瀝青混凝土路面施工過程中智能化壓實(shí)的應(yīng)用實(shí)踐

中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151

1 工程概況

為了避免瀝青路面早期病害的發(fā)生，使其施工質(zhì)量得到有效保障，某工程施工過程運(yùn)用智能壓實(shí)控制系統(tǒng)對施工過程進(jìn)行控制。該工程主線路面結(jié)構(gòu)厚度為74cm，主要包括水泥穩(wěn)定碎石底基層，厚度為20cm；水泥穩(wěn)定碎石基層，厚度為36cm；瀝青混凝土下面層，厚度為8cm；中粒式改性瀝青混凝土中面層，厚度為6cm；細(xì)粒式橡膠瀝青混凝土面層，厚度為4cm。

2 智能壓實(shí)控制系統(tǒng)的組成部分及工作原理

2.1 系統(tǒng)的組成部件

（1）GPS基準(zhǔn)站。通常基準(zhǔn)站信號(hào)的輻射半徑為10km左右，為了提高其耐久性、安全性以及穩(wěn)定性，應(yīng)在拌和站操作室頂部安裝基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站主要由電源、無線電天線以及無線電等組成，通過基準(zhǔn)站可以獲取便攜式設(shè)備的準(zhǔn)確位置，提高系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性。（2）無線數(shù)傳電臺(tái)和GPS接收機(jī)。為了對壓路機(jī)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，技術(shù)人員需要在壓路機(jī)的頂部安裝無線數(shù)傳電臺(tái)和GPS接收機(jī)。GPS接收機(jī)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、耐用、抗干擾性強(qiáng)、防塵、防水、初始化時(shí)間短、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)。無線數(shù)傳電臺(tái)具有堅(jiān)固耐用、傳輸距離遠(yuǎn)以及傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。（3）CB460控制箱。在系統(tǒng)中CB430控制箱類似于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，其主要由計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和顯示器組成，其內(nèi)部的軟件具有數(shù)據(jù)分析和處理功能，可以對振動(dòng)輪的三維位置信息、行駛速度、碾壓次數(shù)、溫度以及CMV值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和記錄，指導(dǎo)駕駛員的操作。（4）CM310壓實(shí)傳感器。該部分主要在振動(dòng)輪軸外側(cè)進(jìn)行安裝，當(dāng)鋼輪發(fā)生振動(dòng)時(shí)，其可以對振動(dòng)輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)、振幅、激振力以及振動(dòng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而得出CMV值，實(shí)時(shí)顯示壓實(shí)情況。（5）溫度傳感器。溫度傳感器通常為紅外測溫傳感器，具有不需要接觸物體、安裝方便、耐用堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)，可以對瀝青混凝土路面的壓實(shí)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2 工作原理

該系統(tǒng)通過加速度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將參數(shù)傳遞到后臺(tái)軟件系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并得出壓實(shí)檢測值，最終得到壓實(shí)材料的具體狀態(tài)；與此同時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，基準(zhǔn)站可以將差分信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給壓路機(jī)，無線電接收器和接收機(jī)可以接收差分信號(hào)，并對其進(jìn)行定位。最后，通過計(jì)算機(jī)對壓實(shí)情況進(jìn)行綜合分析，為壓實(shí)施工提供參考。

2.3 工藝參數(shù)

（1）CMV（壓實(shí)度檢測值）。CMV為智能壓實(shí)的重要指標(biāo)，該值是以頻率分析原理為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)算過程見式（1）。通過試驗(yàn)可知，CMV值與基層剛度、含水量、材料種類、碾壓速度、振動(dòng)振幅和頻率、振動(dòng)壓路機(jī)型號(hào)以及重量等因素息息相關(guān)。因此，在對路基和路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的過程中，技術(shù)人員應(yīng)對目標(biāo)CMV值進(jìn)行標(biāo)定。

式中：A1Ω為振動(dòng)輪二次諧波頻率振幅；A2Ω為振動(dòng)輪基波頻率振幅；C為常量用。根據(jù)實(shí)際情況，對振動(dòng)頻率、振幅以及振動(dòng)壓路機(jī)類型等因素進(jìn)行選擇。

（2）碾壓厚度。在進(jìn)行施工前，檢測人員應(yīng)將目標(biāo)碾壓厚度設(shè)置在控制箱中，在對碾壓厚度進(jìn)行計(jì)算過程中，應(yīng)該以RTK-GPS實(shí)時(shí)定位技術(shù)為基礎(chǔ)，并用上層位空間坐標(biāo)減去下層位空間坐標(biāo)得出最終值。觀察控制箱顯示界面可知，不同填筑厚度的代表顏色各不相同，目標(biāo)填筑厚度通常為綠色，當(dāng)填筑厚度大于目標(biāo)填筑厚度時(shí)，則用深紅色、紅色和粉紅色表示；當(dāng)填筑厚度小于目標(biāo)填筑厚度時(shí)，則用深藍(lán)色、藍(lán)色和灰色表示。

（3）碾壓遍數(shù)。系統(tǒng)以RTK-GPS實(shí)時(shí)定位技術(shù)為基礎(chǔ)，對碾壓遍數(shù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)壓路機(jī)經(jīng)過同一地點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄，這時(shí)控制箱的界面會(huì)顯示不同的顏色，通常目標(biāo)碾壓遍數(shù)為綠色，過壓時(shí)為灰色、紫色，欠壓時(shí)為黃色、紅色以及藍(lán)色，漏壓則為白色。

（4）碾壓速度。為了對路面的壓實(shí)效果進(jìn)行控制，需要嚴(yán)格控制碾壓速度，但是原有的施工過程往往憑借駕駛員的經(jīng)驗(yàn)對車速進(jìn)行控制，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而使用該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示壓路機(jī)的行車速度，為駕駛員提供參考。

（5）壓實(shí)薄弱區(qū)域。在碾壓過程中，存在壓實(shí)薄弱區(qū)域，為了對該區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)定位，該系統(tǒng)通過對壓實(shí)度進(jìn)行檢測，并用不同顏色分類，得出CMV值最小的位置即為壓實(shí)薄弱區(qū)域，為技術(shù)人員提供參考。

3 瀝青混凝土路面智能化壓實(shí)試驗(yàn)及應(yīng)用效果

3.1 智能化壓實(shí)試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)?zāi)康摹榱藢r青混凝土路面智能化壓實(shí)效果進(jìn)行分析，需要對比傳統(tǒng)檢測指標(biāo)和智能壓實(shí)指標(biāo)（CMV）之間的相關(guān)性，并記錄碾壓遍數(shù)和CMV值之間的規(guī)律。該瀝青路面不能使用取芯檢測法進(jìn)行檢測，可以使用無核密度儀對其進(jìn)行檢測。（2）試驗(yàn)方案。試驗(yàn)段的長度為30m，一共設(shè)置6個(gè)檢測點(diǎn)，各檢測點(diǎn)之間的距離為5m，使用便攜式落錘彎沉儀和無核密度儀對其進(jìn)行檢測，對路面進(jìn)行碾壓，碾壓10遍，并對碾壓2、4、6、8、10遍時(shí)的壓實(shí)度分別進(jìn)行檢測，最后使用GPS流動(dòng)站對檢測點(diǎn)進(jìn)行定位記錄，得出該檢測位置的CMV值。（3）試驗(yàn)段材料構(gòu)成。該試驗(yàn)段的路面結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下：水泥穩(wěn)定碎石底基層，厚度為20cm；水泥穩(wěn)定碎石基層，厚度為36cm；瀝青層，厚度為18cm。（4）數(shù)據(jù)分析。以現(xiàn)場試驗(yàn)為依據(jù)，對碾壓遍數(shù)和CMV值之間的關(guān)系進(jìn)行分析，得出結(jié)果如圖1所示。

圖1 碾壓遍數(shù)與CMV之間的關(guān)系圖

由圖1可見，隨著碾壓遍數(shù)的增加，CMV值也不斷提高。在初壓時(shí)，CMV值增加速度較快，當(dāng)碾壓數(shù)超過4次后，CMV值的增加速度開始變慢。當(dāng)碾壓數(shù)到達(dá)第8次時(shí)，壓實(shí)曲線逐漸平緩，該值趨于穩(wěn)定。隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，壓實(shí)度的增加效果并不明顯。通過上述分析可知，初壓對壓實(shí)度的影響效果最大，此時(shí)壓實(shí)度增長最快，因此在碾壓過程中，應(yīng)適當(dāng)提高初壓次數(shù)。對現(xiàn)場的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和采集，并通過對比無核密度儀和智能化壓實(shí)檢測值之間的檢測數(shù)據(jù)，得出結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，無核密度儀和智能化壓實(shí)檢測值之間具有較好的一致性和相關(guān)性，而使用智能化壓實(shí)技術(shù)可以進(jìn)一步提高壓實(shí)質(zhì)量和效率。

圖2 無核密度儀和CMV壓實(shí)度之間的關(guān)系

3.2 應(yīng)用效果

（1）對壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。使用智能化壓實(shí)控制系統(tǒng)對壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行檢測，可對時(shí)間、碾壓檢測日期、碾壓溫度以及碾壓次數(shù)等施工參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而減少返工等問題。（2）加快施工進(jìn)度，減少施工工期。駕駛員可以通過控制箱上的顯示屏對碾壓次數(shù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免出現(xiàn)欠壓和過壓現(xiàn)象。由于該系統(tǒng)不受日照的影響，因此可以24h對施工過程進(jìn)行監(jiān)控，從而達(dá)到提高施工效率的目的。（3）節(jié)約成本。該系統(tǒng)的顯示界面比較直觀，即使駕駛員的施工經(jīng)驗(yàn)不豐富也可以對其進(jìn)行精準(zhǔn)控制，能夠在提高機(jī)械效率的同時(shí)減少人員的投入，從而達(dá)到降低人員成本的目的。與此同時(shí)，當(dāng)?shù)缆反嬖趬簩?shí)薄弱區(qū)域時(shí)，施工單位可對其進(jìn)行有針對性的檢測，不僅可以提高報(bào)檢的合格率，還可以降低檢測成本。（4）存在的主要問題。①當(dāng)路基細(xì)顆粒填料較多時(shí)，可以使用智能化壓實(shí)技術(shù)，但是在GPS基站的使用過程中，會(huì)受天氣、外界電磁以及現(xiàn)場地形等因素影響，導(dǎo)致信號(hào)傳送出現(xiàn)問題，從而影響數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。②每個(gè)壓路機(jī)之間不能實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，限制了壓路機(jī)之間的調(diào)配，可能會(huì)產(chǎn)生壓實(shí)設(shè)備閑置時(shí)間較多等問題，影響施工效率。③如果駕駛員操作技術(shù)不夠熟練，在其碾壓開始和結(jié)束的時(shí)候，可能忘記開關(guān)機(jī)，進(jìn)而影響到控制效果。因此，施工單位應(yīng)對駕駛員進(jìn)行操作培訓(xùn)，進(jìn)一步提高控制效果。

4 結(jié)論

在瀝青混凝土路面施工過程中，通過智能化壓實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用可以得到以下結(jié)論：（1）到目前為止，在大壩、公路路基以及鐵路路基的施工過程中，智能化壓實(shí)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但是該技術(shù)在瀝青混凝土路面的施工過程中應(yīng)用較少。（2）由于使用智能化壓實(shí)系統(tǒng)對瀝青混凝土路面進(jìn)行檢測，所得到的CMV值與壓實(shí)度之間具有較高的相關(guān)性，因此可以通過智能化壓實(shí)系統(tǒng)對瀝青混凝土路面的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而達(dá)到提高壓實(shí)效率、均勻性的目的。（3）在智能化壓實(shí)技術(shù)的應(yīng)用過程中，仍然存在一些問題，需要對接收機(jī)信號(hào)接收穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化；完善控制后臺(tái)的建設(shè)，使各機(jī)械之間能夠共享壓實(shí)信息；對駕駛員進(jìn)行培訓(xùn)，提高數(shù)據(jù)的可靠性。