基于智能压实的沥青路面施工关键技术研究.pdf

CM&M 2023.0469工作。闫国栋等人3采用路基压实的动态连续压实计值（CMV）对高铁路基的压实特性进行了表征。研究结果表明，采用连续压实技术对路基稳定性影响较小且不受土壤级配的影响。马源等人4通过进行正交试验，分析了智能压实过程中碾压速度、振力、频率及碾压遍数对压实计值 CMV 的影响，以单变量正态分布 3 法及半变异函数验证了智能压实技术压实计值的均匀特性。研究结果表明，影响智能压实技术施工质量的因素由大到小分别为压实速度、压实遍数、频率及振力，智能压实技术施工的影响范围半径为 3.15m。本文通过对沥青路面压实理论分析，结合智能压实的关键技术特点，对沥青路面现场施工进行施工参数实时监测，研究智能压实在沥青路面施工过程中质量控制的关键因素，以压实计值 CMV 对智能压实技术施工的沥青路面进行质量评估。1 沥青路面压实理论1.1 振动压实原理沥青混合料属于典型的黏弹塑性材料，在常温下通常结构松散，骨料颗粒为沥青混合料提供骨架支撑，沥青则是骨料颗粒之间的连接介质。沥青混合料的压实过程实质是将混合料内的空间缩小，使骨料颗粒间重新排列组合，增大混合料密度，减小空隙的过程。0 引言截止 2021 年底，我国公路总里程达到 528.07 万 km，较上年增长 1.59%，其中高速公路里程达到 16.91 万 km，较上年增长 5.03%1。沥青路面是我国高速公路最为常用的路面铺装类型，其具有路面平整、无扬尘、振动小及噪声低等优点，但由于施工期短、施工条件复杂、施工技术不成熟、材料稳定性差等原因，沥青路面在正常服役期内容易产生如坑槽、车辙、裂缝等病害，导致道路运维成本高、服役寿命短。沥青路面压实是道路施工的关键环节，其既是沥青混合料压密成型的关键技术工艺，同时也是道路正常使用前的最后一道施工工序。因此为了保证沥青路面的施工质量，提高道路结构的稳定性，有必要对沥青路面施工压实过程进行系统研究，以此加强对道路施工压实质量的管理，提高施工效率，降低道路运维养管成本。传统的沥青路面施工中，振动压路机很难实现道路全长线均匀压实。且施工质量事后评价耗时、耗力，不能整体反映沥青路面的压实质量。而智能压实（IC）技术能对沥青路面压实状态进行实时监测，并可根据道路施工计划对路面全长线进行均匀压实，解决了传统沥青路面压实技术漏压、欠压、过压及压实密度事后测量的各种问题2。国内外相关学者对智能压实技术进行了大量的研究基于智能压实的沥青路面施工关键技术研究周佳仪 贾肖肖摘要：针对沥青路面压实中存在的施工效率与智能化程度低、施工质量难控制及事后评价耗时耗力等问题，提出采用智能压实技术进行沥青路面压实施工。以振动压实理论为基础，研究压实过程中沥青混合料的流变模型及本构关系，采用一维流变模型分析沥青混合料压实过程中的受力变形及力学响应。进行沥青路面施工压实现场试验，对现场施工关键参数进行实时监测采集，以监测数据计算沥青路面压实指标。以压实计值作为沥青路面施工质量的主要评价指标，验证智能压实技术应用于沥青路面施工的效果。研究表明：采用智能压实技术进行沥青路面压实，能很好地控制现场施工质量，解决了传统沥青路面施工质量需事后评价的关键问题，提高了沥青路面施工效率及智能化程度。关键词：智能压实；流变模型；现场试验；施工质量（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南250000）70工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工沥青混合料压实通常采用振动压路机进行施工，如图 1a 所示。在沥青路面压实施工过程中，振动压路机通过机械自重以及激振器产生的高频激振力，对沥青混合料进行连续碾压及振动冲击，使沥青混合料骨料颗粒之间处于共振状态，以减小混合料内部空隙。通过克服沥青混合料内的粘聚力及摩阻力，使混合料内的颗粒重新紧密排列，以达到沥青路面平整、稳定的目的，从而提高道路长期服役性能，延长道路服役寿命。受道路施工现场的环境因素及沥青混合料材料特性的影响，为了保证沥青混合料压实过程中的施工质量，一般会对沥青路面按一定规律进行多次反复碾压。为了解决压实过程中人为因素引起的漏压、欠压及过压，建立振动压路机与沥青混合料的耦合模型，如图 1b 所示。1.2 沥青混合料碾压流变模型常用于沥青混合料受力变形及力学响应分析的流变模型包括麦克斯韦（Maxwell）模型、开尔文（Kelvin）模型及 Burgers 模型。由于上述模型不适用于对沥青混合料施工碾压过程的分析，因此本文以一维流变模型作为分析沥青混合料在施工压实过程中的力学特性，如图2 所示。模型结构由串、并联关系组成，在沥青混合料施工碾压过程中，其由振动压路机碾压造成的沥青混合料总应变为各分应变的总和，其中包括沥青混合料弹性应变e、粘弹性应变ve、粘塑性应变vp，即：（1）在沥青混合料施工压实过程中，沥青混合料特性共有 3 个阶段：即粘弹塑性阶段、粘弹性阶段和弹性阶段。相关研究表明，在沥青混合料施工压实过程中，其在第一阶段的本构关系5为：（2）第一阶段本构模型中相应的沥青混合料应变表示为：（3）式中：E1、E2为沥青混合料流变模型中弹簧的弹性模量；1、2分别为粘滞系数；e为有效应力；eS为屈服应力；t为时间。根据上述沥青混合料流变模型及本构关系，当振动压路机施加的有效应力大于沥青混合料的屈服应力时，沥青混合料压实过程的流变方程为：（4）本研究中沥青混合料处于粘弹塑性阶段，且其由温度及应力导致的应力均为零，选取压路机压实时的有效应力进行分析可得：（5）式中，0(t)为振动压路机压实产生的应力；Vs(t)为沥青混合料空隙率。则根据两者关系可得：（6）其中K(t)为沥青混合料的压实度。2 沥青路面施工参数监测2.1 振动压实现场施工为了研究智能压实技术在沥青路面施工中其施工效率及质量，根据前期研究工作，本文结合某高速公路的现场施工计划，进行了沥青路面现场压实试验。采用小型振动压路机对沥青路面上面层进行振动压实，上面层厚度为 4cm，铺筑材料为 SMA20 沥青混合料，车道宽度为3.75m。在本次现场试验中，振动压路机沿试验设计路线进行多次反复碾压，碾压速度为 25km/h。压路机定位装置安装与驾驶舱顶板中心位置处。压路机振动监测设备安装于滚轮上，在进行沥青路面压实施工过程中，监测设图1 振动压路机激振原理及振动压实耦合模型图2 沥青混合料一维流变模型b 振动压实耦合模型a 激振原理图CM&M 2023.0471备会实时将数据信息传输至终端，并进行信号特征分析。2.2 施工参数实时监测根据上述试验，对沥青路面压实过程中的施工参数进行实时监测，其中包括：沥青路面上面层摊铺厚度监测、碾压振动监测、碾压速度监测。在本次实验中，采用激光测距仪对试验路段的上面层摊铺厚度进行监测，激光测距仪量程为 2m，精度为 1mm。采用 CT1010L 型加速度传感器，对沥青路面施工压实过程中的振动参数进行监测，其主要指标如表 1 所示。在沥青路面施工中，压路机碾压速度过快，压路机产生的振动能量小，从而使得压实质量变差，导致沥青混合料产生推移、裂纹等。碾压速度过小则会使施工效率降低。根据公路沥青路面施工规范（JT F40-2019），沥青路面施工压路机碾压速度需满足相应规定，如表 2 所示。3 基于压实计值的沥青路面施工质量评估加速度传感器监测的振动信号由基波分量、谐波分量及干扰信号组成，而基波及谐波的分布则是振动加速度信号畸变程度的一种表征，通过对监测信号的分析，可对沥青混合料的铺筑压实状态进行描述6，并能以此计算出沥青混合料的压实度指标。目前较为常用的压实计值指标包括 CMV、CVV 及THD 三种压实指标。其中 CMV 指标的应用最为广泛，其计算公式如下：（7）式中：Cal为标定系数；A2为二次谐波的频率幅值；A为基波的频率幅值。研究表明，沥青混合料压实度与碾压次数呈良好的对数相关。本文对现场试验沥青混合料压实指标 CMV 随碾压遍数的变化进行对数拟合，如图 3 所示。参考文献1 在加快建设交通强国新征程上建新功:2021 年交通运输行业发展统计公报评读 J.交通财会,2022,419(6):96-97.2 贾通.沥青路面智能压实系统关键技术研究 D.南京:东南大学,2020.3 闫国栋.高速铁路路基连续压实质量控制研究 D.武汉:中南大学,2010.4 马源,方周,韩涛，等.路基智能压实关键控制参数动态仿真及演变规律J.中南大学学报(自然科学版),2021,52(7):2246-2257.5 杨胜丰.沥青及沥青混合料动态黏弹性分数阶本构模型研究 D.长沙:湖南大学,2020.6 张瑢,王正.基于过程控制的沥青路面压实度评价的方法及应用 J.公路,2023,68(1):64-70.现场试验的振动加速度监测结果表明，智能压实技术能有效监测到振动信号，且对于压实指标的计算可靠程度高。由图 3 可知，压路机碾压遍数与 CMV 指标的相关性为中度相关，R2为 0.3569，这与传统压实度评价方法的结果一致。4 结束语本文采用沥青路面压实理论与现场试验结合的方法，研究了智能压实技术在沥青路面施工压实过程中的关键技术。主要结论如下：在沥青混合料施工压实过程中，由于沥青混合料的黏弹塑特性，本文建立了一维流变模型对沥青混合料受力变形进行力学响应分析。对现场施工的关键参数进行实时监测，根据压路机反馈的数据信息，提取分析信号特征，以此计算沥青路面压实度指标。以现场试验监测数据计算所得的 CMV 指标作为沥青路面的压实评价指标。研究结果表明，采用智能压实技术能显著提高沥青路面的施工质量。表1 CT1010L型加速度传感器主要性能指标项目指标灵敏度/（mv/g）100频率范围/Hz0.5-5000量程/g50抗冲击/g500工作温度/-20100输出阻抗/100 线性度/%1 表2 沥青路面施工碾压速度规范 km/h压路机类型初压复压终压适宜最大适宜最大适宜最大振动压路机2 333 4.553 66图3 CMV指标随碾压遍数的变化趋势碾压遍数/nCMV值