董志峰
中国电建市政建设集团有限公司，253000
摘要： 传统的沥青路面密实度测试方法是在沥青路面表面钻取一定数量的芯样，测量其密实度。钻孔取芯法效率较低，对路面也会造成一定的破坏，试样数量不足并不具有很好的代表性。而核子密度仪的最大缺点就是对人体存在危害。无核密度仪能快速、安全、无损、实时地检测沥青路面的压实密度，其检测结果与传统钻芯法检测结果有较好的相关性，便于高频率、较大范围、较高精度地进行路面密度的检测，可作为沥青路面施工质量均匀性评价、施工过程控制与因素分析等环节评价的重要手段。但国内在该技术实际应用方面的认知上有许多的不足。
关键词：无核密度仪（PQI）；沥青路面；压实度；质量均匀性；
探索基于无损检测技术评价的路面施工质量检测方法是当前行业发展的迫切需要和技术难点。无核密度仪（PQI）在评价质量均匀性和测定沥青路面压实度方面具有显著的特点：高效率、样本大、快速、对人体无危害、易携带、可重复读取数据等。主要根据PQI检测方法和标定方法的基本原理，选择了湿度、磁场干扰、温度、污染等主要影响因素，进行了PQI影响因素的研究分析，并总结提高PQI检测沥青路面准确度的主要注意事项，建立了沥青路面施工质量实时检测和质量均匀性评价的方法。经实际工程中的使用，证明该方法具有良好的实用性。
一、PQI基本原理
沥青路面的密度和路面材料的介电常数存在一定的比例关系,PQI即是通过一个新型的、环状的电子电容感应场来测量材料的介电常数的,这个环状电容是由感应板和材料共同形成。PQI中的转换器将电场信号转换成路面材料的密度读数并显示结果。一经标定后,PQI便可提供准确、可靠的沥青路面材料密度。PQI主要用于测试新铺的沥青路面材料的密度(包括沥青路面结构层的上、中、下面层)。测试的每层沥青密度厚度范围为25.4～152.4mm。同时PQI还可以测试沥青路面的表面湿度、路面的压实度和温度。
二、无核密度仪的工作原理及检测方法
１．工作原理。经研究表明，沥青混合料的密度与其介电常数有很大的相关性。PQI的工作原理是利用仪器自身的感应盘产生环形的电波，测量混合料的介电常数，再将信号转换为密度读数。在有缺陷位置，如存在空隙，电波的传递速度和方向就会受到影响，使混合料的介电常数产生改变，进而影响到密度检测值的大小。无核密度仪（PQI）工作示意如图１所示。图２为PQI实图。
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2.检测方法。第一步，进行仪器标定。PQI共有４种工作模式：平均模式、连续模式、单点模式、离析模式。对应PQI标定模式也有４种：两点模式、标准模式、单点模式及人工斜率模式。在初次检测不同类型混合料的特征值时，需在试验路段随机选取４～６个测点，分别采用PQI法和钻芯取样法测定，对两种方法得到的测量值进行修正，将标定值输入PQI。第二步，现场路面实时测量。（1）路面类型的选择。此处数值是指该层混合料最大颗粒的粒径。标定时，需先选择不同类型的路面。（2）输入待测沥青路面厚度值。PQI检测深度范围是25～100ｍｍ。PQI的读数是厚度范围内平均密度结果。（3）输入最大理论密度值。PQI输出数值为百分比即为压实度，需输入所测量路面沥青混合料的最大理论密度值。在４个模式中选择适当模式。
三、PQI的评价均匀性影响因素分析
PQI是通过介电响应来测得介电常数，再根据所得常数推算出材料的密度，所以可能影响材料介电常数大小或其测值的因素均有可能影响PQI的测量结果。这些因素主要有：沥青面层湿度、温度、表面清洁度、检测时的障碍物、PQI摆放的方向与沥青混合料级配等。
1.沥青面层湿度。沥青面层是由沥青混合料、水与空气３相组成的。３者的介电常数大小不同（水的介电常数远大其他两者）。因为水对PQI测定有一定的影响，根据路面潮湿程度，设计３种路面含水情况（潮湿、中湿、干燥），分别对路面进行PQI测定。试验表明路面潮湿情况对测定值影响较大：潮湿程度越大，PQI密度测值就越大。进一步，采用水自由下渗与表面干燥程度两个过程进行量化测定试验评价。（１）水下渗０～５ｓ：随着路表含水量逐渐减少其内部含水量增加，密度值不断变小。（２）水下渗５～15ｓ：由于水影响的路表开口构造深度及内部微细裂缝区域扩大，含水量呈现先降低后趋于均匀分散的局面，密度值随时间略增加进而趋于稳定。（３）水下渗15～35ｓ：每隔5ｓ用吸水纸擦干路表面，水分被吸走，含水量下降，密度值随着含水量减少而降低，最终趋近于干燥时的测值。（４）试验结果表明，路面表面湿度对测量值影响较大，见图3。
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２．沥青面层温度。温度对绝缘介质的介电常数有一定的影响，不同介质其介电常数随温度变化的规律不尽相同。试验分别选择路面刚摊铺时刻（表面温度160℃）以及施工结束后的状态（表面温度60℃）进行对比试验。温度对测定值的最大影响值为18ｋｇ／ｍ３，最大偏差百分比为0.63％。考虑到测量误差，试验表明温度对PQI的测定影响较小。
3.沥青面层表面清洁度。沥青路面暴露于大自然中，难免会受到各种污染。污染物会影响到介电常数。常见的情况就是路基土施工交叉污染，故污染物选择了红土。在路面均匀撒一层红土，根据污染程度不同（即按区域内被污染的面积不同），分别进行测定。将结果绘成曲线图，可知污染程度的逐渐提高，无核密度仪测值不断增大。故污染物对PQI的测定有较大的影响。
4.PQI的摆放方向根据PQI工作原理可知，测量环境磁场的方向及强弱会影响密度值。无核密度仪的摆放方向不同，则大地磁场和设备磁场的交织效应不同，密度值也会存在一定的差别。如图4所示，８个方向测点的密度值最大差值达到35ｋｇ／ｍ３。图5为各测点值与平均值的差值示意图。所以，采用不同方向进行多次读数取平均值的方法，可以有效地提高测量精度。结合经验，建议不少于３个方向（均匀分布），要求精确度较高时不少于５个方向。
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5.检测时的障碍物。在检测时测定人和仪器之间距离会影响PQI测定值。由试验结果可知，当人与仪器之间在10ｃｍ内时，距离越小，影响就越大；当完全接触时数据变化最大，差值达到148ｋｇ／ｍ３；当人与仪器的距离达到10ｃｍ以上时，检测值无明显变化。所以在进行检测时，侧定人与仪器的距离须不小于10ｃｍ，这样有利于提高测量的精确度。
6.级配影响。混合料级配不同，它的体积组成特性也不同。选择ATB －25、GAC －20及GAC－16等３段路面，选定圆形区域，并在圆形内布置测点。每个圆形内测２０个测点。由试验结果可知，级配越粗，PQI测定值误差就越大。
7.PQI检测沥青路面时注意事项。为确保无核密度仪检测的准确性及有效性，需要注意以下几个事项：（1）PQI仪器与检测物接触面必须保持干燥、干净，仪器方向固定；（2）测量所选定的测点须保持干燥、无污染，并且要选择在比较光滑、摊铺均匀的沥青路面测试；（3）在记录数据、测量的过程中，不要用手触摸仪器或让其他物体靠近，人与仪器距离须保持在10ｃｍ之外，否则试验结果会受到影响。另外，数据采集要和路面取样同天进行。
四、PQI在沥青路面质量控制中的应用
1.PQI在沥青面层密度(压实度)中的应用。为了验证PQI对沥青面层密度(压实度)检测中的精度,分别对岛—川高速公路测试段和州—阳高速公路测试段进行了测试,具体测试结果如下。(1)测试一。首次对高速沥青路面中面层进行了调研测试。使用PQI并结合传统的钻芯取样,对施工现场进行压实效果测试。其中取芯密度采用水中重法进行测量,压实度采用最大理论密度和室内马歇尔试验两种方法进行计算,并计算了空隙率。具体测试结果见表1。
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从表1中可以看出如果对路面压实度采用双控指标,即最大理论密度大于92%、马歇尔密度大于96%都能够满足要求;空隙率能够控制在规范要求的3%～8%之间;最大误差为1.73%,测试精度较高。(2)测试二。在高速公路测试路段,选择刚刚施工完成沥青面层的中面层左半幅一个断面的6个点,分别使用PQI及常规的取芯样试验水中重法测试密度对比,对比结果见表2(由于PQI测试时存在一定的方向性所以选取测试点的密度为4个不同方向测试值即测值1、测值2、测值3、测值4的平均值)。
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观察表2可以看出,PQI测试与实际取芯测试有很好的相关关系和较高的测试精度,并且相对传统的试验方法,PQI更加快捷而且无损,在沥青路面施工过程压实度质量控制中显示出了重要的应用价值。
2.PQI在碾压遍数和沥青混合料密实度关系中的应用研究。同样在高速公路上,进行了碾压遍数和沥青混合料密实度关系的测试。试验采用PQI进行跟踪测量。测试时对某标段1个纵断面每隔1m选取1个测试点,总共选取了5个测试点。采取的9遍碾压方式为:初压DD-110前进弱振后退强振、XD-120强振1遍、DD-110强振1遍;复压YL20A和YL26各搓揉碾压1遍、DD-110光面1遍、YL20A和YL26各碾压1遍;终压DD-110光面1遍。每遍碾压完毕后使用PQI测试各测点的密度值。总共采集到前9遍的数据值,测试结果见表3。
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总体上可以看出,在碾压的初始阶段,密度随遍数增加而增加,基本上是存在直线线性关系,第4遍达到最大值,从第5遍开始随碾压遍数增加而逐渐减小,第7遍达到最低,第8～9遍密度开始增加,基本上与第5遍持平。沥青面层密度随碾压遍数(0遍代表松铺时路面状态)的总体变化见表4。
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从表4可以看出,在前4遍碾压过程中,平均密度(压实度)随碾压遍数增多而增大,密度的变异系数也基本上呈现随碾压过程的进行也在逐步减小,碾压4遍后路面压实度均匀性随碾压遍数增大而不断改善;4遍碾压后,平均密度(压实度)在5～7遍碾压逐步下降而8～9遍碾压又逐步上升,并且基本上又回到第4遍的压实水平上。此阶段的密度(压实度)变异系数则呈现不断上升的趋势,9遍碾压后的密度均匀性还而没有4遍碾压后的效果好。所以在编排碾压组合方式时,考虑压实度、平整度达到要求的同时,也必须考虑整个路面压实的均匀性,使整个碾压得到最佳效果;同时随着碾压遍数的增加,也增加施工的成本,影响工程进度。在试验路段的施工中,使用PQI对碾压过程进行实时测试其密度,找出密度随碾压遍数的变化曲线,从而确定整个标段工机械的最佳组合方式和碾压遍数,这样即可以节约成本、保证工程进度,也可以保证工程的施工质量。
3.PQI和沥青混合料转运车联合应用研究。在湖高速公路上进行PQI和沥青混合料转运车的联合应用研究。试验中使用的沥青混凝土转运车是由某集团生产的LZH25沥青混合料转运车。利用转运摊铺工艺中转运车能够对沥青混合料进行2次拌和,使混合料摊铺后温度和级配趋于一致,从而提高路面质量。在该试验段共进行了2次测试,测试一是分别对是否使用沥青混合料转运车的路面密度进行了测量对比;测试二是为了了解沥青混合料转运车对PQI的精度影响。(1)测试一。测试的试验段是正在施工沥青面层下面层的路段。该路段设计厚度为6cm。选取4个断面,前2个断面未采用沥青混合料转运车,后2个断面采用了转运车;每个断面选取了10个测试点,使用PQI密度仪分别进行了测试。测试结果如表5所示。
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从表5可以看出,使用沥青混合料转运车对提高测试路面密度(压实度)均匀性有很好的效果。其中使用转运车的断面1、2的10个测试点的PQI测试密度变异系数分别为0.73、1.14,而未使用转运车的断面3、4的10个测试点的PQI测试密度变异系数分别为2.60、2.77,使用转运车的路面密度变异性明显小于未使用转运车密度的变异性。未使用转运车沥青路面的均匀性存在很达的差异性,使用沥青混合料转运车对改善压实均匀性具有很好的效果。(2)测试二。此测试的目的是了解沥青混合料转运车是否对PQI密度仪的精度具有影响。测试选取了3个断面,每个断面取5个测试点分别用PQI及室内水中重法测定它们的密度,在断面1,两种方法的密度测试结果有一定的偏差,而后面2个断面测试对比效果比较好。在断面1未采用沥青混合料转运车,第5个点的误差高达4.79%,由于此点存在一定的骨料离析,下面层本身粗骨料粒径较大,PQI测试对面层的均匀性比较敏感,该点没能完全反映出测试点的真实密度;在该断面PQI测试的密度平均值为2.462g/cm3,水中重法测试的密度平均值为2.455g/cm3,两者之间的绝对误差平均值为1.90%;同样对后面使用了沥青混合料转运车的两个断面,PQI测试的密度平均值为2.426g/cm3,水中重法测试的密度平均值为2.434g/cm3,两者之间的绝对误差平均值为1.01%。整体来说PQI测试精度比较上个断面较高。由这次试验可以看出沥青混合料转运车对提高PQI密度仪的测量精度具有一定的作用。
五、ＰＱＩ在沥青路面施工质量控制中的研究
1.路面压实情况实时检测。路面的长期路用性能很大程度上取决于施工过程压实工艺的好坏，而传统的钻芯取样法对路面压实工艺无法做出科学、全面的评价。PQI具有快速、高效等特点，对于评价沥青路面碾压工艺有着很重要的意义。通过PQI可获得大量关于路面空隙率的数据，后期应用数理统计分析工具对数据进行处理，然后通过分析的图表就能够直观、科学、有效地评价压实工艺的优劣，从而选择能够满足空隙率要求的压实工艺。通过比选不同的施工压实工艺（如摊铺顺序、碾压次数和速度、碾压温度控制、碾压机械等），可以大幅提高路面的施工质量。在路面施工过程中，PQI可以实时实地监控路面的密度值，判断路面压实度是否在要求的范围内，便于随时随地了解碾压效果，可以有效地指导施工，实现沥青路面施工质量的控制。判断压实度合格标准：（１）压实度渐变情况，即碾压完某一遍后测值变化不大于仪器允许误差（±24ｋｇ·ｍ－３），即可停止碾压；（２）通过理论最大密度或配合比设计的毛体积密度来评价压实情况，控制压实质量。
2评价沥青路面均匀性.路面局部集料离析是沥青混凝土面层非均匀性的一种表现，即粗集料或细集料集中，沥青混凝土密度不均匀；局部压实度不足，沥青混合料密度过低也是面层非均匀性的一种表现。影响沥青路面使用寿命的关键因素是路面离析，离析也是加速出现水损害、形成坑槽，导致路面的永久变形，并出现泛油等病害的一个重要原因。沥青混凝土路面离析一直缺少合适、科学的判别方法，以往都是凭借肉眼观察来判断，缺少可信性与科学性。美国ＡＳＴＭＥ９６５通过铺砂法测定路面的构造深度来评价判别离析程度，邱志雄等提出了采用数字图像法进行离析分析。但两种试验方法都比较繁琐，存在一定的局限性。因此可用PQI对沥青面层进行快速、无损、高频的检测，再根据最大理论密度，将密度值通过标定换算为空隙率值，然后依据离析程度灰度分级，通过灰度图直观判断离析程度，给出各种离析程度统计值的定量分析。判断沥青路面离析的程度和范围时，可根据测定值的变化来评价沥青面层均匀性的好坏。
总之，沥青路面路用性能很大程度上受施工过程所造成离析的影响，应用PQI高效测量空隙率的方法可得到大量的试验数据，再运用数理统计的定量分析方法对数据进行处理，可比较科学地反映路面离析情况。PQI实时、快速无损检测沥青路面施工过程中的密度（压实度），对于确保工程进度、施工质量以及评价沥青路面质量均匀性具有重要意义，有很好的应用前景。
参考文献：
［１］于艳．关于PQI在控制沥青路面施工质量均匀性中的应用．2018．
［２］张立波．浅谈PQI在控制沥青路面施工质量均匀性中的应用．2019.
作者简：董志峰，1984年5月出生，性别男，汉族，籍贯山东省德州市，学士学位，职位项目工程部主任，职称中级工程师，研究方向为现代土木工程建设施工技术。