高速红外探地雷达合成对沥青路面施工质量实时控制技术

刘富学，何仔偞，何晓鸣

(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北武汉430023;2.辽宁城市建设职业技术学院，辽宁沈阳110122)

我国高速公路的建设已经取得了巨大的成就，为我国社会和经济突飞猛进的发展起到了至关重要的促进作用。然而，我国高速公路有相当一部份的路面质量不尽如人意，出现过早破损、使用寿命短、维修频率和费用高等一系列问题。引起路面质量问题的原因很多，包括沥青混合料设计、施工质量、重型车辆的荷载、天气等因素的影响。

路面沥青混合料离析现象是指各种尺寸的集料没有均匀混合，相同尺寸的颗粒(主要是粗料)集中。由于粗料集中处周围没有足够的细集料填充空隙，造成混合料空隙率超出设计标准，雨水容易透入，且混合料整体性和粘结性能下降，路面在车载作用下容易遭到破坏。

产生离析现象的原因较多:沥青混合料的矿料的粒径越大，越容易产生矿料离析;施工控制温度的下降也容易产生离析;沥青混合料在装载和卸料过程中，混合料下落时由于重力的作用容易产生离析等等。

这些离析材料所构成的路面往往会有压实度偏低和空隙率偏高的特点，若不及时发现和纠正，就会造成路面早期病害。图1所示是一处由离析造成的不均匀路面表层。由于雨水、温度和荷载的综合作用，在有离析现象的路面处很容易产生松散、剥离、开裂等病害。尽管各国对离析的危害性有了充分的认识，也采取了各种措施，但离析现象仍然是一个常见的问题。对于路面离析的识别，现行办法仍然是随机抽样检验和凭经验肉眼观察，难免会漏掉许多甚至是大部分路面离析部位，从而影响路面施工质量，留下病害隐患。

图1 骨料离析造成的不均匀路面表层

传统的道路施工质量检测技术费时、经济成本高、效率低、以局部检测确定整体质量的可靠度小、给运营期留下的质量隐患多、达不到预定寿命周期的要求。而将红外线热成像技术和探地雷达技术两者结合应用于高速公路沥青混凝土路面的施工质量的检测中，为施工中的质量控制和施工后的质量保证提供了一套完整且有效的无损检测手段。

1 红外线热成像

路面摊铺时混合料的温度是影响路面压实度的最重要的因素之一。为了实现路面的均匀压实度，就必须保证路面摊铺时混合料的温度均匀。而离析的粗骨料往往就发生在温度较低的混合料中。红外热成像技术(Infrared thermal imaging technology)是蓬勃发展的光电子技术的重要组成部分，世界各国正在逐渐将这一技术的应用从军事领域扩展到工业和其它领域。

1.1 红外线热成像原理

地球上所有高于绝对温度(－273℃)的物体，会不断向外界发射不同辐射量的红外线。利用红外无损检测技术，通过测量物体的热量和热流来鉴定该物体质量和性能，并且基于热辐射定律和热传导微分方程，得到红外热像的理论［2］。

不同的材料，其导热系数、密度和比热也不同，所以物体表面的温度和辐射率也就不同，导致红外辐射的数量也不同，于是形成各种不同特征的红外热像图。而生产使用的红外热像仪就是将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面热分布相应的热像图。通过上述方法，就可以对目标进行远距离热状态成像和测温，并分析判断被测物体的状态。红外线热成像测温系统总体构成如图2所示。

图2 红外线热成像测温系统总体构成

1.2 应用研究

在过去20年里，红外线技术作为一项无损检验技术被逐步引进和应用于公路、桥梁、隧道等质量检测。如今，许多国家的公路部门已经认识到了红外线技术在沥青混凝土路面质量控制方面的可行性和优越性。我国高速公路的建设方兴未艾，加之高速公路路面的维修和加铺的需要日益增加，红外线热成像技术在我国的应用潜力和可能产生的巨大效益是显而易见的。

由于成像物镜能吸收被测实物的红外辐射能量，并在探测器的光敏元件上投射而形成红外热像图，热像图上不同颜色与实物温度一一对应。红外线热成像技术可以对路面进行全覆盖温度检测，并把路面材料的温度分布状况用彩色图像显示出来。

图3显示了一个正在摊铺的沥青混凝土路面的红外线温度分布图像。图中所示的浅色部分为温度较低的位置，是最有可能产生骨料离析的地方，也往往是压实度较低的地方。路面材料温度和压实度的关系可以在图4和表1中比较清楚地看出，即温度高的部位则压实度也较高。和随机采样方法不同，红外线热成像技术所检测范围覆盖全部路面，即100%覆盖率。由于是全覆盖且为实时检测，其最大特点就是不会错过路面任何部位，为全面提高施工质量的检验效率和精度提供了有效方法。同时也为大幅度改善高速公路路面的质量提供了可行的理论和技术支撑。

图3 红外成像显示正在摊铺的路面温度分布

图4 红外成像显示路面温度分布及所对应压实度

表1 温度与压实度的关系

2 探地雷达

探地雷达具有准确、快速、无损等特点，在最近几年广泛应用道路检测中，试验证明所测的路面电磁特征与路面混合料的密实度有较好的相关性。一旦确定探地雷达的测量值与沥青混凝土密实度的关系，探地雷达技术就可以用来测定路面的密实度和空隙率。

2.1 探地雷达工作原理

根据高频电磁波传播原理，电磁波在穿过不同介质时，遇到的上下不同介质层会产生折射与反射，通过天线接收介质反射回来的电磁波信息，经计算机分析处理得到现场施工所需的可视数据，这就是探地雷达的工作原理。

2.2 探地雷达在沥青路面施工过程中的应用

在沥青路面施工的过程中，使用的探地雷达指数如表2所示。

表2 不同结构层的探地雷达指数

2.2.1 结构层厚度检测

由试验可知，在各交界面处，电磁脉冲反射时间不同;在各结构层内，电磁脉冲传播速度也大不相同，通过计算可以得到路面结构层的厚度。图5为探地雷达检测路面结构层厚度的原理图。

图5 GPR检测深度原理

(1)精度分析

先进行第一个芯样钻孔，分别以测得厚度、雷达波传播时间、材料介电常数为标准来计算后面5个芯样孔的厚度，对比钻芯取样测量实际值，试验结果如表3所示。

表3 芯样厚度与雷达测的厚度比对 /cm

从表2结果分析，两者的最大绝对误差为+0.68 cm，最大相对误差仅为3.8%，计算可知其全相关系数R=0.954，二者具有良好的相关性，探地雷达检测系统的准确性试验符合要求。

(2)可靠性分析

笔者分别在同一路段不同时间和同一路段不同路径做了2个试验来证明探地雷达检测技术的可靠性。

试验1:选择某高速公路长约1 km的路段为试验段，2012年10月18日和2012年11月25日分别在车道分隔线进行了2次探地雷达测量，得到表4面层厚度。

表4 不同时间雷达检测结果的对比

试验2:在试验1的试验路段上，用探地雷达分别在行车道、超车道中心线进行了2次测量，结果如表5所示。

表5 不同路径雷达检测结果的对比

由以上结果可知，在具体点位上对面层厚度检测和在特定路段的检测时，探地雷达的检测数据是很准确的，基本可以代替现行的钻孔取芯的检测方法。

2.2.2 路面质量控制

(1)对含水量的检测

与水分关系最密切的是介电常数，可利用地球物理测井中常用的体积模型估算水分含量。若固体填料的比重取测区的最大干容重，计算出的最小水分重量百分比接近于实际的水分重量百分比。在不同的路面结构中，介电常数值如表6所示。

表6 不同路面结构介电常数值

当介电常数值太小时，路面结构层会出现不同大小的裂缝，或者沥青层出现不同程度的剥落。

(2)压实度测定

路段的压实度对路基土变形、强度、稳定性和路面的质量有很大的影响。通过充分发挥路基土和路面材料强度和不透水性，减少路基、路面形变，保证路面的平整度，从而延长道路的使用寿命。

在试验过程中，我们修筑了5 km长的试验段进行压实度的检测，每500 m2压实层做1次标准击实试验，确定是否合格。

(3)空隙率测定

芬兰科学家在室内和现场做了大批压实检测试验，测得数据利用人工智能的处理办法，得到介电常数与空隙率的关系如图6所示。

沥青混合料充分压实后，空隙率变小，表干密度相应增大，介电常数也相应增加，通过数学线性模型计算得到表7的具体数据;并用探地雷达测得一沥青罩面空隙率的分布图如图7所示。

压实度和空隙率是相互关连的两个指标，空隙率越大，压实度越小。利用探地雷达对路基和路面基层进行压实度检测。对于沥青面层来说，压实度与空隙率关系如表8所示。

图6 介电常数与空隙率的关系图

图7 探地雷达所测沥青罩面空隙率分布图

表7 沥青混合料介电常数

表8 压实度与空隙率关系

3 红外探地雷达的合成

红外线热成像技术适合于路面摊铺过程中，以实时确定材料离析的位置，并尽快实施补救措施消除病害隐患。与此同时，探地雷达技术则可用于检测路面铺摊和压实之后的密实度。将红外线热成像和探地雷达合成后装载在道路施工质量测试车上，测试车在行进过程中红外线热成像和探地雷达会自动生成图像、记录数据并处理数据，快速定位施工质量隐患位置，及时处理，达到全覆盖、快速、及时、高效、经济的效果。新方法的推广和应用必然会给我国公路建设带来巨大的经济和社会效益。

［1］周杨，冷元宝，赵圣立.路用探地雷达的应用技术研究进展［J］.地球物理学进展，2003，18(3):481-486.

［2］谭越华，刘宪明，范春青.探地雷达检测公路面层厚度的准确性研究［J］.山东交通学院学报，2008(12).

［3］张炜.应用于建筑热工现场检测的红外热像技术与定量化分析［D］.西安:西安科技大学，2006.

［4］杨锐玲.红外热成像法探测混凝土缺陷的实验及理论研究［D］.武汉:武汉大学，2004.

［5］Stephen Read . Construction Related Temperature Differential Damage in Asphalt Concrete Pavements［R］. Wushington:University ofWashington，1996.