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沥青路面工程质量变异性控制管理系统研究
报告简本
1 概述
1.1 现状
1998年以沪宁、铁四等为代表的新建高速公路，在通车后短期内发生的局部早期损坏，引起了普遍的关注，并进行了多方面的努力。“应该看到，在采取措施后，许多地方的水损害得到了有效的遏制。然而，由于沥青混合料的离析及不均匀问题并没有得到根本的解决，水损害问题仍然没有得到彻底的解决。” 2001年沈金安的文章接着指出“沥青混合料的离析不仅是造成路面早期损坏的根本原因，即使暂时没有损坏，对沥青混合料的使用性能也有严重的影响。” “离析是混合料粗细集料和沥青含量的不均匀，偏离了设计级配，从而使配合比设计成为一种摆设，等于沥青路面的质量完全失控了。”
2005年6月~8月，课题组分别对辽宁沈山、铁四两条公路沥青加铺层大修工程进行了实测；又查阅了2002年4~9月结合上海市科技发展基金重点项目分题“重交通道路沥青面层混合料组成与施工变异性研究”中上海浦东高速公路的测定数据。由于这两地的高速公路建设水平有一定的代表性，可以确认：沥青混合料“离析及不均匀问题并没有得到根本的解决”的论断依然存在。
分析原因之前，有两点需要界定。
（1）这次HMA变异性的研究热，起因在于早期损坏，而并非出自推行沥青路面可靠性设计；因此，研究内容偏重于HMA组成结构的均匀性。但是组成结构的变异性恰恰是路面可靠性的一个关键所在，因而有利于推进20世纪80年代以来，因变异过大，路面结构可靠度设计暂缓的现实。
（2）离析还是专指组成的不均匀为好，即混合料粗细集料和沥青含量的不均匀。
1.2 原因分析
为什么“离析及不均匀问题并没有得到根本的解决”，可以从不同的角度与层面分析，从技术层面的主要原因：
（1）按使用性能原则设计的沥青混合料没有工艺特性指标的约束
HMA没有一个像水泥混凝土坍落度那样的工艺指标；为了与现场工艺条件协调，配合比必然要有一个不断调试的阶段，甚至于历经失败到成功。
（2）监控不力
离析问题没能根本解决与监控不力密切相关，因为现行的检测抽样存在随意性。规范条文指出“钻孔测试压实度都是事后检查，且报告弄虚作假”，所以需要以定量统计的面控为基础，针对薄弱部位实现确定性的定点检测，才能把住关并发现问题。但是，并没有路段变异分布的数据。
（3）缺乏总体协调平衡
通过大量包括原材料规格质量的工艺对策研究，在解决问题方面，已经积累有许多方法和经验，但是总体来说方法往往比较孤立，经验还是具有局限性。例如JTG F40-2004，就沥青路面的压实，改变为“采取重点对碾压工艺进行过程控制，适度钻孔抽检压实度的方法”，虽然条文对碾压工艺规定详细，但即使局限于碾压，也缺乏一个能针对不同现场实际情况进行协调的、定量的、可操作的过程控制方法。
1.3 指导思想
从历史的角度而言，新形势、新问题需要新理念、新方法。
高速交通对路面抗滑、抗辙、防噪音等功能的要求，自20世纪60年代起以专题命名的国际会议，无论名称、内容与数量，不断扩大；但是，直到1993年具有权威性的沥青路面国际会议（第七届）才第一次涉及路面表面功能，大会就路面使用性能包括结构性与功能性两类作为专题报告。究其原因就在于两种使用性能所存在的相互矛盾。例如抗滑所要求的构造深度、防噪声所需的多孔结构与强度、稳定性间的矛盾，摊铺后、碾压前的平整度最佳等等。许多研究已经表明1998年大面积水损害的出现，恰恰在于片面强调了抗滑、平整度等功能要求，而新颁布的JTJ 032-94对级配又提供了一个较宽而又能偏粗的允许范围。所设计的HMA，虽然结构性使用性能与抗滑满足试验要求，殊不知其级配离析特性与压实性能已经发生了变化。
历史经验表明，路面工程是一个多因素相互矛盾而又统一的动态变化的集合体，因此需要以信息论、系统论、控制论为指导思想，以实现工程质量变异的控制。为此：
第一，实施变异的控制首先要分析清楚变异的来源与分布。
归纳研究动态，当前离析与不均匀的研究偏重于包括原材料规格质量的施工工艺，这反映出变异来源于施工过程的认识。这有它对的一面，因为沥青混合料随工艺过程而变化（见图1-1）：但有其局限性。HMA作为具有一定粘性的散粒体，离析是其固有的特性。1998年出现的大面积水损害足以证明：单纯按使用性能、没有工艺指标约束所设计出来的HMA组成，就是沥青路面变异的另一个重要来源。

图1-1 沥青混合料随工艺过程的变化
对于变异的分布，严格来说是缺乏研究，因为所测定的级配曲线各粒级的偏差，并不是沥青路面变异的分布。所要控制的工程质量是以路段为单元的，路段各点HMA组成结构变异的分布。定量统计路段变异分布的重要意义在于它不仅是由面检到点检的基础；而且是找准原因，从而落实对策针对性的基础。
第二，控制是以信息为基础的反馈。
以路段工程质量变异性控制为目的的反馈需要宏观与细观两类信息。宏观的信息是路段各点质量的动态变化。以什么为指标！密度、构造深度还是力学指标？为了分析原因还需要的内部指标传统用抽提试验和密度，然而无法及时反馈，因为待到测定出来，工程已经进行到数百米之外。由于反馈控制的基础是客观规律，而客观规律又是以信息的采集与分析为基础，所以课题组最大的工作量在信息的采集与分析。
1.4 进程
课题研究以上述3个关键技术为重点。2005年首先就沈山、铁四两条高速公路沥青面层大中修为依托工程进行了现场测定、研究；为深入分析较为全面而系统的现场数据，2006-2007年集中开展了以离析评价体系与组成结构细观分析为中心的基础研究；直到2007年秋，基于两个基础研究的突破，才有可能重点进行整合性的研究，从而实现了合同规定的研究目的。
课题组在宏观信息方面采用力学指标，不仅在于其包容性、无破损，更因为可以与工艺过程控制相结合，这是由于在振动压路机上的加速度动力响应测定装置所采集的信息是一个动态的、工艺全过程的信息。因为碾压的初始状态沉淀了碾压前各工艺过程的信息。所以它的意义可以超越智能压路机所定的目标，关键在于信息分析技术。
数字图像法用于芯样的分析已有不少研究，仍有技术创新的空间，但更缺乏的是整合研究。与抽提试验等传统方法相比，优势不仅在快，而且有利于内部结构分析；课题采用了与传统方法相结合的技术路线。
级配离析评价体系的建立，并作为一个信息，融合于反馈控制，也使动态反馈控制不再停留在施工过程控制范畴。
1.5 配套技术
合同规定“研究的目的在于对高速公路沥青路面工程，提出一套具有过程监控与信息反馈控制特色的、能控制工程质量变异性的控制配套技术”。课题研究提出的技术成果，包括信息采集与分析技术和控制技术两个方面:
（1）信息采集与分析技术包括：
①以料堆法空间分布均方差为指标评价HMA的离析特性；
②以加速度动力响应为指标评价碾压过程HMA组成结构状态的变化；
③以孔洞分布为指标评价HMA空隙结构的分布状态；
④以红外摄像的温度场分布为指标评价工艺过程温度分布状态的动态变化；
⑤以激光构造深度比为指标评价竣工后路面现场的不均匀性；
⑥以数字图像法的D2与A2、θ与Δ为指标评价HMA的内部组成结构。
（2）控制技术包括：
①从材料设计层面对级配离析的控制；
②控制级配微分布的方法与标准；
③沥青层路段碾压的过程控制；
④在面控的基础上实施选点检测；
⑤基于红外摄像法路段温度场的检测，进行场的控制；
⑥基于宏观与细观信息调整系统控制。
需要说明：①所建的配套技术是对已有的补充与发展，而不是取代。②配套技术可不同的组合以针对不同的情况。简本以对规范的“支持”与“补充”为重点。

2 对规范的支持与补充
2.1 规范JTG F40-2004的两点认识
在JTG F40-2004中，修订的内容共12条，与HMA组成结构性相关的占7条，修订有两点认识在条文说明中得到了明确：
针对当前国内外莫不以“按使用性能设计HMA”为指导思想，条文说明5.3.1指出“一个好的设计应该是具有良好的使用性能，施工操作性好及变异性小、容易压实”。
针对早期损坏，条文说明11.4.7指出“沥青路面成败与否，压实是最重要的工序。许多高速公路沥青路面发生早期损坏，大多数都与压实不足有关，因此压实度的评定至关重要”。
据此，条文“最大的修改”是：要求“沥青路面的压实度，采取重点对碾压工艺进行过程控制，并适度钻孔抽检压实度的方法”。
上述两点认识对于HMA组成结构变异是要害；改进措施基于发现了原有方法的问题，修订有理，会有一定效果，但未必能解决问题。
项目合同规定“提出一套具有过程监控与信息反馈控制特色的、能控制工程质量变异性的控制配套技术”，并明确以是否实现对规范的“支持”与“补充”作为检验标准，而两点认识指明了重点。
2.2 从设计层面实现对HMA级配离析的控制
2.2.1 必要性
1996-1998年随着沪宁高速的陆续通车，水损害不断；为什么经过了使用性能多指标试验研究的多碎石沥青混合料（SAC）出现水损害是有争论的。现在分析反映出级配离析问题的根据，不仅仅在当年实测空隙率、级配变异，而是用级配离析研究所得出的回归公式，对SAC沪宁高速建议值（1995年）与SAC修订完善后的建议值（2001年），计算、分析的结果由表2-1，表2-2，修订后SAC的离析特性以均方差为指标，约减少了一半。
2.2.2 料堆法的选择
早在1997年NAPA就指出“合适的混合料设计对消除离析是重要的”。为什么没有提出设计HMA要兼顾使用性能与工艺特性？原因就在于缺乏HMA工艺特性的评价指标与方法。文献表明化工、制药以及采矿等行业都有各自不同的散体离析评价，但是HMA是具有一定粘性的散粒体。没有搜索到这种非理想散粒体离析特性的研究报告。
选择料堆法有多种原因，最重要的启发在自组织临界性理论（SOC），它始于物理学领域利用沙堆模型研究颗粒物质有关运动基础上，由美国理论物理所1987年提出。这是为解释无序的、非线性复杂系统的行为特征提出的新概念，是控制大量广延耗散动力系统的普遍原则，已成为现代非平衡态统计物理学最基本的概念之一。
表2-1 SAC-16级配设计的发展一览表
项目
Pi：通过下列筛孔（mm）的质量（%）
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
沪宁高速
试验路
（1993）
100
97

65
49.5
37.5
28
20.5
14
9.5
6
沪宁高速
建议值
（1995）

95
︱
100
70
︱
90
50
︱
70
30
︱
50
22
︱
37
16
︱
28
12
︱
23
8
︱
18
6
︱
13
4
︱
8
修订完善的建议值（2001）
100
90
︱
100
75
︱
90
55
︱
70
30
︱
50
22
︱
37
16
︱
28
12
︱
23
10
︱
17
8
︱
15
6
︱
10
现场
检测
（1999）
范围
98.5
︱
100
92.2
︱
95
80.1
︱
83.6
61.9
︱
64.9
33.9
︱
38.4
24.1
︱
28
17.2
︱
21.9
14.8
︱
17.2
9.7
︱
13.8
8.7
︱
12
7.3
︱
9.0
均值

99.4
94.0
82.1
63.5
36.2
26.4
19.3
15.7
11.8
10.4
8.2
变异
系数
0.81
1.11
1.51
1.65
4.74
4.19
8.77
5.09
12.5
12.1
6.14

表2-2 离析评价的方法计算沪宁高速不同时期的离析特性
指标
时期
粗粒级/中粒级
细粒级含量（%）
集料离析特性
N=(P19－P13.2)/(P13.2－P2.36)
(P2.36－P0.3) / (P19－P0.3)
早期
0.923＞0.4（P13.2=70）

27%

70～80
0.471＞0.4（P13.2=80）
0.190＜0.4（P13.2=90）
50～60
修订后
0.309＜0.4
16%
30～40

图2-1 级配混合料离析试验（料堆法）
正因为级配离析是散粒体的固有属性，为评价这一特性就需要在简化受力的同时创造一个最小约束的条件，充分发挥自组织特性，用料堆空间分布的变异，表征散粒体这一固有属性；从而提高了指标的灵敏度与重现性。试验模型如图2-1。
操作方法见指南的附录。基于统计物理学的计算公式如下：
（1）
式中：S2——离析方差；
NR——料堆试验分区个数，如果本试验中只选取“前”、“顶”、“后”、“左”、“右”五个分区作为衡量标准，则NR=5；
n——为集料组分个数，即筛孔尺寸个数；
pi——为第i个筛孔尺寸下的标准百分比含量（未离析的），%；
pij——为第i个筛孔尺寸的集料，在第j个分区内的百分比含量（离析后的），%。
2.2.3 三层次评价体系
为评价HMA级配离析一方面服务于路面工程，另一方面指导集料的生产与冷料的供应，有必要建立反映历经集料—沥青混合料—现场施工传递、设计配比发生变异的评价体系。
集料级配离析的评价改用滑板法（图2-2），因集料无粘性，在按料堆法前、后、中、左、右5个分区取样时容易出现滑落崩塌的干扰；并经比较试验，滑板法与料堆法总体规律一致。

图2-2 滑板法的试验设备
沥青路面离析评价体系以NCAT为基础（表2-3），对依托工程各段按级配的变异分为轻度、中度、重度三类，并分别给出了各段不同程度的均方差（表2-4）。
表2-3 NCAT离析评价指标及其容许变化范围
检测指标
轻度离析
中度离析
重度离析
级配变化
一个筛孔＞5%
两个筛孔＞10%
四个筛孔＞15%
沥青含量变化
0.3%～0.75%
0.75%～1.3%
＞1.3%
空隙率变化
2.5%～4.5%
4.5%～6.5%
＞6.5%

表2-4 不同路段、不同级配均方差的统计
路段
类型
离析程度
最大值
最小值
均值
标准差
变异系数
A段
SMA-16
轻
6.37
4.77
5.67
0.622
0.110
中
10.24
10.24
10.24
0.000
0.000
重

总体
10.24
4.77
6.43
1.946
0.303
AC-20
轻
7.57
5.44
6.65
0.882
0.133
中
9.51
6.56
7.83
1.086
0.139
重
17.19
12.39
14.79
3.399
0.230
总体
17.19
5.44
8.67
3.367
0.389
B段
（一）
AC-16
轻
9.58
6.04
8.39
2.034
0.242
中
12.06
7.28
9.58
1.826
0.191
重

总体
12.06
6.04
9.14
1.863
0.204
（二）
AC16
轻
11.00
6.34
8.43
1.854
0.220
中
13.36
8.32
11.18
2.593
0.232
重
14.88
13.71
14.30
0.826
0.058
总体
14.88
6.34
10.43
2.974
0.285
（总）
AC-16
轻
11.00
6.04
8.41
1.774
0.211
中
13.36
7.28
10.18
2.124
0.209
重
14.88
13.71
14.30
0.826
0.058
总体
14.88
6.04
9.85
2.559
0.260

即使用最简单的方法，也反映出三层次相互紧密的联系：

式中：Sp为沥青路面现场取样的均方差；Sa为料堆法HMA级配离析的均方差；Sg为料堆法集料级配的均方差；为相应的换算系数。
表2-5 三层次评价体系相关要素一览表
级配
类型
Sg
Sa
kg
Sp
ka
轻度
离析
中度
离析
重度
离析
轻度
离析
中度
离析
重度
离析
AC-20
60
21.6
0.357
4.8-7.5
7.5-11.0
>11.0
0.2-0.34
0.34-0.5
>0.5
SMA-16
25
6.6
0.264
4.2-6.0
(6.0-9.0)
(>9.0)
0.6-0.9
(0.9-1.4)
(>1.4)

相对频数
16 13.2 9.5

（1）
相对频数

16 4.75 0.6

（1）
相对频数
4.75 2.36 1.18

（2）
相对频数

13.2 4.75 1.18

（2）
相对频数
相对频数
9.5 4.75 2.36

（3）

4.75 1.18 0.6

（3）
图2-3 相邻三档集料干扰情况

图2-4 非相邻三档集料干扰情况

表2-5所给出的数据，Sp取自依托工程路面现场，故有一个波动范围。Sa 与Sg来自试验测定；取两种级配类型，AC-20与SMA-16，分别采用料堆法与滑板法进行符合规范建议值范围内的无沥青与有沥青时的混合料的级配离析试验，包括上限、中值、下限、走向Ⅰ、走向Ⅱ共5种级配；对于Sa，每种级配按料堆前、中、后、左、右5个分区取样抽提试验，与各自的初始级配相比，经计算共得25个均方差，表2-5的Sa为总平均；对于Sg按滑板法的6个分区筛分，与各自的初始级配比较，经计算得6个均方差，表2-5的Sg为总平均。
2.2.4 初步结论
HMA级配是一个复杂性问题，随着条件而千变万化，因此重要在于建立一个能反映其自身特性的评价体系，按自组织原则建立起来的HMA级配离析评价方法，从现有试验范围来看，有良好的敏感性、重现性、规律性；即便试验的工作量不小，从全局而言仍属小样本，但毕竟提供了一个从无到有的良好开端和扩大应用改进完善的工作基础。
（1）抗离析级配的基本原则：
①相邻多粒级的无粘性集料，其离析程度远小于非相邻粒级的集料（图2-3，图2-4）。
②由于粘性的存在细粒级在HMA基本上不离析，而在无粘性的集料混合料则离析显著。因此，提高HMA的粘性，有利于提高粗级配的抗离析特性（图2-5）。

（1）集料级配混合料

（2）沥青混合料
图2-5 AC-20规范中值为设计级配经料堆法空间5个区的分布
③HMA抗离析级配设计的基本原则与连续级配原则的干涉—填充理论不同，宜“以中粒级为主，控制粗粒级与细粒级的用量”。由图2-6，细观分析证明，已经是骨架-密实型的，要注意提高c值；已经是悬浮-密实型的要注意提高φ值；即粗细要协调。

图2-6 不同粗集料微分布条件下A2、D2值与抗剪性能
2）验证与检验
①采用SAC作为验证的数据，如表2-2。
②对SMA-16型HMA的检验表明，以均方差为指标的级配离析小于AC型，但对空隙率的敏感性甚为显著，必须分类提出离析标准。
③用离析试验（包括离析程度以及不同离析程度下取样的使用性能测定）表明对AC-20型HMA而言，可分为三种情况：因粘性的存在一般级配离析并不严重，但在证明确实存在抗离析的级配同时，也发现了当粗、中、细三档粒级不协调时出现了突变。目前发现的突变与级配曲线走向有关，这说明现行的级配建议值范围的提法并不合理，它没能排除突变类。
④增加沥青混合料拌合厂的热仓，与调整热仓粒级配置，既提高了微分布的精度，也用以适应按“以中粒级为主，控制粗粒级与细粒级用量”原则设计配合比后，微分布的变动。
⑤NAPA1997年对于断级配、S型混合料离析特性过于否定，但国内有些对于S型也过分肯定，要害在于一定条件下的综合协调平衡。因此一个合理的评价级配离析试验方法十分重要。
3）应用
在为实现按使用性能与工艺特性统一的原则设计HMA，当前可用离析评价体系、方法、指标，检验已有的HMA设计方案。
2.3 在面控的基础上实施选点检测
2.3.1 概况
众所周知，监控不力的关键在于现行抽样检测选点时的随意性。理想的方式是基于面控的选点检测，对此较有前景的有如下三类；各有不同的优缺点，正处于不断改进之中。
①寄予厚望的核子密度仪，因测定结果与成分相关，而成分分布是不均匀的，有可能被当前试用的无核密度仪所代替，但需要多次测定方可连续成网供选点之用。
②通过构造深度比，无论是激光法、数字图像法，是当前国内外的一个热点；本课题结合国情给出了均匀区域构造深度的预估模型，分类标准有所改进。
③连续检测法的优势在于：将传感器装在压路机上，为检测选点所提供的连续测定数据也就是碾压过程的信息。碾压难以获得的过程信息，可通过反馈分析发展为供全过程的工程质量控制所用。压实计法早在20世纪80年代就由Dynapac公司开发并供工程应用，由于局限于孤立的信号分析，指标没有明确的物理意义，影响到扩大工程应用。
2.3.2 选择动力响应法为主，配合构造深度比
振动压路机在无约束的理想状态下呈简谐振动，响应信号为规则的正弦波，但当位于被压材料之上，由于来自材料的作用力（F）呈现复杂的振动形态，频率成分随之变化，产生谐波。不同的被压材料，当加速度传感器安装在振动轮轴，由现场实测数据频谱分析，频谱图大致归纳为5类。细粒土、二灰土如前三种，碎石土、二灰碎石随含石量为后3种，沥青层属第5种。据此，证实孤立信号分析的局限性，需采用动力响应法。

图2-7 含有1次谐波的频谱图

图2-8含有1～4次谐波的频谱图

图2-9 含有1/2次、1～5次谐波的频谱图

图2-10 含有多次谐波及分数谐波的频谱图

图2-11 频率比较复杂的频谱图

无论是室内、现场振动压、压实过程，、都可归为如下模型（图2-12）：

式中，激振力（P）已知，也可测定校核；压路机振动质量（M）已知，（振动加速度）由加速度传感器测定，F为系统的抗力，即被压材料对施力体的反作用力。反力F随压密而不断增长，随过压损伤而衰减。
上式可用非线性振动理论进行数值模拟；也是由用动力学评价方法实现碾压质量识别的理论根据。

图2-12 振动压实模型
2.3.3 沥青路面工程应用的可行性
结合牡丹江—绥芬河高等级公路碎石土路基（1998—2000）和沈大高速公路扩建，大量采用砂砾、山皮、石渣路基填料（2001—2004），动力响应法历经黑龙江与辽宁两次立项路基压实度质量控制的研究，虽然两个项目鉴定都有较高的评价，由于公路路基深受压实度理念和传统的束缚，只是因为填料的粒料含量甚高，作为超出规范范围，而又急需解决的特殊问题来处理。但是信息传到铁路行业，上下都十分重视，决定进入相关规范，并制定了在这一轮高速铁路建设路基工程检测推广应用的工作安排。
公路行业采用压实度为指标的传统可以追溯到细粒土路基，但到粗粒土和沥青混合料，情况发生了变化，第一，以粒料为主的混合料，级配离析是其基本属性，因此压实度的分母不再是常数；第二，细粒土最大密实度、最佳含水量下最稳定的规律也不再适用。和碾压过程联系的动力响应可以得到的不仅是碾压终了的分布，而且是分布的动态变化！即便如此，还是存在有不同的疑虑，对此探讨的结论：
①关于有序作业
确实，紧跟摊铺机往往以有序开始的碾压作业，逐步变为无序。有序不是为了采用动力响应法；无序必然形成过压与漏压，成为不均匀。组成结构变异的组织原因，必须杜绝。在这个指导思想，有序就一定能做到。注意，第一，起始与终了的各段基准线应该是斜的。第二，由于定位系统的费用过高，用人为控制，就要及时分段校正误差。
②关于温度的影响
温度有影响，但是≥80℃时温度对动力相应的影响不影响总体规律，详见总报告3.4。
③关于敏感性
动力响应初值与终值之差有大有小；曾因差值较小的居多，而疑虑指标的敏感性。但从最大值与最小值之差约达20%，说明不是敏感性问题。初值、终值之差甚小反映了多次碾压具有正反两方面的作用；以最大值为界，前段为波动上升阶段，随碾压而密实化，而后段为波动衰减阶段，随过压而局部损伤。这恰恰反映了内部规律性的变化。
2.4 碾压的过程控制
2.4.1 路段状态的演化与动态趋势分析
1）数据处理
所关注的是路段的质量，因此，首先按路段，将各点随碾压遍数的实测值，如表2-6，计算均值、标准差、变异系数，统计最大、最小值，如表2-7，并绘制成图，如图2-13、图2-13、图2-15。
表2-6 沈山AC20响应表
点号
去1
回1
去2
回2
去3
回3
去4
回4
1
37.87
38.06
44.47
38.73
43.84
35.95
42.65
33.03
2
36.85
37.82
44.64
38.4
38.71
37.87
40.24
31.98
3
37.43
33.89
46.31
39.77
41.63
33.62
41.09
33.94
4
38.46
34.48
40.82
33.24
40.74
33.32
40.74
32.3
5
34.13
34.86
39.08
33.94
39.78
32.86
39.3
28.76
6
33.13
31.04
39.43
32.11
36.96
29.92
36.33
30.82
7
32.31
37.17
44.02
32.85
36.31
35.34
37.5
29.73
8
32.33
32.11
36.17
35.99
35.16
33.98
36.98
30.04
9
33.71
37.93
40.74
36.34
38.59
35.21
38.27
30.29
10
35.15
36.25
42.07
33.32
39.72
33.38
36.87
30.48
续表
点号
去1
回1
去2
回2
去3
回3
去4
回4
11
35.18
37.25
41.9
35.75
41.36
34.25
40.02
32.23
12
32.92
34.8
37.07
35.48
38.86
32.71
35.43
32.39
13
33.97
34.73
36.69
32.66
38.86
29.99
37.82
29.75
14
32.92
36.52
37.09
35.58
38.16
33.52
39.75
32.25
15
32.84
32.76
34.89
27.99
34.22
32.18
35
28.66
16
35.21
37.11
40.98
34.75
40.12
34.43
37.81
32.31
17
34.61
35.98
41.21
34.54
41.07
33.91
38.36
32.17

表2-7 沈山17点AC20各碾压遍数响应统计情况
响应统计
一遍去
一遍回
二遍去
二遍回
三遍去
三遍回
四遍去
四遍回
均值
34.648
35.456
40.446
34.791
39.064
33.673
38.480
31.243
标准差
1.974
2.123
3.313
2.810
2.443
1.948
2.089
1.539
变异系数%
5.697
5.987
8.191
8.075
6.255
5.784
5.430
4.926
最大值
38.460
38.060
46.310
39.770
43.840
37.870
42.650
33.940
最小值
32.310
31.040
34.890
27.990
34.220
29.920
35.000
28.660
极差
6.150
7.020
11.420
11.780
9.620
7.950
7.650
5.280

图2-13 沈山AC20各测点每遍的响应均值、最大值、最小值和变异系数
2）动力响应波动三阶段
全面分析碾压全过程动力响应的变化，包括① 波动增长、② 动态变化、③ 波动衰减3个阶段。波动增长是嵌挤化、密实化的过程；当多次振动碾压出现不同程度的棱角破损，集料碎裂等损伤时，进入衰减阶段。合理的碾压方案应不出现波动衰减阶段，有效的过程控制方法应从及时避免进入波动衰减阶段。
3）波动类型
由于各点材料与初始状态的不均匀，所以各点的压实性能并不相同，即使碾压过程各点的碾压工艺操作完全均匀，统计值表达的各点总和，是欠压、过压和正好三种情况的不同组合。

图2-14 沈山SMA16各测点每遍的响应均值、最大值、最小值和变异系数

图2-15 铁岭AC20各测点每遍的响应均值、最大值、最小值和变异系数
据此面控制所关注的波动上升与波动衰减两个阶段，还可分为A、B两种类型（表2-8），控制的目标是B型。以波动衰减的B型为例，均值虽然有所下降，变异系数的衰减表明极差在缩小，这时内部损伤并不大，却换得全路段整体进一步的密实。
表2-8 波动阶段分类
波动阶段
波动上升
波动衰减
类型
A
B
A
B
均值
↑
↑
↓
↓
最大值
↑
↑
↓
↓
最小值
↑
↑
↓
↓
变异系数
↑
↓
↑
↓
状况
虽然总体增强，
但并不均匀、稳定
均匀稳定
地增强
内部损伤扩展，
出现剪胀趋势
内部损伤不多，
换来进一步的密实

4）碾压过程的四种状态
动力响应的3个波动的阶段定3种状态，加上初始状态，所以碾压全过程历经4个状态，路段状态的演化由初始状态出发，经增态、动态而到终态。控制并不是事后检查，而是要从动态中作出趋势性的判断，控制终态；所以，试拌试铺宜包括4个状态。
2.4.2 应用实例
1）AC型
由图2-13到图2-15，依托工程3个路段的波动阶段分类如表2-9。由图2-13，沈山AC-20的碾压已经不宜再增，第4遍的最小值增长甚慢，而最大值已出现负增长，也就是变异系数虽在缓慢下降，是通过某些点的损伤来实现的；而铁岭AC-20碾压3遍即可，因为第4遍开始最大值很少增长而最小值已出现负增长，因而导致变异系数的增大。
表2-9 碾压过程趋势判断的工程验证
级配类型
路段
波动阶段分类
主要影响因素
AC-20
兴城段
波动衰减B型
集料混有较多不合格材质，级配中度离析，少量重度
AC-20
铁岭段
波动上升A型
集料混有少量不合格材质，级配中度离析
SMA-16
兴城段
波动衰减A型
工艺参数不协调，级配中度离析

再从动力响应值来分析。如果说铁岭段碾压4遍，最大动力响应值达48.520（图2-15），沈山兴城段为40.446（图2-13），包含了机型不同、动力响应值不能作为排序依据；那么，为什么铁岭段的均值随碾压遍数增长，而兴城段第2遍出现最大值后随接衰减呢？原因恰恰在材质，课题组进入兴城段时中面层已接近尾声，余料较差（总报告附录1，附表1-5）。
2）SMA型
兴城SMA-16（图2-14）属另一种情况，碾压3遍变异系数连续不断增长反映出碾压工艺与材料压实性能不太适应，碾压3遍空隙率波动6.2~10.3%，全部大于6%（见总报告表4-4），需重新调整工艺。
3 面向现实，简化工程应用
3.1 动态反馈系统控制概要
狭义地说，动力响应是一定材料（原材料与混合料组成等）、在一定碾压工艺（碾压方式、机型、工艺参数等）和环境（温度、基础质量等）条件下，用以控制碾压质量（压实度及其均匀性）的一种方法，并不涉及最佳工艺选择、施工组织设计以及HMA的材料设计。上述3个实例表明动力响应法有潜在的优势，在动态反馈系统控制理念的指导下，可以扩大功能，包括三个层次：
① 分析信息，预估趋势；局限于碾压遍数，现场组织以及个别工艺参数的实时反馈控制。
② 分析信息，面积定位；采取补救性的以及局部返工等措施。
③ 分析信息，找出原因，提出改进方案，供下一部分工程应用，即阶段性的动态反馈控制。
第一层次，就事论事，局限于碾压工序；第三层次，已涉及工程质量的全部；第二层次，虽不是全部，但已不受碾压的局限，是针对具体问题的一种补救。应该说最适合当前国情的是阶段性动态反馈控制；因为当前HMA质量不均匀的原因往往是综合的。明确究竟关键何在，其他各种因素所占的地位，以及对策的针对性与协调平衡作用，才是最为重要的。而对症下药的同时，也是经济优化的过程，这样可以在众多设备、方法之中，做出具有针对性的最佳选择。
为实现阶段性动态反馈系统控制，基础仍然是信息论。为此，项目就HMA细观分析等作了进一步的研究，并形成信息采集与分析技术各6项，并提出了系统控制调整的方法、步骤。由于简本篇幅有限，故简本定位于针对规范的支持与补充，涉及阶段性反馈性的，从简。
3.2 基于加强试拌试铺实现简化应用
当前工程现场HMA组成结构的变异，往往是综合症。为治综合症，兼顾到方方面面，所编写的总报告，作为一个体系，就会显得复杂。简本以规范（2004）认识到了、而又没有解决好的2个重点为主线展开，虽然简明，但执行起来，有易有难。
论述一个体系与工程实际应用，不一定相同。前者强调完整，有理有据，面面俱到；后者务必力求简化。
如果把现场工作简化到主要在动力响应信息采集与路段薄弱部位的搜索，而提前在试拌试铺中，运用这一体系，产生一个有针对性的、可操作的、满足要求的实施方案，交由现场执行；那么顺理成章推广应用就成为必然与可能。
从3个实例来看，SMA-16的碾压工艺设计问题，兴城AC-20的余料使用问题，都可以在试拌试铺中事先发现并形成一个解决问题的新方案。也就是说，本应该在试拌试铺时：检验HMA的离析特性并反馈分析组成变异的环节；验证、调整碾压工艺并反馈分析HMA结构变异的原因；形成不同情况下的对策实施和方案。
规范（20