林欽國，熊斌丹

(中交四航局第一工程有限公司， 廣州　510500)

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PQI用于瀝青混合料密度檢測的影響因素分析

林欽國，熊斌丹

(中交四航局第一工程有限公司， 廣州510500)

摘要：分析無核密度儀(PQI)用于瀝青混合料密度檢測時的影響因素。影響因素包括：集料種類，級配，碾壓遍數(shù)，水，瀝青混合料溫度，檢測深度。檢測結(jié)果表明：集料種類及水對PQI檢測值有顯著影響；級配變化及碾壓遍數(shù)變化對PQI檢測值有影響；瀝青混合料溫度和檢測深度對PQI檢測值無顯著影響?；跈z測結(jié)果，給出PQI用于瀝青路面施工中壓實度快速檢測的建議。

關(guān)鍵詞：道路工程；無核密度儀；壓實質(zhì)量；無損檢測

瀝青混凝土路面施工中，壓實度是一個非常重要的控制指標，壓實度不足容易導致瀝青路面早期損壞。瀝青路面壓實度與原材料、級配、施工機械、施工方法均密切相關(guān)[1-2]。壓實度檢測目前最常用的是鉆芯法，其次還有核子密度儀法等。

鉆芯法具有以下缺點：1) 有損檢測。鉆芯對路面結(jié)構(gòu)有破壞，鉆芯位置回填混合料難以達到初始壓實度，該薄弱位置容易導致路面結(jié)構(gòu)水損害。2) 效率低。鉆取芯樣費時費力，測試密度也需要間隔24 h以上。3) 代表性差。根據(jù)JTG F80/1—2004《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》規(guī)定，每車道200 m測1處壓實度，難以反映該路段的壓實質(zhì)量及均勻性。核子密度儀法雖然能夠?qū)β访鎸嵭袩o損檢測，但是其具有微小的核輻射，恐對人體健康造成危害，且對儀器的運輸、保存、使用等都有嚴格規(guī)定。儀器使用前，人員需經(jīng)過培訓，并做到專人專用。因此，該方法在我國未得到普遍推廣。

基于此，一種利用材料介電常數(shù)快速測量瀝青路面密度的無核密度儀——PQI，在國內(nèi)逐漸得到推廣[3-4]，并在新河高速公路、青銀高速公路、亳阜高速公路、通丹高速公路等公路工程路面施工質(zhì)量控制中得到較好的應用。瀝青混合料的介電常數(shù)與材料密度有良好的相關(guān)性，利用PQI能夠快速、無損檢測路面材料的密度，并可通過大量的壓實度數(shù)據(jù)來反映壓實的真實狀況，可較為全面、客觀地評價瀝青混凝土路面的壓實質(zhì)量[5-7]。

雖然PQI已在國內(nèi)部分工程中得到應用，但對于儀器使用過程中的影響因素目前尚未進行系統(tǒng)研究，這也是我國在路面施工檢測中PQI應用推廣較為緩慢的一個因素。由PQI檢測原理可知，若瀝青路面材料的介電常數(shù)發(fā)生變化，則最終檢測值也會相應改變[8-9]，而影響路面材料介電常數(shù)的因素主要有混合料和測試條件2種，因此有必要從這2方面對PQI用于混合料密度檢測的影響因素進行研究。本文利用Trans-Tech最新的PQI380儀器從混合料因素(級配、集料種類、碾壓遍數(shù))、測試條件因素(混合料溫度、水、檢測深度)2方面考慮，并通過控制干擾因素、變化單個因素進行試驗，以分析不同因素對PQI檢測值的影響。PQI380如圖1所示。

圖1　PQI380

1混合料對PQI檢測值的影響

為了研究混合料對PQI檢測值的影響，以控制不確定因素，在室內(nèi)成型不同的車轍試件，并用PQI進行檢測。成型試件時，采用逐檔配料來精確控制混合料級配，保證油石比、碾壓遍數(shù)等條件相同。車轍試件成型完畢后，在同一時間段內(nèi)用PQI進行檢測。

1.1集料種類對PQI檢測值的影響

瀝青混合料級配采用AC-25，集料分別選用玄武巖、輝綠巖、石灰?guī)r3種類型。3種母巖的密度及介電常數(shù)范圍分別是：玄武巖密度為2.6～3.3 g/cm3，介電常數(shù)約為8～9；輝綠巖密度為2.9～3.2 g/cm3，介電常數(shù)約為11～12；石灰?guī)r密度為2.3～3.0 g/cm3，介電常數(shù)約為6～7。不同材質(zhì)集料的密度與介電常數(shù)也各不相同。每種集料成型8 cm加厚車轍試件各3塊，每塊試件配料質(zhì)量均為12 180 g，油石比為4.0%，瀝青為SK-70瀝青。合成級配和規(guī)范要求的級配范圍如圖2所示。9塊試件均按照規(guī)范要求成型，拌和溫度相同，碾壓次數(shù)相同。待3種集料試件冷卻至室溫后，用PQI依次測試其9塊試件的密度，結(jié)果如圖3所示。

圖2　AC-25合成級配

圖3　不同材質(zhì)集料車轍試件的PQI檢測密度

圖3中的密度值為PQI未經(jīng)過校正的原始數(shù)據(jù)。由圖3可以看出PQI檢測結(jié)果為石灰?guī)r集料混合料密度值最小，玄武巖次之，輝綠巖最大；不同集料PQI檢測值差異非常顯著，對同種集料試件PQI檢測值取平均值，石灰?guī)r與輝綠巖PQI檢測密度之差為0.211 g/cm3。為了驗證PQI檢測值與混合料芯樣實際密度的關(guān)系，待PQI檢測完畢后，分別對3種集料車轍試件各鉆取4個芯樣，用表干法測其毛體積密度，并取毛體積密度的平均值作為該試件的毛體積密度，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，表干法檢測不同集料種類試件的密度大小排序與PQI檢測結(jié)果相同，但同種試件的檢測值有較大偏差。不同集料種類PQI所測得的密度值與鉆芯實測的毛體積密度相關(guān)關(guān)系如圖5所示。

從圖5可以看出，PQI檢測值與混合料密度值有很好的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)R2=0.96～0.99)，因此，采用PQI檢測混合料密度完全可行。但由于不同集料種類對應的擬合曲線并不相同，因此對于不同集料種類的瀝青混合料，測試前應鉆取芯樣并測量其密度，以校正PQI檢測值，保證PQI檢測數(shù)據(jù)具有代表性。

圖4　不同車轍試件的毛體積密度

圖5　不同試件PQI檢測值與毛體積密度的擬合

1.2混合料級配對PQI檢測值的影響

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，對于AC-25級配瀝青混凝土，4.75 mm篩孔通過率大于40%為細型級配，小于40%為粗型級配。為分析級配對PQI檢測值的影響，選擇目標級配、粗級配、細級配3種級配成型8 cm厚的車轍試件，其級配曲線如圖6所示。成型試件過程中需保持裝料質(zhì)量、油石比、碾壓遍數(shù)相同，并進行3次平行試驗，共成型9塊車轍試件。

圖6　3種級配混合料的級配曲線

用PQI測得3種級配、9塊試件密度數(shù)據(jù)，如圖7所示。由圖7可以看出，3種級配密度由大到小依次為細級配、目標級配、粗級配。由此可知混合料的級配狀況對混合料密度有較為顯著的影響；對同種級配試件PQI檢測值取平均值，細級配與粗級配PQI檢測密度之差為0.083 g/cm3。

圖7　3組級配車轍試件密度數(shù)據(jù)

筆者分析了級配對混合料密度造成影響的原因，認為：在裝料質(zhì)量、油石比、碾壓遍數(shù)相同的情況下，級配越粗，其細集料相對較少，更難填充粗集料之間的空隙，導致混合料空隙率增大，密度減??；而級配越細，填隙越充分，碾壓越密實，混合料空隙相對較小，密度就越大，PQI便能夠檢測出不同級配瀝青混合料的密度波動情況，從而可為現(xiàn)場瀝青混合料級配波動檢測提供依據(jù)。

1.3碾壓遍數(shù)對PQI檢測值的影響

瀝青路面施工過程中，初壓，復壓、終壓等施工工序往往是交替進行。碾壓過程中，多臺壓路機在同一路段作業(yè)，相互間的干擾經(jīng)常存在，難免存在部分路段碾壓不到或部分路段超壓的情況。

因此，在車轍試件成型過程中，采取控制碾壓遍數(shù)的措施來模擬碾壓次數(shù)對試件密度的影響。混合料級配采用如圖2所示的級配，且保證油石比、裝料質(zhì)量不變。共成型3塊試件，并分別用PQI測量碾壓8、10、12、14、16、18、20、22遍的試件密度值，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，隨著碾壓遍數(shù)增加，車轍試件密度不斷增大，在達到18遍后，密度趨于穩(wěn)定；碾壓遍數(shù)對混合料密度有較為顯著的影響；對3組試件PQI檢測值取平均值，碾壓22遍較碾壓8遍PQI檢測密度提高了0.092 g/cm3。

筆者分析了碾壓遍數(shù)對車轍試件密度造成影響的原因，認為：在裝料質(zhì)量、油石比、碾壓工藝相同的情況下，隨著碾壓遍數(shù)增加，瀝青混合料間空隙不斷被壓密，密度也就不斷增加，在達到一定碾壓遍數(shù)后，混合料中空隙難以被進一步壓密，密度增大不明顯，反而有將集料壓碎的風險。

圖8　車轍試件密度隨碾壓次數(shù)的變化

本文就混合料角度對PQI檢測值的影響進行了分析，分析結(jié)果表明，集料種類對PQI檢測值的影響最大，其次是碾壓遍數(shù)和級配。主要原因可能是，瀝青混合料中絕大部分是礦物集料，而不同集料其密度不同，所組成混合料的壓實特性也不同，故混合料集料種類對PQI檢測值影響最大。碾壓遍數(shù)與級配變化往往導致混合料空隙率發(fā)生變化，進而影響混合料的密度，致使PQI檢測值也相應改變。

2測試條件對PQI檢測值的影響

2.1混合料溫度對PQI檢測值的影響

現(xiàn)有研究表明，瀝青混合料的介電常數(shù)會隨測試時混合料溫度的高低產(chǎn)生一定的變化。因此，有必要研究不同溫度混合料的PQI檢測值的變化情況。PQI380集成溫度傳感器顯示溫度范圍為-17.7～177.6 ℃。室內(nèi)試驗時，采用PQI對剛成型完畢的車轍試件進行檢測?；旌狭霞喜捎檬?guī)r，級配采用圖2所示級配，且進行3組試驗。試驗方式為：用烘箱加熱試件6 h到指定溫度后，立即拿出試件進行測試，混合料溫度從130 ℃起每降5 ℃測1次，最低測試溫度為20 ℃。測試數(shù)據(jù)如圖9所示。不同混合料溫度采集密度值統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖9　PQI檢測密度隨混合料溫度變化

g/cm3

由圖9可以看出，不同混合料溫度下 PQI檢測的車轍試件密度值僅有小幅變化。由表1數(shù)據(jù)可知，3#試件密度檢測值極差最大，為0.022；1#試件密度檢測值極差最小，為0.012。3#試件密度檢測值變異系數(shù)最大，為0.29，1#試件密度檢測值變異系數(shù)最小，為0.13。綜合圖9 和表1數(shù)據(jù)，密度檢測值的波動在可控范圍內(nèi)，混合料溫度對PQI檢測的影響較小。由此可知，混合料溫度對PQI密度檢測值影響不大，在室外溫度或路面施工碾壓溫度下均可利用PQI對路面進行密度測試。

2.2水對PQI檢測值的影響

水的介電常數(shù)約為80，而常見集料的介電常數(shù)約為10，在自然條件下，降水會使瀝青路面內(nèi)部存在一定水分，因此研究水對PQI檢測值會產(chǎn)生多大影響，對于工程應用十分重要。室內(nèi)試驗時，通過變化車轍試件噴水量來研究水對PQI檢測密度的影響。具體方法是：使用噴霧器每次向試件整個表面均勻噴灑2 g水，并分別測試PQI檢測值；加水至22 g時試件表面已充分濕潤并有大量水珠，此時中止灑水。3塊不同試件灑水后密度檢測結(jié)果如圖10所示。不同加水量下的PQI密度值統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖10　水對PQI檢測結(jié)果的影響

g/cm3

由圖10可以看出，隨著水量的增加，同一塊車轍試件PQI檢測密度值呈減小趨勢。由表2數(shù)據(jù)可知，加22 g水后，2#試件的PQI檢測值減小了0.268 g/cm3，1#和3#試件也減小了0.15 g/cm3。試驗結(jié)果表明，水會對PQI檢測結(jié)果造成較大誤差，含水量越大，PQI檢測密度越小。因此，利用PQI檢測瀝青路面密度時應保證路面干燥且無水分。

2.3檢測深度對PQI檢測值的影響

PQI說明書上規(guī)定PQI檢測路面的有效深度范圍為2.5～10 cm。因此，為了驗證不同檢測深度對檢測值的影響，筆者通過設(shè)定不同的檢測深度進行分析，試件采用圖2所示的級配。3塊車轍試件厚度均為8 cm，檢測深度依次設(shè)定為2、3、4、5、6、7、8 cm，比較不同深度下PQI檢測的密度變化，結(jié)果如圖11所示。

圖11　不同檢測深度車轍試件密度測試結(jié)果

由圖11可以看出，在不改變儀器擺放位置且僅改變儀器檢測深度設(shè)置情況下，3～8 cm檢測深度范圍內(nèi)的PQI檢測密度均無顯著波動，在檢測深度小于儀器規(guī)定的2.5 cm時，密度值最大，憑經(jīng)驗判斷其數(shù)據(jù)與實際密度有較大偏差，故檢測數(shù)據(jù)失真；當檢測深度在3～8 cm厚度范圍內(nèi)時，PQI檢測密度無顯著差異。因此，使用PQI進行瀝青路面密度檢測時，檢測深度應設(shè)定在儀器規(guī)定的檢測深度范圍內(nèi)。

本文就測試條件對PQI檢測值的影響進行了分析，結(jié)果表明，水對PQI檢測值的影響最大，其次是混合料溫度，在規(guī)定的檢測范圍內(nèi)檢測深度變化對PQI檢測值無影響。主要原因可能是，水的介電常數(shù)與混合料有很大差異，雖然水對混合料密度沒有實質(zhì)影響，但由于被測材料介電常數(shù)發(fā)生明顯改變，故致使PQI密度檢測值也相應改變。在混合料溫度變化情況下，PQI檢測值呈小幅波動，但誤差不大。由此可知，混合料溫度對PQI密度檢測值影響不大。

3PQI工程應用建議

本文通過室內(nèi)試驗研究，對PQI的工程應用提出以下建議。

1) 當集料種類或級配發(fā)生改變時，必須對PQI進行相應標定，否則可能會帶來較大的測試誤差。

2) 由于級配變化和碾壓遍數(shù)的變化會對PQI檢測值造成影響，因此可采用PQI對瀝青路面不同位置進行大量檢測，以有效反映路面壓實質(zhì)量的差異性和均勻性，從而更好地分析瀝青混合料的離析程度和壓實度分布。

3) 由于混合料溫度對PQI檢測值無顯著影響，因此在瀝青混合料降溫前的碾壓過程中可采用PQI實時進行壓實度檢測。若施工中發(fā)現(xiàn)壓實度不滿足要求，則應及時進行補壓，確保壓實質(zhì)量。

4) 使用PQI檢測路面密度時，須保證路面處于干燥狀態(tài)。若路面含有水分，則可能導致檢測結(jié)果偏小。

5) 使用PQI檢測路面密度時，PQI檢測深度的設(shè)定必須在儀器規(guī)定范圍內(nèi)，且要在路面的實際厚度內(nèi)。

4結(jié)論

1) 水和集料種類的變化對PQI檢測結(jié)果有顯著影響。隨著混合料含水量增大，PQI檢測值呈減小趨勢；不同集料種類混合料的PQI檢測值有較大差異。因此，利用PQI檢測瀝青路面密度時，應保證路面表面與內(nèi)部處于干燥狀態(tài)。當路面集料種類發(fā)生變化時，應重新對儀器進行標定。

2) 級配變化與碾壓遍數(shù)對PQI檢測結(jié)果有影響，這種影響的產(chǎn)生是因為這2種因素直接影響到混合料的密度，進而導致PQI檢測結(jié)果改變?；旌狭蠝囟扰c檢測深度對PQI檢測結(jié)果影響不大，混合

料碾壓完畢后即可用PQI進行檢測，檢測深度應滿足儀器說明書的要求。

3) 利用PQI檢測瀝青路面密度具有快速無損的優(yōu)點。無核密度儀與芯樣表干法測得的密度具有很好的線性關(guān)系，具有較高的測試精度，不僅大大提高了檢測頻率，而且還確保了檢測結(jié)果具有代表性。

參 考 文 獻

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Analysis for Influence Factors for Use of PQI to Test Density of Asphalt mixture

LIN Qinguo, XIONG Bindan

Abstract:This paper analyzes the influence factors for use of PQI to test the density of asphalt mixture. The influence factors include type of aggregate, grading, number of rolling compaction, water, temperature of asphalt mixture and testing depth. The results of test show that the type of aggregate and water exhibit outstanding influences on the tested values of PQI; the changes in grading and number of rolling compaction have influences on the tested values of PQI; and the temperature of asphalt mixture and testing depth show no remarkable influences on the tested values of PQI. Based on the results of test, the paper presents the recommendations on use of PQI for quick test of the degree of compaction during construction of asphalt pavement.

Keywords:road project; PQI; quality of compaction; nondestructive testing

文章編號：1009-6477(2016)02-0046-06

中圖分類號：U416.217

文獻標識碼：B

作者簡介：林欽國(1982-)，男，廣東省惠來縣人，本科，工程師。

收稿日期：2015-12-30

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.011