王 元

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510101)

0 引 言

沥青路面具有良好的力学和路用性能，行车舒适、噪声小、扬尘少且无接缝等众多优点，在高速公路建设中得到越来越广泛的应用，成为目前高等级公路路面的主要结构型式。但是，目前部分高速公路路面难以达到预期寿命，在通车几年内出现早期损坏，严重影响公路的使用功能，需进行功能性修复或中修。造成该现象的原因很多，如气候恶劣、环境影响和超载严重等，对于沥青路面使用性能最重要影响因素之一的沥青混合料施工过程质量，则直接影响沥青路面的整体质量和使用耐久性。施工均匀性是沥青路面长期使用性能的重要保证，沥青路面出现的诸多早期损坏如车辙、水损害、抗滑性能衰减过快和泛油等，都与沥青混合料的施工均匀性有较大关系。然而，沥青路面最主要的验收指标如弯沉、厚度、渗水系数和构造深度等均未涉及施工均匀性，施工过程中也未有相关均匀性的检测方法、验收指标和标准。近十多年来，随着计算机技术的快速发展，数字图像处理技术逐渐渗入到各行各业并越来越扮演着重要的角色。由于数字图像技术具有快速、准确、检测简单和成本低等特点，在公路行业得到越来越广泛的应用，如沥青混合料设计与评价、施工质量控制和裂缝自动处理等。

基于数字图像技术在沥青路面施工均匀性的检测与评价，能克服传统离析检测效率低，特别是目测主观性大等缺点。本文以广东省云湛高速公路(阳春至化州段)路面4标(BZK0+700～BZK33+363.329)沥青上面层和中面层为研究对象，基于数字图像处理技术，提出合适的沥青路面施工均匀性评价指标并进行验证，为提升沥青路面施工质量提供技术与经验支持。

1 研究与分析方法

作为一种散体颗粒材料，粗集料构成沥青混合料骨架，其在在沥青混合料中的分布状态直接应影响沥青混合料的力学性能。借助数字图像处理技术，通过对沥青混合料切片图像中粗集料的分布均匀性进行统计分析，可确定粗集料空间分布特征对混合料路用性能的影响。由于沥青路面施工完成后需钻取芯样，检测路面施工厚度和压实度，本文提出利用钻取的芯样检测路面摊铺的均匀性，一方面不增加检测工作量，另一方面利用图像处理技术自动获得不均匀性指标，检测方法快速、简单和方便，具有良好的操作性。主要步骤为：(1)对钻取的芯样进行横向切割，获取沥青混合料切片图像；(2)利用“双峰法”对切片图像进行二值化处理，获得集料的二值化图像；(3)利用图像处理软件Image pro plus 6.0对二值化图像进行处理，过滤细集料，提取图像中大于2.36 mm粗集料并编号，划分统计区域获得不均匀特征参数。图像处理与参数获得方法如图1所示。

图1 图像处理与参数获得方法

为对路面施工均匀性进行评价，本文引入“不均匀系数”对粗集料分布特征进行定量分析。如图1(c)所示，以二值化并对粗集料进行编号的沥青混合料芯样切片图像为基础，应用Matlab软件将芯样切片图像作八等分处理，再对八个区域内的粗集料数量进行统计与分析。对于不均匀系数指标，有数目法和位置法两种。由于高速公路路面施工具有速度快、工序衔接紧密等特点，路面施工检测也应快速简单、方便，以便为路面施工提供技术支持，及时纠正施工中存在的问题，提升路面施工质量。另外，大于2.36 mm粗集料构成沥青混合料主骨架，是抵抗外部荷载的主要载体，也是沥青混合料路用性能最主要的影响因素。因此，本文统计不均匀系数时，不考虑每一档粗集料分布对均匀性的影响。具体方法为：统计图像中每一区域内大于2.36 mm粗集料数目，并与芯样切片粗集料总数量的平均值进行对比，即以标准偏差S衡量芯样内粗集料数量的差异，称为“不均匀系数”，计算方法如式(1)所示。

(1)

2 工程概况与路面结构

汕(头)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支线工程是珠三角通往粤西地区、大西南地区以及大陆连接海南岛的干线通道，其中阳春至化州段全长133.64 km，路面4标桩号范围为BZK0+700～BZK33+363.329。路面结构为：4.5 cm SBS改性GAC-16C+5.5 cm SBS改性GAC-20C+7 cm GAC-25C +36 cm 水泥稳定级配碎石+18 cm 水泥稳定级配碎石+15 cm 级配碎石。沥青路面施工过程中，中面层采用福格勒双机施工，上面层采用全断面大功率摊铺机施工，摊铺宽度12.25 m。中面层GAC-20C各档集料比例为：18～22 mm∶11～18 mm∶6～11 mm∶3～6 mm∶0～3 mm∶矿粉∶水泥=8∶34∶23∶8∶23∶3∶1，沥青用量为4.31%；上面层GAC-16C各档集料比例为：12～19 m∶6～12 mm∶4～6 mm∶0～4 mm∶矿粉=36∶26∶8∶26∶4，沥青用量为4.49%。SBS改性沥青技术指标、各路面结构层级配分别如表1、表2所示。

表1 sBS沥青技术性能指标

表2 沥青混合料级配

3 检测结果与分析

3.1 检测指标分布特征

各沥青结构层施工完成后，根据规范要求钻取芯样并切割，通过本文提出的数字图像处理方法获得沥青中面层、上面层不均匀系数。为对福格勒双机摊铺和全断面大功率摊铺机摊铺效果进行对比分析，本次对沥青中面层和上面层均进行了渗水试验。不均匀系数、渗水系数沿道路横向变化特征分别如图2、图3所示。

图2 不均匀系数沿道路横向变化

图3 渗水系数沿道路横向变化

从图2和图3可以看出。

(1)沥青上面层不均匀系数S值范围为0.8～1.5，沿道路横向S值变化范围不大，表现为线性分布；对于沥青中面层，S值分布较为分散，但基本大于1.5，表明沥青面层施工过程中，采用全断面大功率摊铺机能获得相对较好的均匀性。但是，由于采用全断面大功率摊铺机成本较高，沥青混合料施工过程中应综合考虑成本控制和质量要求，选择合适的摊铺机械设备。

(2)由于全断面大功率摊铺机下料斗位置处于道路横向中间位置，结合图2和图3也发现，道路横向中间6 m左右位置S值和渗水系数稍大，表明其离析相对较大，因此，采用全断面大功率摊铺机施工时应注意调整下料斗位置的机械参数，避免发生过大离析导致渗水系数过大，影响路面施工质量。

(3)图3表明道路横向中间部位渗水系数较为稳定，但边部极少量检测点渗水系数稍大，主要原因是由于边部区域压路机碾压不便，导致边部1 m范围内区域处于欠压状态。因此，摊铺过程中各参建单位应加强路面施工质量管控，采用小型压路机对路面边部区域进行补压，确保路面边部压实效果。

3.2 检测指标相关性分析

空隙率作为沥青混合料设计和施工过程中的重要控制指标，为了解不均匀系数S值、空隙率以及渗水系数之间的相关关系，分析相关数据如图4、图5所示。

图4 交通量分析图

图4 不均匀系数与渗水系数的关系

图5 不均匀系数与空隙率的关系

从图4、图5可以看出，大部分检测点渗水系数满足100 ml/min的设计要求，渗水系数稍大的点均位于边部区域。渗水系数、空隙率与不均匀系数S值之间均呈良好的二次抛物线相关关系。随着S值的减小，渗水系数和空隙率均呈逐渐变小的趋势，表明S值对沥青路面检测主控指标有着重要的影响，路面施工过程中应注意控制离析，确保沥青混合料内各结构组分分布均匀，以达到良好的渗水系数、空隙率等交工验收主控指标。

4 结 论

(1)采用全断面大功率摊铺机能有效提高沥青路面施工的均匀性，但由于采用全断面大功率摊铺机成本较高，施工过程中应综合考虑成本控制和质量要求，选择合适的摊铺机械设备。

(2)沥青路面施工过程中，边部区域1 m范围内压路机碾压不便，摊铺过程中各参建单位应加强路面施工质量管控，采用小型压路机对路面边部区域进行补压，确保路面边部压实效果。

(3)渗水系数、空隙率与不均匀系数S值之间呈良好的二次抛物线相关关系，不均匀系数对沥青路面检测主控指标有着重要的影响，路面施工过程中应注意控制离析，确保沥青混合料内各结构组成分布均匀，以便达到良好的交工验收主控指标。