瀝青混合料壓實(shí)度振動(dòng)加速度溫度關(guān)系模型

趙 毅， 楊 臻， 梁乃興， 曹源文， 向陽(yáng)開(kāi)

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400074; 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 4.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院, 重慶 400074)

壓實(shí)度是鋪筑材料壓實(shí)質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1].如果壓實(shí)度不足，路面容易出現(xiàn)車轍、松散、坑槽等病害[2].國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度傳統(tǒng)的測(cè)試方法普遍存在檢測(cè)效率低、檢測(cè)范圍覆蓋率低、檢測(cè)滯后等問(wèn)題，無(wú)法實(shí)時(shí)、快速、連續(xù)地反映道路工程材料的壓實(shí)質(zhì)量[3].

目前，路面材料智能壓實(shí)檢測(cè)技術(shù)蓬勃發(fā)展[4-5].振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪與被壓材料之間的相互作用較為復(fù)雜，壓實(shí)控制指標(biāo)能否真實(shí)反映道路材料的壓實(shí)質(zhì)量成為智能壓實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)[6].Yoo[7]基于完全彈性理論建立了振動(dòng)壓路機(jī)- 土系統(tǒng)的二自由度動(dòng)力學(xué)模型，為振動(dòng)壓路機(jī)智能化發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ).Pietzsch等[8]提出了機(jī)架-振動(dòng)輪-土的四自由度動(dòng)力學(xué)模型.徐光輝等[9]利用動(dòng)力學(xué)原理和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，以振動(dòng)加速度響應(yīng)值來(lái)評(píng)價(jià)路基結(jié)構(gòu)的壓實(shí)狀態(tài).Horan等[10]探討了智能壓實(shí)技術(shù)應(yīng)用于熱拌瀝青混合料鋪筑質(zhì)量控制的可行性.Yoon等[11]認(rèn)為運(yùn)用智能壓實(shí)技術(shù)可以提高熱拌瀝青混合料的壓實(shí)覆蓋率和均勻性.Hu等[12]運(yùn)用智能壓路機(jī)壓實(shí)計(jì)算值來(lái)反映瀝青層的壓實(shí)程度，并分析了溫度的影響.Chang等[13]使用配有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和加速度測(cè)量系統(tǒng)的智能壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了壓實(shí)效果實(shí)時(shí)控制和全覆蓋.黃志福等[3]建立了振動(dòng)加速度與路面材料壓實(shí)度的關(guān)系模型.曹源文等[14]以振動(dòng)壓路機(jī)-路面材料二自由度動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)加速度與路面材料剛度關(guān)系模型.綜上所述，道路工程智能壓實(shí)技術(shù)仍處于探索研究階段，且集中于路基壓實(shí)自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)技術(shù)，考慮溫度分布的瀝青路面瀝青層智能壓實(shí)技術(shù)相關(guān)研究報(bào)道較少.

本文將江西省撫吉高速公路作為試驗(yàn)路段，以二自由度動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)瀝青混合料振動(dòng)壓實(shí)實(shí)時(shí)分析檢測(cè)系統(tǒng).結(jié)合瀝青混合料攤鋪—碾壓過(guò)程中的溫度分布，建立瀝青混合料壓實(shí)度-振動(dòng)加速度- 溫度關(guān)系模型來(lái)反映被壓瀝青材料碾壓過(guò)程的實(shí)際物理力學(xué)性能，為路面材料壓實(shí)度的自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)和實(shí)時(shí)反饋提供理論指導(dǎo).

1 智能壓實(shí)測(cè)試機(jī)理

智能壓實(shí)技術(shù)是基于振動(dòng)壓路機(jī)鋼輪上加速度傳感器，測(cè)量和計(jì)算得到相應(yīng)的控制指標(biāo)，以此來(lái)反映路面材料的壓實(shí)狀態(tài)[6].因此，建立振動(dòng)加速度(α)與壓實(shí)度(K)的關(guān)系模型成為智能壓實(shí)技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.智能壓實(shí)測(cè)試機(jī)理如圖1所示，振動(dòng)輪施加壓實(shí)力于被壓材料，而被壓材料對(duì)振動(dòng)輪產(chǎn)生反作用力，被壓材料越密實(shí)，反作用力越大，振動(dòng)輪相應(yīng)的加速度也越大.通過(guò)加速度傳感器測(cè)量反作用力，以控制系統(tǒng)處理響應(yīng)信號(hào)，并計(jì)算智能壓實(shí)測(cè)試值，從而判斷被壓材料壓實(shí)程度.

圖1 智能壓實(shí)測(cè)試機(jī)理

2 振動(dòng)輪-被壓材料系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

振動(dòng)壓實(shí)是瀝青混合料常見(jiàn)的壓實(shí)方法之一，其原理如圖2所示.振動(dòng)壓路機(jī)通過(guò)偏心塊式振動(dòng)器高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的橫向離心力來(lái)形成激振力，從而使振動(dòng)輪作用于被壓材料[15].振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，伴隨著振動(dòng)、接觸、彈跳和沖擊作用，從而使智能壓實(shí)的精確測(cè)量成為一個(gè)難題[6].本文以振動(dòng)輪-被壓材料二自由度動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，假設(shè)：(1)振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中機(jī)架和振動(dòng)輪為等效剛體，基本不發(fā)生錯(cuò)位和變形，簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量塊.(2)減振器和被壓實(shí)材料簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼耦合，以描述壓實(shí)過(guò)程中發(fā)生的彈性和塑性變形，且彈簧和阻尼元件的質(zhì)量忽略不計(jì).(3)振動(dòng)輪的質(zhì)心在中心位置，簡(jiǎn)化為平面振動(dòng)模型.(4)壓實(shí)力只考慮垂直方向激振力作用.(5)以質(zhì)量-彈簧-阻尼耦合模型表示振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中振動(dòng)輪對(duì)被壓實(shí)材料的壓實(shí)作用.

圖2 振動(dòng)壓實(shí)法原理示意圖

振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪-被壓材料系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示.圖中m1為機(jī)架質(zhì)量，k1為振動(dòng)輪減振器剛度，c1為振動(dòng)輪減振器阻尼系數(shù)，x1為機(jī)架瞬時(shí)位移，m2為振動(dòng)輪質(zhì)量，F(xiàn)0為激振力，ω為偏心塊旋轉(zhuǎn)角速度，Me為靜偏心力距，t為作用時(shí)間，x2為振動(dòng)輪瞬時(shí)位移，k2為被壓材料彈性剛度，c2為被壓材料阻尼系數(shù)，m3為被壓材料質(zhì)量，x3為隨動(dòng)土體瞬時(shí)位移，F(xiàn)s為接觸力.

圖3 振動(dòng)輪-被壓材料系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

瀝青混合料振動(dòng)壓實(shí)可分為A、B、C 3個(gè)階段[16].A階段：該階段產(chǎn)生較大的塑性變形，彈性模量增加，剛度增加，阻尼減小，為荷載-變形階段；B階段：該階段瀝青混合料密實(shí)度逐漸增大，塑性變形減小，吸收振動(dòng)能量的能力減弱，產(chǎn)生以彈性變形為主的應(yīng)力-應(yīng)變階段；C階段：該階段為剛性的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，路面材料基本壓實(shí)，變形不再增加.若繼續(xù)振動(dòng)壓實(shí)，則會(huì)產(chǎn)生跳振，容易破壞混合料級(jí)配和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)停止壓實(shí).

當(dāng)振動(dòng)輪-被壓材料系統(tǒng)處于A和B階段時(shí)，振動(dòng)輪與被壓材料接觸，屬于正常壓實(shí)，未出現(xiàn)跳振，x2=x3，可將m2和m3視作一體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析.本文以B階段作為研究對(duì)象，選取m1、m2、m3離開(kāi)其靜平衡位置的位移分別為x1、x2、x3，作為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo).根據(jù)牛頓第二定律，振動(dòng)輪-被壓材料系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的振動(dòng)微分方程為：

(1)

(2)

F0=Meω2

(3)

Me=Ffr

(4)

該方程組為二階線性常系數(shù)非齊次微分方程組，其特解為穩(wěn)定階段的等幅振動(dòng)，系統(tǒng)按與激振力相同的頻率ω做強(qiáng)迫振動(dòng).解微分方程得：

式中：A1=k1-m1ω2；B1=c1ω；A2=k1；B2=c1ω；C=(m2+m3)m1ω4-(m2+m3)k1ω2-m1k2ω2-c1c2ω2+k1k2-m1k1ω2；D=k2c1ω+k1c2ω-(m2+m3)c1ω3-m1c2ω3-m1c1ω3.

由于振動(dòng)輪受到簡(jiǎn)諧激振力的作用，因此振動(dòng)輪的垂直加速度(幅值)可表示為：

(5)

在任一激振力作用下，式(5)中除k2、c2外其他參數(shù)均不變.因此，振動(dòng)輪的垂直加速度只與被壓材料的剛度和阻尼有關(guān).

相關(guān)資料表明[4]，振動(dòng)壓路機(jī)作業(yè)時(shí)，瀝青混合料的剛度和阻尼為：

(6)

(7)

式中：e為孔隙比；υ為泊松比；β為振動(dòng)輪觸地角，(°)；R為振動(dòng)輪半徑，mm；L為振動(dòng)輪寬，mm；σ0為平均固結(jié)力，N；εd為應(yīng)變，m/m；ρ為振動(dòng)壓實(shí)瀝青混合料密度，g/cm3.

由式(6)、(7)可知：振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，瀝青混合料剛度隨孔隙比減小而增大，阻尼隨密度增大而減?。粔簩?shí)度與孔隙比成反比，與密度成正比.被壓材料孔隙比減小，壓實(shí)度增大；密度增大，壓實(shí)度增大.因此，路面面層壓實(shí)度隨剛度增大而增大，隨阻尼減小而增大.

綜上分析，振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪垂直加速度與被壓材料剛度成正比，與阻尼成反比.被壓材料壓實(shí)度能夠較好地反映剛度和阻尼的變化.在振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，被壓材料壓實(shí)度的變化反作用于振動(dòng)輪上.被壓材料壓實(shí)度越大，其反作用力越大，則垂直加速度越大.因此，建立的壓實(shí)度-振動(dòng)加速度關(guān)系模型能夠準(zhǔn)確反映被壓材料的壓實(shí)效果.

3 壓實(shí)度-振動(dòng)加速度關(guān)系模型

以撫吉高速公路試驗(yàn)路段，路面結(jié)構(gòu)層為4cm SBS改性SMA-13上面層+6cm SBS改性AC-20C中面層+7cm AC-25C下面層+8cm ATB-25上基層+16cm水泥穩(wěn)定碎石上基層+16cm水泥穩(wěn)定碎石下基層+20cm級(jí)配碎石底基層.壓實(shí)機(jī)械為HD130型振動(dòng)壓路機(jī)，振動(dòng)頻率為50Hz，振動(dòng)幅值為0.74mm，行駛速度控制在5km/h左右，激振力為416～528kN.

振動(dòng)壓實(shí)實(shí)時(shí)分析檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸和信號(hào)顯示與存儲(chǔ)4個(gè)單元組成.信號(hào)采集單元由壓電式加速度傳感器、溫度傳感器和GPS信號(hào)接收機(jī)等組成，負(fù)責(zé)采集振動(dòng)輪加速度信號(hào)、被壓材料溫度分布和碾壓軌跡.信號(hào)處理單元由DH5902動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和Labview虛擬語(yǔ)言程序組成，負(fù)責(zé)信號(hào)放大、過(guò)濾、轉(zhuǎn)換和分析.信號(hào)傳輸是基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，由路由器、服務(wù)器及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)PC平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)壓實(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸.信號(hào)顯示與存儲(chǔ)是接受傳輸信號(hào)，并在電腦、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)顯示壓實(shí)程度.振動(dòng)壓路機(jī)激振信號(hào)處理是振動(dòng)壓實(shí)度實(shí)時(shí)分析檢測(cè)系統(tǒng)的核心，被壓材料壓實(shí)度-振動(dòng)加速度關(guān)系模型是重中之重.振動(dòng)壓實(shí)實(shí)時(shí)分析檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖4所示.

圖4 振動(dòng)壓實(shí)實(shí)時(shí)分析檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3.1 振動(dòng)加速度信號(hào)采集及處理

振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)采集及處理是智能壓實(shí)技術(shù)的第1步.振動(dòng)輪加速度信號(hào)采集及處理系統(tǒng)主要包括DH5902型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、DH-186型壓電式加速度傳感器、電腦等.加速度傳感器安裝方式為磁吸式，分別位于振動(dòng)鋼輪振動(dòng)軸的垂直方向和45°對(duì)稱方向3個(gè)位置.DH-186加速度傳感器參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 DH-186加速度傳感器參數(shù)

瀝青混合料振動(dòng)壓實(shí)信號(hào)采集頻率通常根據(jù)采樣信號(hào)確定，一般選定采樣頻率為1000Hz.在振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，由于系統(tǒng)內(nèi)部和周圍環(huán)境等因素影響，導(dǎo)致在采集信號(hào)中夾雜著許多干擾信號(hào).因此，需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，消除或減弱干擾信號(hào)，突出有效真實(shí)信號(hào)，盡可能使加速度信號(hào)真實(shí)反映振動(dòng)壓實(shí)狀態(tài).本文選擇無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器(IIR)對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波處理.阻帶下邊界的截止頻率為10Hz，阻帶上邊界的截止頻率為150Hz；帶通上邊界頻率為70Hz，下邊界頻率為30Hz，通帶的平坦度是0.3dB.濾波前，振動(dòng)信號(hào)幅值存在較大差別；濾波后，振動(dòng)信號(hào)幅值基本相等，波形曲線較為光滑平順，接近正弦波，基本符合振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)規(guī)律.

3.2 振動(dòng)加速度有效值選取

以加速度有效值表示1個(gè)正弦周期內(nèi)的加速度值.在瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程中，一般壓路機(jī)振動(dòng)頻率f=50Hz，每個(gè)振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)周期為0.02s.考慮到振動(dòng)壓路機(jī)行駛速度較慢，振動(dòng)周期時(shí)間短，故需確定反映加速度有效值的振動(dòng)周期個(gè)數(shù)，即瀝青混合料振動(dòng)壓實(shí)連續(xù)檢測(cè)時(shí)間.參考文獻(xiàn)[17]，選取瀝青混合料第3遍振動(dòng)壓實(shí)第10～22個(gè)振動(dòng)周期的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同周期振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)處理分析

由表2可見(jiàn)，每個(gè)周期數(shù)范圍內(nèi)的振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差均比較小，數(shù)據(jù)離散性較小，數(shù)據(jù)比較集中.數(shù)據(jù)變異系數(shù)在第20個(gè)振動(dòng)周期趨于最小值，故采用20個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到1個(gè)有效加速度值是比較合理的.振動(dòng)信號(hào)的采集頻率為1000Hz，即相鄰2個(gè)加速度離散點(diǎn)采集的時(shí)間間隔為0.001s，則每個(gè)擬合周期(0.02s)采集的加速度離散點(diǎn)數(shù)據(jù)為20個(gè)，推薦振動(dòng)加速度連續(xù)檢測(cè)分析時(shí)間間隔(20周期)為0.4s.

3.3 振動(dòng)加速度離散性檢驗(yàn)與處理

振動(dòng)加速度采集數(shù)據(jù)量巨大，難以對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.本文采用“偏度、峰度檢驗(yàn)法”來(lái)確定有效數(shù)據(jù)[18].按檢測(cè)周期為0.4s，則振動(dòng)壓路機(jī)行駛距離約為0.5m.選取24s的壓實(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)處理后得到60個(gè)連續(xù)的加速度有效值，結(jié)果見(jiàn)圖5.

假設(shè)H0：數(shù)據(jù)來(lái)自正態(tài)總體，n=60.則有

則樣本偏度G1和樣本峰度G2分別為G1=B3/B23/2=-0.276，G2=B4/B22=2.777.

顯著性水平α表示當(dāng)H0為真時(shí)，拒絕H0的概率.zα/4表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的上α/4分位點(diǎn).當(dāng)α=0.05時(shí)，zα/4=2.244，則H0拒絕域?yàn)閨μ1|≥zα/4、|μ2|≥zα/4.振動(dòng)加速度采集樣本|μ1|和|μ2|均小于2.244，確定H0成立，判斷在同一遍檢測(cè)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)來(lái)自正態(tài)分布.因此，該樣本數(shù)據(jù)在置信水平為0.95時(shí)，ta/2=2.000，置信區(qū)間為(38.72，39.07).置信區(qū)間的數(shù)據(jù)保留，其余剔除.振動(dòng)加速度采集數(shù)據(jù)離散性處理結(jié)果如圖5所示.

圖5 振動(dòng)加速度離散性處理

3.4 壓實(shí)度-振動(dòng)加速度關(guān)系模型

依托撫吉高速公路ATB-25基層、AC-25下面層和AC-20中面層試驗(yàn)段，現(xiàn)場(chǎng)采集振動(dòng)壓路機(jī)加速度信號(hào)，并使用核子密度儀測(cè)試壓實(shí)度.在測(cè)試過(guò)程中，振動(dòng)壓路機(jī)勻速行駛，振幅和振動(dòng)頻率平穩(wěn)，盡可能保證被壓材料受到的激振力恒定.按前述方法對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換等處理，計(jì)算每遍壓實(shí)后的振動(dòng)加速度有效值.AC-20、AC-25、ATB-25瀝青混合料壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的關(guān)系如圖6所示.由圖6可見(jiàn)，振動(dòng)輪加速度與瀝青混合料壓實(shí)度呈線性關(guān)系，振動(dòng)加速度越大，則瀝青混合料壓實(shí)度越大.擬合方程相關(guān)性系數(shù)R2均不低于0.91，表明擬合效果良好.

圖6 壓實(shí)度與振動(dòng)加速度擬合曲線

4 壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度關(guān)系模型

在瀝青混合料攤鋪碾壓過(guò)程中，溫度隨時(shí)間推移不斷下降，其降溫規(guī)律對(duì)混合料智能壓實(shí)有著重要影響[19].以AC-25瀝青混合料為例，開(kāi)展壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度關(guān)系模型研究，以期更加全面反映瀝青混合料壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的關(guān)系.

4.1 瀝青混合料攤鋪-碾壓過(guò)程溫度分布

4.1.1瀝青混合料攤鋪-碾壓過(guò)程降溫規(guī)律

采用紅外溫度傳感器和插入式測(cè)溫儀測(cè)量瀝青混合料攤鋪-碾壓過(guò)程中路表溫度及距路表4cm處的溫度.紅外溫度傳感器選用PT-100型鉑電阻溫度計(jì)，測(cè)量范圍0～500℃，溫度采集探頭距瀝青混合料高度約25cm.瀝青混合料內(nèi)部溫度采用插入式測(cè)溫儀，以45°角將測(cè)溫探頭插入路面內(nèi)部.瀝青混合料攤鋪平面以橫向10m、縱向5m范圍內(nèi)為1個(gè)測(cè)溫區(qū)域.橫向和縱向分別以0.50、0.25m為間隔布置測(cè)溫點(diǎn).本文溫度采集時(shí)風(fēng)速較小，假定無(wú)風(fēng)，忽略風(fēng)速對(duì)瀝青混合料降溫速率的影響.施工氣溫為32～38℃，單向2車道+硬路肩(10.5m)一次攤鋪成型，攤鋪速度為2.5m/min，雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)碾壓速度4～6km/h，單次碾壓長(zhǎng)度30m.瀝青混合料攤鋪-碾壓過(guò)程降溫曲線如圖7所示.

圖7 瀝青混合料降溫曲線

由圖7可見(jiàn)：瀝青混合料路表溫度和路面內(nèi)部溫度散失規(guī)律不一致；路表降溫呈下凹拋物線，路面內(nèi)部降溫呈線性關(guān)系，路表降溫速度明顯高于路面內(nèi)部；瀝青混合料攤鋪后，最初的20min內(nèi)，路表溫度急劇下降，特別是攤鋪后5min內(nèi)，溫度能夠降低約10℃；距路表4cm處，攤鋪后5min內(nèi)，降溫僅1℃ 左右.

4.1.2瀝青混合料攤鋪橫斷面溫度分布規(guī)律

選取3個(gè)橫斷面，每個(gè)橫斷面寬度內(nèi)測(cè)試20個(gè)點(diǎn)溫度，瀝青混合料攤鋪橫斷面溫度分布如圖8所示.由圖8可見(jiàn)，瀝青混合料攤鋪時(shí)，橫斷面溫度曲線中間高，兩邊低，呈倒V形分布.瀝青混合料是由螺旋布料器輸送到路面兩側(cè)，不斷翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，溫度散失較快.瀝青混合料攤鋪溫度三維曲面如圖9所示.由圖9可見(jiàn)，瀝青混合料攤鋪橫斷面路中間位置的溫度比兩側(cè)高約10℃，縱斷面前后相差約5℃，平均溫度變化約1℃/m，溫度分布呈波浪狀，存在一定的溫度離析，碾壓均勻性受到一定影響.

圖8 瀝青混合料攤鋪橫斷面溫度分布

圖9 瀝青混合料攤鋪溫度三維曲面

4.2 壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度關(guān)系模型標(biāo)定

碾壓溫度是瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程的重要控制參數(shù).本文碾壓溫度選取125、135、145℃ 3種工況.不同碾壓溫度下瀝青混合料壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的有效值如圖10所示.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，測(cè)試了3種碾壓溫度條件下瀝青混合料壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的關(guān)系，但在實(shí)際碾壓過(guò)程中，瀝青混合料的熱量逐漸散失，溫度不斷下降.因此，有必要構(gòu)建瀝青混合料壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度關(guān)系模型：

圖10 不同碾壓溫度下瀝青混合料壓實(shí)度與振動(dòng)加速度有效值

K=aebTα+cT+d

(8)

式中：T為碾壓溫度，℃；a、b、c、d為擬合參數(shù).

根據(jù)圖10數(shù)據(jù)，AC-25瀝青混合料壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度關(guān)系模型擬合結(jié)果如下：

K=0.826e0.009Tα-0.555T+60.934，R2=0.99

(9)

由式(9)可知，AC-25瀝青混合料壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度關(guān)系模型的相關(guān)性系數(shù)R2=0.99，擬合效果良好.在125～145℃范圍內(nèi)，瀝青混合料溫度越高，內(nèi)摩阻力較小，壓實(shí)效果越好.以相同功碾壓且達(dá)到同一壓實(shí)度時(shí)，瀝青混合料溫度越高，振動(dòng)加速度測(cè)試值越小.碾壓溫度145℃條件下的振動(dòng)加速度比135℃條件下、135℃條件下的振動(dòng)加速度比125℃條件下分別要小約2、1m/s2.溫度較低時(shí)，其對(duì)振動(dòng)加速度的影響可忽略不計(jì).

4.3 模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)式(9)可以得到不同碾壓溫度時(shí)壓實(shí)度的計(jì)算值，實(shí)測(cè)值為瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓時(shí)不同溫度采集的壓實(shí)度值.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值對(duì)比結(jié)果如圖11所示.由圖11可見(jiàn)，15個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)中壓實(shí)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差介于-3.0%～1.4%.綜上所述，該模型運(yùn)用碾壓溫度和振動(dòng)加速度實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)瀝青混合料壓實(shí)度是可行、有效的.

圖11 模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.4 溫度對(duì)壓實(shí)度預(yù)估模型影響

選取初始振動(dòng)加速度為35m/s2，并按0.5m/s2遞增，設(shè)計(jì)17種工況；碾壓溫度為125、135、145℃ 3種工況，則AC-25瀝青混合料壓實(shí)度-振動(dòng)加速度模型(CVAM模型)與壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度模型(CVATM模型)對(duì)比結(jié)果如圖12所示.由圖12可見(jiàn)：瀝青混合料碾壓過(guò)程可分為3個(gè)階段，壓實(shí)度- 振動(dòng)加速度模型隨振動(dòng)加速度有效值逐漸增大分別與壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度模型的高溫、中溫、低溫曲線存在交集；按振動(dòng)加速度有效值[35，38)m/s2、[38，41)m/s2、[41，43)m/s2分成3級(jí)，并與碾壓溫度125、135、145℃對(duì)應(yīng)，得出CVAM與CVATM壓實(shí)度計(jì)算值相差介于-2.21%～3.04%、-2.39%～1.29%、-1.43%～0.97%.運(yùn)用壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度模型預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料壓實(shí)度是較為科學(xué)、合理的.

圖12 CVAM與CVATM對(duì)比

5 結(jié)論

(1)振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪垂直加速度與被壓瀝青材料剛度成正比，與阻尼成反比.

(2)瀝青混合料壓實(shí)度與振動(dòng)加速度有效值呈線性關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)R2均大于0.91.

(3)瀝青混合料壓實(shí)度-振動(dòng)加速度-溫度關(guān)系模型相關(guān)性系數(shù)R2為0.99，壓實(shí)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差介于-3.0%～1.4%.