基于SmartRock傳感器測試的瀝青路面振動壓實試驗研究*

朱 應 山宏宇 關瑞士 張仁坤 王世平

(1.中海建筑有限公司 深圳 518057； 2.中南大學土木工程學院 長沙 410075)

作為瀝青路面施工中的關鍵工序之一，壓實質量與路面性能和耐久性有密切的關系。壓實質量的好壞將對路面的密度、均勻性、平整度、厚度，以及集料的骨架結構產生直接影響[1]。

壓實度是評價路面路用性能及施工期間進行壓實質量控制的重要指標。目前，瀝青混合料的壓實度檢測方法主要有傳統(tǒng)的鉆芯取樣方法、數值模擬方法和智能壓實方法。傳統(tǒng)的鉆芯取樣方法雖然可以精確地測得芯樣的密度或壓實度，但是鉆芯取樣存在很大的隨機性和滯后性，而且破壞了路面的完整性[2]。于是有學者采用數值模擬的方法來預測瀝青混合料壓實質量[3]，然而，現有的數值模擬方法基本上局限于模擬實驗室壓實試驗，難以真正模擬復雜的現場壓實過程，而且，數值模型的復雜程度嚴重降低了其計算效率和精度[4-5]。隨著振動壓路機的普及和傳感器的發(fā)展，近幾十年提出了一種智能壓實(IC)方法，可以根據壓路機響應反映的IC測量值(ICMV)無損實時地監(jiān)測路面壓實度[6-7]。然而，因為受到混合料類型、基層類型和壓路機型號的影響，徐光輝等[8]研究發(fā)現ICMV與現場實測數據的相關性較差，無法準確地表征瀝青混合料的壓實度。為保證鋪層材料達到目標壓實度和均勻性，需要著重關注混合料由松散狀態(tài)到密實狀態(tài)過程中集料顆粒的運動狀態(tài)[9-10]。由于瀝青路面振動壓實效果受到路面材料、碾壓層位，以及溫度的影響，因此，本文采用智能顆粒探究(SmartRock)下、中、上不同面層瀝青混合料內部的動力響應變化規(guī)律，對比分析各面層瀝青混合料的壓實特性。

1 現場試驗測試方案

現場試驗路段位于某高速公路的LM-3、4標段，該路段為雙向六車道高速公路，路面的下、中、上面層分別采用AC-25、AC-20和AC-13瀝青混合料，級配曲線和油石比見圖1。

圖1 各面層的級配曲線

現場試驗瀝青混合料振動壓實使用的振動壓路機為戴納派克雙鋼輪振動壓路機(Dynapac CC624HF)，其工作參數見表1。

表1 Dynapac CC624HF相關參數

1.1 智能顆粒埋設方案

為了探究瀝青混合料在碾壓過程中的顆粒運動狀態(tài)，研究碾壓過程中瀝青混合料內部響應指標的變化規(guī)律，埋設智能顆粒于松散的瀝青混合料中，實時采集碾壓過程中的響應數據。智能顆粒是一種超小型耐高溫傳感器，尺寸與瀝青混合料的粗集料相近，顆粒外殼與瀝青具有較好的相容性和黏結性。智能顆粒通過無線連接方式以100 Hz(每個數據點10 ms)的采樣頻率將混合料顆粒動力響應數據傳輸到電腦進行可視化處理和分析，本文使用的智能顆粒的尺寸為27 mm×27 mm×27 mm，見圖2a)。為了避免顆粒與中面層頂部直接接觸或壓路機鋼輪直接作用于顆粒，攤鋪機攤鋪瀝青混合料后，用小鏟挖開小洞，將顆粒置于碾壓層的中部位置(深度方向)，見圖2b)。為了方便處理數據，顆粒埋設時使顆粒的Z軸、Y軸和X軸分別對應現場豎直方向、道路橫向和行車方向，沿著振動碾壓方向間隔10 m位置埋設第二顆智能顆粒。

圖2 智能顆粒(尺寸單位：mm)

1.2 振動碾壓試驗方案

現場試驗碾壓施工時，瀝青混合料采用VOGELE super-2100攤鋪機進行攤鋪。攤鋪完成后，在預設的測試點埋設智能顆粒，埋設完成后對測試點進行標記，以便壓實度定位測量和表面溫度測量。智能顆粒對碾壓過程中混合料的內部響應進行采集，通過連接WDQ1信號接收器的筆記本電腦接收現場數據。HCF傳感器采集的振動輪的加速度信號通過USB網關傳輸至筆記本電腦。由于壓路機的振動頻率為51 Hz，所以智能顆粒的采樣頻率設置為100 Hz。壓路機距離測試點約10 m處時開始采集記錄數據，直至壓路機完成該路段的重復碾壓，每次振動壓路機碾壓過后，采用無核密度儀、FLIR全球紅外熱成像儀和TP700多路數據記錄儀分別進行壓實度測量、路表溫度測量和內部溫度測量?，F場布置圖見圖3。

圖3 試驗方案與現場布置

路面壓實分為初壓、復壓和終壓。碾壓遵循“先靜壓后振動，均勻壓實”的原則。由于復壓是瀝青路面壓實度形成的主要階段，本試驗主要測試復壓階段，復壓階段采用振動壓路機均勻行駛，速度為5.4 km/h。

2 基于智能顆粒的瀝青路面振動碾壓動態(tài)響應

2.1 瀝青混合料溫度變化

一般來說，溫度對瀝青混合料的壓實性能影響較大：碾壓溫度過高，瀝青混合料壓實施工時容易產生橫向裂紋甚至嚴重推移，從而導致路面平整度差；反之，碾壓溫度過低時，瀝青混合料則難以被壓實，導致瀝青混合料孔隙率大于目標孔隙率。所以，瀝青混合料的現場碾壓溫度會直接影響瀝青混合料的壓實質量。瀝青混合料碾壓時，其施工溫度一般受到拌和出料溫度、當地氣溫、風速、下承層溫度等的影響。為了研究不同面層壓實施工時的溫度變化規(guī)律，對各面層碾壓施工時進行了表面溫度和內部溫度測量，溫度測試數據分布圖見圖4。

圖4 現場混合料溫度

由圖4a)可見，攤鋪完成后，瀝青混合料路表溫度在碾壓過程中不斷下降，碾壓完成時最低溫度約為90 ℃。其中上、中、下面層的路表溫度降幅分別為34.82%、39.31%和34.65%，而且不同面層的溫度變化規(guī)律相似，隨著碾壓遍數逐漸降低。由此可見，振動壓實施工期間，當出料溫度相近時，混合料表面的溫度變化主要與當地氣溫和風速有關。而從圖4b)可以發(fā)現，埋入溫度傳感器后，碾壓過程中不同面層的瀝青混合料內部溫度變化規(guī)律均是先增大后減小，其中上面層混合料的內部溫度最早開始出現溫度下降拐點，而下面層內部溫度則最遲出現溫度下降。這說明瀝青混合料的粒徑及結構層厚度越大，壓實施工期間其混合料內部溫度越不容易散失。因此，為保證瀝青路面的壓實效果，散熱速度更快的薄面層需要提高其壓實施工效率。

2.2 瀝青混合料加速度對比分析

根據帶通濾波方法，對瀝青混合料內部響應現場實測數據進行處理，得到各面層每次碾壓后的加速數據，結果見圖5。

圖5 瀝青混合料各層加速度時程曲線

由圖5可知，每遍振動碾壓時Z、X和Y方向上均有明顯的加速度振動響應。當振動壓路機的振動輪碾壓至智能顆粒正上方時，其3個方向的加速度均出現明顯的峰值波動，并在豎向Z方向上的峰值波動最大，而其余2個水平方向加速度的峰值波動較小。由此可見，振動碾壓過程中瀝青混合料的加速度響應主要集中在豎直方向上。

將3個方向的加速度時程曲線中每遍碾壓時的峰值繪制成散點圖，并采用MATLAB的擬合程序對加速度峰值分別進行曲線擬合，下、中、上面層的擬合結果見圖6。由圖6可見，隨著振動碾壓的進行，各面層的加速度峰值整體上均呈遞減的變化趨勢。以下面層混合料的加速度為例，第一遍碾壓時，Z方向、X方向和Y方向的加速度峰值分別是0.910 8g、0.615 7g和0.115 1g，而第七遍碾壓時，3個方向的加速度分別是0.164 6g、0.115 4g和0.0165 6g。因為攤鋪后的瀝青混合料處于松散狀態(tài)，所以前期碾壓時集料顆粒運動劇烈，前3遍振動碾壓時加速度急劇下降，而后瀝青混合料密實骨架基本形成，加速度變化基本趨于穩(wěn)定。

此外，從3個方向的加速度峰值可以看出集料顆粒的加速度主要集中在豎直方向(Z方向)和碾壓方向(X方向)。而且這2個方向加速度擬合曲線的相關系數較大，而道路橫向(Y方向)的加速度與壓實遍數的相關性較低。這是因為瀝青混合料豎直方向和碾壓方向分別受到振動壓路機的豎向壓實力和行車方向的推擠力，而道路橫向沒有明顯的作用力，導致該方向數據較離散。

圖6 瀝青混合料各層加速度峰值擬合

由上述分析討論可知，在瀝青混合料的振動壓實過程中，振動壓路機的豎向作用力(自重和激振力)是混合料壓實功的主要來源；同時，行駛中的振動壓路機在碾壓方向上也會產生推擠力，這也在一定程度上有助于混合料密實。于是，通過分析Z方向和X方向加速度峰值來對比不同面層瀝青混合料的實測加速度。通過不同面層豎直方向和碾壓方向的擬合曲線可以看出，加速度a隨碾壓遍數N的變化規(guī)律均可以用冪函數型公式表示為

a=nNp+q

式中：n、p、q為系數。

為了進一步研究加速度與混合料壓實性能的關系，更加直觀地研究加速度隨碾壓遍數的變化規(guī)律，對擬合曲線的橫坐標進行對數化，從而得到了加速度與碾壓遍數的直線擬合曲線，其中直線的斜率|k|可以表達瀝青混合料的壓實性能，即|k|越大，瀝青混合料有更好的壓實性能，能更快地形成穩(wěn)定密實結構。

根據橫坐標取對數后的擬合曲線及擬合公式見圖7。

圖7 加速度擬合曲線

由圖7可見，下面層擬合曲線的斜率|k|下面層最大，|k|上面層最小，也就是說，振動壓實過程中下面層瀝青混合料的加速度隨碾壓遍數的變化速度比上面層快。這說明現場碾壓時下面層的瀝青混合料可以較快地形成穩(wěn)定的骨架結構。需要指出的是，更快地形成骨架結構，并不意味著更高的壓實度，骨架結構主要由粗骨料相互嵌擠形成，而下面層混合料的粒徑較大，使得下面層能更快地形成骨架結構，穩(wěn)定地骨架結構導致混合料內部的粗集料難以移動，吸收較多來自振動壓路機的壓實能，表現為壓實困難，則需要更多的壓實遍數。

3 結語

本文通過瀝青路面各面層現場振動碾壓試驗，對不同面層在振動壓路機作用下的動力響應規(guī)律進行了對比分析。在現場試驗過程中，設計了智能顆粒埋設方案和振動碾壓方案，采集了碾壓層瀝青混合料的內部加速度數據和壓路機的振動加速度數據，并對數據進行了濾波處理。同時，采用TP700多路記錄儀和FLIR熱成像儀對碾壓混合料的內部溫度和表面溫度進行監(jiān)測，得到以下結論。

1) 在瀝青混合料的碾壓過程中，當出料溫度相近時，混合料表面的溫度變化主要與當地氣溫和風速有關，各面層的表面溫度變化規(guī)律基本一致；而不同面層的瀝青混合料內部溫度變化規(guī)律是先增大后減小，其中上面層混合料的內部溫度最早開始出現溫度下降。這說明瀝青混合料的粒徑及結構層厚度越大，壓實施工期間其混合料內部溫度越不容易散失，那么薄面層則需要更快的壓實速率。

2) 根據現場實測的混合料加速度數據，對豎直方向、碾壓方向和道路橫向的加速度進行了相關度分析和擬合，其中豎向加速度與壓實遍數的擬合度最高，而且豎向加速度最大，碾壓方向的加速度較小，而道路橫向的加速度最小，也是最離散的，因為該方向沒有明顯的作用力，而豎直方向和碾壓方向受到壓路機的激振力和推擠力作用。

3) 通過對比分析下、中、上不同面層瀝青混合料的實測加速度，可以明顯發(fā)現|k|下面層最大，|k|上面層最小，這表明振動壓實過程中下面層瀝青混合料的加速度隨碾壓遍數的變化速度比上面層快，也就是說下面層混合料較快形成骨架結構，導致顆粒較難移動，吸收更多來自壓路機的壓實能，表現為壓實困難，則需要更多的壓實遍數。