无核密度仪在机场沥青道面施工质量检测中研究

无核密度仪在机场沥青道面施工质量检测中的应用研究摘要：通过使用无核密度仪对压实状况进行评价的实际案例，研究了机场跑道碾压施工工艺、密度分布规律和温度变化规律。根据实测数据得到了碾压遍数与密度和温度、温度与压实效果的相关关系，以及同一断面不同位置的压实情况，研究结论可为同类型施工提供借鉴。关键词：无核密度仪；压实度检测；碾压遍数；碾压温度中图分类号：U416.217文献标志码：B0引言无核密度仪在中国道路施工中的应用也是最近几年才开始的，因此对无核密度仪的技术性能与操作等方面尚没有全面、严谨的研究，更缺乏基于中国特殊的环境条件、原材料、施工方式的探索，只局限于在国外研究基础上进行测试使用[14]。国内部分科研工作者对无核密度仪也进行相关研究，其中张争奇等采用PQI301快速无损地定量检测沥青混凝土路面的密度变化情况，对施工质量进行动态控制和评估，分析了沥青混凝土路面在横向和纵向的非均匀性及其原因。肖立波通过使用2701B与室内水中重法进行对比试验，分析2701B的相关性，提出在公称最大粒径较小沥青面层密度检测中具有较高的精度。徐科采用PQI301检测沥青路面空隙率变化情况，利用拟合优度的检验及偏度、峰度检验拒绝空隙率分布的正态假设。周志刚等利用PQI301无核密度仪与钻芯后表干法测试密度（压实度）进行对比试验，验证PQI301检测现场热再生沥青路面密度的准确性和有效性，得出在一定温度下碾压遍数与再生沥青混合料压实度的关系。本文依托实际的沥青路面工程，针对碾压方式、碾压次数对于压实度与压实温度的影响，以及温度与压实度的相关性方面进行了详细的分析，为无核密度仪在实际施工中用于施工质量控制的可行性提供有力的保障[56]。1工程简介昆明新机场是国家机场布局规划确定的中国面向东南亚、南亚和连接欧亚的国家大型门户枢纽机场，位于云南省昆明市官渡区长水村附近，在昆明市东北方向，距市中心直线距离约24.5km，是国家在“十一五”期间惟一新建的大型枢纽机场。昆明新机场一期工程建设两条长度为4000m，垂直间距为1950m的远距独立运行的平行沥青跑道，其中A跑道宽60m，B跑道宽45m，是国内首次在大型机场建设中采用沥青道面的跑道，也是绿色昆明新机场的示范工程之一。跑道两端有约500m左右的水泥混凝土道面连接段，跑道中间沥青段道面长3410m，沥青结构层总厚度为30cm，两侧道肩为75m宽的水泥混凝土。A、B跑道的结构形式见表1和图1。表1A、B道面结构形式A道面结构B道面结构50mmSMA13（6%SBS改性壳牌70沥青）50mmSMA13（6%SBS改性欢喜岭AB70沥青）65mmAC20（5%SBS改性欢喜岭AB70沥青+0.3%抗车辙剂）65mmAC20（5%SBS改性欢喜岭AB70沥青+0.3%抗车辙剂）65mmAC20（端部5%SBS改性欢喜岭AB70沥青、中部4%SBS改性欢喜岭AB70沥青）65mmAC20（端部5%SBS改性欢喜岭AB70沥青、中部4%SBS改性欢喜岭AB70沥青）100mmATB25基层（欢喜岭AB70沥青）100mmATB25基层（欢喜岭AB70沥青）10～20mmAC5上铺土工布10～20mmAC5上铺土工布图1A、B道面结构2检测指标确定通常，按照形成原因沥青混凝土道面的非均匀性可分为：集料离析、温度离析与压实不均匀3类。各类非均匀性均表现为沥青混凝土道面在部分区域的密度不均匀。为综合研究沥青混凝土道面非均匀性类型及成因，进而制定合适的质量控制措施，现将不均匀性分为如下2类：将混合料中集料的不均匀分布定义为集料离析非均匀性；将温度离析和压实不均匀定义为压实非均匀性。本文主要对压实非均匀性进行探讨。沥青混凝土道面压实非均匀性产生的原因主要为温度离析与压实不均匀，其表现为部分区域混合料孔隙率的不均匀性，该区域由于没有形成稳定的内部结构，极易导致早期病害的产生，如车辙、松散、裂缝等[7]。压实非均匀性主要由以下因素导致：一是混合料局部压实温度的降低；二是压实机械组合不合理或压实功不足。3无核密度仪用于沥青道面压实状况评价压实度作为保证沥青混凝土道面面层结构强度和使用寿命的重要指标，直接影响沥青混凝土道面的整体强度、稳定性以及长期使用的耐久性。传统的检测方法主要为现场钻心取样法，由于该法不能较好地模拟现场施工的实际情况，因此对指导现场施工有一定的局限性。2701B型无核密度仪作为一种无损检测设备，可在碾压施工过程中对路面密度进行实时监控，因而对碾压施工具有极佳的指导意义[8]。本文对A跑道中面层进行测试（见图2），以2701B测试值反映沥青面层施工过程中现场压实的情况，结合实时测得的密度数据换算出压实度，并绘制碾压遍数与密度值、碾压遍数与温度的关系图进行综合分析。结合现场碾压施工情况，每间隔60m选取1个横断面，各横断面上间隔25m选取1个检测点，在不影响施工的每个横断面选取6个检测点。碾压前用喷漆做直径约为150mm的圆弧形标记，并确保与上次测试方向基本保持一致。对标记检测点采用无核密度仪进行现场测试时，在每次胶轮碾压2遍之后进行一次密度测试，测试同时也要测试每次碾压后的平均温度。待7遍碾压结束后整理对应横断面的密度测试数据，分析整个断面的压实均匀性及温度随压实遍数的下降情况。为使研究数据具有代表性，本次随机选取5个横断面数据。从表2可以看出，随着碾压施工的进行，测试温度逐渐减小，密度逐渐增大，终密度保持在2.37～2.45g?cm-3范围内，终压温度在80℃左右。在不同碾压遍数下相关规律存在一定差异，现对不同碾压遍数下密度与温度的关系分析如下。（1）分析测试密度与碾压遍数关系可知，碾压初期（1～4遍）测点密度直线上涨，之后逐渐变缓。由图3可知，5个横断面的混合料在熨平板作用下达到了一定的压实状态，密度测试值在20g?cm-3以上。随后在胶轮压路机初步碾压作用下，混合料出现不均匀现象，致使部分测点的测试密度降低至1.9g?cm-3左右，这说明在碾压初期，胶轮压路机在使路面的粗细集料均匀分布的同时也产生了明显的轮迹分布现象，造成了混合料分布不均匀，从而影响了无核密度仪测试结果。因此，为保证碾压质量，一是要控制碾压速度，保证碾压均匀性；二是要根据沥青混合料类型选择合适的胶轮压路机。（2）分析比较压实成型后各横断面密度的分布状态可知，横断面两端密度小，且中间密度分布不均匀。由图4可知，5个横断面的测试点均呈现出相似的密度变化规律，表现为先增大再减小。测点1、6与测点2、3、4、5的测试密度相比较小，且最小低至2.250g?cm-3，存在明显不合格。表明该区域处于压路机碾压薄弱区，这可能是由于施工工艺或压路机械选择不合理造成的。针对该现象存在的普遍性，建议在道边附近压路机难以到达的区域改善施工工艺，如采用小型碾压机械进行辅助压实；或加长熨平板以减小熨平板边端与道边距离；也可以适当增加碾压遍数以保证特殊区域碾压的均匀性。图4密度测试断面分布状态（压实7遍之后）（3）分析碾压遍数与压实温度关系可知，温度在碾压初期（1～2遍）下降较小，中期（3～5遍）温度降幅较大。图5描述了温度与碾压遍数之间关系，从中可以得知，断面测试的温度随着碾压遍数变化分为3个阶段，即碾压0～2遍温度变化幅度下降不大，2～5遍变化幅度较大，5遍以上变化幅度逐渐变小。这说明如果按照规范要求程序步骤，在初压时间段内温度变化较小，也就决定了初压在整个碾压过程中的重要性；复压前期随着温度的急剧下降，3～4遍的碾压必须紧跟着进行才能保证沥青混合料的温度满足要求。而压路机的洒水量控制在此阶段也非常关键，为了给形成良好的道面质量奠定基础，当道面温度下降到60℃～80℃时，进入到终压阶段消除压路机痕迹阶段，进行局部区域平整度调整。图5温度与碾压遍数之间关系4无核密度仪用于沥青道面离析程度评价为了更好掌握实际路面施工中温度离析对路面非均匀性影响是否与理论上一致，本文对A跑道上面层SMA13进行了相关试验。按照上文的测试方法对面层SMA13进行横断面测试，在每个位置进行密度测试的同时进行温度检测。由于温度离析需要大面积检测，为使研究数据具有准确性，选择13个检测横断面数据进行分析，绘制出不同碾压遍数下的温度、密度状况分布图和温度密度变异性及道面成型后温度与密度的标准正态分布图。（1）碾压过程中温度整体分布不均匀，且随碾压遍数的增加，离散程度先增大后减小（见图6和图7）。图6铺筑过程中温度与密度的分布状态图7不同碾压遍数下温度变异性图7描述了施工压实温度在不同碾压遍数下的分布状态。从中可以看出，不同碾压遍数下温度分布不太均匀，例如碾压第1遍时最高温度达到161℃，而最低温度却为78℃，二者之间相差约83℃，变化差较大，分布散乱；在碾压第7遍时，温度差异减小到50℃。说明沥青混合料在拌和、运输、摊铺、碾压中的个别环节出现了比较严重的温度损失，造成温度差异较大。另外，从图7还可以得知，随着碾压遍数增加，温度离散程度先增加后减小，主要表现为复压阶段温度差异性增大，而碾压7遍后温度变异性又逐渐减小。这说明复压阶段道面的实际碾压状况并没有按照上述制定的施工工艺进行，导致温度变化比较大，而后期碾压较为及时，使温度最终控制在较小变化范围内。（2）不同碾压遍数下，温度与密度之间没有明显规律，关系较散乱。在温度较高区域也会出现较低密度，反之，也会有较高密度，如图6（d）所示。从图7可以看出，测试密度与温度分布较类似，随碾压遍数变化，密度分布不均匀，但好于温度分布。其中，碾压1遍时测试密度的最大值与最小值相差约0.6g?cm-3，但碾压7遍后密度分布最终在合格范围内。因此，密度变异结果随碾压遍数增加而减小，如图8所示。图8不同碾压遍数下密度变异性从图8可以得知，密度随碾压遍数的变化更加明显，变异系数从4.3减小到2.8，下降约35%，说明道面整体密度均匀性在增加，最终控制在一定范围内。另外，根据图6（d）可以看出，碾压温度与密度关系没有必然联系。从当天铺筑沥青混合料马歇尔试件标准密度计算的压实度得知：在温度较高区域，密度同样较小，这些区域有可能出现了集料离析，导致路面难于压实，在相同的压实功作用下，即使温度达到了压实温度，但是密度却没有太大的增加；而在温度较低区域，却存在高密度部分。这表明温度并不是影响路面密度差异的惟一原因，采用合理的碾压工艺可以消除由于温度差异带来的离析现象。因此，路面密度与温度并没有显著的相关性，这说明温度差异并不一定会带来温度离析。同时碾压7遍时温度和密度服从正态分布，如图9和图10所示。图9道面成型测试温度分布状态图10道面成型测试密度分布状态5结语（1）碾压温度与碾压有效时间对碾压效果至关重要。建议在道边等压路机难以到达的区域改善施工工艺，如采用小型碾压机械进行辅助压实；或加长熨平板以减小熨平板边端与道边距离；也可以适当增加碾压遍数以保证特殊区域碾压的均匀性。（2）当部分区域存在碾压效果不符合要求时，为保证碾压效果可适当提高碾压温度。在不发生推移、表面无开裂的情况下，初压的压路机可一直紧跟摊铺机，以确保在较高的温度下进行初压；复压应紧跟初压；终压也应尽可能地在较高温度下进行。参考文献：[1]JTGF40―2004，公路沥青路面施工技术规范[S].[2]JTGE60―2008，公路路基里面现场测试规程[S].[3]戴文斌.沥青混合料配合比设计与压实度标准[J].公路，2001，46（10）：5256.[4]陈少幸，张肖宁.应用PQI评价沥青路面离析的研究[J].公路交通科技：应用技术版，2006，23（5）：1115.[5]