路面水泥混凝土現(xiàn)澆層平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)調(diào)查分析與展望

□文/韓 冰 傅 一 朱 穎 王朝輝 朱世超

國(guó)內(nèi)路面水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度檢測(cè)工作一般在施工完成且現(xiàn)澆層完全固化后進(jìn)行，可選擇的設(shè)備包括3 m直尺、連續(xù)式平整度儀、車載式激光平整度儀等。檢測(cè)完成后，對(duì)平整度不滿足要求的區(qū)域采取補(bǔ)抹水泥漿的方式進(jìn)行局部修補(bǔ)；但這種修補(bǔ)方式會(huì)導(dǎo)致水泥混凝土現(xiàn)澆層局部強(qiáng)度不足，造成鋪裝層與水泥混凝土現(xiàn)澆層粘結(jié)不良，進(jìn)而影響鋪裝層施工質(zhì)量，若能研發(fā)一種在水泥混凝土現(xiàn)澆層施工過(guò)程中對(duì)平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)備，就可及時(shí)發(fā)現(xiàn)平整度缺陷并實(shí)施修補(bǔ)工作。

基于此，本文全面梳理路面平整度檢測(cè)常用的設(shè)備及其技術(shù)要求，系統(tǒng)介紹國(guó)內(nèi)外已開發(fā)的平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)或控制設(shè)備，為研發(fā)針對(duì)未硬化水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備提供思路。

1 路面平整度檢測(cè)

1.1 常用設(shè)備

按照檢測(cè)原理，道路平整度檢測(cè)技術(shù)一般可分為斷面類和反應(yīng)類兩種，不同設(shè)備采用的檢測(cè)技術(shù)不同。見(jiàn)表1。

表1 硬化水泥路面平整度檢測(cè)常用設(shè)備

1.2 檢測(cè)指標(biāo)及技術(shù)要求

全面調(diào)查相關(guān)規(guī)范中硬化水泥混凝土鋪裝平整度的檢測(cè)指標(biāo)及技術(shù)要求，為待開發(fā)平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)指標(biāo)及技術(shù)要求的確定提供依據(jù)。

1.2.1 檢測(cè)指標(biāo)

平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求選取。

1）最大間隙。定義為路表面到3 m 直尺的距離。以行車道一側(cè)車輪輪跡（距車道線0.8～1.0 m）作為連續(xù)測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)位置；連續(xù)測(cè)定10 尺時(shí)，判斷每個(gè)測(cè)定值是否合格并計(jì)算合格率及最大間隙的平均值。

2）平整度標(biāo)準(zhǔn)差。牽引連續(xù)式平整度儀應(yīng)保持勻速，宜為5 km/h、最大不超過(guò)12 km/h，按每10 cm 間距采集的位移值自動(dòng)計(jì)算得到每100 m計(jì)算區(qū)間的不平整度標(biāo)準(zhǔn)差

式中：σi——各計(jì)算區(qū)間的平整度計(jì)算值，mm；

di——以100 m 為一個(gè)計(jì)算區(qū)間，每隔一定間距（自動(dòng)采集為10 cm，人工采集距離為1.5 m）采集的路面凹凸偏差位移值，mm；

N——計(jì)算區(qū)間用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量。

3）國(guó)際平整度指數(shù)。定義為標(biāo)準(zhǔn)模擬車在80 km/h速度條件下，車身懸架的總位移與行駛距離之比。工程應(yīng)用中以100 m 為計(jì)算區(qū)間，用車載激光平整度儀的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算程序計(jì)算國(guó)際平整度指數(shù)。

4）單向顛簸累積值。一般由顛簸累積儀直接測(cè)試輸出，輸出后要按照相關(guān)性標(biāo)定試驗(yàn)得到的關(guān)系式，以100 m為計(jì)算區(qū)間換算成國(guó)際平整度指數(shù)。

1.2.2 技術(shù)要求

JTGF 80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)平整度檢測(cè)指標(biāo)技術(shù)要求見(jiàn)表2。

1.3 自動(dòng)化檢測(cè)要求

梳理相關(guān)規(guī)范有關(guān)平整度自動(dòng)化檢測(cè)規(guī)定，見(jiàn)表3[1～4]。

表2 水泥混凝土鋪裝平整度技術(shù)要求

表3 平整度自動(dòng)化檢測(cè)要求

2 未硬化水泥混凝土路面平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)

由于一直以來(lái)對(duì)施工質(zhì)量的重視，美國(guó)早在20世紀(jì)初就開展了針對(duì)未硬化水泥混凝土路面的平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)研究并完成了成果轉(zhuǎn)化，對(duì)其成果進(jìn)行研究將有助于開發(fā)適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備。

2.1 國(guó)外平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)

2.1.1 提高硅酸鹽水泥混凝土路面平整度質(zhì)量

2002—2004 年間，美國(guó)得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校與得州交通部和聯(lián)邦公路管理局聯(lián)合開展了“提高硅酸鹽水泥混凝土路面平整度質(zhì)量”項(xiàng)目。該項(xiàng)目立足于水泥路面硬化后修補(bǔ)措施對(duì)路面造成的永久性損害，提出了一種在水泥路面硬化前對(duì)其平整度進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)修正的設(shè)備，名為滑行式輪廓檢測(cè)儀（Sliding Profiler）[5]，見(jiàn)圖1。

圖1 滑行式輪廓檢測(cè)儀

滑行式輪廓檢測(cè)儀是一種接觸式平整度檢測(cè)設(shè)備，主要設(shè)計(jì)思路：將裝有陀螺儀傳感器、電源、數(shù)據(jù)采集板、嵌入式微型計(jì)算機(jī)以及無(wú)線通信設(shè)備的裝配箱安裝在承板上，承板安裝在混凝土攤鋪機(jī)后方并放置于混凝土路面之上，跟隨攤鋪機(jī)向前滑行，承板光滑的底面不會(huì)對(duì)未硬化的水泥路面造成破壞。

在前進(jìn)過(guò)程中，裝配箱內(nèi)的傳感器可以測(cè)量出鋪裝層的凹凸?fàn)顩r并輸出數(shù)據(jù)。此外，一個(gè)配備距離編碼器的車輪也一并隨著攤鋪機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，以傳輸里程信息、定位病害坐標(biāo)。

2.1.2 Ames RTP

美國(guó)Ames 開發(fā)了一種水泥路面平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備，名為Real Time Profiler。該設(shè)備利用非接觸式檢測(cè)原理，在混凝土整平機(jī)后方桁架上安裝激光傳感器，通過(guò)激光傳感器測(cè)量整平壓實(shí)的水泥混凝土表面到桁架間的高差并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以便在計(jì)算機(jī)端口實(shí)時(shí)輸出水泥路面表面輪廓和路面平整度數(shù)據(jù)。

該設(shè)備能以0～80 英尺/min（0～0.4 m/s）的速度對(duì)平整度進(jìn)行測(cè)量，激光位移傳感器射程為5英寸（約為127 mm），分辨率為0.001 英寸（約為0.025 mm），垂直距離傳感器分辨率為0.002 英寸（約為0.05 mm）。見(jiàn)圖2。

圖2 Ames RTP設(shè)備

2.1.3 GSI

Gomaco 公司開發(fā)了Gomaco Smoothness Indicator設(shè)備。該設(shè)備也屬于非接觸式檢測(cè)設(shè)備，安裝方法和測(cè)量原理與RTP類似，主要不同在于其采用的傳感器為聲學(xué)傳感器[6]。見(jiàn)圖3。

2.1.4 總結(jié)

1）未硬化水泥路面平整度檢測(cè)方式可以分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。

2）檢測(cè)設(shè)備應(yīng)包括電源、傳感器、位移編碼器、數(shù)據(jù)采集模塊、微型計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備以及顯示器。

3）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的主要用途是實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，以便在顯示器實(shí)時(shí)顯示被檢測(cè)斷面的輪廓圖以及路面平整度相關(guān)信息。

4）檢測(cè)設(shè)備應(yīng)有配套安裝支架，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.2 國(guó)內(nèi)平整度控制技術(shù)

國(guó)內(nèi)對(duì)平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)的研究并不多見(jiàn)，僅有唐山星斗路橋機(jī)械有限公司開發(fā)的激光桁架攤鋪機(jī)屬于平整度控制領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)思路主要借鑒了農(nóng)業(yè)激光平地系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)激光平地系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、激光接收器、控制器和液壓工作站組成，其工作原理：激光發(fā)射器發(fā)出一定直徑的基準(zhǔn)圓平面，裝在刮土鏟支撐桿上的接收器采集到的信號(hào)經(jīng)控制器處理后傳遞給控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓機(jī)構(gòu)按要求控制刮土鏟上下動(dòng)作，完成土地平整作業(yè)。見(jiàn)圖4。

圖4 農(nóng)業(yè)激光平地系統(tǒng)

與此類似，唐山星斗激光桁架攤鋪機(jī)配備有紅外線標(biāo)高控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基站發(fā)射機(jī)器、標(biāo)高測(cè)量?jī)x、整平機(jī)接收器組成，可根據(jù)預(yù)先輸入的數(shù)據(jù)自動(dòng)控制攤鋪機(jī)兩側(cè)液壓油缸，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)澆混凝土層標(biāo)高與坡面的精準(zhǔn)控制[7～9]。此外，唐山星斗激光桁架攤鋪機(jī)自帶軌道，能保證攤鋪過(guò)程不受防護(hù)欄平整度影響，提升現(xiàn)澆混凝土層的平整度。見(jiàn)圖5。

圖5 唐山星斗激光桁架攤鋪機(jī)

3 結(jié)論與展望

目前國(guó)內(nèi)對(duì)水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度控制技術(shù)已有所研究，而對(duì)平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度對(duì)橋面鋪裝質(zhì)量的影響不可忽視，因此可以在借鑒國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，將高精度平整度實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置與無(wú)人機(jī)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)未硬化水泥混凝土的無(wú)擾動(dòng)檢測(cè)，在施工過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，把控橋面水泥混凝土現(xiàn)澆層品質(zhì)，為橋面鋪裝路用性能的發(fā)揮奠定基礎(chǔ)。