沥青路面压实度无损检测技术与应用研究

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CONSTRUCTION MACHINERY 392021/04总第542期

沥青路面压实度无损检测技术与应用研究

何 禹1

,高新民2,3

,杨永强2,3

,郭宏军3

(1. 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安 710064;2. 公路建设与养护技术材料及装备交通运输

行业研发中心,甘肃 兰州 730030;3. 甘肃路桥第三公路工程有限责任公司,甘肃 兰州 730030)

[摘要]为了更好的应用无损检测方法,提高沥青路面压实质量监测水平,根据无核密度仪、探地

雷达法和车载检测法的技术原理,通过分析它们的技术特点,明确了各方法的使用条件和应用场合。无

核密度仪操作简单,实时性较好,可用于沥青路面压实度测量和离析判别;探地雷达自动化程度高,可

用于沥青层的压实度、厚度以及缺陷探测;车载检测技术与压路机械相结合,可用于压实施工过程,实

现压实度在线检测。

[关键词]路面工程;施工质量;压实度检测;无损检测

[中图分类号]U453.5 [文献标识码]B [文章编号]1001-554X(2021)04-0039-06

Research on nondestructive testing technology and application of asphalt

pavement compactness

HE Yu,GAO Xin-min,YANG Yong-qiang,GUO Hong-jun

压实是路面施工中影响路面性能和工程质量

的重要工序,若压实度达不到要求可能会导致路

面过早损坏并影响交通运营,造成经济损失。沥

青路面压实质量控制指标主要有压实度和压实均匀

度[1]

。但这两个指标中压实度是关键指标,没有

合格的压实度,后面的指标就无从谈起。所以,压

实度测量及其测量的准确性、快速性在公路等施工

建设的质量保障中就显得十分重要。在新一轮道路

新建的大背景下,各种无损检测技术在施工中的应

用引起了学者的广泛关注[2]

王海涛[3]

、Plati[4]

等研究了路面雷达无损检

测在不同沥青路面压实度测量中的使用,结果表明

该技术可以对全线路面的工程质量实现快速、连

续、无损的检测,并且能准确评价路面压实度质

量;吴泳钿等[5]

将无核密度仪和激光纹理仪结合

起来,实现了对施工压实度质量的动态控制;陈晓

亮等[6]

通过对无损检测技术在高速公路施工检测

中的应用研究,提出可以建立对压实度等关键指标

的评价体系;汪学斌等[7]

通过国内外文献调研,

分析了国外压实度在线无损检测技术的现状,并得

出其可以准确反映铺层材料压实情况的结论。近年

来,国外压实度检测技术不断发展,连续压实检测不断地应用在路面施工质量的监控系统中[8,9]

因此,无损检测技术的应用研究对今后压实度检测

技术的发展和工程应用具有重要的参考意义。

1 取芯法

取芯法是我国施工技术规范规定的测量沥青

混凝土路面密实度的方法。取芯法采用取芯机在沥

青路面上取芯,送往实验室测定芯样的毛体积密度

ρ

s以及确定标准密度ρ

0,最后将芯样的毛体积密度

与标准密度的比值作为压实度δ用来评定。压实度

按式(1)计算

0=100s

%



=+++VVVV

沥沥混合空空水水集集

0

031

=.

2r

rM

N



=++

amjtttt

/

rvc

=++

haammjjVVV

1 (1)

根据沥青混合料类型的不同,采用不同的测

定方法来测定芯样的毛体积密度,国内外常用的方法有蜡封法、水中重法、体积法等。

DOI:10.14189/j.cnki.cm1981.2021.04.002

[收稿日期]2020-11-18

[基金项目]甘肃省交通运输科技项目(2019-12),中央

高校基本科研业务费专项资金资助(300102250109)

[通讯地址]何禹,陕西省西安市长安大学本部科技大厦

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专题研究

SPECIAL RESEARCH

40

建筑机械取芯法属于直接测量方法,能够准确反映取

芯部位的压实度情况。但是此方法用来评定一个路

段时需要多次取样,会对路面结构造成一定程度的

破坏,而且测量效率非常低。

2 无损检测方法

目前,压实度无损检测以核子及无核密度

仪、探地雷达波检测方法以及车载检测方法等为代

表性方法。

2.1 无核密度仪(PQI)

无核密度仪是相对于核子密度仪的一类密度

检测方法的总称,其在检测中不含放射性元素,

故名无核。之前,核子密度仪在国内外被广泛应

用,核子密度仪利用部分放射性元素(伽马源)发

出的伽马射线与被测材料相互作用时发生的康普

顿散射来判断被测材料的密实度。核子密度仪测量

速度快,测量所需人员少,用于测量各种路基路面

材料的密实度与含水量。但是核子密度仪因有放射

性,对健康不利,所以逐渐被无核密度仪等新技术

取代。

2.1.1 原理与系统组成

每一种材料都具有不同的介电常数和电导

率,被压材料的介电常数和电导率会随着其密实度

的不同而变化。利用这种介电特性测量密实度,最

具代表性的就是电磁密度仪。无核密度仪(PQI)

就是通过某种电磁波测得被压材料的介电常数和电

导率,然后对其介电常数和电导率进行分析,间接

导出被压材料的密实度[10,11]

。一台无核密度仪包

含了一个电磁波的发生器和对应的接收器,其间是

隔离环,原理如图1所示。

无核密度仪工作时利用仪器自带的发生器发

射某种电磁波,该电磁波在被压材料中传播时,

会因为材料的介电特性而发生能量的吸收和损

耗[12]

。由于材料的介电常数和电导率不同,电磁

波能量被吸收和损耗情况也存在差异。无核密度仪

通过一种由感应板和被测材料组成的环状电子电容

感应场来测定并推导材料的介电常数,然后通过其

中的微处理器将电信号处理运算成材料的密度。研

究表明,沥青混合料的介电常数与其组分(集料、

沥青、空气等)的介电常数具有函数关系。实际中,应用最广泛的介电混合模型是沥青面层的均方

根模型和线性模型[12],如下

%

=+++VVVV

沥沥混合空空水水集集



0

031

=.

2r

rM

N



=++

amjtttt

/

rvc

=++

haammjjVVV

1

11

.+.h

mb

bs

bsbmmG

PP

GGG









2=

MVA

CS

A



d

effBEFs

11

dd

deff

effBB

szE

PFsFvt

TTT

fFFmavt



(2)

%

=+++VVVV

沥沥混合空空水水集集

=+++VVVV

沥沥混合空空水水集集

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TTT

fFFmavt



(3)

显示器键盘

微处理器

测量电路

隔离环

测量区域电磁波发生器接收器接收器

被测材料Sensor

图1 无核密度仪原理图

沥青混合物极其复杂,要考虑到多方面的因

素才能让介电模型更准确。目前使用的无核密度仪

(PQI)的参数变量已经达到40~50个,充分考虑

了各因素的影响。有了比较准确的介电模型,然后

根据Lorentz假设和Clausius-Mossotti equation(克

劳修斯-莫索提方程)推导出介电常数与密度之间

的关系如下

%

=+++VVVV

沥沥混合空空水水集集

=+++VVVV

沥沥混合空空水水集集

0

031

=.

2r

rM

N





=++

haammjjVVV

1

11

.+.h

mb

bs

bsbmmG

PP

GGG









2=

MVA

CS

A



d

effBEFs

11

ddeff

effBBE

PFsFvt

TTT

(4)

式中 M为电介质的摩尔质量;ρ为电介质的密

度;N

0为阿伏伽德罗常数;α为质点的极化率;ε

0

为真空介电常数;ε

r为材料介电常数。

当电介质一定时,式(4)中极化率α就为常

数,则密度ρ与((ε

r-1)/(ε

r+2))就成正比。那

么介质的介电常数就与其密度具有很大的相关性,

所以可以利用这个原理建立密度预测模型来预测介

质的密度。

无核密度仪正是运用了这个原理,通过环形

电场测得混合料的介电常数,然后通过内置的电路

和处理器将其计算转化成我们所需的压实度值。

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