沥青路面现场施工质量检测与评价方法探讨

2019-09-12

材料科学与工程学报 2019年4期

(1.阜阳师范学院信息工程学院，安徽阜阳 236041； 2.宁波市交通建设工程试验检测中心有限公司，浙江宁波 315121； 3.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安 710064)

1 引言

按照相应的评定标准及规范对沥青路面的施工质量进行检测和验收是保证路面使用性能的重要手段，客观、准确的检测数据也是评价路面施工质量的重要依据。目前，我国沥青路面施工质量检测和验收的相关规范中缺乏沥青路面施工均匀性的评价指标。保证质量均匀与稳定是沥青路面结构与材料设计时最为重要的一个原则，沥青路面上局部位置出现的质量不均匀和不稳定现象即为非均匀性。我国沥青路面施工质量评价体系中缺乏反映沥青路面非均匀性的相关检测指标，是目前沥青路面各项检测指标虽能顺利通过验收，但病害依然不断出现的重要原因。同时，现行规范中与沥青路面使用性能相关的指标多属体积指标。实际工程中，一些沥青路面虽能够满足压实度和空隙率指标的要求，但仍然会出现严重的车辙和水损坏等早期病害。在沥青路面的诸多性能中，抗车辙性能好的路面常常也具有良好的疲劳耐久性。在众多早期病害中，车辙变形的危害性较大。因此，在沥青路面施工质量验收时，需要对沥青路面的现场抗车辙性能进行检测。

目前，相关研究多涉及级配离析等对沥青混合料性能的影响[1-2]、改善混合料的抗离析性能[3-4]及评价施工过程中混合料的离析现象[5-6]，涉及路面非均匀性检测方面的研究并不多。均匀性作为施工质量定量评价指标方面的研究还非常欠缺，尚未形成体系，且缺乏合理的评价标准。而关于沥青路面车辙方面的研究主要集中在车辙病害的成因分析[7-8]、改善沥青混合料高温性能的措施[9-10]、混合料抗车辙性能的评价方法[11-12]及车辙预估方面[13-14]，很少涉及沥青路面在施工结束后现场抗车辙性能检测方面的研究。

施工质量不均匀、抗车辙性能不足是沥青路面早期病害的根本原因，因此，在交(竣)工验收时需要从施工均匀性和抗车辙性能方面综合评价沥青路面的施工质量。本文首先通过室内试验分析非均匀性对沥青混合料性能的影响，探讨沥青路面早期病害的成因及非均匀性检测的必要性。然后，结合现场调研分析沥青混合料的高温稳定性同路面上车辙病害的关系，论证沥青路面现场抗车辙性能检测的必要性。最后，从施工均匀性和现场抗车辙性能方面出发，提出基于非均匀性和抗车辙性能的沥青路面施工质量检测方法。

2 非均匀混合料及试验方案

2.1 非均匀沥青混合料的设计

采用石灰岩粗集料、角闪岩细集料、石灰岩矿粉和埃索90#基质沥青，文中粗、细集料和沥青的各项指标均满足我国现行标准的要求。设计无离析(N)、轻度(L)、中度(M)、重度(H)和细集料离析(F)共五种离析程度的沥青混合料[1]，利用燃烧炉法和筛分法检测混合料中的沥青用量及矿料级配，不同离析混合料中各档集料的通过率见图1，空隙率和沥青用量见表1。

表1 不同离析混合料的沥青用量及空隙率Table 1 Asphalt content and void ratio of different segregated mixtures

温度离析和传统的压实离析均会降低混合料的压实程度，进而导致路面上压实不均匀现象的发生。分别从温度离析和压实离析角度出发分析压实不均匀对沥青混合料路用性能的影响。

2.1.1温度离析公路沥青路面施工技术规范中规定采用90#基质沥青的混合料运至施工现场的温度不低于140℃，在现场开始碾压时混合料的温度不低于125℃。同时，参考NCHRP 411报告中温度离析程度的分级标准，在实验室内模拟沥青混合料的温度离析时，分别将AC-20混合料的成型温度设定为155、140(参考值)、125和110℃。

2.1.2压实离析在室内通过控制轮碾成型和旋转压实成型的作用次数模拟沥青混合料在路面上发生的压实离析现象。采用无级配离析的AC-20混合料，在150℃的成型温度下，轮碾法分别选择碾压12、18、24(参考值)、30和36次制备板式试件，旋转压实法分别选择作用40、60、80、100(参考值)和120次制备SGC试件。

图1 AC20离析混合料的级配曲线Fig.1 Composition of AC20 segregated mixture

2.2 室内试验方案设计

分别从高温稳定性、低温抗裂性能、水稳定性和力学特性方面定量分析非均匀性对沥青混合料性能的影响，具体试验及方案设计如下：

高温稳定性：对发生离析程度的沥青混合料进行常规国产车辙试验，试件采用30×30×5cm的板式试件，试验温度设定为60℃，试验轮的接地压强为0.7MPa，评价指标为车辙深度和动稳定度。

低温抗裂性能：利用万能材料试验机作为加载设备，加载速率为1mm/min，试验温度-10℃，劈裂夹具的宽度为19.0mm，主要评价指标有间接抗拉强度、破坏拉伸应变和破坏劲度模量。

水稳定性：在50℃的水浴环境下，开展浸水汉堡车辙试验，选择试件剥落时对应的碾压次数(即剥落次数)、剥落点处对应的车辙深度和剥落速率作为评价指标分析级配离析对混合料水稳定性的影响。

力学特性：采用单轴压缩试验、间接拉伸试验评价不同离析程度沥青混合料的力学特性，评价指标为粘聚力c、内摩擦角φ值和剪切强度τ。单轴压缩试验条件：采用SGC试件，尺寸为φ100 ×100mm，试验条件25℃，加载速率为2mm/min；间接拉伸试验条件：采用SGC试件，尺寸为φ150×40mm，试验温度为25℃，加载速率50mm/min。

3 沥青路面非均匀性检测的必要性

采用级配离析(L、M、H、N、F)和温度离析、压实离析的沥青混合料试件，在实验室通过室内试验分析混合料路用性能的变化。级配离析条件下沥青混合料性能的变异情况如表2所示。从表2可以看出：

(1)同未发生级配离析的沥青混合料相比，轻度离析沥青混合料的高温稳定性有一定幅度的提高，增加了46.4%，而中度、重度和细集料离析混合料的动稳定度分别下降了26.6%、40.1%和65.4%。混合料内部的骨架结构对沥青混合料高温稳定性的影响较显著。密级配混合料属于悬浮密实结构，粗集料之间无法形成有效的嵌挤作用，而发生轻度离析后，矿料间可以产生有效的嵌挤作用，混合料内矿料颗粒间的摩阻力增大，轻度离析沥青混合料在高温条件下不易发生变形，表现为动稳定度略有提高。同时，由于细集料颗粒的比表面积大，在沥青膜厚度相同的条件下，细集料离析混合料中的沥青含量偏高，使得细集料离析区域成为路面上车辙病害高发的路段。

(2)在-10℃条件下，未发生离析的沥青混合料间接抗拉强度最大，细集料离析混合料次之。细集料离析混合料的间接抗拉强度同无离析混合料相比下降11.3%。对于粗集料离析混合料而言，沥青混合料的间接抗拉强度随离析程度的增加逐渐减小，轻度、中度和重度离析混合料分别下降19.1%、30.9%和42.8%。

(3)矿料级配发生中度和重度离析后，其沥青混合料抗水损坏的能力迅速下降。同无离析混合料相比，其剥落次数较无离析混合料分别下降32.4%和33.8%。而在细集料离析混合料内部，由于没有形成稳定的嵌挤结构，混合料在水与荷载的作用下很快发生破坏，剥落次数最小。无离析混合料出现剥落时对应的车辙深度最小，同无离析混合料相比，轻度离析混合料剥落时的车辙深度略有增加，增幅为10.2%。这与两类混合料动稳定度的大小排序并不一致，其原因主要是由于发生轻度离析后混合料的空隙率增大，而浸水汉堡车辙试验是在荷载和水分的耦合作用下进行的，试验环境同传统车辙试验差异较大，较大的空隙率为水分进入混合料内部提供了通道，加上荷载作用下的动水冲刷作用，使得轻度离析混合料的车辙深度略高于无离析混合料。而中度、重度离析沥青混合料的增幅分别达到52.8%、51.8%。

表2 级配离析条件下沥青混合料性能的变异情况Table 2 Performance variation of asphalt mixture with gradation segregation

(4)矿料级配离析后，沥青混合料的力学特性存在很大差异，混合料的抗压强度和25℃时的间接抗拉强度的变化趋势基本一致。无离析混合料抗压和抗拉强度最大，细集料离析混合料的抗压和抗拉强度同轻度离析混合料相差不大。细集料离析混合料的抗剪强度和无离析基本相当，高于其他几种离析混合料。随着粗离析程度的增加，离析混合料的强度呈现逐渐减小的趋势，中度和重度离析混合料的强度均下降40%以上。

发生温度离析和压实离析后，沥青混合料路用性能的变异情况见表3和4。

表3 温度离析条件下沥青混合料性能的变异情况Table 3 Performance variation of asphalt mixture with temperature segregation

表4 压实离析条件下沥青混合料性能的变异情况Table 4 Performance variation of asphalt mixture with compaction segregation

从表3～4可以看出：

(1)当沥青混合料的压实温度较低或压实功较小时，混合料的抗车辙性能较正常压实条件下大幅下降。当压实条件不良时，沥青混合料的密度较低，相对应的试件空隙率较大，试件内部混合料中粗集料颗粒间的接触较差，未能形成良好的骨架结构，使得沥青混合料在高温和荷载作用下易产生较大的压密变形，抗车辙性能较差。随着压实温度或压实次数的增加，在一定范围内，试件空隙率较小，混合料内部粗集料接触紧密，粗集料间的内摩擦阻力增大，高温稳定性相应地得到提高。

(2)在较低的压实温度或压实功不足时，沥青混合料的低温性能下降明显。当压实温度升高或压实功增大后，沥青混合料的低温性能不断增强，但增幅逐渐减小。温度过高时沥青的老化使得集料间的粘结力衰减，导致试件抵抗低温破坏的能力出现衰减。在合理的压实温度或压实功范围内，无离析沥青混合料的低温性能可以得到保证。

(3)当成型温度较低或未充分压实时，沥青混合料在荷载作用下的剥落次数和破坏次数显著下降，有些沥青混合料尚未来得及剥落即出现了破坏。成型温度和压实次数直接影响沥青混合料的密实程度，在合理的成型温度和压实次数条件下试件的压实度较高，此时的沥青混合料具有良好的粘聚力，故试件不易出现松散和剥落现象。对于压实不均匀的沥青混合料，沥青路面内部无法形成有效的嵌挤结构，空隙率较大，在水和行车荷载的作用下很快发生破坏。

(4)在一定的压实温度范围内，沥青混合料的强度先逐渐增大后略有下降。压实温度偏低、压实功不足会造成混合料内部的粘聚力和嵌挤力减小，导致沥青混合料的力学特性出现一定程度的衰减。但并不是压实温度越高，沥青混合料的力学特性越好。在高温条件下沥青的老化导致沥青与集料之间的粘结力和集料间的粘聚力下降，引起试件的抗压强度和劈裂强度均出现一定幅度的下降，最终导致沥青混合料的抗剪强度值较小。

综上所述，非均匀性显著降低沥青混合料的各项性能，是导致沥青路面早期损坏的主要原因之一。而我国沥青路面在交(竣)工验收时，并未将施工均匀性作为检测指标，往往忽视了施工均匀性的重要性。为合理地评价沥青路面的施工质量，需要在施工完成后对路面的施工均匀性进行检测。

4 混合料抗车辙性能与路面车辙病害的关系

在路面的各种力学性能中，对沥青路面影响最为显著的是高温抗车辙性能。高温抗车辙性能反映沥青路面在行车荷载作用下抵抗永久变形的能力，是沥青路面使用性能最直观的表现形式[15-16]。相较于低温裂缝、坑槽等早期病害，车辙对路面的危害性更大，不仅影响行车舒适性，甚至还会带来很大的安全隐患。

4.1 沥青路面车辙病害调查

选择陕西省西安～户县(西户)高速公路和河北省迁安～曹妃甸(迁曹)公路作为调研的对象，通过比较试验室内沥青混合料的高温稳定性和通车后实际沥青路面上出现的车辙情况，探讨二者之间的联系。

在西户高速公路施工过程中，工地实验室均会从拌合楼取料进行车辙试验。通过查阅工地实验室相关资料，上面层SUP-19改性沥青混合料、中面层AC-20基质沥青混合料和下面层AC-25基质沥青混合料的动稳定度分别达到5817次/mm、1525次/mm和1899次/mm，均能满足我国沥青路面施工技术规范中关于沥青混合料动稳定度的相关要求。可见，路面各层使用的沥青混合料的高温稳定性是合格的。

但是仅开放交通运营四年多之后，西户高速公路全线范围的沥青路面就出现了不同程度的病害，其中以车辙变形最为严重，显著影响路面的服务水平和司乘人员的生命安全[16]。西户高速公路路面工程中使用的沥青混合料的动稳定度均能满足规范要求，但最终施工结束形成的沥青路面却出现了严重的车辙病害。分析原因，沥青路面的抗车辙性能不仅与混合料的高温稳定性有关，还与施工质量密切相关，是沥青混合料设计和施工质量的综合反映。仅通过依靠选用设计质量优良的混合料，并不能保证实际沥青路面不出现车辙变形破坏。施工结束后，还需要依靠合理的检测方法对沥青路面的现场抗车辙性能进行评价。通过对沥青路面的抗车辙性能进行实时检测，同混合料设计阶段的动稳定度技术要求相配合，进而可以控制沥青路面的工程质量。

查阅迁曹公路相关设计及施工资料，发现同西户高速公路的情况类似，迁曹公路工地实验室内沥青混合料的高温性能也能满足相关的规范要求，但沥青路面上却依然出现严重的车辙变形。这进一步说明，仅通过控制实验室内沥青混合料的高温性能，并不能避免实际沥青路面的车辙病害。

4.2 沥青路面抗车辙性能实时检测的必要性

目前存在的现象表明，仅依靠质量优良的原材料、外加剂或者优化混合料配合比设计并不能保证沥青路面优良的抗车辙性能。沥青路面的质量是设计和施工质量的有效组成，两个方面都至关重要，任一方面出现问题都会导致路面早期损坏的发生。我国沥青路面施工技术规范中规定了沥青混合料动稳定度应满足的要求，通过沥青混合料的车辙试验可控制配合比设计阶段沥青混合料的高温性能[17-18]，但无法保证施工结束沥青路面现场的抗车辙性能。

目前，新版《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)已增加沥青层的永久变形作为沥青路面的设计指标。通过对沥青路面进行分层，分别计算各层的永久变形量，验算沥青层的永久变形量是否满足容许车辙深度要求，进而判断沥青路面的设计是否合理。沥青路面设计新规范的修订，表明道路界同仁已在设计层面上充分认识到车辙病害的严重性，尝试通过设计阶段的举措来改善实际沥青路面上的抗车辙性能。

但现阶段，我国沥青路面施工质量的检测及验收环节与设计阶段尚处于脱节状态，相关规范中的检测项目缺乏直接与沥青路面抗车辙性能相关的评价指标。而《公路工程竣(交)工验收办法实施细则》中虽然对沥青路面抗车辙性能有所涉及，但仅规定竣工验收过程中路面车辙深度的限值及检测频率，且主要检测手段是通过对路面上已经产生的车辙进行测量，具有明显的滞后性，无法在施工结束后及时对沥青路面的抗车辙性能进行评价。

因此，针对沥青路面的现场抗车辙性能评价指标开展研究，提出合理的沥青路面现场抗车辙性能检测方法具有重要意义。

5 沥青路面现场施工质量检测与评价方法

5.1 施工质量检测方法

本研究从沥青路面施工均匀性和抗车辙性能着手，提出基于非均匀性和抗车辙性能的沥青路面施工质量实时检测方法，以期为合理评价沥青路面的施工质量提供一定的参考依据。

第一步，在施工结束后，采用PQI无核密度仪和数字图像处理(DIP)技术对施工结束后沥青路面的均匀性进行检测。

根据沥青路面不同区域的密度分布及路面内部空隙的组成、分布情况，提出压实均匀性检测指标：密度分布均匀性指标(如式1～3)和空隙分布均匀性指标(如式4～5)[19]。根据沥青路面内部集料的分布情况，提出集料分布均匀性的检测指标(式6～7)[20]。从压实均匀性和集料分布均匀性两个方面出发评价沥青路面的施工质量均匀性。

(1)检测道内密度重复性标准偏差Sr：

(1)

式中：S为检测道内密度标准偏差；P为检测道数。

(2)检测道间密度重复性标准偏差SR：

(2)

式中：Sxave为检测道间密度标准偏差；Sr为检测道内密度重复性标准偏差；n为检测道内检测点数。

其中，检测道间密度标准偏差Sxave为：

(3)

Sr和SR可以直观地对比不同检测路段纵、横向密度分布均匀性的优劣。

(3)断面空隙数量均匀系数UCN：

(4)

UCN表征沿着芯样高度方向不同断面上空隙数量的变异程度，UCN越大，表示芯样内部不同断面上空隙数量的分布越不均匀。

(4)断面空隙率均匀系数UCR：

(5)

式中：VR顶为距芯样顶部5cm断面的空隙率；VR底为距芯样底部5cm断面的空隙率；VR中为芯样中部断面的空隙率。

UCR反映芯样内不同断面的空隙率在空间分布上的均匀性。UCR的值越大，表示芯样内部不同断面上空隙率的分布越不均匀。

(5)粗集料水平不均匀系数DH：

(6)

水平不均匀系数DH越小，说明芯样内部粗集料在水平方向上的分布越均匀。

(6)粗集料的竖向不均匀系数DV：

(7)

DV值的大小可以反映沥青路面内部的粗集料在竖直方向的分布均匀性。若DV的值越小，则芯样内部竖直方向上粗集料的分布均匀性越好。

第二步，根据施工均匀性的检测结果，在沥青路面密度分布的代表性点位上钻取圆柱形芯样，进行基于圆柱形芯样的国产车辙试验[21]。

根据试验结果，采用代表性芯样试件的动稳定度代表值DS来表征检测路段沥青路面实际的抗车辙性能，即：

(8)

最后，在现有的施工质量验收体系中增加施工均匀性和抗车辙性能评价指标，提出基于非均匀性和抗车辙性能的沥青路面施工质量检测方法，综合评价沥青路面的施工质量。

5.2 实例分析

在铜旬高速公路中面层施工现场，选择两段长度均为1000m的检测路段，下文称为路段A和路段B，分别从施工均匀性和抗车辙性能方面综合评价沥青路面的施工质量。

5.2.1施工均匀性检测在检测路段A和B上，首先，设置1.5×50m的横、纵向间距，采用无核密度仪PQI分别采集两个路段不同区域的密度值，统计分析两个检测路段各测点的密度数据，如表5所示。

表5 检测路段A和B的密度数据统计量Table 5 Density statistics for section A and B

从表5中可以看出，路段A的检测道内密度重复性标准偏差Sr小于路段B，表明路段A的纵向压实均匀性优于路段B；但路段A的检测道间密度重复性标准偏差SR大于路段B，路段A的横向压实均匀性比路段B要差。

在1km长的检测路段内，根据高、中、低密度点位的统计结果，按比例随机选择10个密度代表性点位。在代表性点位处钻取芯样，进行工业CT断层扫描，两个路段代表性芯样的空隙分布均匀性如表6所示。

从表6可以看出，高、中和低密度区芯样的UCN和UCR之间无明显的界限。沥青路面结构内部空隙分布的均匀程度同路面空隙率的大小无直接联系，这进一步说明根据路面结构内部空隙分布情况的差异，

表6 检测路段代表性芯样的空隙分布均匀性指标Table 6 Void distribution uniformity index of representative core for section A

采用断面空隙数量均匀系数和断面空隙率均匀系数从细观结构评价沥青路面压实均匀性是合理的。根据表6中的数据，分别计算两个路段上代表性芯样UCN和UCR指标的统计量，见表7。

表7 检测路段空隙分布均匀性的统计量Table 7 Statistics of Void distribution uniformity for sections

从表7中可以看出，路段A和B不同代表性芯样间UCN和UCR指标均存在一定的变异性。与路段A相比，路段B各代表性芯样断面空隙数量均匀系数、断面空隙率均匀系数的平均值和变异系数均较小。因此，从路面结构内部的空隙分布情况来看，路段B的压实均匀性较好。

表8 代表性芯样内部粗集料分布均匀性指标Table 8 Coarse aggregate distribution uniformity index of representative cores

因此，从压实均匀性和集料分布均匀性来看，检测路段B的施工均匀性优于路段A。

5.2.2抗车辙性能检测按照芯样车辙试验模具的平面尺寸，切割检测路段的代表性芯样，切割后芯样的厚度为5cm。将位于同一点位附近的两个芯样拼成一组车辙试件，每个检测路段各10组车辙试件，在70℃的试验条件下开展基于芯样试件的车辙试验，结果如表9所示。

表9 检测路段芯样的动稳定度Table 9 dynamic stability of core for sections

根据表9中的数据，计算得到检测路段A和B上各代表性芯样的动稳定度代表值分别为2918.8和3225.9次/mm，大于相关规范中改性沥青路面动稳定度标准值2400次/mm的要求[16]。进一步地，在路段A的10个代表性芯样中，3号和9号两组芯样的动稳定度无法满足要求，检测路段B上10号芯样动稳定度不合格。可见，两检测路段沥青路面局部区域的抗车辙性能不佳，同检测路段A相比，路段B的整体抗车辙性能更好。

综合施工均匀性和抗车辙性能两方面的检测结果，同检测路段A相比，路段B的施工质量较好。