高速公路沥青路面离析评价方法及评价指标综述

*
收稿日期：2017-
12-
05·其他·
文章编号：1001－7291（2018）01－0104－04
文献标识码：B
高速公路沥青路面离析评价方法
及评价指标综述
丛
林，陈
赛
（同济大学道路与交通工程教育部重点试验室，上海市
201804）
摘要：随着我国高速公路建设的快速发展，由沥青路面离析导致的早期损坏现象逐渐受到人们关注。

梳理近年来高速公路沥青路面离析评价方法和评价指标的研究，总结分析不同评价方法和评价指标的特点，探讨其中合理性与不足之处。

关键词：沥青路面离析；评价方法；评价指标
本文简要梳理近年来高速公路沥青路面离析评价方法和评价指标的研究，总结分析不同评价方法和评价指标的特点，探讨其中合理性与不足之处，为沥青路面离析评价进一步研究提供部分思路。

1
沥青路面离析分类
沥青路面混合料离析大致可以分为三类：级配离析、温度离析和骨料－沥青离析。

集料离析是指由于沥青混合料生产拌合、运输或摊铺碾压过程中造成沥青路面中粗集料与细集料的分布不均匀，偏离设计级配。

粗集料集中的区域一般会导致孔隙率大以及沥青含量低，会进一步导致水损坏和耐久性相关的损坏，如疲劳开裂、坑槽以及松散等，而且混合料的抗拉强度低，降低路面的使用寿命。

细集料集中的区域一般会导致孔隙率低以及沥青含量高，使得该区域易于产生泛油、车辙和推移等病害。

在运输过程中，由于处于车辆不同部位以及位于摊铺机料斗不同位置的混合料降温速度不同（位于车厢顶部及两侧的沥青混合料降温速度较内部混合料快），导致沥青混合料出现
温度离析。

骨料—
——沥青离析多见于SMA 沥青混合料。

通常意义上的离析主要指级配离析。

2沥青路面离析评价指标和方法
沥青混合料离析评价方法主要可以分为钻芯取样法和无损检测方法两大类。

钻芯取样法主要通过测定路面钻取芯样的体积指标来评价离析，体积指标主要包括：级配、沥青含量和孔隙率。

无损检测方法除了常用的视觉观测法和渗水试验法，近年来还出现了一些新型技术：红外线温度记录仪、探地雷达（GPＲ）、3D 雷达、无核（核子）密度仪、激光断面仪等。

2.1
钻芯取样法
沥青混合料发生离析，导致其级配与目标配合比不同，从而影响沥青含量及孔隙率。

通过抽提或燃烧炉测定沥青混合料芯样的级配和沥青含量，根据级配和沥青含量与设计值的偏差来测定离析。

目前许多研究表明道路沥青混合料中随着级配变粗，沥青含量逐渐减小。

Boyant 研究结果表明4.75mm 筛孔通过率变化10%，沥青含量相应变化0.75%。

Brownand-Brownfield 研究报告指出美国Georgia （乔治亚洲）中
第1期（总第229期）华东公路No．1（Total No．229）
2018年2月20日EAST CHINA HIGHWAY
February 2018
16条道路调查结果发现：离析位置混合料沥青含量要比均匀区域少1% 2%。

Cross指出根据美国Kan-sas（堪萨斯州）4条道路中检测结果，沥青变化0.28%，9.5mm 4.75mm粒径的集料比例变化5%。

通常用粗级配变化来评价沥青混合料离析，一般通过选定一个关键筛孔做表征。

Boyant研究主要是用4.75mm筛孔上集料通过率来评定离析，也有一些学者采用2.36mm筛孔上集料通过率，BrownandBrown-field研究表明，若2.36mm筛通过率超过JMF（目标配合比）10%，就认为沥青混合料发生离析。

美国Alabama（阿拉巴马州）公路局进行了一系列试验研究，在测定沥青含量和级配基础上定量测定离析。

首先从表观纹理结构均匀的区域钻芯取样，测定芯样的级配和沥青含量，在此基础上确定沥青和级配允许变化临界值，做为离析评价的标准。

由于不同离析的沥青混合料级配粒径不容，用固定筛孔通过率变化来评定离析并不是很有说服力，因此KhedaywiandWhite采用集料通过率为50%的筛孔来评定离析。

计算孔隙率需要测定试件的毛体积密度和最大理论密度，离析区域混合料组成与均匀区域组成不同，因此要获取准确的孔隙率，需要对每个区域的毛体积密度和最大理论密度逐一计算。

当JMF（目标配合比）在最大密实线以下，孔隙率随着离析程度增加而增大。

美国国家沥青研究中心（NCAT）提出了离析评价标准见表1。

表1NCAT离析评价指标及其容许范围
评价指标轻度离析中度离析重度离析
级配变化一个筛孔＞5%两个筛孔＞10%四个筛孔＞15%
沥青含量变化0．3 0．75%0．75 1．3%＞1．3%
孔隙率变化2．5 4．5%4．5 6．5%＞6．5%
麻旭荣在美国NCHＲP－441项目研究基础上，借鉴其研究方法，通过室内试验设计7种不同离析程度的沥青混合料级配，研究级配离析对混合料性能的影响，探讨采用试件（或芯样）的孔隙率差、最大理论密度差（实测值）和级配方差等指标判断沥青混合料级配离析程度的可行性。

结果表明沥青混合料级配离析程度可以用级配偏差值、沥青用量、孔隙率和理论最大密度差值等指标进行判别和评价。

随着数字图像处理技术的不断进步，研究人员通过使用数字图像处理技术获得试件截面图像，通过集料的分布状态研究沥青混合料的均匀性。

彭勇等人基于分形理论，对沥青混合料中集料的分布状态展开直接研究，通过对芯样截面图像进行数字图像处理，计算集料的分维数可以比较不同集料质量级配与其标准质量级配间的差异，借此评价其均匀性。

研究结果表明，利用分形理论，选用集料质量级配分维值可以定量地评价沥青混合料的均匀性；随着公称最大粒径的增大，沥青混合料均匀性变差。

吴文亮等人通过使用彩色石料区分粗、细集料，并利用彩色阈值直接分割图像，采用颗粒面积比的变异系数作为均匀性评价指标，研究表明能够定量评价沥青混合料的均匀性。

2.2视觉观测法
长久以来，通过视觉观测路表的纹理构造来判别沥青混合料的离析，这种方法主观性较强，不同的检测者有不同的观点，因此可能引起承包商与业主之间的争议。

为了在一定程度上达成一致，一些承包商组织一批经验丰富的专家对存在争议的地方进行评定。

美国安大略湖州交通局应用路面损坏指南，通过指南的规定和图例指导检测人员判定沥青混合料的离析。

从沥青混合料研究历史可以发现，通过视觉观测确定路面均匀区域是其它定量评价离析方法的基础。

但有研究认为：表面纹理构造均匀的路面，事实上，混合料不仅存在粗集料离析，而且所在位置密度偏下，原因可能是集料表面的缺陷或者集料在压实过程中破损从而导致路面表面纹理结构均匀。

Cross对美国堪萨斯州四条公路进行了研究，证实了以上可能。

根据国外一系列的研究，视觉观察法对于最大粒径较大和级配较粗（在最大密实线以下）混合料的离析能够识别；对于最大粒径较小和级配较细混合料的离析难以识别。

2.3渗水试验法
目前研究认为渗水试验可能区分不同水平的粗集料离析，由于渗水试验结果主要依靠混合料内部连通空隙，而对于细集料离析，渗水系数低，对不同程度的细集料离析无法区分。

渗水试验在评价混合料存在明显缺点，现场的渗水试验不能区分渗流是水平方向还是竖直方向，把芯样侧面密封后再进行渗水试验，可以消除水平方向渗流的影响。

FloridaDOT采用了这种方法进行试验，另外在测定细级配混合料的渗水系数时，可以施加一个恒定的压力，促使水流通过混合料。

但是利用芯样进行渗水试验完全背离了无损检测的初衷，在评价结果方面也不如利用燃烧法或抽提法检测级配和沥青含量变异直观准确。

邓德毅通过采用网格法将沥青路面分成正常区域和加密区域，提出以渗水系数作为离析评价指标的综合离析评价方法，并
2018年第1期丛林等：高速公路沥青路面离析评价方法及评价指标综述—105—
依据两个不同区域测定的渗水系数，确定四类离析程度判别标准。

2.4红外线温度记录仪法
红外线温度记录仪通过探测到的物体以热量形式发射的红外线波转换成电波，产生热量可视图片，通过不同颜色代表不同温度。

沥青路面中粗集料聚集区域孔隙率比较大，热量流失快，温度相对较低；相反，细集料聚集区域孔隙率较小，热量流失慢，温度相对较高，因此可以通过这个变化来测定混合料的级配差异。

另一方面，在路面施工过程中由于机械设备、运输等其他因素，沥青混合料温度不均匀，导致沥青路面出现温度离析，在路面施工中，国外广泛应用这项技术来确定路面温度差异。

通过国内外研究发现，红外线温度记录仪在测定、分析离析方面有很大的潜力。

利用红外线温度记录仪可以分析到整个路面温度特性；这项技术可以应用到施工过程中控制温度离析，及时纠正施工中出现的问题。

由于红外线温度记录仪只能探测到路表面的温度，这种方法只能适用于探测路表面或接近路表面的缺陷；温度离析与级配离析对温度都有影响，因此很难区分离析类型；另外由于这种方法主要通过能量差异来评价离析，对于级配离析，路面温度受周围气象条件影响较大，因此应用范围受限。

2.5探地雷达（GPＲ）法
近年来，探地雷达（GPＲ）在公路领域得到了广泛的应用，路用GPＲ主要用于路面厚度检测、材料评估和路面病害调查。

路用GPＲ通过发射/接受电磁波检测路面材料的空间位置、结构、电性以及几何形态。

如果路面某些区域存在缺陷，GPＲ测得的介电常数会减小，因此理论上可以通过GPＲ测定离析。

Saareketo通过在压路机安装GPＲ建立碾压次数与相应密度之间的关系，发现路面介电常数随着孔隙率增大而逐渐减小，但是两者不是简单的线性关系。

另外有的学者研究认为GPＲ测量结果对沥青含量变化不敏感。

Williams运用GPＲ技术进行室内试验研究，研究发现GPＲ适合评价粗集料聚集类型的离析。

德克萨斯州DOT研究认为对于粗级配，介电常数变化大于0.8；对于细级配，介电常数变化大于0.4，则认为沥青路面存在离析。

并建立了介电常数与沥青混合料孔隙率之间的关系。

刘涛等人利用三维探地雷达结合无核密度仪、对沥青路面进行检测，建立介电常数与密度的关系，并开发3D激光扫描仪对沥青路面构造深度进行测量，对三维探地雷达介电常数测量结果进行修正，从而实现对沥青路面施工质量的快速无损检测与评价。

2.6无核（核子）密度仪法
无核密度仪的主要由电磁波发生装置、隔离环以及电磁波接收器组成。

目前工程中普遍使用的无核密度仪主要是美国PQI公司生产的PQI301无核密度仪，该设备，携带方便，没有放射性，操作简便，速度快，准确性高。

无核密度仪的工作原理是通过电磁波发生装置向被测材料发射电磁波，材料会对电磁波有吸收的能力，而材料吸收电磁波的能力与其介电常数相关，根据材料的密度与介电常数呈正比关系，因而可以通过测量材料的介电常数来间接测量材料的密度。

国内很多学者在实际工程中引入了无核密度仪，并对标定后测量的密度值与钻芯取样通过表干法测量的毛体积密度值进行对比分析，结果都表明无核密度仪与芯样的密度检测结果强相关，相关系数基本都在0.8以上，多数相关系数在0.9以上。

根据国外对无核密度仪检测压实度方面进行的细致研究和国内的工程应用情况，由于其快速无损的优点，多将无核密度仪用来全面检测沥青路面压实度，进而评价沥青混合料离析程度。

2.7构造深度法
加拿大安大略省采用实测的构造深度与均匀区域的构造深度的比值作为评价离析程度的标准，并将其列入路面规范OPSS－313，见表2。

表2OPSS－313离析评价标准
路面层位路面构造深度比值（TD离析/TD均匀）
离析程度轻度中度重度
中面层（中等交通量）＜1．91．9 2．5＞2．5
中面层（重交通量）＜1．81．8 2．6＞2．6磨耗层＜1．61．6 2．2＞2．2
美国国家交通委员会（TＲB）的研究项目“热拌沥青混合料路面的离析”（NCHＲP441）重点研究了沥青路面离析的评价方法与评价指标。

其中提出了以离析处的构造深度与均匀区域的构造深度的比值作为评价指标，评价标准见表3。

表3NCHP441离析评价标准
评价指标路面构造深度比值（TD离析/TD均匀）
界限无轻度离析中度离析重度离析
上限0．751．161．57＞2．07
下限＜1．151．562．09－
郑晓光通过比较各种构造深度测试方法，研究认为激光断面仪最为有效快速，并且针对均匀区域构造
—106—华东公路2018年第1期
深度难以测定的问题，提出了几种均匀区域构造深度预测模型。

张争奇等人研究利用数字图像技术，基于分析路面纹理种下凹区域的宏观构造宽度，并与构造深度建立模型，研究结果表明：构造宽度与传统的手工铺沙法测出的构造深度具有良好的相关性，能较好地表征沥青路面的集料离析程度。

将各种离析检测方法进行比较汇总，分析各种方法的优缺点，如表4所示。

表4离析检测方法汇总
检测方法
混合料类型
细级配粗级配SMA开级配
测量深度
表面表面层路面全厚
钻芯取样法是是是是是是是视觉观测法是是是是是否否
渗水试验否是否依赖于
级配
否是否
红外线温度
记录仪
未知未知未知未知是薄层未知GPＲ未知未知未知未知否是是
无核密度仪依赖于
级配
依赖于
级配
是
依赖于
级配
无是否
激光构造
深度仪
是是是是是否否
3结论
离析评价技术应该符合以下标准：能够定量地测出由于离析原因而导致的沥青混合料性质（主要包括孔隙率、密度、沥青含量、级配和渗水系数）的变化；其次试验方法快速有效，再现性强，对路面损坏较小。

钻芯取样检测方法由于对路面的破坏限制了其取样数量，因此检测结果代表性较低，并且试验耗时长、试验误差较大。

对于无损检测技术，在理想状态下，能够通过测定混合料性能变化来评价离析。

另外这些设备仪器是车载的，检测速度快。

但是由于这些仪器昂贵，一般用于完成项目的验收，很少用于现场施工控制和检测；另外无损检测技术检测指标多为间接指标，多种影响因素相互作用，导致后期分析困难，离析评价有效性有待进一步研究。

参考文献
［1］张宏超，孙立军.沥青路面早期损坏的现象与试验分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2006，34（3）：331－334.
［2］STＲOUPGAＲDINEＲM，BＲOWN EＲ．SEGＲEGATION IN HOT－MIX ASPHALT PAVEMENTS［J］.Caring National Association for
Home Care Magazine，2000，14（10）：62－65.
［3］沈金安.关于沥青混合料的均匀性和离析问题［J］.公路交通科技，2001，18（6）：20－24.
［4］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.北京：人民交通出版社，2005.
［5］BＲOCK J D．SEGＲEGATION OF ASPHALTIC MIXTUＲES（WITH DISCUSSION）［C］.Association of Asphalt Paving Technologists Proc，1986.
［6］BＲOWN EＲ，COLLINSＲ，BＲOWNFIELD JＲ．Investigation of seg-regation of asphalt mixtures in the state of Georgia［M］.1989.
［7］CＲOSS S A，HAININ MＲ，ADOOSEI A．EFFECTS OF SEGＲEGA-TION ON MIX PＲOPEＲTIES OF HOT MIX ASPHALT［J］.Compac-tion，1998.
［8］麻旭荣，李立寒.沥青混合料级配离析判别指标的探讨［J］.公路交通科技，2006，23（2）：48－51.
［9］彭勇，孙立军，杨宇亮.一种基于数字图像处理技术的沥青混合料均匀性研究新方法［J］.公路交通科技，2004，21（11）：10－12.［10］吴文亮，李智，张肖宁.用数字图像处理技术评价沥青混合料均匀性［J］.吉林大学学报（工），2009，39（4）：921－925.
［11］WILLIAMSＲC，DUNCAN G，WHITE T.Hot－Mix Asphalt Segre-gation：Measurement and Effects［J］.TransportationＲesearchＲecord
Journal of the TransportationＲesearch Board，1996，1543（1）：97－
105.
［12］IZZOＲP，BUTTON J W．PEＲMEABILITY OF COAＲSE MATＲIX－HIGH BINDEＲMIXTUＲES AND ITS EFFECTS ON PEＲFOＲM-ANCE［J］.1997.
［13］邓德毅.基于路面渗水系数试验的沥青路面综合离析评价方法［J］.公路交通技术，2014，1：37－40.
［14］SAAＲENKETO T P，SCULLION T．Ground PenetratingＲadar Appli-cations onＲoads and Highways［J］.Detection＆Identification，1994.
［15］WILLIAMSＲC，DUNCAN G，WHITE T．Sources，Measurements，and Effects of Segregated Hot Mix Asphalt Pavement［J］.Fatigue，1996.
［16］刘涛.基于无损检测方法的沥青路面介电特性与施工质量评价研究［D］.华南理工大学，2016.
［17］陈少幸，张肖宁，邹桂莲.PQI在沥青路面压实度检测中的应用［J］.筑路机械与施工机械化，2005，35（7）：69－70.
［18］郭大进，孙建华，王迪昀.无核密度仪在沥青面层压实度检测中的应用［J］.公路交通科技，2007，24（6）：50－52.
［19］赵玉宝，杨冲.无核密度仪在沥青路面离析无损检测中的应用［J］.北方交通，2011，8：29－32.
［20］张俊标，徐科.无核密度仪在沥青路面检测中的应用［J］.广东交通职业技术学院学报，2007，6（2）：13－16.
［21］郑晓光，朱云升，丛林.应用构造深度评价沥青混合料离析［J］.
公路，2005，12：175－179.
［22］张争奇，徐耀辉，胡红松.沥青路面离析的数字图像评价方法［J］.湖南大学学报（自科版），2016，43（9）：129－135.
2018年第1期丛林等：高速公路沥青路面离析评价方法及评价指标综述—107—。