0 引言

瀝青混凝土是建設高等級公路路面常用的結構層，具有表面平整沒有接縫，行車舒適性好，路面耐磨性能好等特點，因而關于瀝青混凝土道路施工與質量檢測的技術是當今市政道路工程施工中比較重要的技術。市政道路工程的施工環(huán)境往往十分復雜，施工路線障礙多，如地下管網(wǎng)設施和地上的架空線桿等，這些障礙的處理難度高、費事費力。市政道路工程施工涉及沿線居民、商戶，也涉及街道、綠化、通信、供電等眾多單位，施工前需保證已經(jīng)與各單位做好溝通，前期勘察、工程設計以及施工方案制定充分。施工過程中混料拌制、攤鋪以及碾壓等環(huán)節(jié)施工符合規(guī)范，才能保證市政道路工程施工的快速、有序推進，瀝青混凝土路面的強度高、防滑、透水等優(yōu)勢的充分發(fā)揮。本文基于超聲波技術的基本原理和衰減特性，探究了超聲波技術在瀝青路面施工與質量檢測中的應用。

1 瀝青混凝土路面施工中常見問題與質量檢測方法

1.1 瀝青混凝土路面施工常見問題

1.1.1 路面滑坡

很多情況下市政道路的施工都是建立在現(xiàn)有路基的基礎上，為保障居民日常出行需求，需要半幅正常通車、半幅圍擋起來施工，無法做到完全封路施工。加上地上設施以及復雜的地層環(huán)境，使得路基不穩(wěn)定情況十分常見。在施工過程中，若新舊瀝青混凝土路基之間沒有做到有效銜接，或者軟弱土路基問題沒有處理好，都會導致瀝青混凝土路基失穩(wěn)，影響市政道路工程的施工質量。例如，在市政道路瀝青混凝土路基的改建、擴建工程中，施工單位攤鋪技術施工質量差或者直接在舊路基礎上鋪設新的瀝青混凝土，導致新路和舊路之間承重不均勻，出現(xiàn)錯臺問題，很容易引發(fā)路面滑移、滑坡現(xiàn)象。

1.1.2 道路不均勻沉降

在實際的施工環(huán)境中，施工工藝、施工材料質量以及現(xiàn)場管理水平等因素都會導致瀝青混凝土道路路基、路面出現(xiàn)不均勻的情況，施工過程中或是在道路投入使用后，出現(xiàn)道路不均勻沉降的嚴重問題，降低人們的高速、安全、舒適的通行體驗。造成這種狀況的原因，首先是瀝青混凝土級配、材料配比不夠合理，致使最終建成的道路強度達不到相關通行要求。其次是瀝青混凝土施工水平不足，如攤鋪不均勻、碾壓不到位等。另外，施工過程中的養(yǎng)護不到位，也會促使道路在實際的投入使用中出現(xiàn)開裂、不均勻沉降等問題[1]。

1.2 瀝青混凝土路面施工質量檢測方法

瀝青混凝土大量用于高等級公路的面層，其質量的檢測與管理也相當重要。以往經(jīng)常采用鉆芯取樣的方法檢測路面結構的強度和厚度等指標，這種方法會對路面造成破壞，檢測成本高、效率低。隨著無損檢測技術的發(fā)展與應用，瀝青混凝土路面施工過程中質量的檢測與控制更加方便高效。常用的無損檢測方法如無核密度儀法、CT射線法、探地雷達法以及超聲波檢測法。超聲波檢測技術是利用超聲波在材料結構中聲學參數(shù)的變化，來檢測材料結構內(nèi)部缺陷和性質。當高頻彈性波在材料中遇到裂縫、雜質等缺陷時其特性就會發(fā)生改變。該技術使用范圍廣、檢測靈敏度高、檢測設備輕便以及可現(xiàn)場檢測等優(yōu)勢，使其能夠較好實現(xiàn)對路面施工質量的全面把控[2-3]。

超聲波的基本測量參數(shù)有聲速、振幅、頻率和波形。超聲波在不同介質中傳播時，會在介質交界面產(chǎn)生折射和反射作用。隨著傳播距離的增加，會出現(xiàn)能量衰減現(xiàn)象。衰減值的計算公式為：

其中，a為系數(shù)，A0為聲源振幅，A是介質中某點的振幅。瀝青路面中粗、細骨料占據(jù)了大多數(shù)的體積分數(shù)，不考慮水分情況下，將路面內(nèi)部空隙看成彈性固體內(nèi)部的空腔結構，那么瀝青混凝土內(nèi)部空隙對超聲波的耗散作用滿足以下公式：

式中Bn為耗散函數(shù)，C為廣義力函數(shù)，K為黏滯波的復波數(shù)，k為波數(shù)，λ、μ為拉梅系數(shù)，R為散射顆粒的半徑。

2 道路施工過程中超聲波檢測儀影響因素試驗

2.1 試驗方案與試件制備

2.1.1 試驗方案

市政道路瀝青混凝土路面施工過程中，路面的密度隨著壓實遍數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長，但超聲波速度沒有隨著路面密度的增長而線性增加，甚至會有所下降。說明在瀝青混凝土路面施工過程中超聲波檢測受到多因素影響，為提升該技術的檢測精度以及促進其在路面施工中的廣泛應用，分析芯樣密度、含水率、級配比因素對超聲波檢測儀的影響。采用混凝土超聲波檢測儀、瀝青混合料拌合機、干燥箱等儀器在實驗室環(huán)境下進行該項試驗，試驗材料粗集料采用玄武巖碎石，細集料采用玄武巖石屑，填料選擇礦粉和普通硅酸鹽水泥，瀝青使用SBS改性瀝青（PG70-28）。

2.1.2 試件制備流程

該實驗所需超聲波檢測試件為Φ101.6×63.5mm的圓柱試件，每個試件制備所需瀝青混凝土質量為4500g，制備流程如下：首先將各種集料烘干稱量好之后預熱，拌合機、試模、套筒等也需要預熱，將瀝青放入恒溫箱加熱。然后將預熱好的粗集料放入拌鍋中干拌，再放入瀝青、礦粉拌合，于烘箱保溫待用。將混合料裝入試模，將混合料的表面整平為凸圓弧，同時要插入溫度計檢測混合料的溫度，由擊實儀進行擊實，最后室溫養(yǎng)護12個小時，拆下試?？蚣芗鹊盟柙嚰?。

2.2 試驗結果

2.2.1 芯樣密度的影響

分別制作了3種不同密度的車轍試件以探究芯樣密度對超聲波速度的影響，低密度（L）、中密度（M）以及高密度（H）試件各2個，在試件中心軸和探頭的圓點處做標記，并在試件表面和探頭傳感器均勻涂抹耦合劑，然后采用Pundit Lab測量每個試件中超聲波穿透的速度值。各試件測量所得超聲波速度值如表1所示。

表1 各試件的超聲波速度值

由表1可知，瀝青混凝土路面密度值增大，超聲波速度也隨之增大。瀝青混合料密度平均值每增加120kg/m3，所測得超聲波速度平均值增加381m/s左右，瀝青路面密度值與超聲波速度之間的相關性較強。在市政道路的施工過程中，超聲波速度的高低可用于評估道路的施工質量好壞。超聲波速度值不是單一受該因素的影響，也要綜合考量別的因素。當瀝青混凝土路面壓實度為92%-95%時，超聲波在穿透混凝土前后的速度值下降幅度大，當壓實度為95%-97%時，超聲波速度值衰減幅度較小。這是由于當瀝青混凝土路面的壓實度低于95%時，路面的內(nèi)部空隙較多，相比于瀝青混凝土介質，超聲波在空氣介質中的傳播聲能會被急劇削減，導致超聲波速度降低、能量下降；當瀝青混凝土路面的壓實度在95%以上時，表明道路的施工質量較高，內(nèi)部空隙少，空氣介質對超聲波的削減作用降低，因此瀝青混凝土路面壓實度較高時，檢測到的超聲波速度也相應提高[4]。

2.2.2 含水量的影響

在市政工程瀝青混凝土路面壓實施工過程中，振動壓路機上的噴水裝置向鋼輪上均勻地噴水，若施工過程中噴灑的水量較大，會有部分水份慢慢滲入到瀝青混凝土面層，填補到路面中的空隙處。由于超聲波在水中的傳播速度為1400m/s，在空氣中的傳播速度一般為340m/s，差距較大。因此，超聲波速度變化也可作為瀝青混凝土路面施工時含水量的考量因素。使用噴霧器向瀝青混合料試件上逐漸噴灑霧狀水，每次噴水量盡量在3～5mL之內(nèi)，模擬現(xiàn)實市政工程施工過程中，壓路機現(xiàn)場施工壓實的狀況。每次噴水后測量10次，以平均值作為最終的試件超聲波聲速。路面含水量對超聲波聲速的影響如表2所示。

表2 路面含水量試驗結果

可見，隨著瀝青混凝土路面含水量的逐漸增加，超聲波速度也會逐漸增大。當表面含水量大約在5%-17%時，超聲波速度增長較快，增長幅度接近100m/s。當含水量繼續(xù)加大時，由于瀝青層面中的空隙已經(jīng)被水分充分填充，相當于水分的填充量達到極值，超聲波聲速也就很難再有顯著的增幅了。同時，也發(fā)現(xiàn)了試件的密度不同，受表面含水量的影響也不同，相比于H1和H2，密度偏低的L1、L2、M1、M2受表面含水量的影響更大。這是由于壓實密度大的瀝青混凝土路面中空隙相對較少，對超聲波速度的衰減作用也較小[5]。

2.2.3 級配比影響

分別制作了3個ATB-25試件和3個AC-25試件。ATB-25礦質混合料配合比為：20～30mm（粗集料）∶10～20mm（粗集料）∶5～10mm（粗集料）∶0～5mm（粗集料）∶礦粉=37∶22∶16∶20∶5。AC-25礦質混合料配合比為：20～30mm（粗集料）∶10～20mm（粗集料）∶5～10mm（粗集料）∶2.5～5mm（粗集料）∶0～2.5mm（細集料）∶礦粉=16∶28∶19:8:25:4。采用直接布局的測量方式，記錄密度一致的這兩種試件所檢測到的超聲波聲速。

發(fā)現(xiàn)在瀝青混凝土路面密度相同的情況下，ATB-25試件中的超聲波衰減程度低于AC-25試件，超聲波聲速在ATB-25路面中的傳播速度要高于在AC-25路面中。這是由于AC-25中的細集料所占比例變高了，細集料使得該路面中產(chǎn)生了更多的散射體，使得超聲波聲能散射離開原傳播途徑，能量耗散更多。因此，瀝青混凝土路面的原材料和級配比也是影響超聲波波速的重要因素[6]。

3 超聲波對瀝青混凝土路面質量的仿真測試

市政工程中瀝青混凝土路面的密實度是施工過程中的一個重要質量指標，一般路面密實度越大，孔隙率就越小，雖然施工過程中應保證密實度達到一定標準，但是并不是密實度越大越好?？赏ㄟ^測定接收端應力時程曲線的首波聲時，來求得超聲波在瀝青混凝土中的相對速度，通過相對速度的大小，測定瀝青混凝土的孔隙率和密實度。裂縫也是瀝青混凝土最常見的病害之一，影響市政道路的施工質量與使用體驗?？衫檬撞晻r，測出超聲應力波在瀝青混凝土中的傳播時間，求出傳播路徑的長度，進而求得裂縫深度。裂縫深度的計算公式如下：

其中，t是超聲波接收器接收到的首波聲時，l是兩個超聲換能器之間的距離，v是超聲波在該類型瀝青混凝土中的傳播速度。建立一個含有裂縫的瀝青混凝土路面模型D進行仿真分析，模型尺寸大小為500×200mm，在模型中間設置一個裂縫，寬3mm，深140mm，在裂縫的兩側對稱布置3對有機玻璃楔塊，分別距離裂縫100mm，160mm，220mm，作為超聲波的發(fā)射端和接收端，建立的混凝土路面模型如圖1所示[7]。

圖1 瀝青混凝土路面模型D

對建立好的模型賦予材料特性，設置分析步，施加載荷大小為0.1MPa的超聲應力波，初始時間為0，幅值大小為5，頻率為80kHz，對模型進行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建任務進行仿真計算。計算完成后提取得到的應力時程曲線首波聲時分別為0.08ms、0.10ms和0.12ms，計算出在該類模型中超聲波傳播的速度為4348m/s，利用公式（6）計算出裂縫的深度，分別為141mm、147mm、148mm，與實際設定的裂縫深度140mm相比，誤差較小，能夠滿足實際的市政道路施工需求，也驗證了超聲波技術在瀝青混凝土路面施工中裂縫深度計算的有效性[8]。

4 結語

通過對實驗室實驗和仿真分析相結合的方式，對超聲波技術在市政道路瀝青混凝土路面施工中的應用進行了探究。超聲波檢測儀的應用會受到眾多因素的影響，該技術的應用可提高瀝青路面質量及其施工水平，使市政道路工程的經(jīng)濟效益和社會效益得以充分發(fā)揮。