王 元

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510101)

0 引 言

瀝青路面具有良好的力學(xué)和路用性能，行車舒適、噪聲小、揚(yáng)塵少且無接縫等眾多優(yōu)點(diǎn)，在高速公路建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為目前高等級公路路面的主要結(jié)構(gòu)型式。但是，目前部分高速公路路面難以達(dá)到預(yù)期壽命，在通車幾年內(nèi)出現(xiàn)早期損壞，嚴(yán)重影響公路的使用功能，需進(jìn)行功能性修復(fù)或中修。造成該現(xiàn)象的原因很多，如氣候惡劣、環(huán)境影響和超載嚴(yán)重等，對于瀝青路面使用性能最重要影響因素之一的瀝青混合料施工過程質(zhì)量，則直接影響瀝青路面的整體質(zhì)量和使用耐久性。施工均勻性是瀝青路面長期使用性能的重要保證，瀝青路面出現(xiàn)的諸多早期損壞如車轍、水損害、抗滑性能衰減過快和泛油等，都與瀝青混合料的施工均勻性有較大關(guān)系。然而，瀝青路面最主要的驗(yàn)收指標(biāo)如彎沉、厚度、滲水系數(shù)和構(gòu)造深度等均未涉及施工均勻性，施工過程中也未有相關(guān)均勻性的檢測方法、驗(yàn)收指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。近十多年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)逐漸滲入到各行各業(yè)并越來越扮演著重要的角色。由于數(shù)字圖像技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、檢測簡單和成本低等特點(diǎn)，在公路行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，如瀝青混合料設(shè)計(jì)與評價(jià)、施工質(zhì)量控制和裂縫自動(dòng)處理等。

基于數(shù)字圖像技術(shù)在瀝青路面施工均勻性的檢測與評價(jià)，能克服傳統(tǒng)離析檢測效率低，特別是目測主觀性大等缺點(diǎn)。本文以廣東省云湛高速公路(陽春至化州段)路面4標(biāo)(BZK0+700～BZK33+363.329)瀝青上面層和中面層為研究對象，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，提出合適的瀝青路面施工均勻性評價(jià)指標(biāo)并進(jìn)行驗(yàn)證，為提升瀝青路面施工質(zhì)量提供技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)支持。

1 研究與分析方法

作為一種散體顆粒材料，粗集料構(gòu)成瀝青混合料骨架，其在在瀝青混合料中的分布狀態(tài)直接應(yīng)影響瀝青混合料的力學(xué)性能。借助數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過對瀝青混合料切片圖像中粗集料的分布均勻性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可確定粗集料空間分布特征對混合料路用性能的影響。由于瀝青路面施工完成后需鉆取芯樣，檢測路面施工厚度和壓實(shí)度，本文提出利用鉆取的芯樣檢測路面攤鋪的均勻性，一方面不增加檢測工作量，另一方面利用圖像處理技術(shù)自動(dòng)獲得不均勻性指標(biāo)，檢測方法快速、簡單和方便，具有良好的操作性。主要步驟為：(1)對鉆取的芯樣進(jìn)行橫向切割，獲取瀝青混合料切片圖像；(2)利用“雙峰法”對切片圖像進(jìn)行二值化處理，獲得集料的二值化圖像；(3)利用圖像處理軟件Image pro plus 6.0對二值化圖像進(jìn)行處理，過濾細(xì)集料，提取圖像中大于2.36 mm粗集料并編號，劃分統(tǒng)計(jì)區(qū)域獲得不均勻特征參數(shù)。圖像處理與參數(shù)獲得方法如圖1所示。

圖1 圖像處理與參數(shù)獲得方法

為對路面施工均勻性進(jìn)行評價(jià)，本文引入“不均勻系數(shù)”對粗集料分布特征進(jìn)行定量分析。如圖1(c)所示，以二值化并對粗集料進(jìn)行編號的瀝青混合料芯樣切片圖像為基礎(chǔ)，應(yīng)用Matlab軟件將芯樣切片圖像作八等分處理，再對八個(gè)區(qū)域內(nèi)的粗集料數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。對于不均勻系數(shù)指標(biāo)，有數(shù)目法和位置法兩種。由于高速公路路面施工具有速度快、工序銜接緊密等特點(diǎn)，路面施工檢測也應(yīng)快速簡單、方便，以便為路面施工提供技術(shù)支持，及時(shí)糾正施工中存在的問題，提升路面施工質(zhì)量。另外，大于2.36 mm粗集料構(gòu)成瀝青混合料主骨架，是抵抗外部荷載的主要載體，也是瀝青混合料路用性能最主要的影響因素。因此，本文統(tǒng)計(jì)不均勻系數(shù)時(shí)，不考慮每一檔粗集料分布對均勻性的影響。具體方法為：統(tǒng)計(jì)圖像中每一區(qū)域內(nèi)大于2.36 mm粗集料數(shù)目，并與芯樣切片粗集料總數(shù)量的平均值進(jìn)行對比，即以標(biāo)準(zhǔn)偏差S衡量芯樣內(nèi)粗集料數(shù)量的差異，稱為“不均勻系數(shù)”，計(jì)算方法如式(1)所示。

(1)

2 工程概況與路面結(jié)構(gòu)

汕(頭)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支線工程是珠三角通往粵西地區(qū)、大西南地區(qū)以及大陸連接海南島的干線通道，其中陽春至化州段全長133.64 km，路面4標(biāo)樁號范圍為BZK0+700～BZK33+363.329。路面結(jié)構(gòu)為：4.5 cm SBS改性GAC-16C+5.5 cm SBS改性GAC-20C+7 cm GAC-25C +36 cm 水泥穩(wěn)定級配碎石+18 cm 水泥穩(wěn)定級配碎石+15 cm 級配碎石。瀝青路面施工過程中，中面層采用福格勒雙機(jī)施工，上面層采用全斷面大功率攤鋪機(jī)施工，攤鋪寬度12.25 m。中面層GAC-20C各檔集料比例為：18～22 mm∶11～18 mm∶6～11 mm∶3～6 mm∶0～3 mm∶礦粉∶水泥=8∶34∶23∶8∶23∶3∶1，瀝青用量為4.31%；上面層GAC-16C各檔集料比例為：12～19 m∶6～12 mm∶4～6 mm∶0～4 mm∶礦粉=36∶26∶8∶26∶4，瀝青用量為4.49%。SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)、各路面結(jié)構(gòu)層級配分別如表1、表2所示。

表1 sBS瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

表2 瀝青混合料級配

3 檢測結(jié)果與分析

3.1 檢測指標(biāo)分布特征

各瀝青結(jié)構(gòu)層施工完成后，根據(jù)規(guī)范要求鉆取芯樣并切割，通過本文提出的數(shù)字圖像處理方法獲得瀝青中面層、上面層不均勻系數(shù)。為對福格勒雙機(jī)攤鋪和全斷面大功率攤鋪機(jī)攤鋪效果進(jìn)行對比分析，本次對瀝青中面層和上面層均進(jìn)行了滲水試驗(yàn)。不均勻系數(shù)、滲水系數(shù)沿道路橫向變化特征分別如圖2、圖3所示。

圖2 不均勻系數(shù)沿道路橫向變化

圖3 滲水系數(shù)沿道路橫向變化

從圖2和圖3可以看出。

(1)瀝青上面層不均勻系數(shù)S值范圍為0.8～1.5，沿道路橫向S值變化范圍不大，表現(xiàn)為線性分布；對于瀝青中面層，S值分布較為分散，但基本大于1.5，表明瀝青面層施工過程中，采用全斷面大功率攤鋪機(jī)能獲得相對較好的均勻性。但是，由于采用全斷面大功率攤鋪機(jī)成本較高，瀝青混合料施工過程中應(yīng)綜合考慮成本控制和質(zhì)量要求，選擇合適的攤鋪機(jī)械設(shè)備。

(2)由于全斷面大功率攤鋪機(jī)下料斗位置處于道路橫向中間位置，結(jié)合圖2和圖3也發(fā)現(xiàn)，道路橫向中間6 m左右位置S值和滲水系數(shù)稍大，表明其離析相對較大，因此，采用全斷面大功率攤鋪機(jī)施工時(shí)應(yīng)注意調(diào)整下料斗位置的機(jī)械參數(shù)，避免發(fā)生過大離析導(dǎo)致滲水系數(shù)過大，影響路面施工質(zhì)量。

(3)圖3表明道路橫向中間部位滲水系數(shù)較為穩(wěn)定，但邊部極少量檢測點(diǎn)滲水系數(shù)稍大，主要原因是由于邊部區(qū)域壓路機(jī)碾壓不便，導(dǎo)致邊部1 m范圍內(nèi)區(qū)域處于欠壓狀態(tài)。因此，攤鋪過程中各參建單位應(yīng)加強(qiáng)路面施工質(zhì)量管控，采用小型壓路機(jī)對路面邊部區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓，確保路面邊部壓實(shí)效果。

3.2 檢測指標(biāo)相關(guān)性分析

空隙率作為瀝青混合料設(shè)計(jì)和施工過程中的重要控制指標(biāo)，為了解不均勻系數(shù)S值、空隙率以及滲水系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，分析相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 交通量分析圖

圖4 不均勻系數(shù)與滲水系數(shù)的關(guān)系

圖5 不均勻系數(shù)與空隙率的關(guān)系

從圖4、圖5可以看出，大部分檢測點(diǎn)滲水系數(shù)滿足100 ml/min的設(shè)計(jì)要求，滲水系數(shù)稍大的點(diǎn)均位于邊部區(qū)域。滲水系數(shù)、空隙率與不均勻系數(shù)S值之間均呈良好的二次拋物線相關(guān)關(guān)系。隨著S值的減小，滲水系數(shù)和空隙率均呈逐漸變小的趨勢，表明S值對瀝青路面檢測主控指標(biāo)有著重要的影響，路面施工過程中應(yīng)注意控制離析，確保瀝青混合料內(nèi)各結(jié)構(gòu)組分分布均勻，以達(dá)到良好的滲水系數(shù)、空隙率等交工驗(yàn)收主控指標(biāo)。

4 結(jié) 論

(1)采用全斷面大功率攤鋪機(jī)能有效提高瀝青路面施工的均勻性，但由于采用全斷面大功率攤鋪機(jī)成本較高，施工過程中應(yīng)綜合考慮成本控制和質(zhì)量要求，選擇合適的攤鋪機(jī)械設(shè)備。

(2)瀝青路面施工過程中，邊部區(qū)域1 m范圍內(nèi)壓路機(jī)碾壓不便，攤鋪過程中各參建單位應(yīng)加強(qiáng)路面施工質(zhì)量管控，采用小型壓路機(jī)對路面邊部區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓，確保路面邊部壓實(shí)效果。

(3)滲水系數(shù)、空隙率與不均勻系數(shù)S值之間呈良好的二次拋物線相關(guān)關(guān)系，不均勻系數(shù)對瀝青路面檢測主控指標(biāo)有著重要的影響，路面施工過程中應(yīng)注意控制離析，確保瀝青混合料內(nèi)各結(jié)構(gòu)組成分布均勻，以便達(dá)到良好的交工驗(yàn)收主控指標(biāo)。