碾壓混凝土路面基層連續壓實控制技術研究

文／熊高勝 中交一公局廈門工程有限公司 福建廈門 361006

引言：

碾壓混凝土是含水量、含泥量明顯低于普通混凝土的一類混凝土產品。在建筑工程中碾壓混凝土因其具備環保、高效、省本、優良耐磨性等優勢，而擁有廣闊應用范圍。為了進一步突顯碾壓混凝土在壓實作業中的實踐價值，應根據碾壓混凝土相關參數同壓實度的關聯性，逐步實現智能化壓實控制目標，借此優化壓實控制成效，為碾壓混凝土路面基層建設質量的改造給予保障。

1、傳統壓實度檢測方法主要問題分析

1.1 對比分析碾壓混凝土基層傳統壓實度檢測方法和壓實缺陷類型

本次研究中具體以全長15.44km，厚度為25cm的碾壓混凝土路面基層，用量為6.2015萬m2的海翔大道提升改造工程為研究對象。在實際分析中可發現傳統意義上使用的壓實度檢測方法，雖然也能適當給出一定的壓實度參考標準，但整體上具有突出問題。傳統壓實度檢測方法以灌砂法、核子密度儀法為主。前者是針對碾壓混凝土路面基層的待測部位進行挖坑作業，而后灌入砂土，對砂土密實度予以測量，從而獲得具體的壓實度測量結果。后者是指利用核子密度儀釋放的γ射線中饋結果，依據線損換算方式檢測路基面層材料的具體密度值，從而在兩種傳統檢測方法下知曉路面基層材料壓實度。在具體比對中，由于兩種方法易受外界因素影響，而產生高誤差情況，且對于待測部位的選取具備隨機性，致使傳統事后檢測方法，很容易引起欠壓、超壓后果，致使路面基層壓實作業施工質量不達標，亦或是在超壓下，造成路面基層表面產生翻松、內部材料組織破碎狀況。在本次研究中針對傳統壓實度檢測方法實施現場調研，能夠從中掌握現有碾壓混凝土路面基層具體壓實缺陷類型，即壓實度不足、平整度差等，自此降低工程建設質量，甚至容易對后期道路安全使用埋下隱患。

1.2 分析碾壓混凝土基層壓實缺陷成因機理

碾壓混凝土本身具備一定的應用優勢，但考慮到路面基層壓實度與材料以及碾壓工藝均有密切關聯。故此針對調查結果進行匯總后可知：引起壓實度不足、平整度差等壓實缺陷的原因，多與機械設備選型不當、工程檢測不精準、工程管理不到位有關。為了切實保障本工程壓實施工質量，需在碾壓混凝土壓實作業環節，充分圍繞壓實缺陷成因做出相應的改進計劃，從而指引壓實施工人員，能夠充分借助壓路機設備、連續壓實控制技術、振動傳感器等智能管理手段，優化壓實施工效果。基于此，在海翔大道提升改造工程中，施工人員需要重新轉變固有壓實度檢測思路，依靠全新的智能工具、先進的信息技術，增加碾壓混凝土路面基層壓實度檢測新穎性，滿足新時代壓實度檢測控制需求。

2、基于振動傳感器的碾壓混凝土基層壓實度檢測原理與模型研究

2.1 分析振動傳感器加速度、單位壓實功檢測碾壓混凝土基層壓實度原理

由于傳統壓實度檢測方法多有不足之處，且屬于事后控制方法，故此在該工程壓實度檢測過程中，可以使用全新的檢測方法，以振動傳感器為核心達成實時監測目的，借此保證在壓路機作業期間，隨時根據傳感器中饋的結果，提前掌握壓實度變化情況，之所通過調整壓實頻率、壓路機振動幅度及其相關參數，逐步達成壓實度設定標準。此種檢測方法是利用振動傳感器設備，聯合振動壓路機建立壓實度動態模型。基于智能壓實理論與連續壓實控制技術，于振動壓路機上攜帶振動傳感器，可從實時控制角度創新壓實度檢測方法。通常情況下，在本工程中借助振動傳感器振動變化數值的記錄，如實獲取響應信號，并依據關系模型，從壓實度監測、評估乃至中饋環節，實現一體化管理，這樣才能促使此工程能夠在智能化壓實度管控條件下，提升壓實作業施工質量。

實際上，之所以該工程中使用的此種連續壓實控制技術具備可行性，是因為在壓路機振動時，能量可以實現實時傳遞，并且在力學平衡理論指引下，實現動能、電能的合理轉換。若觀測到振動傳感器的電子信號變化趨勢，可從中推斷出動能變化規律。而后判斷按照當前的振動幅度是否符合壓實度控制要求。另外，在振動傳感器輔助下實時檢測壓實度時，還可以利用單位壓實功與碾壓混凝土剛度、壓實度、阻尼等參數的關聯情況建模，并依據數學表達式確定各指標關系。其中在計算壓路機振動合力（P）時，可參照下列公式，分析振動傳感器與振動壓路的關聯性，即：P= W + Fsinwt，式中F、W分別指代的是振動傳感器的激振力與徑向荷載力。而后在阻尼作用指引下求取在碾壓一次后的單位壓實功（E）。

單位壓實功與壓路機振幅關系如下所示：

2.2 振動加速度傳感器選型研究

在深度掌握連續壓實控制技術原理后，還需要從市面上優選振動傳感器。本次研究以MS8000系列產品為例。其中MS8002.D、MS8010.D、MS8030.D三款類型的振動傳感器，它們的量程各自為±2g、±10g、±30g，而偏差標定在＜10mg、＜50mg、＜150mg范圍內。偏差溫度系數在0.1mg/℃、0.5mg/℃、1.5mg/℃。它們的共振頻率各自為1.4kHz、3.7kHz、6.3kHz。工作溫度范圍基本上都在-55℃至125℃以內。面對參數各異的振動加速度傳感器，相關人員需結合本工程具體工況予以確定，從而保證在振動傳感器輔助下，準確記錄路面基層壓實度變化范圍，增加壓實度檢測實時性。

2.3 開展試驗路試驗，處理與分析振動傳感器的加速度、單位壓實功實測數據，研究安裝數量、方法對數據的影響

在利用上述振動傳感器檢測海翔大道工程中基層路面壓實度時，能夠從檢測結果的對比分析中判定最適合本項目的傳感器類型。首先，相關人員需劃分為海翔大道待測路段，而后選用不同數量的MS8000系列產品，將其裝設在壓路機上，其中可以設定好不同的安裝位置，借此得出最佳安裝位置，增加測量數據精準度。如假設A部位是在振動輪上，B部位在壓路機機架軸承處，之后經過同部位不同類型振動傳感器以及不同部位、同類型振動傳感器記錄檢測數據。

由此發現：A部位處進行安裝，在碾壓次數為1次時，它們的碾壓作業的時間間隔明顯MS8002.D振動傳感器更短，并且A、B兩組數據比對，振動輪上的密實度測量數據誤差更小。同時，還需以離散性檢驗分析法提取數據，從單位壓實功等參數變化情況進行比對。其中單位壓實功以及加速度偏高的傳感器適應性更強[1]。

2.4 建立振動傳感器加速度、單位壓實功與碾壓混凝土基層壓實度之間的關系模型

在使用攜帶振動傳感器的振動壓路機時，可以從單位壓實功以及振動加速度與壓實次數的關聯性上進行綜合分析，并且從本工程待測路段中開展傳統壓實度檢測方法與新型檢測方法的對比實驗。其中能夠借助最大密度測定結果，準確計算壓實度。較為明顯的是傳統壓實度檢測方法中灌砂法壓實度低于核子密度儀法數值，且此兩種方法的壓實度均低于基于傳感器設計的連續壓實控制技術檢測方法。從上述研究成果中推斷出：本工程中路面基層壓實度隨著單位壓實功增加而出現上升情況。而加速度的變化可參照（CV：壓實質量實時監測值，a常數，A1、A2：振動諧波幅值）。在路面基層壓實度越大時，加速度隨之升高，CV值也有所增加。在建模后可從模型指標變化規律上評估路面基層壓實度[2]。

3、研究材料參數和碾壓參數對碾壓混凝土基層壓實理論模型的影響

3.1 研究碾壓混凝土VC值、含水率、級配等材料參數對碾壓混凝土基層壓實度理論模型的影響

依據本次研究中建立的路面基層壓實理論模型，能夠從中判斷碾壓混凝土VC值等相關參數的關系。其中在配制碾壓混凝土時，如若適當增加含水量，則碾壓混凝土VC值隨之減小。由于多用拌合水時，會造成膠凝材料用量有所增加，致使VC值減小。要想合理控制碾壓混凝土VC值，就可以通過配合比以及含砂率指標上進行科學調整。其中應注意的是配合比本身可調性較差，此時施工人員在配制碾壓混凝土時，需要從水膠比上加以重調，從而在水膠比得以增加時，VC值會有所降低，最終對壓實度以及路面基層強度帶來一定影響。至于含砂率，如若在配制碾壓混凝土階段，含砂率偏小，此時需要粗骨料填補空隙，造成VC值隨著內摩擦力增加而呈現正相關關系。鑒于此，在模型中碾壓混凝土VC值的影響程度較大，需要從多個渠道控制VC值，最終有效提升碾壓混凝土路面基層強度。

3.2 研究振動壓路機振動頻率、振幅、速度等碾壓參數對碾壓混凝土基層壓實度理論模型的影響

對于壓路機振幅以及行駛速度、振動頻率參數的影響程度。可根據加速度與振幅的積分關聯，推斷出在離散分析法下，加速度的變化情況。通常壓路機振幅增加時，路面基層的壓實度也會有所增加，并控制在標準范圍內，抑制材料破碎風險。結合相關學者研究成果，在振動頻率增加時，壓路機振動輪產生的振動力更強，且在強振與弱振對比下，前者加速度略高。隨著激振力的增加，加速度會產生顯著的波動情況。相關人員需要從中微調碾壓參數，獲取對應的碾壓密實度[3-4]。

4、碾壓混凝土路面基層壓實度控制算法與軟件研發

4.1 構建基于加速度、單位壓實功的碾壓混凝土路面基層壓實度預測算法

基于振動傳感器設計適用于碾壓混凝土路面基層壓實檢測環境的軟件系統，可以利用神經網絡預測算法以及回歸分析算法，分析壓實度與壓路機加速度與單位壓實功的具體關系。在軟件開發中可以通過采集碾壓次數、行駛速度等數據，完善壓實作業施工方案。例如在軟件系統助力下，可以從施工單元的網格化管理下，對本項目中的待測路段進行分析。其中在軟件分析出壓路機通過網格單元后，則將碾壓次數計取一次，從而在軟件界面上直接顯示碾壓次數。至于壓路機行進速度信息的獲取，可聯合GPS定位技術確定碾壓坐標，并且以時間點內均速值作為壓路機行駛速度參照標準。

4.2 構建面向多種材料組成、碾壓參數的壓實度模型數據庫

在以建模方法控制壓路機連續壓實度時，還可以依靠SQL 服務數據庫，對瀝青混凝土、普通混凝土、碾壓混凝土等多材料混凝土路面基層的工程項目進行分類對比，而后結合模型展示結果，確定碾壓參數與混凝土材料的關聯性，確保此種軟件系統在其它材料的工程項目中同樣適用。其中若壓路機屬于靜碾狀態，此時不產生激振力，則根據上述單位壓實功計算公式，激振力增加，單位壓實功也會增加。此時還可以從碾壓次數與單位壓實功的相關性上，以累加法計取碾壓次數，增加軟件系統應用便捷性，出具的參數指標可靠性更強[5]。

4.3 基于軟件需求分析，開展軟件總體設計、界面設計、框圖設計

在利用振動傳感器測量路面基層壓實度期間，可通過設計實時監控軟件系統，匯總多項檢測指標，而后確定當前壓實度與預期壓實度的差距，并通過調整碾壓參數，達到預期碾壓施工成效。首先，軟件研發人員可以從功能模塊設計上，增強系統可行性。一方面，需要了解業主以及駕駛員對此系統運行的功能需求，而后聯合軟件客戶需求研發軟件功能模塊。另一方面，需在確定功能需求后，進入總體設計以及編程設計環節，經過對軟件界面的完善設計，確保此軟件具備應用價值。其一，要求軟件成功研發后能夠伴隨著振幅以及振動頻率、壓路機行駛速度等變量的變化情況，做到實時監控記錄；其二，要求軟件具備采樣分析以及自動化運行功能。在軟件設計上，可以劃分為兩大界面板塊，即動態采集與參數設計兩個部分，從而確保在系統運行時，能夠直觀的從界面中饋結果上知曉壓路機操作下路面基層的壓實度，同壓實施工方案上的路面基層強度設計要求予以比對，不達標則繼續碾壓，并且調整好相關參數。其流程圖見（圖1）。在系統運行后，可以從振動傳感器的助力下，在平板電腦界面上顯示壓實度，從而提前了解路面基層壓實效果，以連續壓實控制技術優化壓實作業效果。同時，還需依據具體功能設置按鈕，便于增強人機交互體驗感。

圖1 壓實度實時監控軟件系統操作流程圖

5、工程應用研究與驗證

在海翔大道工程中應用連續壓實控制技術時，還可以從實際應用結果上加以驗證：

（1）硬件安裝，相關人員需要先行在壓路機的振動輪上安裝好振動傳感器，并且連接好平板電腦等硬件設施，以此為軟件系統的運行給予保障。

（2）參數設置，待硬件設施完成安裝后，需調整好軟硬件參數，如壓路機的振幅、振動頻率以及碾壓次數、軟件采樣周期等，而后進入測試環節，分析此工程路面基層壓實度檢測結果是否達標。

（3）數據分析與處理，在匯總軟件系統采集數據后，可進一步對其合理性加以分析。同時，還可以采用SPSS 21.0軟件處理數據，分析現場實測值與系統中饋結果的差異度。

（4）可靠性與有效性檢驗，經過比對后，若差異度較小，則代表此系統具備較高的準確度以及可靠性，可將其應用在連續壓實控制施工環節，確保應用此系統后，海翔大道工程質量得以改善，路面基層壓實度達標的前提下，還可以維護路面安全。中之若差異度明顯，則需要進一步優化系統，保證系統后續運行具備穩定性，滿足待測路段壓實度檢測條件。

結論：

綜上所述，在海翔大道提升改造工程中，借助連續壓實控制技術，對其壓實作業進度進行實時監測，能夠產生事前防控效果，避免在傳統壓實技術參與下，影響工期，或者破壞壓實路面基層的質量。據此，應從軟硬件設計、壓實度模型數據庫、壓實理論模型等方面展開研究，繼而增加對碾壓混凝土路面基層連續壓實控制技術的研究力度，為當前壓實施工項目指明創新方向。