公路工程沥青路面施工质量检测技术研究

王瑞林

(中铁十七局集团第三工程有限公司，河北 石家庄 050081)

0 引 言

在现有的公路工程建设中，混凝土材料和沥青材料是两种最为主要的路面构筑材料[1-3]。相比于混凝土路面，沥青路面由于具有多孔隙结构，可以有效地保证运营阶段具有良好的降噪减震效果，保证了行车的平稳性和舒适性，在晴天不反光，在雨季也可以很好地对雨水和地表水进行渗透排泄，符合国家倡导的海绵城市建设理念；另外，沥青路面的运营维护便捷，在运营成本上具有优势。因此，沥青材料在国内的高速公路、城市主干道等路面中得到广泛应用[4]。

然而，由于施工质量原因以及道路运营时交通荷载的长期作用，沥青路面容易出现裂缝和损坏等现象[5]。损毁不断积累，将严重影响行车舒适度和安全度，也会降低沥青路面的服役年限，以致不能够满足预期的设计使用年限要求[6-7]。在以往的公路工程沥青路面的施工质量检测中，一般采用钻孔法进行抽样测试，然而这种方法不仅存在采集样本较小，以点带面，而且也存在对已成形的路面造成了整体性破坏，属于有损检测。研究快速便捷、成本低廉的无损沥青路面施工质量检测方法成为施工控制的主要工作内容[8]。

1 公路工程沥青路面的结构及施工质量检测指标

公路沥青路面是使用沥青材料作为结合料，黏结各种粗集料与细集料修筑成面层，并与各类基层和垫层所组成的路面结构，其主要结构一般由面层、基层、底基层和垫层组成，为水平层状结构。面层主要由细粒式沥青混凝土层、粗粒式沥青混凝土层组成，直接承受着机动车辆的荷载作用，也承受着自然因素的风化作用；基层为中间受力层，设置于面层与底基层之间，将面层传递而来的车辆荷载向下部的底基层和垫层中传递；底基层一般有水泥稳定碎石组成，是路面结构的次要承重层，具有应力扩散的作用；垫层则采用比例为4∶12∶84的水泥石灰土，设置在底基层与路基结构之间，起到排水、隔水、防冻胀和防污染的作用。

公路工程沥青路面的施工过程中，机械设备碾压、摊铺质量不均、施工速率过快等会对公路工程沥青路面的施工质量控制指标造成影响，进而使得结构出现质量缺陷，造成沥青路面病害。因此有必要对沥青路面的施工质量检测指标进行研究，以明确施工期间的沥青路面的质量控制要求和评估施工质量的优劣。在沥青路面施工质量控制中，大致可以将实际施工之前的检测指标分为3类：其一为体积检测指标，主要包括路面的密度、孔隙率、沥青含量、离析程度等；其二为性能检测指标，主要包括沥青路面的厚度、平整度、压实度等；其三为结构检测指标，主要包括路面的强度、刚度及不均匀性等。

2 地质雷达法基本原理及其在沥青路面施工质量检测中的应用

2.1 地质雷达法的基本原理

地质雷达法作为一种路面的无损检测方法，具有检测高效、成本低廉、理论成熟及具有图像化成果等优势，在沥青路面工程的检测中得到越来越广泛的应用。地质雷达设备一般由硬件部分和软件部分组成，硬件部分主要负责数据的采集与预处理，而软件部分则负责数据处理、数学运算以及数据的解译。地质雷达法的基本原理是通过硬件设备内置的发射天线向道路内部发射电磁波，电磁波遇到不同电性介质的交界面后发生反射、折射和衍射等现象，反射的电磁波能被设备的接收天线接收，控制主机将电磁波信号转化为电信号，将检测信息数字化后存储在设备存储卡中，软件设备可以随时对采集数据进行调用、浏览和处理。地质雷达发射的电磁波在路面介质中的传播主要服从麦克斯韦经典电磁理论，如式(1)～(4)所示。

(1)

(2)

∇·B=0

(3)

∇·D=0

(4)

式中：E为电磁矢量；H为磁场矢量；B为磁感强度；D为电感强度。

2.2 地质雷达法在沥青路面施工质量检测中的应用

地质雷达法在沥青路面施工质量的检测效果都是依赖于电磁波在沥青路面结构中的传播效率以及各结构层的介电常数差异。传播效率方面可以通过传播系数进行表示，地质雷达法设备发射的电磁波在沥青路面结构中的传播系数如式(5)所示。

(5)

式中：w为电磁波相位；μ为路面结构的泊松比；ε为道路结构的介电常数；σ为沥青路面结构的电导率。

本文以河北省石家庄市某城市主干道的沥青路面施工质量检测项目为例，介绍地质雷达法在确定沥青路面各个施工质量指标中的应用。

2.2.1 沥青路面的结构层厚度检测

沥青路面的各个结构层的厚度主要通过地质雷达采集的电磁波信号进行解译得到，如式(6)所示。

(6)

式中：c为光速；εr为沥青路面结构的相对介电常数；△t为电磁波在各面层之间的传播时间。

从式(6)可以知道，沥青路面材料各层之间的相对介电常数差异是确定道路各结构层厚度的重要计算参数，因此在试验之前需要对各个结构层进行实测，结果如图1所示。

图1 沥青路面各个结构层介电常数的图谱

从图1可以看出，沥青路面结构的介电常数值越小，其在图谱中的表现为越向纯蓝色靠近，三维效果上表现为下凹，沥青路面结构的介电常数值越大，其在图谱中的表现为越向纯红色靠近，三维效果上表现为上突。

2.2.2 沥青路面结构层的密度与含水率检测

沥青路面的密度和含水率是最为基本的施工质量参数。沥青路面中含有较多的水分时，会直接导致沥青路面的结构老化和承载力下降，严重的将导致面层中沥青材料与其他矿物颗粒的黏结力急速下降，基层出现剥落，在机动车辆的反复碾压下出现破损。因此在公路工程沥青路面施工质量的监测中，需要对沥青路面各个结构层含水率的异常范围进行圈定，以便提出相应的整治措施。具体的含水率异常检测方法是当地质雷达发射的电磁波遇到沥青路面孔隙中的水分时，会发生激发极化现象，表现为电磁波振幅的变化。有研究表明，当沥青结构孔隙中存在水分时，会引起电磁波反射波之间出现多个高频振幅，而且随着含水量的增加峰值越来越高。类似地，当公路工程沥青路面存在压实度不足时，其密度就会降低，导致路面结构内的孔隙增加，当孔隙内充填水分时，会引发电磁波的反复震荡，而当孔隙内部为空气时，沥青路面结构内部孔隙的介电常数有所增加，电磁波遇到压实度不足、密度较小的沥青路面段落时，具有高频反应。

2.2.3 沥青路面结构层的破损脱空的检测

沥青路面结构层在施工机械荷载作用下会发生开裂、破损等现象，导致结构的外观、承载力发生变化；如果施工过程中，地基碾压质量差导致地基不均匀沉降，沥青路面与路基结构层发生脱空现象，导致沥青路面结构层受荷载后断裂。这两者的不良影响也会影响到沥青路面运营阶段的使用效果。为此，采用地质雷达法可以连续长距离地对沥青路面的结构破损脱空情况进行扫描。在地质雷达的检测过程中，如果电磁波遇到空洞或者脱空时，介质间的波阻抗差异导致反射的电磁波能量将明显降低，在电磁波的时间域和频率域均可以看到由于存在空洞和破碎导致的变化，波形上表现为不规则的双曲线特征，且下方存在多次反射，具有可视化的图像效果，如图2所示。而对于沥青与集料离析、压实度导致的密度不足等路基病害，容易形成电磁波信号的在各个结构层之间的反射波能量较弱，导致波形错乱，同相轴错乱，图像明暗程度也变化较大，在识别时可以与正常结构的路面电磁波反射信号进行区别和圈定范围。

图2 沥青路面结构层存在脱空现象的波形反映

3 地质雷达检测与无核密度仪器检测对比分析

为了研究地质雷达在公路沥青路面施工质量方面的检测效果，试验采用了实践中常用的无核密度仪器对沥青路面的密度、压实度进行探测，同时在相同地段同等条件下对沥青路面进行地质雷达测试，测试结束后在原位选取取样点对沥青路面进行钻孔取样，进行室内试验获取各结构层的介电常数以便于无核密度仪测试和地质雷达测试的数据解译。将公路工程沥青路面结构划分为4个序列，采用无核密度仪检测结果见表1。

表1 无核密度仪器检测空隙率误差率结果

从表1可以看出，在里程DK23+350中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为2.85%～5.32%；在里程DK23+650中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为2.50%～6.84%；在里程DK23+900中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为3.82%～6.23%；在里程DK24+300中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为3.08%～6.06%。

本文采用的地质雷达测试仪器为LTDsample-2000型地质雷达，发射天线为400 MHz，天线设备的尺寸为32 cm×32 cm×21 cm，探测深度范围为0.1～3.0 m，厚度的监测误差小于10%，可连续记录8 192点，逐点测量，可提供伪彩图和堆积波图等。在采集数据完成后，首先对数据的格式进行转化，将采集坏道和信号不良道，采取方向调整、中间道均衡以及合并、删除等措施进行预处理，对于接触不良导致的高度误差，采取零点校正手段对反射波的起始零点进行校正。在测试的过程中，仪器设备受到周边环境的影响，数据信号受到干扰，在揭示的过程中噪声电磁波信号影响了有效信号的解译，因此可以采取软件内嵌的滤波功能进行数字滤波以消除噪声，提高信噪比。在分析和处理电磁波数据时，常常遇到波形的垂直分辨率不足的问题，导致沥青路面各层的反射截面不清晰，影响对有效信号或者波形同相轴的追踪，因此，在实际处理数据的时候可以采用反褶积的数学处理方法提高电磁波的垂直分辨率，如图3所示。

图3 沥青路面结构的地质雷达垂直分辨率提高

从图3可以看出，经过分辨率提升之后，电磁波的初至时间清晰，反射波明显，在具有压缩不良，出现空隙或者脱空的地方，出现明显的双曲线波形，极大地提高了解译的成功率，有利于读取反射波的到达时间。

在同样里程段的沥青路面施工质量检测中，采用地质雷达检测的沥青路面空隙率平均结果见表2。

表2 地质雷达仪器检测空隙率平均值结果

从表2可以看出，在里程DK23+350中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为3.57%～4.32%；在里程DK23+650中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为2.15%～5.82%；在里程DK23+900中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为2.19%～4.46%；在里程DK24+300中，采用无核密度检测仪检测的沥青路面结构空隙率误差变化范围为3.55%～4.55%。

对比表1和表2可以看出，对于同样条件下的公路工程沥青路面施工质量检测，采用地质雷达法的检测结果比采用无核密度仪器的检测结果得到明显提高。

4 结束语

沥青路面是由沥青材料黏结了集料形成的道路结构，在材料混合、摊铺和碾压的施工过程中，由于施工质量的控制要点和控制流程较多，导致沥青结构路面出现压实不足、结构脱空等，在运营过程中容易引发道路结构破损、开裂等病害，造成大量的维修和保养工作，严重硬性着道路的服役品质和车辆的行驶舒适度。本文结合具体的工程实例，分析了地质雷达的基本工作原理和沥青路面施工质量检测中的应用，对沥青路面的厚度、密度与含水量以及结构层破损脱空等施工质量检测指标进行了研究，并与无核密度仪器检测结果进行了对比。研究结果表明，地质雷达法在公路工程沥青路面施工质量检测中的应用良好，采用地质雷达法的检测空隙率误差结果比采用无核密度仪器的检测空隙率误差结果得到明显提高，具有明显的经济效益。