沥青混凝土路面施工监测技术.docx

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沥青混凝土路面施工监测技术

摘要

在我国高速公路建设迅速发展的同时，高速公路沥青路面早期破坏和耐久性不足现象也一并存在，并已成为影响我国公路健康发展的突出问题。

施工质量存在的变异性是造成路面早期破坏的关键因素之一。

预防早期破坏的重要手段之一就是控制施工质量。

沥青路面是高速公路常见的路面形式，要做好施工过程的质量控制，对其进行质量监测是不可缺少的重要手段。

本文主要对高速公路的沥青路面施工过程进行了分析，并研究了施工过程中对沥青路面进行监测的几种方法，并验证了这几种方法的可行性。

关键词：

高速公路，沥青路面，监测方法

Abstract

AtthesametimeofrapiddevelopmentofChina'sexpresswayconstruction，thehighwayasphaltpavementearlydamageandinadequatedurabilityarealsoexisting，whichhasbecomethekeyproblemaffectsthehealthydevelopmentofChina'shighways.Thevariabilityconstructionqualityisoneofthekeyfactorscausestheearlydamageofpavement.Oneoftheimportantmeasurestopreventtheearlydamageistocontroltheconstructionquality.Asphaltpavementisoneofthecommonformsofhighway.Therefore，itisanecessarymeasuretocontrolconstructionmeasurethatdetectingthequalityoftheconstructionprocess.

Inthispaper，Theconstructionprocessofexpresswayisanalyzed，andfourmethodsfordetectingtheconstructionprocessoftheasphaltpavementarestudied.Throughscientifictests，thefeasibilityofthesefourmethodsareverified.

KeyWords：

Highway，asphaltpavement，detectionmethods

目录

1引言6

2沥青路面施工监测技术概述6

2.1沥青路面施工监测的重要性6

2.2国内外研究现状7

2.2.1国外研究现状7

2.2.2国内研究现状8

2.3研究的目的及意义9

3沥青路面厚度及弯沉监测技术9

3.1路面厚度雷达监测技术10

3.1.1雷达监测技术原理10

3.1.2雷达监测路面厚度的工作过程11

3.1.3雷达厚度监测的可靠性分析12

3.2自动弯沉监测技术研究14

3.2.1自动弯沉监测工作过程14

3.2.2自动弯沉仪监测可靠性分析14

3.2.3自动弯沉仪监测方法总结15

4其他施工监测技术16

4.1路面压实度监测技术16

4.2沥青路面平整度监测技术16

4.3沥青路面质量监测技术17

4.3.1现场无核密度仪控制技术17

4.3.2现场GTM控制技术18

4.3.3动态控制图法18

4.3.4燃烧炉法18

5总结19

参考文献：

20

致谢21

1引言

对于拥有13亿人口和960万平方公里国土面积的国家而言，交通对国民经济的发展具有基础性、先导性的作用。

我国政府始终把发展交通运输作为国家经济建设的重点。

政府已形成的理念是“经济发展，交通先行”，老百姓已形成的理念是“要想富，先修路”。

但是，在我国高速公路快速发展的今天，同样面临着艰巨的问题：

在不断加快高速公路建设步伐、一味追求工程计划进度的同时，忽视了工程建设的内在质量控制。

由于控制技术不足，质量管理力度不够，造成已通车的沥青路面过早的发生车辙、开裂、沉陷、拥包等损坏现象。

预防早期破坏的重要手段之一就是控制施工质量。

沥青路面是高速公路常见的路面形式，要做好施工过程的质量控制，对其进行质量监测是不可缺少的重要手段。

2沥青路面施工监测技术概述

2.1沥青路面施工监测的重要性

沥青路面是指在矿质材料中掺入路用沥青材料铺筑的各种类型的路面。

经济发展，交通先行。

到目前为止20多年的时间里，全国高速公路的总里程己超过2.5万公里，通车总里程仅次于美国，位居世界第二。

根据国家有关部门的规划和要求，我国将全面建成“五纵七横”国道主干线，东部地区基本形成高速公路网并逐步完成西部地区8条省际间主要公路通道的建设。

但是，在高速公路建设迅速发展的同时，由于我国公路建设起步晚，技术力量储备不足，一些公路工程的建设水平和建设质量还不理想，其中高速公路沥青路面早期破坏和耐久性不足已经成为影响我国公路健康发展的突出问题。

我国高速公路沥青路面普遍达不到设计使用寿命，一般使用5～8年或3～4年甚至施工完毕至竣工验收期间就出现显著的破坏（如车辙、裂缝、坑槽、泛油、拥包、松散等），严重影响了行车舒适性和安全性，这需要进行大规模的维修，因此造成资金的大量损失，也造成不良的社会影响。

路面早期破坏或耐久性不足的现象固然与许多外部因素有关，比如交通的超载、重载、特殊的地质和气候条件（如不可预见的长期高温）、路面结构设计理论、理念的不完善等。

但很多情况下，路面病害的产生是一些共性的技术因素引起的，其源头在于施工过程中细节的控制，比如，原材料性能不够稳定，进料、堆料、储料不够规范，拌合楼称重、控温装置传感器不精准、不灵敏、施工机械性能不良或操作手不够熟练或施工工艺不合理、层间污染控制不力等等这些细节都有可能造成最终成型后的沥青路面压实度、平整度不佳，路面质量均匀性不良，这些都有可能导致以后路面病害的产生。

从沥青路面早期损坏的现状分析，大部分是因为路面施工质量不均匀而造成的局部损坏，尽管损坏的影响因素众多，但路面局部损坏的普遍性也说明施工质量存在很大的变异性。

下图2-1所示为沥青路面常见病害分布情况：

图2-1沥青路面常见病害分布情况

由以上调查可以发现，施工质量的控制对于沥青混凝土路面的使用寿命非常重要，要做好施工过程的质量控制，对其进行施工监测是不可缺少的重要手段。

施工监测贯穿于公路沥青路面工程的全过程，应基于全面质量管理的原则，构建一个完善的质量保证体系，对施工所涉及的各道工序予以严格检查和准确评定，使其符合相应的质量标准，从而保证施工质量的可靠性[1]。

由此可见，施工监测工作是十分重要的，将会对公路沥青路面工程的整体质量产生直接影响，所以，应重视并做好该项工作。

2.2国内外研究现状

2.2.1国外研究现状

沥青路面以其优越的性能得到全世界范围内推广应用，据资料表明，美国的高速公路约93%为沥青路面，日本的高速公路约94%为沥青路面，全世界范围内约有80%的路面为沥青面层。

1987年开始的美国公路战略研究计划（SHRP），历时五年，其中的沥青研究项目获得的最重要的研究成果是“高性能沥青路面（Superpave）”技术，这项技术对提高沥青路面的路用性能起到了显著的作用。

1996年华盛顿大学的研究人员对温度离析进行了深入研究，发现温度离析对路面施工质量影响很严重，2000年美国的全国公路合作研究项目（NCHRP9-11）“热拌沥青混合料路面的离析”重点研究了沥青路面离析的判别及新型监测技术，认为沥青混合料由于施工过程的离析可以严重影响路面的使用品质，离析严重的路段，材料的回弹模量可以降低50%。

为此，建议采用激光表面构造深度仪监测和控制沥青路面的施工离析，用红外扫描仪监测和控制沥青混合料的温度离析[1]。

压实度质量控制的问题在欧洲研究较多，欧洲人提出连续监测与控制的思想，将压实计装置在振动压路机上，通过信息反馈和智能控制压路机的方法，实现压实质量的反馈控制。

就监测设备而言，国外已经普遍采取红外摄像来监测温度离析[2]，用探地雷达来监测路面厚度，用落锤式弯沉仪测定路面弯沉、模量，用响应信号的畸变程度为指标评定压实度，这些基本上都属于无损监测。

国内部分省市逐步引进了这些无损监测设备，但大多仍采用破坏性试验监测或无损监测和破坏性试验相结合的手段。

随着高速公路监测速度高速化、监测数量巨大化、监测数据精确化的要求，无损监测技术将在我国沥青路面质量过程控制中有广泛的空间。

2.2.2国内研究现状

国内不少科研工作者也认识到沥青路面施工过程控制对于沥青路面使用性能的重要意义，对一些影响沥青路面使用性能的关键参数（如温度、用油量、级配、压实度等）变异性进行了研究，并提出了很多沥青路面施工过程质量控制的有益建议和措施。

但这些研究大多很分散，研究对象比较单一，更没有建立一套完善的沥青路面质量控制和质量保证体系，因此这仍需进一步的研究和探讨。

至于沥青路面施工过程控制的动态管理模式，国外工业发达国家早在20多年前就相当普及。

当初京津塘高速公路在外国监理的指导下，自始至终很好地使用了这个方法，为施工质量管理起到了很好的作用。

但遗憾的是在京津塘高速公路以后，国内高速公路工程的建设单位和监理鲜有继续采用这个方法，当然这与监测项目的滞后性及地区之间经济实力的差异有关，但根本上还是国内沥青路面质量管理水平的问题。

动态质量监测是过程控制的重要手段，旨在及时发现影响质量的因素，提高施工质量的稳定性，减小变异系数。

例如对沥青混合料或沥青路面来说，离析是产生局部损坏的重要原因，如何发现离析，采取措施提高混合料的均匀性是防止沥青路面早期损害的重要手段之一。

通过动态质量监测可以帮助我们寻找产生离析的原因。

沥青路面工程质量监测与标准化、工程质量过程控制评价体系及对策体系的研究是随着快速、无损监测技术的发展而受到广泛重视的前沿课题。

由于发展时间较短，而我国在路面监测领域基础本来就薄弱，因此，在施工过程中工程质量监测、过程控制方面的成果还比较缺乏，并有待于进一步完善。

2.3研究的目的及意义

高速公路沥青路面工程是一种特殊的商品，承包商是售卖方、业主是收买方。

由于这种商品价格昂贵，工程投资巨大，且具有特殊的公共性和排他性，因此业主（买方）往往是通过招标的方式，选择合适的承包商（卖方）生产这一特殊产品，双方通过契约方式约定产品的数量、规格和质量标准。

由于高速公路路面工程具有排他性，业主在工程完工后，很难有其他可替换的选择（即不可能再修一条高速公路），因此即便承包商生产的产品有一些质量问题（这些质量问题可能不会影响路面的短期性能，但可能会影响路面的耐久性和长期性能），业主往往也只能接受承包商生产的产品。

正因为上述原因，沥青路面施工监测技术才显得愈加重要，本文通过调查研究，分析了常见的沥青路面施工监测技术并提出相关建议，为相关单位提供监测帮助，提高沥青路面施工质量。

3沥青路面厚度及弯沉监测技术

路面厚度是进行路面结构设计和施工质量检验的一个重要指标。

我国现行《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60一2008）中对于沥青混凝土路面监测规定了两种方法：

钻芯法和短脉冲雷达法[3]。

用钻芯法监测路面厚度被测点是随机选择的由于监测点的密度稀，有些局部压实度达不到标准、厚度偏小、结构层内部有缺陷等不良区段极易漏检，给后续工作和未来使用留下隐患。

而且这种监测破坏原有的路面结构，虽然对于产生的钻孔要求用同种沥青混合料进行填补，但钻孔位置由于结构产生的路面损坏仍然是路面易产生病害的薄弱环节。

此外，钻孔取芯法监测速度较慢，在开放交通的情况下容易产生危险。

用地质雷达来监测路面厚度属于无损监测，而且监测速度高，可以对路面连续监测，监测频率远远高于钻芯，使统计的样本数大幅增加，能够更加准确的体现面层厚度的真实情况。

故本文着重进行采用地质雷达监测路面结构层厚度技术的研究。

路面弯沉是表征路面结构承载能力的一个重要指标。

弯沉的定义是指在规定的标准轴载作用下，路基和路面表面轮隙位置产生的总垂直变形（总弯沉）或垂直回弹变形（回弹弯沉），以0.01mm为单位[4]。

目前我国《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60一2008）中，对于路面弯沉值的监测有三种方法：

贝克曼梁法、自动弯沉仪法和落锤式弯沉仪法[3]。

其中贝克曼梁方法是传统方法，速度慢，静态测试，比较成熟，属于标准方法；自动弯沉仪法也是利用贝克曼梁原理快速测定，属于静态测试范畴，测定的是总弯沉，因此使用时应用贝克曼梁进行标定换算。

落锤式弯沉仪利用重锤自由落下的瞬间产生的冲击荷载测定弯沉，属于动态弯沉，并能反算路面的回弹模量，快速连续，使用时应用贝克曼梁进行标定换算[4]。

落锤式弯沉仪设备价格很高，因此在我国的实际应用并不是非常的普遍。

自动弯沉仪测量较贝克曼梁测量弯沉快速便捷，对于自动弯沉仪测量路面弯沉技术的研究有助于自动弯沉仪的进一步推广应用，通过不同因素对弯沉监测结果的研究，找出相应的规律，为自动弯沉仪监测技术的应用提供理论依据。

3.1路面厚度雷达监测技术

3.1.1雷达监测技术原理

现阶段我国高等级公路面层一般采用两种材料：

改性沥青和水泥混凝土。

基层与路基一般为水泥土、水泥稳定粒料、石灰土、石灰稳定粒料、石灰粉煤土基层等。

面层为混凝土时其相对介电常数大约为6，为沥青时其相对介电常数大约为4，基层与路基的相对介电常数随其采用的材料不同而不同，但由于其湿度较大，且采用土、砾石、粉煤灰、石灰等介电常数相对较大的材料，其介电常数大都大于8[5]。

因此，公路各层之间都存在介电常数的差异，这为雷达对公路进行无损监测提供了地球物理依据。

在用探地雷达对道路进行无损监测时，如果道路的局部地段存在差异（如受到破坏），则雷达波反射信号的双程旅行时、振幅、相位及频谱特征将发生明显变化，根据这些变化特征，就可推测路面下基层、路基等的状况，从而达到无损监测的目的。

路面雷达的基本原理是电磁波在介质中的传播理论，通过向地下以脉冲形式发射电磁波，电磁波在均匀各向同性介质中以电场和磁场相互交替变化的方式，并以一定的速度，由近及远传播。

当电磁波在传播过程中遇到不同介质时，在介质交界面上就会产生反射、折射，路面雷达就是通过接收返回地面的反射波来探测介质层厚度和查找地质病害。

3.1.2雷达监测路面厚度的工作过程

地质雷达的基本工作过程为：

雷达系统中的发射机通过宽频带发射天线向地下发射无载波电磁脉冲，此脉冲在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射，由接收天线接收的后向散射和反射信号，转化为数字信息并传输到主机内，再通过数据、图像处理，就能计算出反射体的某些参数，从而区分不同介质层面，并精确标定不同层面物体的深度。

下图3-1所示为路面雷达侧厚工作流程图。

图3-1路面雷达侧厚工作流程图

3.1.3雷达厚度监测的可靠性分析

地质雷达能否作为监测路面层厚度的一种手段，关键取决于其准确性和可靠性。

大连海事大学孙壮心硕士论文《沥青路面厚度及弯沉检测技术研究》对此作了较好的研究，对大连市区周边几条高等级公路进行了试验[6]。

试验结果如图3-2、3-3、3-4所示：

图3-2地质雷达厚度测值与钻芯法厚度测值相关性分析

图3-3地质雷达厚度测值与钻芯法厚度测值相关性分析

图3-4地质雷达厚度测值与钻芯法厚度测值相关性分析

由图3-2~3-4可以看出，地质雷达厚度监测值与钻芯法厚度监测值呈较好的线性相关关系，两种监测结果之间存在较好的相关性。

从以上对比分析结果来看，探地雷达对路面面层厚度的监测结果在具体点位上是足够精确的，对特定区段的评估是非常可靠的。

3.2自动弯沉监测技术研究

路面弯沉的监测是评价路面承载力的基础，对于工程质量的控制和检验至关重要，此外，它还决定着路网养护决策的科学化水平和可信度，直接影响养护资金分配和旧路改造设计的合理性。

虽然世界各国测试弯沉的设备和方法有所不同，但对弯沉基本概念的理解是相同的。

弯沉定义一般是指路基或路面表面在规定标准车的荷载作用下轮隙位置产生的总垂直变形值（总弯沉）或垂直回弹变形值（回弹弯沉），以0.01mm为单位。

针对落锤式弯沉仪而言，弯沉是指与落锤重量对应的当量荷载使路表面产生的瞬时变形值。

3.2.1自动弯沉监测工作过程

自动弯沉仪在测定弯沉时，测量架置于路面上，汽车以一恒定速度前进，测量机构在完成前一点的弯沉测量后，汽车前方的移步卷扬机就把测量架以二倍的汽车行驶速度拖到下一个测量点，测量架停下来，测量臂的测头由于导向机构的作用，刚好正对着汽车左右后轮的轮隙，汽车继续前进，测量机构的测头随着汽车荷载的逼近，随地面的弯曲沉降而向下移动，弯沉越来越大，数据采集处理系统不断地记录着测头的这个位移变化，直至测臂的测头越过后轴中轴线约15cm采集到最大弯沉峰值时停止数据采集，移步卷扬机再次拖动测量架前进至下一个测点，这样周而复始，一步接着一步，测量连续不断地进行。

自动弯沉仪是利用测臂的杠杆作用，其测臂端头的位移变化由高精度差动位移传感器（LVDT）监测出来，这样通过仪器的数据采集与处理不仅可以测出被测点的最大弯沉值，而且对被测点处从小到大的整个弯沉变化过程全部记录下来，供对路面的进一步详细研究分析使用。

3.2.2自动弯沉仪监测可靠性分析

大连海事大学孙壮心硕士论文《沥青路面厚度及弯沉检测技术研究》对此作了较好的研究，对大连市某新建公路K22+600~K36+200共13.6km路段通过自动弯沉车和贝克曼梁人工测量同步实测进行对比，分析比较了两种方法的相关性[6]。

下图3-5所示为自动弯沉车与贝克曼梁所测代表弯沉值关系曲线：

图3-5自动弯沉车与贝克曼梁所测代表弯沉值关系曲线

由图3-5可以看出两种检WlJ方法所得代表弯沉值呈线性相关，相关系数>0.9，相关性良好。

表明自动弯沉车所测数据准确可靠，可以很好地评定新建路面的整体承载能力。

3.2.3自动弯沉仪监测方法总结

通过应用自动弯沉车的大量监测工程实践，以及对监测结果的整理分析，得出如下结论：

（1）对于低等级公路的新建沥青贯入式面层，测得的数值容易产生异常的跳动，数据离散性很大，与贝克曼梁人工测量所得的数值相关性较差，主要原因是由于较松散的封层料容易引起自动弯沉车测量臂滑靴的异常滑动，所以自动弯沉车不是很适用于低等级的沥青贯入式路面。

（2）对于弯道和坡道的弯沉监测较难控制，主要原因是JG型自动弯沉车属于前插梁式连续监测，轴距较长，监测速度较快，所以在监测的过程中要根据不同的平、竖曲线搬进，实时调整测量速度和步距，并通过对测量机构的简单机械调整以适应不同的路面平纵线形[7]。

（3）在平缓弯道测试时，司机应集中注意力，在测量架前移时适当地转动方向盘（小角度），这样转向机构与之联动地导向架强制测量机构偏移一定角度，保证测量架在小弯道测量时测臂正对后轮轮缝"一旦测量架停止移动，这时司机绝对不能转动方向盘，否则其后果轻则测点数据不准，重则后轮会压坏测量架。

（4）在小弯道测试时，司机的操作应特别注意"当测量架刚开始前移时，司机应快速转动方向盘，在测量架前移结束前，司机应在快速回转方向盘。

转动方向盘时，回转角度应与正转角度基本一致。

4其他施工监测技术

4.1路面压实度监测技术

对沥青路面工程而言，路面压实度同样是衡量其质量的关键指标之一。

理想的压实度能够让浙青面层获得更为优异的平整度。

压实度越大，空隙率则相应越小，此时稳定度和抗拉强度均会更为理想，这样就能够有效保证沥青面层的性能，如平整度、稳定性以及耐久性等。

施工过程中，路面压实度的常用监测方法有两种，一种是核子湿度密度仪（路面监测用），另一种是钻芯法[8]。

其中钻芯法在沥青面层压实度监测中较为常用，其具体操作方法为：

在施工现场使用钻心机进行钻芯取样，接下来将试件带到试验室，予以马歇尔试验以及相关试验，对得到的试验数据进行相应的处理，最后结合试验数据对沥青混凝土路面的密实度进行客观且准确的评价。

4.2沥青路面平整度监测技术

路面平整度是评价路面使用性能的一个重要指标，它直接影响着车辆在路面上的行驶质量和高速公路基本功能的充分发挥。

因此路面平整度的改善和提高一直作为沥青路面施工中的一项关键技术而受到公路科技界关注和重视。

路面的平整度与路面各结构层次的平整度状况有着一定的联系，即各层次的平整效果将累积反映到路面表面上，路面不平整的危害很多，如增大行车阻力，使车辆产生附加振动，产生颠簸，直接影响行车的安全性、舒适性；同时加剧汽车各个部件尤其是减震设备、轮胎的损坏；雨季路面不平整产生积水，不但对行车方向不好掌握，也将加速对路面水平冲击，产生进一步的破坏。

因此，路面平整度的监测与评定是公路工程施工过程中各级质量管理部门控制路面质量的一个非常重要环节。

平整度监测指标主要有：

（1）平整度标准差σ

σ是平整度标准差，单位为mm，是目前我国路面施工、验收和评价中最常用的指标，但仅反映路面信息。

（2）国际平整度指数IRI

IRI是当1/4车辆以80km/h的速度沿路面纵断面行驶时，在路面纵断面的斜率输入激励作用下，系统产生振动，然后计算每千米行驶距离内簧载质量和非簧载质量的相对位移的累计值，以m/km表示。

IRI指标可以反映出路面对车辆的影响，能体现人—车—路之间的关系，是目前世界各地使用最广泛的指标。

（3）竖向加速度均方根RMSVA

RMSVA是空间竖向加速度的均方根，是评价人体振动舒适性的直接指标，体现了人—车—路之间的相互作用关系，但在路面评价中对该指标研究不多，应用不广泛。

4.3沥青路面质量监测技术

4.3.1现场无核密度仪控制技术

现场监测需要用到一种新型的设备，即无核密度仪，这种设备具有操作简单、节约时间、无破坏性的优点。

将无核密度仪放置于碾压好的沥青路面上，几秒种以后就可以监测出路面是否合格，这样就从人力、物力上节约了成本，并有效地保证了路面的质量。

以前施工监测常使用钻芯法，而钻芯法会在一定程度上损坏小部分路面，这种无核密度仪的监测对路面绝无损坏，而且可以及时了解路面情况并加以控制。

不过，该方法只能与钻芯法结合使用，即首先用钻芯法进行标定，并计算出标定系数，然后用无核密度仪进行控制，且需定期标定，从而时刻保证路面安全。

对无核密度仪的参数进行设置，需要考虑以下几点：

路面类型、沥青路面的厚度、沥青混合料的最大理论密度及数值单位的设置。

4.3.2现场GTM控制技术

现场GTM控制技术目前已经较为成熟。

它已经成为了河北省高速公路沥青路面施工监测的核心方法，广泛应用于河北各地。

这种现场的GTM控制方法主要是用于沥青混合料配合比设计，它可以代替马歇尔法进行沥青混合料配合比设计，不过并不适用于SMA沥青混合料配合比的设计。

GTM是一种机械模拟，这种机械模拟主要应用于柔性路面，且要求在荷载作用下进行。

它主要根据GSI≤1.05（GSI主要用于监测沥青混合料在压实到平衡状态时是否失去弹性，是对沥青混合料稳定性的量度，与沥青混合料的永久变形有关，该指标由最终旋转角与中间最小旋转角的比值确定）和GSF>1.3（GSF指沥青混合料被压实到平衡状态时的抗剪强度与行车荷载作用下需承受的剪应力的比值）两个力学性能指标，与不同用油量下的试验结果，画出用油量与试验结果的关系曲线，来决定沥青混合料的设计密度及最佳沥青用量，也可通过其来验证混合料的力学性能指标。

4.3.3动态控制图法

目前有一种较新的控制方法，即动态控制图法[9