沥青混合料施工均匀性的研究进展及展望*

张 苛 罗要飞 李文龙

(阜阳师范学院信息工程学院1) 阜阳 236041) (长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室2) 西安 710064)

0 引 言

沥青混合料由沥青、集料和空隙等部分组成，理论上来讲，形成沥青路面的沥青混合料中的各组成部分应均匀分布.为实现优良的服务水平和长久的使用寿命，沥青路面内部各组成材料应该分布均匀.但是，由于施工过程的复杂性和众多的不可预见因素，绝对的均匀是很难实现的，也就是说沥青路面的非均匀现象是不可避免的.非均匀现象是沥青路面施工均匀性不佳，是由于路面材料组成、设计及施工等因素变异引起的质量波动，并在路面上表现出来的质量不均匀和不稳定现象.非均匀的部位在行车荷载和自然因素的作用下，首先出现局部损害，并进而发展成较大面积的损坏，如由于局部离析引起的松散与坑槽，局部路段级配不良或压实不足引起的车辙等.因此，应对沥青路面的施工均匀性加以重视，实际工程中沥青路面的非均匀现象必须处于可控范围内，以保证沥青路面良好的使用性能.

目前，沥青路面的非均匀性已引起充分的重视，国内外专家学者针对沥青路面的非均匀现象展开了广泛的研究.当前关于非均匀性的研究主要集中在混合料的设计及生产阶段，且大多采用室内试验模拟的方法研究离析对沥青混合料性能的影响、改善混合料的抗离析性能及评价混合料在施工过程中的离析现象，还有一部分研究采用图像处理技术研究沥青混合料试件内部集料和空隙的分布情况，涉及摊铺碾压完成后沥青路面施工均匀性检测与评价方面的研究并不多.本文分别从沥青混合料非均匀性的成因、非均匀性对沥青混合料性能的影响、沥青混合料非均匀性的评价及控制、沥青路面非均匀性的检测与评价等方面进行阐述，探讨目前沥青路面施工均匀性检测存在的问题和不足之处，最后针对沥青路面的宏细观结构特点，提出沥青路面施工均匀性精细化检测与评价方面未来进一步研究的方向.研究成果可为沥青路面非均匀性的预防和检测提供一定的参考依据.

1 沥青混合料离析的成因及其性能变异情况

1.1 沥青混合料离析的成因

为弄清沥青混合料离析的成因及形成过程，陈静云等[1]基于堆料试验研究了级配、沥青用量及温度对混合料离析的影响，发现级配和沥青用量的影响程度大于温度.冯忠绪等[2]从施工碾压的角度分析了沥青混合料的不均匀现象，并提出碾压离析的概念.秦雯等[3]通过室内试验模拟集料从仓体流出的过程，发现由于细料向下渗透导致沥青混合料在贮料仓卸料时产生离析现象.彭余华等[4]从沥青混合料的设计和施工方面分析了影响沥青路面施工均匀性的因素.Wu等[5]建立了沥青混合料离析程度与现场空隙率、沥青含量、各筛孔通过率、路面密度间的关系模型，并通过室内试验验证了模型的准确性.Mahoney等[6]研究发现施工温度较低区域的沥青路面中沥青含量和级配未发生明显离析，但空隙率较周围的路面要大.Oginskas[7]根据不同筛孔集料通过率的变化情况发现，采用不同来源的再生料制备的沥青混合料试件的均匀性无显著差异.

以上研究表明，沥青混合料在施工过程中集料颗粒、混合料温度和压实功分布不均匀是造成沥青路面非均匀现象的主要原因.集料颗粒的不均匀分布导致沥青路面出现级配离析，主要是施工过程中由于施工机械及人为因素引起混合料中粗细集料的分离，沥青路面局部区域表现出粗集料或者细集料集中的现象.公称最大粒径较大的沥青混合料通常在施工过程中表现出较严重的集料离析现象.而摊铺、碾压等施工过程中沥青混合料的温度不均匀或弱压实造成沥青路面的空隙率偏大或偏小，导致沥青路面出现压实离析，此时沥青路面内部的集料分布均匀性未出现明显的变异情况.

1.2 非均匀性对混合料性能的影响

在沥青路面非均匀性现象中最常见的是级配离析和温度离析，国内外专家学者针对级配离析和温度离析对沥青混合料性能的影响开展了大量研究.姜旺恒等[8]采用模拟动水压力试验研究了级配离析对沥青混合料抗水损坏能力的影响，并提出了混合料生产及摊铺阶段的级配控制要求.李立寒等[9]研究发现粗集料离析沥青混合料的水稳定性不利，细集料离析显著降低抗车辙及抗滑性能.张苛等[10]在室内设计了不同离析程度的混合料，分析了级配离析程度对混合料路用性能的影响，发现中度和重度离析导致混合料的水稳定性显著下降.Azari等[11]研究了径向非均匀性对沥青混合料性能的影响，发现非均匀沥青混合料的剪切模量增大，抗车辙和抗疲劳性能大幅下降.另外，彭勇等[12-13]分别研究了沥青混合料的均匀性对力学性能和疲劳性能的影响，发现均匀性良好的混合料其力学性能变异较小，混合料发生离析后的疲劳寿命降低.郑晓光等[14]研究了温度离析对路面性能的影响，发现严重温度离析的路面易出现疲劳破坏和水损坏.

相关研究表明非均匀性对沥青混合料的力学性能具有显著影响，沥青混合料发生离析后各项路用性能均出现一定程度的下降，非均匀性是导致沥青路面使用性能下降的主要原因之一.因此，在施工过程中为保证沥青路面的使用性能，需要控制沥青混合料非均匀现象的发生.但是，目前通过控制关键筛孔集料的通过率或者试件的成型温度、压实作用次数等来模拟非均匀混合料具有一定的局限性，这种方法模拟的非均匀混合料同沥青路面上的离析混合料存在一定的差异.因此，需要针对非均匀沥青混合料的室内模拟或数值模拟开展进一步研究，使得模拟离析混合料同实际路面的非均匀现象尽可能一致.

2 沥青混合料离析程度的评价及控制

2.1 沥青混合料离析程度的评价

针对沥青混合料离析程度的评价方面，刘红瑛等[15]开发了一种集料离析测量仪，利用前后料仓集料通过率之差可有效评价混合料的级配离析情况.唐娴等[16]开发了沥青混合料离析测定仪，提出采用离析势能指数作为评价沥青混合料离析程度的指标，并建立了沥青混合料的离析标准.包秀宁等[17]针对颗粒材料建立粒径连续分布模型，提出以粒径分散系数差为指标评价沥青混合料的离析情况.杨博等[18]研究了离析级配曲线与设计级配曲线间的包络面积和混合料性能偏差的相关性，提出采用级配曲线的包络面积定量评价沥青混合料的离析.麻旭荣等[19]分析沥青混合料级配组成同体积参数之间的关系，提出以级配偏差值、空隙率、沥青用量及最大理论密度的差值作为混合料离析程度的评价指标.

以上研究主要以沥青混合料这种散体材料作为研究对象，分析沥青混合料的施工过程中的集料离析行为，从颗粒的物质特性着手，提出反映沥青混合料集料颗粒动态行为规律的离析评价指标.相关研究成果有助于提高沥青混合料的设计质量，改善沥青混合料的抗离析性能，进而实现沥青路面非均匀性的主动控制.但沥青路面作为一种产品，其最终的施工均匀性如何，还需要以沥青路面作为研究对象，采用一定的技术手段对其施工均匀性进行检测.

2.2 沥青混合料离析程度的控制

针对沥青混合料离析程度的控制方面，文献[4]从集料选择、施工工艺、摊铺机参数设置及摊铺方式方面提出了粗粒式沥青混合料离析的控制措施.光同文等[20]分别研究了沥青混合料转运技术改善级配离析和温度离析的效果，发现转运技术的应用可有效减轻混合料的级配离析和温度离析现象.王正韶[21]分析了SMA沥青混合料在生产、施工过程中产生离析的原因，发现合理的生产及施工工艺可有效减轻离析现象.谢立扬等[22]研究发现合理的搅拌缸几何参数、沿搅拌轴纵向布置矿粉和沥青、根据冷骨料级配调整热料仓比例和振动筛孔尺寸等有效控制拌混合料的离析.郑晓光等[23]建立了混合料温度变化同密度、空隙率等参数变化的关系，建议在施工过程中将混合料的温度变化范围控制在20℃以内.Liu等[24]研究了减轻沥青路面压实离析的方式，发现通过一些技术措施如改善摊铺机和压路机的操作特性，可以控制压实离析的产生.

沥青混合料离析的控制，可以从沥青混合料的设计及施工过程等方面着手加强控制，尤其是沥青混合料的运输、摊铺、碾压等施工工艺对沥青路面非均匀性现象的影响最为显著.沥青混合料转运技术、红外热像仪等设备的应用可在一定程度上改善沥青混合料的离析现象.施工时防止沥青混合料料温的散失，合理安排摊铺工艺、及时充分压实，也是保证沥青路面施工均匀的前提条件.同时，在施工过程中还应对沥青混合料的配合比、施工工艺等及时调整，实现沥青混合料施工的动态控制.

3 沥青路面非均匀性的检测与评价

3.1 基于宏观尺度的沥青路面非均匀性检测

在沥青路面非均匀性的检测与评价方面，传统的检测方法主要有目测法和实测法.目测法简单快速，但评价结果因人而异，无法得到定量的结论，而实测法主要通过仪器设备测量沥青路面的密度及构造深度等指标的变化，实测法的结果相对可靠，目前关于沥青路面非均匀性的研究大多集中在实测法方面.张争奇等[25]分析了无核密度仪PQI检测沥青路面的可行性，并通过采用PQI检测沥青路面的密度定量地评价路面的离析程度.包秀宁等[26]验证了采用构造深度作为判别沥青路面离析指标的可行性，建立了不同离析程度的评价标准.王端宜等[27]采用图像处理技术测量沥青路面的构造深度，发现基于图像处理的构造深度测试方法操作方便、检测精度高.宋永朝等[28]对采集的沥青路面图像进行处理，通过计算路表下凹面积分数的变异系数评价沥青路面纹理构造分布的均匀性.Stroup等[29]采用红外热成像技术检测沥青路面的温度离析，并定义混合料的最大温度变化范围小于10 ℃、介于10 ℃～16 ℃、16 ℃～21 ℃和大于21 ℃为无离析、轻度离析、中度离析、重度离析.

以上研究多采用密度、空隙率、构造深度等宏观指标评价沥青路面的施工均匀性，也是目前沥青路面检测时常用的指标.大多情况下，这些指标是一定体积或一定平面区域内的平均值，仅能从总体上或者某些方面如路面表面反映沥青路面的施工质量均匀性，无法反应路面结构内部的体积组成特性和材料分布是否均匀.同时，密度、构造深度等指标与沥青路面的路用性能尤其是力学性能指标间缺乏明确的相关规律.目前，宏观指标与沥青路面施工均匀性的关系有待进一步研究，仅依靠PQI无核密度仪、激光纹理仪、红外热像仪等检测设备无法全面量化地反映沥青路面的施工质量均匀性.

3.2 基于细观尺度的沥青路面非均匀性检测

国内外也有不少学者尝试基于数字图像处理技术，采用集料或者空隙的分布情况从细观尺度方面评价沥青混合料的均匀性.吴文亮等[30]将集料颗粒面积比的变异系数(均匀性指标)与集料的分计筛余百分率进行线性回归分析，发现均匀性指标可定量评价沥青混合料的离析程度.彭勇等[31]从集料的分布数量和分布位置角度出发，提出面积比系数k和均匀性指标D等评价沥青混合料离析程度的指标.李智等[32]基于CT扫描技术，采用粗集料不均匀系数、试件颗粒竖向变异系数等指标评价了路面结构集料颗粒的竖向离析情况.Bessa等[33]采用数字图像处理技术分析了沥青混合料中集料的接触点位、颗粒方向及离析情况.Bruno等[34]综合利用多种数字图像分割技术获得了沥青混合料切片集料的级配信息，并建议采用此方法评价混合料的矿料级配情况.Wu等[35]采用数字图像技术分析沥青混合料试件切片上集料的分布情况，提出以集料面积比的变异系数作为评价沥青混合料均匀性的指标.

但目前在进行图像处理时，通常将粒径大于2.36 mm甚至更粗的集料分割开来，忽视细集料颗粒对集料分布均匀性的影响，图像分割的效率不高，且粗集料颗粒的粘连现象也未得到有效解决，数字图像处理时各组分识别分离的精度还需要开展进一步研究.而以路面芯样为研究对象，通过研究路面芯样内部材料的分布状态表征沥青路面的施工均匀性也具有一定的片面性.在路面上钻取芯样选取点位时通常采用随机的方式，这种以点带面的随机取样方式使得检测结果不能全面反映一定区域内沥青路面的施工均匀性.

在沥青混合料内部的空隙特征方面，谭忆秋等[36]采用工业CT设备实现沥青混合料空隙率计算的数字化，并推荐了最优的CT扫描参数.吴文亮等[37]研究了沥青混合料试件、路面取芯试件中的面空隙沿深度方向的分布情况，发现各类试件的面空隙沿深度方向的变化情况是不一致的.裴建中等[38]研究了多孔沥青混合料的空隙竖向分布特，获取混合料内部空隙特征参数以及空隙竖向分布级配评价多孔排水沥青混合料的空隙空间信息.蒋玮等[39]研究了多孔沥青混合料细观空隙特征，提出了用于表征多孔沥青混合料的细观空隙特征参数：空隙等效直径、空隙面积、空隙数量、计盒维数，发现计盒维数越大混合料内部的空隙结构越复杂.Wang等[40]研究了水泥乳化沥青混合料内部空隙数量、空隙尺寸和空隙率等指标的变化规律，发现试件两端部位的空隙数量多、尺寸大，中间部位相反.

以上研究多针对试件或芯样内部的空隙分布特性进行评价，证实了沥青混合料的种类不同、成型方式不同，内部的空隙分布特征存在明显的差异，为认识混合料内部的空隙等细观结构提供了基础.但相关研究仅仅是对混合料内部的空隙进行单纯地描述，且主要以断层图像的面空隙作为研究对象，主要涉及混合料内部的空隙数量、空隙直径、空隙沿试件高度的分布特点等方面，评价指标多作为表征混合料内部结构和性能的参数.沥青混合料内部的空隙分布常规规律如何，在何种情况下沥青混合料的空隙分布是均匀的尚缺乏有效的研究.此外，对于空隙分布不均匀的试件或者芯样，其非均匀的程度也没有明确的区分标准.因此还需要对沥青混合料内部空隙的分布均匀性进行深入的评价.

4 结 论

目前，沥青路面的非均匀性已引起充分的重视，但相关研究大多采用室内模拟的方法研究非均匀性对沥青混合料性能的影响、改善混合料的抗离析性能及评价混合料在施工过程中的离析现象，涉及沥青路面施工均匀性检测与评价方面的研究并不多.沥青混合料是由集料、沥青和空隙形成的多层次立体复合材料，未来可以从宏观和细观角度出发，根据沥青路面表面和内部的材料组成及空间分布特点，建立基于多重尺度的沥青路面施工均匀性精细化检测与评价体系.具体可以从以下几方面开展深入的研究：

1) 实现非均匀沥青混合料的有效模拟 目前，在实验室内通常控制某一档或几档筛孔的通过率以及不同的压实温度来模拟非均匀沥青混合料，这同实际沥青路面非均匀现象存在一定的差异.如何实现现场非均匀沥青混合料的有效模拟还需开展进一步研究.可尝试借助离散单元法等软件对沥青混合料的非均匀程度进行定量地模拟.

2) 沥青混合料内部集料颗粒的有效分离技术 目前，在进行CT图像处理时，往往仅能将粒径大于2.36 mm甚至更粗的集料分割开来，图像分割的效率不高，且集料颗粒的粘连现象也未得到有效解决.同时，在图像处理过程中，常常会造成集料颗粒的膨胀或收缩，进而影响最终集料分布均匀性的评价结果.CT图像中，数字图像处理技术组分识别分离的精度有待进一步提高.

3) 建立基于多重尺度的沥青路面施工均匀精细化检测体系 路表纹理的构造、集料和空隙的分布情况评价沥青路面的施工均匀性，但现有的研究通常从路表或路面内部采用集料或空隙等某一方面评价沥青路面的施工均匀性，而采用单一或单方面的指标无法全面有效地评价沥青路面的施工均匀性.沥青路面的表面和内部材料的分布均匀性均会影响最终沥青路面的施工质量，需要从宏观和细观尺度着手，建立基于多重尺度的沥青路面施工均匀精细化检测与评价体系.