路面水泥混凝土現(xiàn)澆層平整度實(shí)時(shí)檢測技術(shù)調(diào)查分析與展望

□文/韓 冰 傅 一 朱 穎 王朝輝 朱世超

國內(nèi)路面水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度檢測工作一般在施工完成且現(xiàn)澆層完全固化后進(jìn)行，可選擇的設(shè)備包括3 m直尺、連續(xù)式平整度儀、車載式激光平整度儀等。檢測完成后，對平整度不滿足要求的區(qū)域采取補(bǔ)抹水泥漿的方式進(jìn)行局部修補(bǔ)；但這種修補(bǔ)方式會(huì)導(dǎo)致水泥混凝土現(xiàn)澆層局部強(qiáng)度不足，造成鋪裝層與水泥混凝土現(xiàn)澆層粘結(jié)不良，進(jìn)而影響鋪裝層施工質(zhì)量，若能研發(fā)一種在水泥混凝土現(xiàn)澆層施工過程中對平整度實(shí)時(shí)檢測的設(shè)備，就可及時(shí)發(fā)現(xiàn)平整度缺陷并實(shí)施修補(bǔ)工作。

基于此，本文全面梳理路面平整度檢測常用的設(shè)備及其技術(shù)要求，系統(tǒng)介紹國內(nèi)外已開發(fā)的平整度實(shí)時(shí)檢測或控制設(shè)備，為研發(fā)針對未硬化水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度實(shí)時(shí)檢測設(shè)備提供思路。

1 路面平整度檢測

1.1 常用設(shè)備

按照檢測原理，道路平整度檢測技術(shù)一般可分為斷面類和反應(yīng)類兩種，不同設(shè)備采用的檢測技術(shù)不同。見表1。

表1 硬化水泥路面平整度檢測常用設(shè)備

1.2 檢測指標(biāo)及技術(shù)要求

全面調(diào)查相關(guān)規(guī)范中硬化水泥混凝土鋪裝平整度的檢測指標(biāo)及技術(shù)要求，為待開發(fā)平整度實(shí)時(shí)檢測設(shè)備檢測指標(biāo)及技術(shù)要求的確定提供依據(jù)。

1.2.1 檢測指標(biāo)

平整度實(shí)時(shí)檢測設(shè)備的檢測指標(biāo)應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求選取。

1）最大間隙。定義為路表面到3 m 直尺的距離。以行車道一側(cè)車輪輪跡（距車道線0.8～1.0 m）作為連續(xù)測定的標(biāo)準(zhǔn)位置；連續(xù)測定10 尺時(shí)，判斷每個(gè)測定值是否合格并計(jì)算合格率及最大間隙的平均值。

2）平整度標(biāo)準(zhǔn)差。牽引連續(xù)式平整度儀應(yīng)保持勻速，宜為5 km/h、最大不超過12 km/h，按每10 cm 間距采集的位移值自動(dòng)計(jì)算得到每100 m計(jì)算區(qū)間的不平整度標(biāo)準(zhǔn)差

式中：σi——各計(jì)算區(qū)間的平整度計(jì)算值，mm；

di——以100 m 為一個(gè)計(jì)算區(qū)間，每隔一定間距（自動(dòng)采集為10 cm，人工采集距離為1.5 m）采集的路面凹凸偏差位移值，mm；

N——計(jì)算區(qū)間用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差的測試數(shù)據(jù)數(shù)量。

3）國際平整度指數(shù)。定義為標(biāo)準(zhǔn)模擬車在80 km/h速度條件下，車身懸架的總位移與行駛距離之比。工程應(yīng)用中以100 m 為計(jì)算區(qū)間，用車載激光平整度儀的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算程序計(jì)算國際平整度指數(shù)。

4）單向顛簸累積值。一般由顛簸累積儀直接測試輸出，輸出后要按照相關(guān)性標(biāo)定試驗(yàn)得到的關(guān)系式，以100 m為計(jì)算區(qū)間換算成國際平整度指數(shù)。

1.2.2 技術(shù)要求

JTGF 80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》中對平整度檢測指標(biāo)技術(shù)要求見表2。

1.3 自動(dòng)化檢測要求

梳理相關(guān)規(guī)范有關(guān)平整度自動(dòng)化檢測規(guī)定，見表3[1～4]。

表2 水泥混凝土鋪裝平整度技術(shù)要求

表3 平整度自動(dòng)化檢測要求

2 未硬化水泥混凝土路面平整度實(shí)時(shí)檢測技術(shù)

由于一直以來對施工質(zhì)量的重視，美國早在20世紀(jì)初就開展了針對未硬化水泥混凝土路面的平整度實(shí)時(shí)檢測研究并完成了成果轉(zhuǎn)化，對其成果進(jìn)行研究將有助于開發(fā)適合國內(nèi)市場的平整度實(shí)時(shí)檢測設(shè)備。

2.1 國外平整度實(shí)時(shí)檢測技術(shù)

2.1.1 提高硅酸鹽水泥混凝土路面平整度質(zhì)量

2002—2004 年間，美國得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校與得州交通部和聯(lián)邦公路管理局聯(lián)合開展了“提高硅酸鹽水泥混凝土路面平整度質(zhì)量”項(xiàng)目。該項(xiàng)目立足于水泥路面硬化后修補(bǔ)措施對路面造成的永久性損害，提出了一種在水泥路面硬化前對其平整度進(jìn)行檢測并及時(shí)修正的設(shè)備，名為滑行式輪廓檢測儀（Sliding Profiler）[5]，見圖1。

圖1 滑行式輪廓檢測儀

滑行式輪廓檢測儀是一種接觸式平整度檢測設(shè)備，主要設(shè)計(jì)思路：將裝有陀螺儀傳感器、電源、數(shù)據(jù)采集板、嵌入式微型計(jì)算機(jī)以及無線通信設(shè)備的裝配箱安裝在承板上，承板安裝在混凝土攤鋪機(jī)后方并放置于混凝土路面之上，跟隨攤鋪機(jī)向前滑行，承板光滑的底面不會(huì)對未硬化的水泥路面造成破壞。

在前進(jìn)過程中，裝配箱內(nèi)的傳感器可以測量出鋪裝層的凹凸?fàn)顩r并輸出數(shù)據(jù)。此外，一個(gè)配備距離編碼器的車輪也一并隨著攤鋪機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，以傳輸里程信息、定位病害坐標(biāo)。

2.1.2 Ames RTP

美國Ames 開發(fā)了一種水泥路面平整度實(shí)時(shí)檢測設(shè)備，名為Real Time Profiler。該設(shè)備利用非接觸式檢測原理，在混凝土整平機(jī)后方桁架上安裝激光傳感器，通過激光傳感器測量整平壓實(shí)的水泥混凝土表面到桁架間的高差并將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以便在計(jì)算機(jī)端口實(shí)時(shí)輸出水泥路面表面輪廓和路面平整度數(shù)據(jù)。

該設(shè)備能以0～80 英尺/min（0～0.4 m/s）的速度對平整度進(jìn)行測量，激光位移傳感器射程為5英寸（約為127 mm），分辨率為0.001 英寸（約為0.025 mm），垂直距離傳感器分辨率為0.002 英寸（約為0.05 mm）。見圖2。

圖2 Ames RTP設(shè)備

2.1.3 GSI

Gomaco 公司開發(fā)了Gomaco Smoothness Indicator設(shè)備。該設(shè)備也屬于非接觸式檢測設(shè)備，安裝方法和測量原理與RTP類似，主要不同在于其采用的傳感器為聲學(xué)傳感器[6]。見圖3。

2.1.4 總結(jié)

1）未硬化水泥路面平整度檢測方式可以分為接觸式檢測和非接觸式檢測。

2）檢測設(shè)備應(yīng)包括電源、傳感器、位移編碼器、數(shù)據(jù)采集模塊、微型計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理模塊、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備以及顯示器。

3）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的主要用途是實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，以便在顯示器實(shí)時(shí)顯示被檢測斷面的輪廓圖以及路面平整度相關(guān)信息。

4）檢測設(shè)備應(yīng)有配套安裝支架，方便現(xiàn)場安裝。

2.2 國內(nèi)平整度控制技術(shù)

國內(nèi)對平整度實(shí)時(shí)檢測技術(shù)的研究并不多見，僅有唐山星斗路橋機(jī)械有限公司開發(fā)的激光桁架攤鋪機(jī)屬于平整度控制領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)思路主要借鑒了農(nóng)業(yè)激光平地系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)激光平地系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、激光接收器、控制器和液壓工作站組成，其工作原理：激光發(fā)射器發(fā)出一定直徑的基準(zhǔn)圓平面，裝在刮土鏟支撐桿上的接收器采集到的信號(hào)經(jīng)控制器處理后傳遞給控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓機(jī)構(gòu)按要求控制刮土鏟上下動(dòng)作，完成土地平整作業(yè)。見圖4。

圖4 農(nóng)業(yè)激光平地系統(tǒng)

與此類似，唐山星斗激光桁架攤鋪機(jī)配備有紅外線標(biāo)高控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基站發(fā)射機(jī)器、標(biāo)高測量儀、整平機(jī)接收器組成，可根據(jù)預(yù)先輸入的數(shù)據(jù)自動(dòng)控制攤鋪機(jī)兩側(cè)液壓油缸，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)澆混凝土層標(biāo)高與坡面的精準(zhǔn)控制[7～9]。此外，唐山星斗激光桁架攤鋪機(jī)自帶軌道，能保證攤鋪過程不受防護(hù)欄平整度影響，提升現(xiàn)澆混凝土層的平整度。見圖5。

圖5 唐山星斗激光桁架攤鋪機(jī)

3 結(jié)論與展望

目前國內(nèi)對水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度控制技術(shù)已有所研究，而對平整度實(shí)時(shí)檢測技術(shù)的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。水泥混凝土現(xiàn)澆層的平整度對橋面鋪裝質(zhì)量的影響不可忽視，因此可以在借鑒國外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，將高精度平整度實(shí)時(shí)檢測裝置與無人機(jī)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對未硬化水泥混凝土的無擾動(dòng)檢測，在施工過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題，把控橋面水泥混凝土現(xiàn)澆層品質(zhì)，為橋面鋪裝路用性能的發(fā)揮奠定基礎(chǔ)。