PQI检测影响因素分析及现场检测验证

LI Guo-feng;HUANG Si-jie;LI Wen-hui;CHANG Rui;MA Guo-min;WANG Chun

【摘 要】为了分析PQI检测中各因素对检测结果的影响,以准确快速地进行现场检测.通过分析PQI380的检测原理,研究温度、集料料源、级配、水、砂、检测深度等因素对PQI密度检测值的影响,并应用PQI对施工路面进行了检测验证.结果表明:温度、检测深度对PQI检测结果没有显著影响;料源和水对PQI检测结果影响显著;PQI能够检测出一定程度上级配变化导致的压实度变化. 【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》 【年(卷),期】2019(036)001 【总页数】7页(P110-116)

【关键词】道路工程;PQI检测;无核密度仪;密度

【作 者】LI Guo-feng;HUANG Si-jie;LI Wen-hui;CHANG Rui;MA Guo-min;WANG Chun 【作者单位】 【正文语种】中 文 【中图分类】U416.06 0 引 言

沥青路面压实度检测的传统方法是采用路面钻芯，用表干法实测毛体积相对密度，

根据室内标准马歇尔试件毛体积相对密度或者理论最大密度计算其压实度[1]。压实度作为反映沥青路面质量的关键指标，不仅关乎工程质量的好坏，还影响沥青路面的耐久性。传统的压实度检测方法所表现出的破坏性、低效率和滞后性早已不能满足沥青路面质量控制要求[2-4]。国内外科研机构对无损、快速、便携式的压实度检测技术进行了广泛而深入的研究，目前较为成熟的技术主要有核子密度法、微波测试法、探地雷达(GPR)法、超声波法、CT射线法和无核密度仪法等[5-7]。 无核密度仪作为一种无损检测技术，自诞生以来就引起了道路工作者的广泛关注，其无损、快速、便携式、实时控制的特点极大地提高了沥青路面压实度检测效率和质量控制水平，这些特点对科学提高中国沥青路面施工质量控制和质量管理水平有着极为重要的意义。 1 PQI简介

Pavement Quality Indicator(PQI)是Trans Tech公司于1998年推出的第一款应用于沥青混合料密度检测的商用无核密度仪[8]。其第一代产品PQI100只能检测密度，并没有内置水分传感器，因此检测时水分对检测结果会产生较大的影响，其密度检测值与芯样密度值并没有很好的相关性。其后续产品PQI200则进行了相应的改进，增加了湿度传感器和温度传感器。为进一步提升检测精度，TransTech公司陆续发布了PQI300、PQI301、PQI302、PQI303等密度仪[9]，采用了更精确的密度算法，同时在考虑了水分和温度等影响因素后对PQI检测结果进行了一定程度的修正。目前，其最新型号PQI380搭载了Windows CE操作系统[10]，配备了LED全彩触摸屏和GPS定位系统；新的数据管理系统能够编辑项目名称、混合料类型、探测深度等细节信息，允许用户通过USB接口导出和存储数据；此外还增加了仪器的自我诊断模式，可以快速记录仪器自身状况。 2 PQI检测原理

沥青混合料的介电常数与其组成成分的介电常数有一定的相关性，同时介电常数与

材料本身的性质(如密度)有良好的相关性。然而，由于沥青混合料是一种多组分的复杂混合物，其内部结构对电磁波的散射有一定的影响，不同学者根据沥青混合料的各组成成分的介电特性、密度、空隙率等参数研究出了不同的密度介电常数模型。例如相关学者采用介电常数检测仪测量在2 GHz和7 GHz下，不同级配下沥青混合料的介电常数，其密度模型分别为： 2 GHz频率[11] (1)

7 GHz频率[12] (2)

式中：ρHMA为沥青混合料密度；εHMA为沥青混合料介电常数；Xvoids、Xasphalt分别为空隙率(%)、沥青含量(%)。

PQI基于阻抗谱技术(Impedance Spectroscopy)检测其电响应各项参数[13]，通过测量阻抗向量的实部和虚部参数进而将其转换成介电常数，通过检测沥青混合料的介电常数，利用内置密度算法计算出沥青混合料的密度。

PQI检测仪器主要分为两大系统：数据分析系统和校正系统。检测原理如图1所示。

图1 PQI检测原理 3 PQI检测影响因素分析

影响沥青混合料介电常数的因素都将会对PQI检测结果产生影响[14]，本文将从影响PQI密度检测的因素出发，分析不同因素对PQI密度检测值的影响。选取的因素分为内因(集料料源、级配)和外因(温度、水、砂、检测深度)。

采用PQI380进行试验，首先启动PQI380，选择“标准化”进行仪器自身工作状

况的检测；检测通过后，进入“混合料”菜单进行参数编辑，依次编辑混合料名称、公称最大粒径、检测深度；编辑完成后，进入“读数模式”菜单，根据需要选择不同的检测模式；最后点击“检测”开始试验。 3.1 料源

首先，确定沥青混合料级配，然后采取单档配料，4.75 mm筛孔以下的细集料采用白云岩，4.75 mm筛孔及以上粗集料分别采用玄武岩、辉绿岩、石灰岩，成型3种不同集料料源的车辙板，沥青为SBS改性沥青。采用PQI依次检测3块成型并冷却至室温的车辙板试件，选择“连续模式”读数，连续记录6个数据，以6个读数的平均值作为该车辙板的密度，结果如图2所示。 图2 不同料源车辙板密度

密度值为未经过校正的原始数据。结果表明，在同一油石比级配下，不同集料料源的沥青混合料PQI检测密度值不同，试验采用的3种料源中，石灰岩检测密度值最大，辉绿岩次之，玄武岩最小。常见岩石的密度中辉绿岩为2.9～3.2 g·cm-3，玄武岩的密度为2.6～3.3 g·cm-3，石灰岩的密度为2.3～3.0 g·cm-3；辉绿岩的相对介电常数约为11.6，玄武岩约为8～9，石灰岩约为7[15]。辉绿岩与玄武岩的密度和相对介电常数较为接近，因此成型的车辙板密度也较为接近。这说明按相同碾压遍数成型的车辙板，由于不同集料的压实特性不同，石灰岩组成的沥青混合料更容易压实，密度检测结果更大。同时，式(1)和式(2)也表明，当集料的相对介电常数相差不大，则沥青混合料的介电常数相差也不大，但由于石灰岩集料更容易压实导致其空隙率相对较小，因此根据密度与介电常数的关系模型计算出的沥青混合料密度更大。不同料源的试验结果表明，针对不同料源的沥青混合料分别校正PQI检测值是必要的。

综上所述，利用PQI在现场检测时，在同一碾压条件下，如果检测的沥青混合料密度相差过大，则可能是料源发生了变动，应引起现场质量检验人员的特别注意。

3.2 级配

为研究沥青混合料级配对PQI密度检测的影响，室内试验选择AC-20型沥青混合料，通过改变比例来变化级配，形成了细、中、粗3种级配，如图3所示。 图3 三种AC-20型沥青混合料级配

选择“连续模式”读数，用PQI依次检测9块成型并冷却至室温的车辙板试件，以6个读数的平均值作为该车辙板的密度，以3块车辙板的密度均值作为该级配车辙板密度，试验结果如图4所示。 图4 三种级配车辙板密度

图4表明，在规范上下限范围内选择的AC-20三种级配，沥青混合料密度不同级配越粗，PQI检测出的密度越小。实际上当级配变粗，油石比不变，在相同的碾压方式下，粗集配的沥青混合料比细级配的沥青混合料更难压实，导致粗级配沥青混合料密度减小。PQI能够检测出不同级配的沥青混合料的密度波动情况，从而为现场沥青混合料级配波动检测提供了依据，为沥青路面现场施工质量控制提供了一种快速、准确的检测手段。 3.3 温度

由现有研究成果可知，温度的升高会对沥青混合料的介电常数产生一定的影响[16]，例如Jaselskis E J指出，在微波频率检测范围内，在温度460 K以下，温度增加会导致一定程度的介电常数增加，当温度达到或超过460 K后，随着温度的降低，介电常数将会产生不可逆的降低[17]，如图5所示。 图5 沥青混合料介电常数随温度的变化(1 MHZ)

根据PQI的使用说明，PQI380集成温度传感器显示温度范围为-17.7 ℃～177.6 ℃[18]，而PQI301的操作温度范围为-7 ℃～43 ℃，使用时路表最大温度不应超过177 ℃。TransTech公司为了修正温度对PQI检测结果的影响，在PQI300+代中均内置了温度校正算法，连续记录6个读数后取平均值作为该次检

测值，同时为避免检测位置变化导致的PQI检测密度差异，每次检测仪器均放置在相同位置。试验选用了2种类型集料，每种集料采用的级配也不相同，但均为AC-16级配。AC-16(Ⅰ)级配15～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm集料和矿粉所占的百分比分别为24%、23%、16%、11%、22%、4%，油石比为4.8%，集料为白云岩；AC-16(Ⅱ)级配9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0～2.36 mm集料和矿粉所占的百分比分别为25%、24%、20%、28%、3%，油石比为4.8%，集料为石灰岩。每种级配类型均成型3块车辙板，检测结果如图6、表1所示。 图6 PQI检测密度随温度变化

表1 密度检测数据统计车辙板编号1#2#3#4#5#6#最大值/(g·cm-3)2.1382.0932.1432.0552.0852.050最小值/(g·cm-3)2.1212.0762.1212.0392.0662.038极差/(g·cm-3)0.0170.0170.0220.0160.0190.012平均值/(g·cm-3)2.1302.0842.1302.0462.0762.044标准差/(g·cm-3)0.005 0320.004 6920.007 4770.005 0870.005 8470.004 423变异系数/%0.240.230.350.250.280.22 图6表明，经过温度修正过后，PQI检测的车辙板密度值随温度降低仍有小幅变化。表1表明，密度极差最大仅为0.022 g·cm-3，最小为0.012 g·cm-3，变异系数最大为0.35 g·cm-3，最小为0.22 g·cm-3。因此，总体看，密度值的波动在可控范围内，温度对PQI检测的影响较小。 图7 密度极值对应的温度

图7是每块车辙板密度检测值随温度变化在密度极值对应的温度，结果显示，PQI检测的密度最大值在高温区，即75 ℃～100 ℃区间，密度最小值在低温区，即35 ℃～50 ℃区间。这表明PQI检测的密度值在高温时有偏大倾向，而在低温时有偏小倾向，但是密度极差不大。综合考虑，温度对PQI密度检测值影响不大，

但从传感器使用耐久性以及保证PQI检测值误差稳定的角度考虑，建议在沥青混合料温度较低时使用。 3.4 水

水的介电常数约为80，因此水对沥青混合料密度检测会产生较大影响，降雨以及沥青路面施工时钢轮压路机洒水会使沥青路面内部存在一定水分[19]，室内试验通过变化水量研究水对PQI检测密度的影响。使用小型喷雾器来控制加水量，每次向车辙板均匀喷洒2 g水，加水至20 g时车辙板表面已充分湿润并有大量水滴，最后为了模拟降雨后沥青路面内部存留的大量水分，将车辙板放置水中，水完全浸没车辙板45 min，5块不同的车辙板洒水后的密度检测结果如图8(a)所示。 图8 水对PQI检测结果的影响

由图8(a)可知，当洒水量不断增加，水对PQI检测结果的影响不断变大，随着水量的增加密度检测值不断减小。

为了进一步明确水对PQI检测的影响，又进行了另外3次试验，选择干燥的车辙板，用喷雾器对PQI检测底板均匀喷水，每次2 g，将喷洒水后的PQI检测底板放置于干燥的车辙板上检测密度，结果如图8(b)所示。选择喷水至4 g是因为此时PQI检测底板已经完全潮湿并有水滴下，再多的水已经无法继续增加检测底板的潮湿程度。

根据第1种方案的检测数据，车辙板泡水45 min后与没有水时误差最大达到11.8%，最小为3.5%。以上2种方案的试验结果都表明水会对PQI检测结果造成较大误差。图8(b)说明当水量达到一定程度后，修正值趋于稳定。水对PQI检测结果的影响表明，利用PQI检测沥青路面密度时应保证路面干燥无水分。 3.5 砂

通常认为PQI的检测底板与沥青混合料的良好结合有助于提高检测精度，然而现实情况下，沥青路面表面并不一定能提供这样良好的接触面，比如在离析程度较严

重的区域，表面粗集料集中会造成空隙率过大，此外由于碾压原因还可能导致沥青路面表面不平，不能保证仪器平稳放置。在这些情况下PQI检测结果可能存在较大的误差。采用核子密度仪进行检测时，如果遇到类似情况，通常采用铺砂法来改善仪器底板与路面表面的接触状况，因此可以考虑利用铺砂法来提高PQI检测的准确性。室内研究用标准砂均匀撒在车辙板上，直至覆盖整个检测区域的表面空隙并形成一层“砂垫层”，检测其密度变化。 图9 AC-20级配表面砂对PQI检测结果的影响 图10 AC-13级配表面砂对PQI检测结果的影响

第一次选择AC-20级配，车辙板表面空隙较大，试验结果如图9所示。第二次检测选择了AC-13级配，表面空隙较小，试验结果如图10所示。从图9、10可以看出，当沥青混合料表面空隙较大时，在砂完全封闭表面空隙前，空隙内部的砂对PQI检测结果几乎没有影响；当砂完全封闭表面空隙后，不断增加的砂在沥青混合料表面形成一层“砂垫层”，最终使PQI读数趋于平稳。AC-13的结果表明，当表面空隙较小，PQI检测底板与混合料表面接触状况较好时，铺砂会导致PQI读数变大，但是不断增加砂量不会再增大PQI读数，因为此时混合料表面的空隙已经趋于封闭并形成“砂垫层”，此时检测的密度为砂与沥青混合料的合成密度。 铺砂的试验结果表明：当沥青路面表面发生离析，粗集料集中，表面空隙偏大，甚至当表面有一定程度的不平整时，可以采用铺砂法来改善仪器与路面的接触状况。因为，当砂完全封闭表面空隙时，PQI的读数会偏大，即PQI检测密度与真实密度的误差比直接测量的误差小；当直接测量的误差较大，在校正PQI时会放大校正系数使校正后的PQI检测误差整体偏大，因此在表面空隙较大情况下采用铺砂法减小PQI检测误差是可行的。 3.6 检测深度

PQI操作手册上显示其检测深度为2.5～10 cm，为了研究检测深度，即车辙板下

层承载物对PQI检测密度的影响，室内试验通过设定不同的检测深度进行分析。车辙板厚度为5 cm，检测深度依次设定为2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7 cm，最终超过车辙板厚度，比较其密度变化，同时比较不同车辙板下的承载物对密度的影响。检测时不拿起仪器，只改变PQI参数设置里的检测深度就好，检测使用同一块AC-16车辙板，第1次检测车辙板直接放置于地面上，地面为砖石地面，第2次检测将车辙板放置于3 cm厚的木板上，第3次检测将车辙板放置于钢板上，选择“连续模式”连续记录6次读数并计算平均值，检测结果如图11所示。

图11 不同检测深度车辙板密度

试验结果表明：在不改变仪器放置位置仅改变检测深度设置的情况下，2.5～7 cm深度范围内，3种承载底板的PQI检测密度均没有显著波动，在2 cm的检测深度下，密度值最大；在同一检测深度，不同类型承载底板检测密度的细微差异仅由在换承载板时仪器检测位置稍微变化导致的。在2.5～5 cm的车辙板厚度范围内，PQI检测密度无显著性差异。 4 PQI现场检测验证

利用PQI对LM2、LM3下面层进行检测，为了更为详细地反映沥青路面施工质量，现场检测沿路面纵向以10 m间隔检测横断面密度，检测点按横断面宽度均匀分布检测6点，行车道和超车道各3个点，从路缘石至路边石检测点编号依次为1、2、3、4、5、6，每个点沿路面纵向检测前、中、后3点，前、中、后3点间距不应过大，将这3点密度的平均值作为该检测点的密度。根据仪器校正结果，LM2、LM3现场检测压实度如图12、13所示，横向为路面横断面检测位置，纵向为桩号方向。

图12 LM2ATB-30下面层压实度 图13 LM3ATB-30下面层压实度

2个标段检测段落结果均显示出，路幅中部压实度总体比边部高，表明路幅边部的压实质量有待提高，可增加边部的碾压遍数以保证施工均匀性。 5 结 语

本文在分析影响沥青混合料介电常数检测的各因素的基础上，研究了温度、料源、级配、水、砂、检测深度对PQI检测结果的影响，最后在施工现场应用PQI进行了实际检测验证，得到以下结论。

(1)温度、检测深度对PQI检测结果没有显著影响，料源和水对PQI检测结果影响显著，PQI能够检测出一定程度上级配变化导致的压实度变化。

(2)沥青混合料内部空隙对PQI检测结果也有一定影响，空隙率越小，检测的密度值越大。为提高PQI校正的准确性，校正过程需要保证芯样空隙率涵盖不同的空隙率水平，在表面空隙较大情况下可以采用铺砂法减小PQI检测误差。

(3)通过对2个标段进行PQI检测可知，路幅中部总体相对于边部压实度高，表明路幅边部的压实质量有待提高，增加边部的碾压遍数能保证施工均匀性。

【相关文献】

[1] 许新权,吴传海,严 超,等.基于PQI的沥青混合料现场压实参数研究[J].筑路机械与施工机械化,2016,33(6):71-74.

[2] 柴彩萍.无核密度仪在沥青路面工程质量控制中的应用技术研究[J].公路交通技术,2012(4):45-48. [3] 咸红伟,张肖宁.无损检测在沥青路面施工均匀性评价中的应用[J].中外公路,2010,30(5):91-95. [4] 罗建国.基于PQI快速检测的路面离析方法[J].公路交通科技(应用技术版),2011(7):2-3. [5] 张 蓓,蔡迎春,王复明,等.无核密度仪(PQI)在沥青路面施工质量控制中的应用[J].公路交通科技,2006(4):17-19.

[6] 陈少幸,张肖宁,邹桂莲,等.PQI在沥青路面压实度检测中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2005,22(7):69-70.

[7] 郭 芳.固体材料密度超声检测技术[D].太原：中北大学，2008. [8] 曾胜.路面性能评价与分析方法研究[D].长沙：中南大学,2003.

[9] 张国柄,邱志雄,张相杰,等.评价沥青路面离析状态的无损检测方法探讨[J].中外公路,2006,26(3):102-104.

[10] 倪宏革,林奇云,徐 静.PQI的检测原理及影响其密度测值的因素分析[J].筑路机械与施工机械化,2011,28(7):32-35.

[11] CHANG C M,CHEN J S,WU T B.Dielectric Modeling of Asphalt Mixtures and

Relationship with Density[J].Journal of Transportation Engineering,2011,137(2):104-111. [12] 杨 兵.基于改进介电常数模型的沥青路面面层压实度反演[D].郑州：郑州大学，2010. [13] 郑晓光.沥青混合料离析评价方法与评价指标的研究[D].上海:同济大学,2007.

[14] 李 智,邓志刚,谢冬喜.PQI在控制沥青路面施工质量均匀性中的应用[J].公路,2016(5):32-38. [15] 查旭东,黄 雷.PQI快速检测评价沥青路面压实质量的应用研究[J].长沙理工大学学报(自然科学版),2008,5(1):7-10.

[16] 贺 薇.无核密度仪在沥青路面压实均匀性检测中的应用[J].现代交通技术,2014,11(3):9-11. [17] JASELSKIS E J,GRIGAS J,BRILINGAS A.Dielectric Properties of Asphalt Pavement[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003,15(5):427-434. [18] 彭一武,张显利.PQI在沥青路面压实度检测中的应用[J].四川建材,2009,35(4):69-70. [19] 高国华，袁光权，王瑞林，等.采用PQI评价高性能沥青路面压实效果[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2008，27(4)：568-571.