基于无人机红外热成像技术的沥青路面施工均匀性评价

□ 王礼存 杨 权 张周芹 施瑛琪

随着我国社会经济的快速发展和公众对高质量出行需求的不断提升，我国的道路建设已经取得了显著成就。截至2021 年底，全国公路总里程已达到528.07万公里，同比增长8.26 万公里，现已开通“沥青路面改扩建+智慧交通”建设模式，实现道路“全天候通行、全路段感知、全过程管控”。在我国公路飞速发展的同时，交通量的逐年增长以及道路管理养护的不及时，致使沥青路面出现不同程度的损坏。随着服役年限的增加，沥青路面从随机出现的局部小范围破损，逐渐扩展成为大面积损坏。这些损坏主要有裂缝、推移、松散及坑槽等。

沥青作为一种感温性材料，温度与其使用性能密切相关，温度变化必定会影响沥青混合料的性能，因此沥青路面施工时的温度控制会直接影响沥青路面的压实度和耐久性。美国国家交通委员会（TRB）的项目研究报告指出，重度温度离析会使沥青路面使用寿命减少50%以上，沥青混合料的施工温度对沥青路面的使用性能起着重要作用。沥青路面的温度在沥青混合料运输、摊铺、碾压每个阶段都会有不同程度的降低，因此需要对整个施工作业流程进行温度控制。对于路面的温度检测，传统的“以点代面”式的检测方法并不能实际反映沥青路面的施工质量，也不能有效监控温度异常变化情况。为探究沥青路面施工过程中出现的温度不均匀现象，采用无人机红外热成像技术对路面进行温度检测，能准确定位所拍摄的区域且能定时采集图像，对沥青路面全断面测温，以数据和图像结合的形式直观、全面地分析温度分布情况，进而对路面不均匀处采取措施，尽可能避免产生温度离析。

一、SMA-13 沥青混合料温度离析研究

1. SMA-13 沥青混合料温度离析评价标准

根据文献和工程经验，将SMA-13 沥青混合料的空隙率分为4个等级：未离析（＜4%），轻度离析（4%～6%），中度离析（6%～8%），重度离析（＞8%）。在美国NCAT 报告的方法基础上，提出温度离析指标。由于碾压温度难以准确测量，因此采用无人机红外热成像技术对碾压后温度进行测量，选取温度均匀区域的平均温度作为基准值，对检测路段的温度差和空隙率差进行分析，绘制曲线图，根据空隙率变化范围确定温差的离析标准。

选取新铺沥青路面上面层碾压完成后50 米×7.5米区域，将其划分为0.5 米×0.5 米的方格，用无人机红外热成像和无核密度仪分别测量该区域的碾压后温度和空隙率。平均温度和平均空隙率分别为51℃和3.41%。温度差和空隙率差之间的相关性较强，相关系数R2 为0.9589，表明温度升高时空隙率减小。根据不同离析程度的空隙率变化确定基于温差的温度离析评价标准。

2. 基于红外热成像技术的沥青路面温度均匀性评价

利用无人机红外热成像技术，测量沥青混合料在运输、摊铺、碾压过程中的温度，分析温度离析的位置和原因，并提出改进措施。选取某一段高速沥青路面上面层施工，运料车从拌合站到施工现场的距离为5公里，环境气温为19℃。

（1）运输过程中的温度均匀性评价。通过检测运料车的到场温度、开始卸料温度、卸料中途温度，根据红外热图像数据，发现运料车中沥青混合料表层温度低于内部温度，表层最高温度为153.8℃，最低温度为105.7℃，内部温度介于160℃～170℃之间。由此可见，运输过程中，料车表面与内部产生重度离析现象，与运输距离、环境温度、篷布覆盖等因素有关。为降低沥青混合料的热量散失，应加强运料车的保温性能，采用3 次装料法和润滑剂等措施。

（2）摊铺过程中的温度均匀性评价。通过检测摊铺机受料斗、螺旋布料器及摊铺后面层温度，结合红外热图像进行分析。摊铺机受料斗中间温度介于158℃～162℃之间，而两侧温度在138℃左右时，出现重度离析现象。这是因为受料斗两侧的混合料等待时间长，散热快。螺旋布料器能够轻微搅拌混合料，改善离析程度，但中间与两侧仍有约20℃的温差。摊铺形成的路面满足规范要求，但两侧温度不均匀。为解决这一问题，可以调整螺旋叶片的间距、大小和倾斜角度；还可以调整螺旋布料器的高度，加快沥青混合料的流动速度。

（3）碾压过程中的温度均匀性评价。通过检测碾压过程中的路面温度，结合红外热图像进行分析。在碾压过程中，路面温度随碾压遍数的增加而降低。可以发现，每个阶段温度下降速率基本一致，终压过程结束后，所测区域温度虽然能满足规范规定的90℃，但靠近路肩位置存在明显的温度离析。经分析，由于在摊铺过程中两侧的沥青混合料与空气接触面较大，温度散失快，导致温度偏低，在碾压过程中两侧沥青混合料温度整体偏低，形成重度离析。对于碾压过程产生的温度离析，只能通过采取一定措施来减小摊铺阶段产生的温度离析程度，从而提高路面质量。在碾压过程中应控制好压路机的喷水量，避免喷水量过大造成路面温度急剧下降；对出现温度离析的路段，增加碾压遍数使路面密实度提高，从而减少热量散失。

（4）沥青路面温度均匀性评价。通过对碾压完成且未开放交通的沥青路面进行温度均匀性评价，结合SMA-13 温度离析评价标准，对无人机红外热成像所测路段的平均温度值与实测值取差值，得出该路段不同程度的温度离析情况。从整体来看，该路段温差大多集中在1℃～3℃，未出现大面积离析情况，轻度离析所占比重较大，占比51.6%，而重度离析所占比重较少。因此，可采用无人机红外热成像检测技术沥青路面施工温度来直观掌握温度离析情况，进而对沥青路面施工均匀性作出评价，为检测沥青路面施工质量提供了一种快速评价手段。

二、温度离析对沥青路面均匀性的影响

为了考虑沥青路面材料和环境的差异性，研究了沥青混合料温度对相关性能试验的影响。通过对施工现场上面层集料的室内试验，分析了不同温度成型的SMA-13 沥青混合料试件的路用性能。利用无人机红外热成像技术检测沥青路面施工过程中的温度分布，对比温度离析区域和未离析区域的芯样性能，评价沥青路面的施工质量。

1. 温度离析对沥青混合料路用性能的影响

（1）温度离析对高温稳定性的影响。通过车辙试验测定不同温度成型的沥青混合料试件的动稳定度，评价温度离析对沥青混合料抗车辙能力的影响。可以发现，不同温度成型的沥青混合料试件动稳定度都满足规范要求。动稳定度随温度升高而增大，在185℃时达到最大值。说明温度离析程度越大，高温稳定性越差。原因是温度升高导致空隙率减小，集料粘结紧密，压实度增大，抗车辙能力增强。反之，温度相差越大，空隙越大，容易出现压密性车辙。

（2）温度离析对低温抗裂性的影响。通过测定不同温度成型的沥青混合料试件破坏时的最大弯拉应变，评价温度离析对沥青混合料低温抗裂能力的影响。试验结果可以发现，沥青混合料弯拉应变随温度升高而增大，在145℃以上时明显增高。按规范要求，成型温度165℃以上时才能满足低温抗裂性能。由此可见，温度离析对沥青混合料低温抗裂性能有很大影响。为保证低温抗裂性能，在不超过规范规定温度的前提下应尽可能提高拌和温度，减少空隙率，提高低温破坏应变值。

（3）温度离析对水稳定性的影响。通过采用冻融劈裂试验分析不同温度成型下沥青混合料的水稳定性，测定6 组不同温度成型的沥青混合料试件受到水损害前后的劈裂强度比，进而评价温度离析对沥青混合料水稳定性的影响。试验结果可以发现，空隙率随温度升高而下降，在185℃时才满足规范要求。未冻融组和冻融组的劈裂强度值及强度比都随温度升高而增大，在145℃以上时相差不大，并且都满足规范要求。综合表明，温度离析对冻融劈裂强度比的影响较小，不同温度成型下的沥青混合料试件都能保持良好的水稳定性。

2. 基于汉堡轮辙试验的沥青混合料均匀性评价

通过汉堡轮辙试验对比温度离析区域和未离析区域的芯样抗车辙性能，可以发现两组芯样的轮辙深度都满足规范要求，但温度离析区域的轮辙深度大于未离析区域的轮辙深度，说明温度离析会降低沥青混合料的抗车辙能力，影响施工质量。原因可能在于温度离析区域的空隙率偏大，集料间粘结不紧密，容易出现压密性车辙。因此，施工过程中应高度重视沥青混合料的温度离析，尽量减少温度差异，提高路面的均匀性和使用年限。

3. 基于X-ray CT 技术的沥青混合料均匀性评价

借助X-rayCT 扫描技术对试验试件进行断层扫描试验，获取每一结构面的清晰图像，并采用数字图像处理技术提取和分析空隙率数据。对两种类型沥青混合料试件沿高度方向取一典型截面进行对比，可以发现温度均匀处的沥青混合料试件各组分分布均匀，空隙较小；而温度离析处的沥青混合料试件各组分分布差异较大，空隙较大，空隙率相差1.98%。由此可见，温度离析对沥青混合料均匀性有一定影响。

三、主要结论与不足之处

以SMA-13 沥青路面上面层为研究对象，利用无人机红外热成像技术，检测沥青混合料在运输、摊铺、碾压过程中的温度，评价温度离析的程度和原因，为评价沥青路面施工质量提供参考。

1. 主要结论

（1）通过对红外热图像的处理分析，发现运输过程中，运料车表层及两侧混合料温度差异较大，是产生重度离析的主要原因。摊铺过程中，受料斗及螺旋布料器两侧容易发生温度离析。碾压过程中，路面两侧会出现局部离析带。

（2）通过分析不同温度成型的沥青混合料试件的路用性能，发现温度差异对沥青混合料性能有影响，高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性都随温度升高而改善，但只有在一定温度以上才能满足规范要求。

（3）从温度不均匀处钻取芯样，评价温度不均匀对沥青路面施工质量的影响。通过汉堡轮辙试验和X-rayCT 技术，发现温度不均匀处的沥青混合料轮辙深度和内部组分均匀性都大于温度均匀处的沥青混合料，虽然轮辙深度都满足规范要求，但温度离析处会随着服役年限增加而出现车辙病害。

2. 存在的不足之处

研究沥青路面施工过程中的温度检测，采用无人机红外热成像技术，提出了SMA-13 沥青混合料的温度离析评价指标。但还存在一些不足之处，需要进一步完善和深入研究。

（1）无人机红外热成像技术只能测定被测物体表面的温度，不能反映其内部温度分布情况，因此在评价沥青路面温度均匀性时可能有一定的差异。为了提高红外热成像技术的精度和可靠性，需要对其原理和方法进行更深入的研究。

（2）只针对SMA-13 沥青混合料的温度离析评价指标进行探讨，未涉及其他级配的评价指标。为了完善温度离析评价体系，需要对不同级配的沥青混合料进行更多的试验研究工作。

温度离析评价指标是基于沥青路面碾压后的温度，未考虑碾压前的路面温度。由于施工现场条件的限制，碾压前的路面温度难以检测，但对温度散失程度有影响。因此，可以与碾压前温度进行对比，以确保温度离析评价标准的准确性。