基于智能壓實的瀝青路面施工關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：針對瀝青路面壓實中存在的施工效率與智能化程度低、施工質(zhì)量難控制及事后評價耗時耗力等問題，提出采用智能壓實技術(shù)進(jìn)行瀝青路面壓實施工。以振動壓實理論為基礎(chǔ)，研究壓實過程中瀝青混合料的流變模型及本構(gòu)關(guān)系，采用一維流變模型分析瀝青混合料壓實過程中的受力變形及力學(xué)響應(yīng)。進(jìn)行瀝青路面施工壓實現(xiàn)場試驗，對現(xiàn)場施工關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測采集，以監(jiān)測數(shù)據(jù)計算瀝青路面壓實指標(biāo)。以壓實計值作為瀝青路面施工質(zhì)量的主要評價指標(biāo)，驗證智能壓實技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面施工的效果。研究表明：采用智能壓實技術(shù)進(jìn)行瀝青路面壓實，能很好地控制現(xiàn)場施工質(zhì)量，解決了傳統(tǒng)瀝青路面施工質(zhì)量需事后評價的關(guān)鍵問題，提高了瀝青路面施工效率及智能化程度。

關(guān)鍵詞：智能壓實；流變模型；現(xiàn)場試驗；施工質(zhì)量

0 " 引言

截止2021年底，我國公路總里程達(dá)到528.07萬km，較上年增長1.59%，其中高速公路里程達(dá)到16.91萬km，較上年增長5.03%[1]。瀝青路面是我國高速公路最為常用的路面鋪裝類型，其具有路面平整、無揚(yáng)塵、振動小及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但由于施工期短、施工條件復(fù)雜、施工技術(shù)不成熟、材料穩(wěn)定性差等原因，瀝青路面在正常服役期內(nèi)容易產(chǎn)生如坑槽、車轍、裂縫等病害，導(dǎo)致道路運(yùn)維成本高、服役壽命短。

瀝青路面壓實是道路施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其既是瀝青混合料壓密成型的關(guān)鍵技術(shù)工藝，同時也是道路正常使用前的最后一道施工工序。因此為了保證瀝青路面的施工質(zhì)量，提高道路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有必要對瀝青路面施工壓實過程進(jìn)行系統(tǒng)研究，以此加強(qiáng)對道路施工壓實質(zhì)量的管理，提高施工效率，降低道路運(yùn)維養(yǎng)管成本。

傳統(tǒng)的瀝青路面施工中，振動壓路機(jī)很難實現(xiàn)道路全長線均勻壓實。且施工質(zhì)量事后評價耗時、耗力，不能整體反映瀝青路面的壓實質(zhì)量。而智能壓實（IC）技術(shù)能對瀝青路面壓實狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并可根據(jù)道路施工計劃對路面全長線進(jìn)行均勻壓實，解決了傳統(tǒng)瀝青路面壓實技術(shù)漏壓、欠壓、過壓及壓實密度事后測量的各種問題[2]。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對智能壓實技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。閆國棟等人[3]采用路基壓實的動態(tài)連續(xù)壓實計值（CMV）對高鐵路基的壓實特性進(jìn)行了表征。研究結(jié)果表明，采用連續(xù)壓實技術(shù)對路基穩(wěn)定性影響較小且不受土壤級配的影響。馬源等人[4]通過進(jìn)行正交試驗，分析了智能壓實過程中碾壓速度、振力、頻率及碾壓遍數(shù)對壓實計值CMV的影響，以單變量正態(tài)分布3σ法及半變異函數(shù)驗證了智能壓實技術(shù)壓實計值的均勻特性。研究結(jié)果表明，影響智能壓實技術(shù)施工質(zhì)量的因素由大到小分別為壓實速度、壓實遍數(shù)、頻率及振力，智能壓實技術(shù)施工的影響范圍半徑為3.15m。

本文通過對瀝青路面壓實理論分析，結(jié)合智能壓實的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，對瀝青路面現(xiàn)場施工進(jìn)行施工參數(shù)實時監(jiān)測，研究智能壓實在瀝青路面施工過程中質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素，以壓實計值CMV對智能壓實技術(shù)施工的瀝青路面進(jìn)行質(zhì)量評估。

1 " 瀝青路面壓實理論

1.1 " 振動壓實原理

瀝青混合料屬于典型的黏彈塑性材料，在常溫下通常結(jié)構(gòu)松散，骨料顆粒為瀝青混合料提供骨架支撐，瀝青則是骨料顆粒之間的連接介質(zhì)。瀝青混合料的壓實過程實質(zhì)是將混合料內(nèi)的空間縮小，使骨料顆粒間重新排列組合，增大混合料密度，減小空隙的過程。

瀝青混合料壓實通常采用振動壓路機(jī)進(jìn)行施工，如圖1a所示。在瀝青路面壓實施工過程中，振動壓路機(jī)通過機(jī)械自重以及激振器產(chǎn)生的高頻激振力，對瀝青混合料進(jìn)行連續(xù)碾壓及振動沖擊，使瀝青混合料骨料顆粒之間處于共振狀態(tài)，以減小混合料內(nèi)部空隙。通過克服瀝青混合料內(nèi)的粘聚力及摩阻力，使混合料內(nèi)的顆粒重新緊密排列，以達(dá)到瀝青路面平整、穩(wěn)定的目的，從而提高道路長期服役性能，延長道路服役壽命。

受道路施工現(xiàn)場的環(huán)境因素及瀝青混合料材料特性的影響，為了保證瀝青混合料壓實過程中的施工質(zhì)量，一般會對瀝青路面按一定規(guī)律進(jìn)行多次反復(fù)碾壓。為了解決壓實過程中人為因素引起的漏壓、欠壓及過壓，建立振動壓路機(jī)與瀝青混合料的耦合模型，如圖1b所示。

1.2 " 瀝青混合料碾壓流變模型

常用于瀝青混合料受力變形及力學(xué)響應(yīng)分析的流變模型包括麥克斯韋（Maxwell）模型、開爾文（Kelvin）模型及Burgers模型。由于上述模型不適用于對瀝青混合料施工碾壓過程的分析，因此本文以一維流變模型作為分析瀝青混合料在施工壓實過程中的力學(xué)特性，如圖2所示。

模型結(jié)構(gòu)由串、并聯(lián)關(guān)系組成，在瀝青混合料施工碾壓過程中，其由振動壓路機(jī)碾壓造成的瀝青混合料總應(yīng)變?yōu)楦鞣謶?yīng)變的總和，其中包括瀝青混合料彈性應(yīng)變εe、粘彈性應(yīng)變εve、粘塑性應(yīng)變εvp，即：

（1）

在瀝青混合料施工壓實過程中，瀝青混合料特性共有3個階段：即粘彈塑性階段、粘彈性階段和彈性階段。相關(guān)研究表明，在瀝青混合料施工壓實過程中，其在第一階段的本構(gòu)關(guān)系[5]為：

（2）

第一階段本構(gòu)模型中相應(yīng)的瀝青混合料應(yīng)變表示為：

（3）

式中：E1、E2為瀝青混合料流變模型中彈簧的彈性模量；η1、η2分別為粘滯系數(shù)；σe為有效應(yīng)力；σeS為屈服應(yīng)力；t為時間。

根據(jù)上述瀝青混合料流變模型及本構(gòu)關(guān)系，當(dāng)振動壓路機(jī)施加的有效應(yīng)力大于瀝青混合料的屈服應(yīng)力時，瀝青混合料壓實過程的流變方程為：

（4）

本研究中瀝青混合料處于粘彈塑性階段，且其由溫度及應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)力均為零，選取壓路機(jī)壓實時的有效應(yīng)力進(jìn)行分析可得：

（5）

式中，σ0（t）為振動壓路機(jī)壓實產(chǎn)生的應(yīng)力；Vs（t）為瀝青混合料空隙率。則根據(jù)兩者關(guān)系可得：

（6）

其中K（t）為瀝青混合料的壓實度。

2 " 瀝青路面施工參數(shù)監(jiān)測

2.1 " 振動壓實現(xiàn)場施工

為了研究智能壓實技術(shù)在瀝青路面施工中其施工效率及質(zhì)量，根據(jù)前期研究工作，本文結(jié)合某高速公路的現(xiàn)場施工計劃，進(jìn)行了瀝青路面現(xiàn)場壓實試驗。采用小型振動壓路機(jī)對瀝青路面上面層進(jìn)行振動壓實，上面層厚度為4cm，鋪筑材料為SMA20瀝青混合料，車道寬度為3.75m。在本次現(xiàn)場試驗中，振動壓路機(jī)沿試驗設(shè)計路線進(jìn)行多次反復(fù)碾壓，碾壓速度為2～5km/h。壓路機(jī)定位裝置安裝與駕駛艙頂板中心位置處。壓路機(jī)振動監(jiān)測設(shè)備安裝于滾輪上，在進(jìn)行瀝青路面壓實施工過程中，監(jiān)測設(shè)備會實時將數(shù)據(jù)信息傳輸至終端，并進(jìn)行信號特征分析。

2.2 " 施工參數(shù)實時監(jiān)測

根據(jù)上述試驗，對瀝青路面壓實過程中的施工參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，其中包括：瀝青路面上面層攤鋪厚度監(jiān)測、碾壓振動監(jiān)測、碾壓速度監(jiān)測。在本次實驗中，采用激光測距儀對試驗路段的上面層攤鋪厚度進(jìn)行監(jiān)測，激光測距儀量程為2m，精度為1mm。采用CT1010L型加速度傳感器，對瀝青路面施工壓實過程中的振動參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，其主要指標(biāo)如表1所示。

在瀝青路面施工中，壓路機(jī)碾壓速度過快，壓路機(jī)產(chǎn)生的振動能量小，從而使得壓實質(zhì)量變差，導(dǎo)致瀝青混合料產(chǎn)生推移、裂紋等。碾壓速度過小則會使施工效率降低。根據(jù)《公路瀝青路面施工規(guī)范》（JT F40-2019），瀝青路面施工壓路機(jī)碾壓速度需滿足相應(yīng)規(guī)定，如表2所示。

3 " 基于壓實計值的瀝青路面施工質(zhì)量評估

加速度傳感器監(jiān)測的振動信號由基波分量、諧波分量及干擾信號組成，而基波及諧波的分布則是振動加速度信號畸變程度的一種表征，通過對監(jiān)測信號的分析，可對瀝青混合料的鋪筑壓實狀態(tài)進(jìn)行描述[6]，并能以此計算出瀝青混合料的壓實度指標(biāo)。

目前較為常用的壓實計值指標(biāo)包括CMV、CVV及THD三種壓實指標(biāo)。其中CMV指標(biāo)的應(yīng)用最為廣泛，其計算公式如下：

（7）

式中：Cal為標(biāo)定系數(shù)；A2Ω為二次諧波的頻率幅值；AΩ為基波的頻率幅值。

研究表明，瀝青混合料壓實度與碾壓次數(shù)呈良好的對數(shù)相關(guān)。本文對現(xiàn)場試驗瀝青混合料壓實指標(biāo)CMV隨碾壓遍數(shù)的變化進(jìn)行對數(shù)擬合，如圖3所示。

現(xiàn)場試驗的振動加速度監(jiān)測結(jié)果表明，智能壓實技術(shù)能有效監(jiān)測到振動信號，且對于壓實指標(biāo)的計算可靠程度高。由圖3可知，壓路機(jī)碾壓遍數(shù)與CMV指標(biāo)的相關(guān)性為中度相關(guān)，R2為0.3569，這與傳統(tǒng)壓實度評價方法的結(jié)果一致。

4 " 結(jié)束語

本文采用瀝青路面壓實理論與現(xiàn)場試驗結(jié)合的方法，研究了智能壓實技術(shù)在瀝青路面施工壓實過程中的關(guān)鍵技術(shù)。主要結(jié)論如下：在瀝青混合料施工壓實過程中，由于瀝青混合料的黏彈塑特性，本文建立了一維流變模型對瀝青混合料受力變形進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析。對現(xiàn)場施工的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)壓路機(jī)反饋的數(shù)據(jù)信息，提取分析信號特征，以此計算瀝青路面壓實度指標(biāo)。以現(xiàn)場試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)計算所得的CMV指標(biāo)作為瀝青路面的壓實評價指標(biāo)。研究結(jié)果表明，采用智能壓實技術(shù)能顯著提高瀝青路面的施工質(zhì)量。

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