检测值的影响

沥青路面施工过程中，初压，复压、终压等施工工序往往是交替进行。碾压过程中，多台压路机在同一路段作业，相互间的干扰经常存在，难免存在部分路段碾压不到或部分路段超压的情况。

因此，在车辙试件成型过程中，采取控制碾压遍数的措施来模拟碾压次数对试件密度的影响。混合料级配采用如图2所示的级配，且保证油石比、装料质量不变。共成型3块试件，并分别用PQI测量碾压8、10、12、14、16、18、20、22遍的试件密度值，结果如图8所示。由图8可以看出，随着碾压遍数增加，车辙试件密度不断增大，在达到18遍后，密度趋于稳定；碾压遍数对混合料密度有较为显著的影响；对3组试件PQI检测值取平均值，碾压22遍较碾压8遍PQI检测密度提高了0.092 g/cm3。

笔者分析了碾压遍数对车辙试件密度造成影响的原因，认为：在装料质量、油石比、碾压工艺相同的情况下，随着碾压遍数增加，沥青混合料间空隙不断被压密，密度也就不断增加，在达到一定碾压遍数后，混合料中空隙难以被进一步压密，密度增大不明显，反而有将集料压碎的风险。

图8　车辙试件密度随碾压次数的变化

本文就混合料角度对PQI检测值的影响进行了分析，分析结果表明，集料种类对PQI检测值的影响最大，其次是碾压遍数和级配。主要原因可能是，沥青混合料中绝大部分是矿物集料，而不同集料其密度不同，所组成混合料的压实特性也不同，故混合料集料种类对PQI检测值影响最大。碾压遍数与级配变化往往导致混合料空隙率发生变化，进而影响混合料的密度，致使PQI检测值也相应改变。

2测试条件对PQI检测值的影响

2.1混合料温度对PQI检测值的影响

现有研究表明，沥青混合料的介电常数会随测试时混合料温度的高低产生一定的变化。因此，有必要研究不同温度混合料的PQI检测值的变化情况。PQI380集成温度传感器显示温度范围为-17.7～177.6 ℃。室内试验时，采用PQI对刚成型完毕的车辙试件进行检测。混合料集料采用石灰岩，级配采用图2所示级配，且进行3组试验。试验方式为：用烘箱加热试件6 h到指定温度后，立即拿出试件进行测试，混合料温度从130 ℃起每降5 ℃测1次，最低测试温度为20 ℃。测试数据如图9所示。不同混合料温度采集密度值统计结果见表1。

图9　PQI检测密度随混合料温度变化

g/cm3

由图9可以看出，不同混合料温度下 PQI检测的车辙试件密度值仅有小幅变化。由表1数据可知，3#试件密度检测值极差最大，为0.022；1#试件密度检测值极差最小，为0.012。3#试件密度检测值变异系数最大，为0.29，1#试件密度检测值变异系数最小，为0.13。综合图9 和表1数据，密度检测值的波动在可控范围内，混合料温度对PQI检测的影响较小。由此可知，混合料温度对PQI密度检测值影响不大，在室外温度或路面施工碾压温度下均可利用PQI对路面进行密度测试。

2.2水对PQI检测值的影响

水的介电常数约为80，而常见集料的介电常数约为10，在自然条件下，降水会使沥青路面内部存在一定水分，因此研究水对PQI检测值会产生多大影响，对于工程应用十分重要。室内试验时，通过变化车辙试件喷水量来研究水对PQI检测密度的影响。具体方法是：使用喷雾器每次向试件整个表面均匀喷洒2 g水，并分别测试PQI检测值；加水至22 g时试件表面已充分湿润并有大量水珠，此时中止洒水。3块不同试件洒水后密度检测结果如图10所示。不同加水量下的PQI密度值统计结果见表2。

图10　水对PQI检测结果的影响

g/cm3

由图10可以看出，随着水量的增加，同一块车辙试件PQI检测密度值呈减小趋势。由表2数据可知，加22 g水后，2#试件的PQI检测值减小了0.268 g/cm3，1#和3#试件也减小了0.15 g/cm3。试验结果表明，水会对PQI检测结果造成较大误差，含水量越大，PQI检测密度越小。因此，利用PQI检测沥青路面密度时应保证路面干燥且无水分。

2.3检测深度对PQI检测值的影响

PQI说明书上规定PQI检测路面的有效深度范围为2.5～10 cm。因此，为了验证不同检测深度对检测值的影响，笔者通过设定不同的检测深度进行分析，试件采用图2所示的级配。3块车辙试件厚度均为8 cm，检测深度依次设定为2、3、4、5、6、7、8 cm，比较不同深度下PQI检测的密度变化，结果如图11所示。

图11　不同检测深度车辙试件密度测试结果

由图11可以看出，在不改变仪器摆放位置且仅改变仪器检测深度设置情况下，3～8 cm检测深度范围内的PQI检测密度均无显著波动，在检测深度小于仪器规定的2.5 cm时，密度值最大，凭经验判断其数据与实际密度有较大偏差，故检测数据失真；当检测深度在3～8 cm厚度范围内时，PQI检测密度无显著差异。因此，使用PQI进行沥青路面密度检测时，检测深度应设定在仪器规定的检测深度范围内。

本文就测试条件对PQI检测值的影响进行了分析，结果表明，水对PQI检测值的影响最大，其次是混合料温度，在规定的检测范围内检测深度变化对PQI检测值无影响。主要原因可能是，水的介电常数与混合料有很大差异，虽然水对混合料密度没有实质影响，但由于被测材料介电常数发生明显改变，故致使PQI密度检测值也相应改变。在混合料温度变化情况下，PQI检测值呈小幅波动，但误差不大。由此可知，混合料温度对PQI密度检测值影响不大。

3PQI工程应用建议

本文通过室内试验研究，对PQI的工程应用提出以下建议。

1) 当集料种类或级配发生改变时，必须对PQI进行相应标定，否则可能会带来较大的测试误差。

2) 由于级配变化和碾压遍数的变化会对PQI检测值造成影响，因此可采用PQI对沥青路面不同位置进行大量检测，以有效反映路面压实质量的差异性和均匀性，从而更好地分析沥青混合料的离析程度和压实度分布。

3) 由于混合料温度对PQI检测值无显著影响，因此在沥青混合料降温前的碾压过程中可采用PQI实时进行压实度检测。若施工中发现压实度不满足要求，则应及时进行补压，确保压实质量。

4) 使用PQI检测路面密度时，须保证路面处于干燥状态。若路面含有水分，则可能导致检测结果偏小。

5) 使用PQI检测路面密度时，PQI检测深度的设定必须在仪器规定范围内，且要在路面的实际厚度内。

4结论

1) 水和集料种类的变化对PQI检测结果有显著影响。随着混合料含水量增大，PQI检测值呈减小趋势；不同集料种类混合料的PQI检测值有较大差异。因此，利用PQI检测沥青路面密度时，应保证路面表面与内部处于干燥状态。当路面集料种类发生变化时，应重新对仪器进行标定。

2) 级配变化与碾压遍数对PQI检测结果有影响，这种影响的产生是因为这2种因素直接影响到混合料的密度，进而导致PQI检测结果改变。混合料温度与检测深度对PQI检测结果影响不大，混合

料碾压完毕后即可用PQI进行检测，检测深度应满足仪器说明书的要求。

3) 利用PQI检测沥青路面密度具有快速无损的优点。无核密度仪与芯样表干法测得的密度具有很好的线性关系，具有较高的测试精度，不仅大大提高了检测频率，而且还确保了检测结果具有代表性。

参 考 文 献

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Analysis for Influence Factors for Use of PQI to Test Density of Asphalt mixture

LIN Qinguo, XIONG Bindan

Abstract:This paper analyzes the influence factors for use of PQI to test the density of asphalt mixture. The influence factors include type of aggregate, grading, number of rolling compaction, water, temperature of asphalt mixture and testing depth. The results of test show that the type of aggregate and water exhibit outstanding influences on the tested values of PQI; the changes in grading and number of rolling compaction have influences on the tested values of PQI; and the temperature of asphalt mixture and testing depth show no remarkable influences on the tested values of PQI. Based on the results of test, the paper presents the recommendations on use of PQI for quick test of the degree of compaction during construction of asphalt pavement.

Keywords:road project; PQI; quality of compaction; nondestructive testing

文章编号：1009-6477(2016)02-0046-06

中图分类号：U416.217

文献标识码：B

作者简介：林钦国(1982-)，男，广东省惠来县人，本科，工程师。

收稿日期：2015-12-30

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.011