红外热像仪在沥青路面施工检测中的应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-04-23作者简介：陈可（1975），女，工程师，从事公路桥梁试验检测工作。红外热像仪在沥青路面施工检测中的应用陈可（江西交通咨询有限公司，江西 南昌 330000）摘要：为探究红外热像仪在沥青混凝土路面均匀性检测中的应用效果，首先阐述了其检测原理及温度检测结果的有效性；然后，以某高速公路养护处治段为例，进行了施工阶段温度检测，并对混合料温度离析影响空隙率和压实度的程度进行量化分析；最后提出了温度离析改进思路。结果表明，红外热像仪作为无损检测技术，能较准确地测量出沥青混合料在装车运输、摊铺、碾压施工阶段的温度离析程度以及碾压施工质量、压实效果，可在公路沥青路面检测中推广应用。关键词：红外热像仪；沥青路面；温度离析；无损检测中图分类号：U416.2文献标识码：B0 引言沥青混合料的离析包括级配离析和温度离析两种，前者是混合料中一种或多种粒径集料的比例偏离了设计级配，后者是路面摊铺施工中因混合料温度差异而引起的施工质量不均匀。根据相关研究，严重离析会使沥青混凝土路面使用寿命减少50%以上。当前，沥青混凝土路面运行中出现的松散、坑洞、裂缝、车辙、泛油、构造深度不均等病害，大部分都与混合料离析有关。传统的钻孔取芯法、铺砂法、观察法等离析测试方法均无法及时、定量反映出路面离析及混合料内部温度变化，基于此，本文提出应用红外热像仪检测沥青混凝土路面温度离析的思路，以便于工程应用。1 红外热像仪检测原理1.1 红外热像仪工作原理土工材料密度及沥青混合料空隙率差异均会影响路面温度蒸发速度，引起路面温度差异1。常见的土工材料性能参数见表1。由表1可知，此类土工材料中空气导热系数较低，沥青混合料导热系数是空气导热系数的 50 倍；而沥青混凝土密度比空气密度高出 1 倍；水的比热容最大，是沥青混凝土比热容的 4 倍之多。以上因素均可对沥青路面热量蒸发速度及温度变化造成影响。表1 土工材料性能参数土工材料沥青混凝土石灰土空气水密度/（g/cm3）2.3322.1011.2491.010导热系数/（W/（m）4 6305 157901 950比热容/（J/（kg）9299571 0044 210红外热像仪技术主要通过红外热像仪对物体各部分辐射的红外线能量展开非接触探测，将测试结果转化为电信号，根据物体表面温度场分布情况得出热像图像，并计算出相应温度值。红外热像仪能绘制出整个测区的热量分布图，借助配套软件展开分析并评价温度离析情况，检测范围覆盖面广，精度高，并可连续操作，检测温度范围大，施测迅速，能将物体表面温度分布量化为图像形式输出2。1.2 温度检测结果的有效性本文通过比较红外热像仪检测结果和水银温度计检测结果，评价热像仪温度检测结果的有效性和准确性。由于工作原理不同，水银温度计所采集到的是单点温度值，而红外热像仪采集到的是测区温度值。为保证两者结果的可比性，通过软件确定出热像仪检测结果中的单点温度值。于2020年10月11日22日在某工程所在地某试验场进行测试，结果见图1。由图1可知，红外热像仪与水银温度计测值差基本稳定在-2+2，表明热像仪检101总659期2023年第29期（10月 中）测技术应用于沥青混凝土路面温度检测其结果准确、可靠。2 工程应用某高速公路段于2004年建成运行，其间因交通量持续增大，重载超限车辆增多，部分路段先后出现车辙、坑槽、网裂等病害。为快速恢复路用性能，于2020年初对病害展开养护处治。在碾压完后立即采用红外热像仪展开路面温度检测。根据检测结果，对路面温度离析处治效果及施工质量进行评价。2.1 检测方案设计该公路段沥青混凝土路面施工检测主要采用 Ti25型Fluke红外热成像仪，其温度量程为-20+350，视场角度为23 17，探测器为160120焦平面阵列的非制冷微测辐射热计，20 mmF 红外镜头的红外频带在7.514 m，可见光相机分辨率为 640480，输出的文件格式为.bmp和.is2，测值精确度可达2，空间分辨率为2.5 mRad，红外光和可见光最小聚焦距离为15 cm和46 cm，热灵敏度在100 mK以下，像频为9.0 Hz，以SmartViewTM为配套分析软件。沥青混凝土路面碾压机械紧跟摊铺机展开碾压施工，以防路表面热量过快散失。检测开始后，在公路段按25 m间隔选取6个桩号，每个桩号均随机选择数个测点，全部测点分为两类：一类是温度较高区域测点，另一类是温度较低区域测点。在同一桩号不同标记点采集摊铺、初压、复压、终压等施工阶段的红外热像图像；对温度变异点进行标记，并钻取芯样检测实际压实度。最后通过无核密度仪进行结果验证。2.2 施工阶段温度检测根据对摊铺过程中沥青混凝土红外热像采集图的分析，同一横断面内混凝土最高、最低温度分别达到140.6 和119.5，温差为21.1；红外热像图谱中颜色亮度越高的区域，混凝土温度越高，在同一时间摊铺的混凝土温度变异也越大，混凝土在摊铺期间温度离析也越严重3。通过分析原因看出，热拌沥青混凝土在摊铺时与空气直接接触，混凝土暴露在空气中后温度快速散失。碾压施工时沥青路面温度主要受环境温度、碾压遍数、间隔时间等的影响，该路段碾压施工期间路面混凝土温度变化情况见表2。其中，标记点为各桩号上面层所随机选取的2个测点。根据测试结果，碾压施工期间，沥青混凝土温度持续下降，其中，初压温度基本维持在 110130，复压温度则保持在 95115，终压温度位于6585。通过分析原因，在初压阶段，压路机滚轮表面所喷洒的水分蒸发后吸热，使沥青混凝土表面温度快速降低；复压期间，压路机轮胎表面油水混合物的使用使混凝土温度降速减缓，温度分布的均匀性提升；终压结束后，混凝土路面经过多次碾压，温度降低明显。表2 碾压期间路面温度与压实度实测结果桩号K40+100K40+125K40+150K40+175K40+200K40+225标记点A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2不同施工阶段实测温度/摊铺130.9139.9134.1135.4132.1131.0127.6118.9140.2140.5135.9135.7初压126.4120.7120.9130.1120.0122.1111.5112.7129.4128.0123.8120.9复压110.1108.2111.0109.5100.899.8101.4105.8109.3106.7105.7106.1终压74.066.980.476.072.169.582.180.279.884.175.478.6空隙率（%）5.06.82.94.45.46.42.22.54.02.05.14.0压实度（%）96.595.798.097.196.396.198.598.397.998.596.497.2碾压施工遍数对沥青混凝土路面温度的影响较大。根据分析，随着碾压遍数的增多，沥青混凝土温度降幅增大；当碾压遍数达到4遍时，与碾压遍数为0遍时相比，混凝土测点中最高、最低温度均值分别降低了24.7%和 42.4%，表明碾压期间混凝土温度严重离析。通过分析原因看出，碾压施工使混凝土不断受到挤密压实，形成更加稳定的嵌挤结构，空隙率持续减小，通过空隙率向外界散发的热量也随之减少，路面温度也越低；使用钢轮压路机碾压时，为避免黏轮，必须在钢轮上反复喷水，水分的蒸发使混凝土路表面温度快速降低。此外，应用热像仪所得到的碾压后路面同一桩号附近红外光谱采集图还显示，高温和低温区域温度均值分别为77.5 和60.5，也即同一桩号处的路面温度测试日期11 1213 14 1516 17 1819 2021 22水银温度计红外热像仪温度/156155154153152151150149148图1 红外热像仪与水银温度计检测结果对比102交通世界TRANSPOWORLD差异较大。造成这种情况的原因在于碾压交界处或路面边端等压路机碾压次数少或碾压不到位的区域，路面温度反而较高。故通过热像仪可以快速检测出漏压或压实不足所在位置。2.3 混合料温度离析的影响2.3.1 对空隙率和压实度的影响沥青路面施工过程中混凝土温度离析会引发路面密实度不均匀，低温区空隙率一般较高；碾压温度越低，混凝土空隙率越大，压实质量也越差。将该公路沥青路面碾压后温度值与空隙率、压实度的检测结果绘制成图后可以得知，随着碾压温度的升高，空隙率降低；路面温度与空隙率呈负相关的线性关系，相关系数为0.942 3，线性关系为y=-0.2960 x+26.65，即应用热像仪检测沥青混凝土路面空隙率切实可行。路面温度与压实度呈正相关的线性关系，相关系数为 0.959 9，线性关系为y=0.1904x+82.701，表明碾压后温差越大，沥青混凝土空隙率及压实度的变异越大。2.3.2 对密度的影响在该公路段碾压结束后选择6个测区，应用热像仪展开温度检测，并根据测试结果判定路面温度离析区域与正常区域，前者代表的是碾压结束后路面温度差异较大的区域，后者则代表温度均匀区域。基于此，对测点钻芯取样，检测温度离析处混合料密度以及离析区周围混合料密度。根据结果，沥青混凝土碾压温度对其密度存在较大影响；温度离析区混凝土密度均值为2.12 g/cm左右，而温度正常区密度则为2.41 g/cm左右；将密度换算为压实度，正常区域压实度比温度离析区压实度高出3%左右，温度离析区沥青混凝土路面渗透性较大。2.4 沥青混凝土离析的改进为增强沥青混凝土路面的均匀性，控制并减小离析，该路段采用了大吨位运料车，并在启闭状态良好的车厢底板处均匀涂抹润滑剂；装料时按前、后、中次序进行；装料后覆盖棉被保温防尘；运输途中保持匀速行驶，尽可能避免急刹、忽快忽慢等情况的出现；卸料时不得顶推、碰撞摊铺机；摊铺后紧跟碾压。此类常规性的措施只能在一定程度上减少混合料离析，无法彻底改善离析问题。应用红外热像仪对比测试采用混合料转运车的摊铺路段和未采用转运车摊铺路段混凝土密度。根据测试结果，使用转运车时摊铺路段沥青混凝土路面温度分布更加均匀、稳定，温度极差均值为7.0，温度极差均方差为0.841，变异系数为0.120；而使用普通自卸车时摊铺路段沥青混凝土路面温度极差均值为28.3，温度极差均方差为 10.910，变异系数为 0.389。所以，在使用沥青混凝土转运车后，路面温度更加均匀，温度极差的变异性减小，温度离析现象基本得到消除。3 结束语综上所述，红外热像仪能快速准确地检测沥青混凝土路面各施工阶段的温度，且沥青混凝土在装料运输、摊铺、碾压等阶段均存在不同程度的温度离析。碾压后红外热像图中颜色亮度越高的区域，一般存在碾压遍数不足、压实度不高及温度离析。沥青混凝土碾压温度和空隙率、压实度之间存在较好的线性关系，相关系数分别为0.942 3和0.959 9，说明红外热像仪能较好反映沥青路面压实效果。在采取了本文所提出的改进措施后，沥青混凝土温度离析得到有效控制，路面压实度及施工质量均显著提升。参考文献：1 杜欣.温度及压实快速和无损检测在沥青路面的应用J.交通节能与环保，2021，17（1）：129-131，135.2 沈强儒，苏春华，曹慧，等.基于红外热像仪控制沥青路面压实质量研究J.中外公路，2020，40（1）：37-42.3 张华，申远洋，王曙光，等.道路质量的红外热成像检测现状J.无损检测，2019，41（9）：11-15.（上接第100页）6 张战军，周鑫杰，黄港竣，等.改性废轮胎橡胶粉对温拌沥青特性影响的研究J.现代化工，2022，42（5）：192-196.7 许志杨，沈菊男，宋旭艳，等.废轮胎橡胶粉对复合改性沥青老化的多尺度性能影响J.广西大学学报（自然科学版），2022，47（2）：357-365.8 陈其龙，覃峰，唐银青，等.橡胶硅藻土复合改性沥青混合料抗水侵蚀性能研究J.新型建筑材料，2022，49（2）：66-69.9 周勇，戴伟军，罗晓枫，等.双改性新工艺对大孔隙沥青混合料性能的影响J.山西建筑，2022，48（5）：77-80，84.10 石振武，王彬骅，张海涛.LKW-温拌剂对橡胶/SBS 复合改性沥青流变性能的影响J.森林工程，2021，37（6）：90-98.103