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摘要
运用三维探地雷达技术开展某新建高速公路项目沥青路面的全断面扫描测试，基于共中点法获得沥青路面的介电常数样本，通过与无核密度仪测试样本的相关性，初步确定雷达介电常数的评价范围，从而判别沥青路面大面积施工过程的离析程度，以此指导施工环节的关键技术控制。
关键词
沥青路面
三维探地雷达
介电常数
施工离析
工艺改进
引言
由于沥青路面无接缝、抗滑降噪性能优越、后期养护简易等特点，相比水泥混凝土路面其在高等级公路建设中占据着绝对的优势。但是沥青路面建设过程中的耐久性不足和早期损坏频发的问题，一直是困扰业界的两大难题。大量新建路面在开放交通1~2年内便出现开裂、坑槽、摩擦系数不足等病害，导致路面交验的同时，也开始了养护维修，不仅影响正常交通，还造成公路资产巨大的经济损失[1-2]。工程实践表明，沥青路面大部分早期病害的发生很大程度上与混合料的施工离析有关[3]。材料的非均匀分布位置往往是路面的“薄弱”点，受级配设计与施工工艺的影响，沥青混合料从生产拌和到摊铺碾压的各个环节均可能存在离析问题。发生粗细集料分布不均匀的离析区域中，粗集料集中的部位空隙率偏高，渗水系数较大，易造成水损和坑槽病害；而细集料集中则导致空隙率偏低，骨架支撑不足，易出现车辙、泛油和构造深度不足。
如何对沥青路面的施工均匀性进行检测与评价，对于指导混合料设计与施工各环节工艺，减少离析对路面使用寿命的影响具有重要意义。目前沥青路面施工规范尚未明确离析的评价方法与标准，工程上主要通过目测法与专家评分法进行评价。近年来围绕沥青混合料体积指标(密度、空隙率、级配筛分、构造深度等)建立了路面离析评级标准，并形成了钻芯取样法、构造深度法、无核密度仪法、渗水法等检测方法[4-6]。其中无核密度仪法能够准确检测沥青路面密度指标和孔隙率，在近年的高速公路建设中广泛使用，但是其单点检测方式效率较低，且“以点概面”的形式代表性不足，难以排查离析的原因。随着沥青路面建设规模扩大和质量标准的提升，亟需一种检测范围大、测试效率高、测试精确稳定的无损检测方法。探地雷达技术提供了一种新的测试方法，随着雷达技术的发展，最开始的单一频率电磁波系统发展为多通道、频率步进的三维雷达系统，成为近年来检测路面厚度和结构病害的热门技术[7]，也为全方位评价沥青路面施工均匀性提供了新的技术手段。
三维探地雷达技术
设备简介
项目采用挪威生产的GeoScopeTM三维探地雷达进行介电常数检测。检测过程中雷达主机通过发射与接收天线，来获取脉冲式高频电磁波通过路面内部产生的反射信号。由于电磁波在不同介质中的传播速度不同，反射信号经过处理可以呈现出路面内部不同介质的分布状况。GeoScopeTM三维探地雷达不但能进行常规的反射法检测，还能进行CMP(共中点)检测，提高对噪声的分辨力。系统自带处理与显示功能，输出介电常数灰度图的形式实时反映路面结构层状况。
不同物质的电导率与介电常数特性不同，物质介电常数大小与电磁波的衰减速度成正比，介电常数越大，则对电磁波的吸收越强，电磁波的穿透性也越弱，最终体现在电磁波穿透与反射速度变慢。在道路结构中，由于处于一个开放的环境中，道路结构含水率会不断的变化，含水率增加时，介质电导率与介电常数都会增大，道路内部结构对电磁波的吸收与衰减作用越强。
常规路面材料的介电常数值范围见表2[8-9]。沥青混凝土路面为多种材料组成的混合物，包括粗细石料、沥青、填料等，同时还有内部空隙中的空气。沥青混凝土内不同材料的组成比例差异导致不同路面结构的介电常数有所差别。而含水量对于介电常数与电导率的影响非常大，为了客观表征路面结构材料组成状态，通常避免在潮湿状态下进行测试。常规路面材料的介电常数数值范围，见表2。
介电常数测定
介电常数是物质固有的物理特性，同时也是反映沥青路面空隙率均匀性的指标。改变接发天线的距离，比较不同距离下沥青面层层底反射波传播总时间的变化，即可反算出沥青面层的介电常数。具体原理如图2、3、4所示。探地雷达测定沥青路面介电常数常用的有直接反射法与共中点法(CommonPoint)，通过计算不同发射与接收天线在同一点上的电磁波传播时间差，来计算出沥青路面介电常数[7]。
电磁波在不同介电路面内部传播，在分层位置会产生发射，通过对将反射电磁波信号进行处理，可以获得道路结构相关状况，反射电磁波电平可通过式(1)、式(2)计算。
式中，r1,2为电磁波传播过程中的反射系数，er1为入射侧介质介电常数，er2为出射侧介质介电常数，ei为入射侧电磁波电平，eri为反射电磁波电平。
当接发天线对为T1/R1时，根据电磁波传播路径，等式(3)成立：
vt1=2d1
式中：v为电磁波传播速度，单位:m/s，下同；t1为发射天线与接收天线相邻时探测目标反射电磁波传播时间，单位：s，下同，可通过追踪雷达层间反射信号获取，如图3所示；d1为结构层厚度，单位：m，下同。
当接发天线对为T2/R2时，根据电磁波传播路径，等式(4)成立：
式中：x为天线间距，单位：m，下同；t2发射天线与接收天线相距为x时探测目标反射电磁波传播时间，下同，可通过追踪雷达层间反射信号获取，如图4所示。
当电磁波在路面传播时，其传播速度可由式(5)计算：
式中：c为光速，为3×m/s，下同；e为相对介电常数，下同；
根据式(3)，式(4)，式(5)联立，可得共中点法求路面结构层介电常数计算方程，如式(6)所示。
介电常数与孔隙率的相关性
(1)测试流程
以广东某高速公路沥青路面下面层K2+~K2+试验段为例，下面层设计厚度80mm，油石比为3.8%，理论最大相对密度为2.。待测区域长度为40m，宽度为12m。采用无核密度仪PQI进行测试，获得的相对毛体积密度，结合最大理论密度，可以计算出路面空隙率。在待测段落上使用粉笔绘制1.0m×1.0m的测试方格，使用无核密度仪进行横向间距、纵向间距均为1.0m的固定间距测量，单个测点每次读数后旋转一定角度，保证仪器底部平整、干燥、无污染物。采样间距为1.0m，检测区间长为40m，宽为12m，检测点数总计为个。
为了建立三维探地雷达介电常数与无核密度仪空隙率的相关性，采用GeoScopeTM三维探地雷达系统进行测试。检测参数设置：频率设置~MHz，步进频率设置20MHz，深度范围(depthrange)设置为50ns，步进频率发射时间(dwelltime)设置为3.0μs，采样时窗设置为25ns，纵向采样间距设置为50mm，触发器距离(triggerdistance)设置为6.cm。共采集个测点。
(2)介电常数与孔隙率的相关性分析
文献[10]采用三维探地雷达对沥青路面介电常数进行测量，建立了4种密度预测模型将路面介电常数与沥青路面毛体积密度进行换算，进而与无核密度仪测试结果进行对比，介电常数与预测密度值的相关性见表3，可见，在理想状态下介电常数(X)与毛体积相对密度(Y)具有良好的线性关系，并推荐采用修正后的瑞雷模型实现沥青混合料与毛体积密度的转换。
式中，Gmb为沥青混合料毛体积相对密度，Eac为沥青混合料相对介电常数，Eb为集料相对介电常数，Ea为空气介电常数，Es为集料介电常数，Pb为沥青胶浆含量，Gse为集料有效比重，Gmm为最大理论密度。以上参数可以通过试验确定。文献[11]通过构建多层前向反馈神经网络来对各区域的雷达介电常数与无核密度仪空隙率进行训练，也发现雷达介电常数预测沥青路面空隙率的是可行的。
现行规范未对离析有明确的评判标准，不同的检测方法与不同沥青混合料类型的离析特征也不一样，广东省工程项目通常根据密级配沥青混凝土的马歇尔设计空隙率范围，将沥青路面空隙率小于3%定义为细离析，大于6%定义为粗离析；如果沥青路面的检测空隙率处于3~6%范围，与设计空隙率较吻合，则表示为非离析状态。根据试验路段的介电常数与无核密度仪空隙率测试结果统计，无核密度法测试的细离析占比6.67%，非离析占比70.83%，粗离析占比22.5%。
根据瑞雷模型将实验室检测数据及介电常数值代入瑞雷模型，并采用无核密度对瑞雷模型计算结果进行修正计算(沿里程桩号方向以1m长度划分区域计算介电常数与无核密度均值为基准，修正系数为1.)，则预测空隙率与无核密度仪测试结果相关性如图5所示。由于空气的介电常数较小，混合料空隙率越大，则相应的介电常数值变小。根据修正的瑞雷模型反算空隙率为3%时，对应的介电常数为5.96；空隙率为6%时，对应的介电常数为3.91。为方便工程应用，对临界值取整处理。当介电常数值取4~6区间时，相应的粗离析、细离析、非离析面积比例与无核密度仪法计算结果偏差很小(见表4)，进一步验证了临界阈值的合理性。
检测效率对比分析
对于同一路段(长度50m、宽度12m)的待检沥青路面面层，三维探地雷达检测介电常数与无核密度仪检测空隙率采集数据所需的人力与时间花销如表5所示。由此可见，三维探地雷达测试方法可以大幅度提高路面检测效率。
施工过程的离析问题与控制措施
工程概况
依托广东某新建高速项目，由于地处亚热带气候，常年高温多雨，加上年交通数量大，重载比例高。按照公路自然区划标准划分属于IV7东南湿热区，根据沥青路面使用性能气候分区属夏炎热冬温潮湿区(1-4-1)。为了提高沥青路面的高温稳定性与抗水损能力，沥青路面上面层为4.5cmAC-16(SBS改性沥青)，中面层为5.5cmAC-20(SBS改性沥青)，下面层为8cmAC-25(70#基质沥青)。沥青混合料均按照改进型骨架密实型AC结构进行级配设计，在提高骨架的同时，也带来了明显的施工离析问题。
试验段情况分析
年10月11日，项目部组织施工技术人员对K+~K+左幅中面层进行试验段铺筑。施工过程中使用3D探地雷达系统进行试验段K+~K+范围进行全断面检测。雷达扫描主要使用共中点法采集中面层介电常数，测试段落长度米，宽度11.5米，共个数据点，见图6。
根据检测结果分析：距离中央分隔带5.5米位置(摊铺机并机搭接位置)出现较多的纵向白色条带，其介电常数较小(小于4)，该区域为粗离析带(见图8)；在K+、K+、K+位置出现片状粗离析(收斗窝料离析)，介电常数偏小。介电常数大于6的区域，在图中显示为黑色，其中距离中央分隔带2米和10米(摊铺机吊臂位置)的位置出现条带现象，表明该区域为细离析带(见图9)；在K+、K+位置出现块状细离析。为了进一步量化粗、细离析所占比例，对介电常数分布数据进行统计分类，按照细离析(介电常数＞6.0)、正常段(介电常数4.0~6.0)、粗离析(介电常数＜4.0)标准进行面积比的统计，计算结果见图7。该路段细离析面积比为33.2%，粗离析比例为26.3%，非离析比例为40.5%。
原因分析与控制措施
沥青混合料的离析可以分为集料离析和压实离析[12]。集料离析主要为粗细集料的局部集中现象，体现为施工段的生产级配筛分结果之间变异较大。集料离析的影响因素包括混合料级配特性、原材料的变异、装卸过程竖向离析、摊铺布料变异等。压实离析主要与施工过程中的温度离析及碾压环节压实度变异导致的局部密度过高或偏低，区域的混合料特征为空隙率变异幅度较大，而混合料级配变异较小。影响压实离析的原因主要包括：运输过程的温度散失过快；碾压过程的压实设备洒水过多导致碾压带局部积水，温度下降快；碾压时机把握不稳，导致复压、终压温度偏低。控制施工离析是一个系统性的工作，只能从各个环节的关键点着手，从细节的调整优化上减少产生的各类离析问题。根据雷达介电常数检测分析结果，结合试验段施工过程的关键工艺进行分析与优化，具体措施如下。
(1)混合料的装载与运输过程控制竖向离析，并做好保温措施。运料车在拌合站装料时，应按“前、后、中”多次缓慢移动循环分堆装料。为减少运输过程混合料温度散失，对运料车侧板与车厢地板加设石棉夹层，车厢顶部使用厚苫布覆盖，且两侧垂挂至车侧板一半高度，从运输到摊铺机料斗卸料过程均保持覆盖保温状态。
(2)混合料摊铺离析控制。采用整幅摊铺机进行全断面一次摊铺施工，以消除并机摊铺的搭接带纵向离析。摊铺作业前对摊铺机进行全面的检查，避免作业过程因故障停机待料。设置好夯锤、熨平板的振频与幅度，保证初始压实度达到85%以上。螺旋布料器中缝位置加装反向螺旋叶片，减少摊铺机中部纵向离析条带；布料器前挡板加装橡胶板或链条结构，减缓粗颗粒下滚产生的竖向离析。摊铺速度控制为2.0~2.5m/min，应与拌合楼产能、运料车数量匹配，摊铺过程避免频繁收斗甚至不收斗以消除窝料离析。
(3)碾压过程压实度均匀性控制。碾压作业时，调节好钢轮压路机的喷水量，喷水至雾化状即可或调节成自动间歇式喷水，禁止压路机喷水过大出现漫流现象，防止降温过快难以压实。轮胎压路机上装有自动涂油装置，在轮胎压路机碾压作业过程中对胶轮进行自动涂油(植物油：水=1:2)，防止沥青混合料粘轮。相邻两条轮迹带应保证1/3~1/2的重叠，碾压速度与温度控制参数见表6。
(4)施工过程的温度控制。使用红外成像仪扫描不同阶段的沥青混合料温度情况，如图10所示。沥青混合料各阶段温度控制标准为：到场温度高于℃(运输过程中温度损失不高于10℃)，摊铺温度不低于℃，初压温度和复压温度分别不低于℃和℃，终压后温度不低于90℃。
工艺调整后的离析评价
严格按照上述工艺环节的关键技术进行施工第二次试验段(桩号K98+~K98+)，使用三维探地雷达采集施工后的路面介电常数，绘制灰度分布图见图11，并计算不同离析区域面积比，见图12。经过对沥青混合料生产拌和、装卸运输、摊铺碾压等环节的关键技术控制改进后，沥青路面介电常数分布均匀性有所改善，粗离析比例为10.2%，非离析比例68.2%，细离析比例为21.6%。
对比前后两次试验段离析，通过施工过程的关键技术控制，细离析面积减少11.6%，粗离析面积减少16.1%，非离析区域增加27.7%，实践证明采取合理的施工过程抗离析控制措施，能够有效提升沥青混合料施工均匀性。
结语
沥青混合料作为复杂的多组分离散混合材料，如何检测与评价其施工离析问题对于工程质量控制具有重要意义。通过本项目的研究与应用实践，总结得出以下结论：
(1)基于对雷达电磁波检测原理的分析，通过将共中点法获得的雷达介电常数进行瑞雷模型换算和修正，可与无核密度仪测试空隙率样本建立较好的联系，推荐使用雷达介电常数4-6范围作为沥青混合料的非离析阈值标准。
(2)通过沥青混合料离析原因分析，对混合料装载与运输过程、摊铺环节设备参数调整、碾压工艺控制，结合红外成像仪实施各环节的温度监控，可以从精细化施工的角度减少混合料施工离析。通过对比施工工艺改进前后的试验段介电常数分布，防离析工艺改善可以减少细离析面积比例11.6%，减少粗离析面积比例16.1%。
(3)三维探地雷达测试技术具备快速、大面积、无损检测优势，采用介电常数可以有效评价沥青路面施工均匀性，为施工工艺优化提供指导。
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