基于SmartRock傳感器測試的瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)研究*

朱 應(yīng) 山宏宇 關(guān)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(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075)

作為瀝青路面施工中的關(guān)鍵工序之一，壓實(shí)質(zhì)量與路面性能和耐久性有密切的關(guān)系。壓實(shí)質(zhì)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響[1]。

壓實(shí)度是評(píng)價(jià)路面路用性能及施工期間進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。目前，瀝青混合料的壓實(shí)度檢測方法主要有傳統(tǒng)的鉆芯取樣方法、數(shù)值模擬方法和智能壓實(shí)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(shí)度，但是鉆芯取樣存在很大的隨機(jī)性和滯后性，而且破壞了路面的完整性[2]。于是有學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法來預(yù)測瀝青混合料壓實(shí)質(zhì)量[3]，然而，現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法基本上局限于模擬實(shí)驗(yàn)室壓實(shí)試驗(yàn)，難以真正模擬復(fù)雜的現(xiàn)場壓實(shí)過程，而且，數(shù)值模型的復(fù)雜程度嚴(yán)重降低了其計(jì)算效率和精度[4-5]。隨著振動(dòng)壓路機(jī)的普及和傳感器的發(fā)展，近幾十年提出了一種智能壓實(shí)(IC)方法，可以根據(jù)壓路機(jī)響應(yīng)反映的IC測量值(ICMV)無損實(shí)時(shí)地監(jiān)測路面壓實(shí)度[6-7]。然而，因?yàn)槭艿交旌狭项愋汀⒒鶎宇愋秃蛪郝窓C(jī)型號(hào)的影響，徐光輝等[8]研究發(fā)現(xiàn)ICMV與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性較差，無法準(zhǔn)確地表征瀝青混合料的壓實(shí)度。為保證鋪層材料達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)度和均勻性，需要著重關(guān)注混合料由松散狀態(tài)到密實(shí)狀態(tài)過程中集料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9-10]。由于瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)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(nèi)部的動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律，對比分析各面層瀝青混合料的壓實(shí)特性。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)測試方案

現(xiàn)場試驗(yàn)路段位于某高速公路的LM-3、4標(biāo)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(jí)配曲線和油石比見圖1。

圖1 各面層的級(jí)配曲線

現(xiàn)場試驗(yàn)瀝青混合料振動(dòng)壓實(shí)使用的振動(dòng)壓路機(jī)為戴納派克雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)(Dynapac CC624HF)，其工作參數(shù)見表1。

表1 Dynapac CC624HF相關(guān)參數(shù)

1.1 智能顆粒埋設(shè)方案

為了探究瀝青混合料在碾壓過程中的顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究碾壓過程中瀝青混合料內(nèi)部響應(yīng)指標(biāo)的變化規(guī)律，埋設(shè)智能顆粒于松散的瀝青混合料中，實(shí)時(shí)采集碾壓過程中的響應(yīng)數(shù)據(jù)。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(jié)性。智能顆粒通過無線連接方式以100 Hz(每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)10 ms)的采樣頻率將混合料顆粒動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X進(jìn)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(jī)鋼輪直接作用于顆粒，攤鋪機(jī)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(shù)據(jù)，顆粒埋設(shè)時(shí)使顆粒的Z軸、Y軸和X軸分別對應(yīng)現(xiàn)場豎直方向、道路橫向和行車方向，沿著振動(dòng)碾壓方向間隔10 m位置埋設(shè)第二顆智能顆粒。

圖2 智能顆粒(尺寸單位：mm)

1.2 振動(dòng)碾壓試驗(yàn)方案

現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)雺菏┕r(shí)，瀝青混合料采用VOGELE super-2100攤鋪機(jī)進(jìn)行攤鋪。攤鋪完成后，在預(yù)設(shè)的測試點(diǎn)埋設(shè)智能顆粒，埋設(shè)完成后對測試點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，以便壓實(shí)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(nèi)部響應(yīng)進(jìn)行采集，通過連接WDQ1信號(hào)接收器的筆記本電腦接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)。HCF傳感器采集的振動(dòng)輪的加速度信號(hào)通過USB網(wǎng)關(guān)傳輸至筆記本電腦。由于壓路機(jī)的振動(dòng)頻率為51 Hz，所以智能顆粒的采樣頻率設(shè)置為100 Hz。壓路機(jī)距離測試點(diǎn)約10 m處時(shí)開始采集記錄數(shù)據(jù)，直至壓路機(jī)完成該路段的重復(fù)碾壓，每次振動(dòng)壓路機(jī)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(shù)據(jù)記錄儀分別進(jìn)行壓實(shí)度測量、路表溫度測量和內(nèi)部溫度測量。現(xiàn)場布置圖見圖3。

圖3 試驗(yàn)方案與現(xiàn)場布置

路面壓實(shí)分為初壓、復(fù)壓和終壓。碾壓遵循“先靜壓后振動(dòng)，均勻壓實(shí)”的原則。由于復(fù)壓是瀝青路面壓實(shí)度形成的主要階段，本試驗(yàn)主要測試復(fù)壓階段，復(fù)壓階段采用振動(dòng)壓路機(jī)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(dòng)碾壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)

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(shí)性能影響較大：碾壓溫度過高，瀝青混合料壓實(shí)施工時(shí)容易產(chǎn)生橫向裂紋甚至嚴(yán)重推移，從而導(dǎo)致路面平整度差；反之，碾壓溫度過低時(shí)，瀝青混合料則難以被壓實(shí)，導(dǎo)致瀝青混合料孔隙率大于目標(biāo)孔隙率。所以，瀝青混合料的現(xiàn)場碾壓溫度會(huì)直接影響瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量。瀝青混合料碾壓時(shí)，其施工溫度一般受到拌和出料溫度、當(dāng)?shù)貧鉁亍L(fēng)速、下承層溫度等的影響。為了研究不同面層壓實(shí)施工時(shí)的溫度變化規(guī)律，對各面層碾壓施工時(shí)進(jìn)行了表面溫度和內(nèi)部溫度測量，溫度測試數(shù)據(jù)分布圖見圖4。

圖4 現(xiàn)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(shí)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(shù)逐漸降低。由此可見，振動(dòng)壓實(shí)施工期間，當(dāng)出料溫度相近時(shí)，混合料表面的溫度變化主要與當(dāng)?shù)貧鉁睾惋L(fēng)速有關(guān)。而從圖4b)可以發(fā)現(xiàn)，埋入溫度傳感器后，碾壓過程中不同面層的瀝青混合料內(nèi)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(nèi)部溫度最早開始出現(xiàn)溫度下降拐點(diǎn)，而下面層內(nèi)部溫度則最遲出現(xiàn)溫度下降。這說明瀝青混合料的粒徑及結(jié)構(gòu)層厚度越大，壓實(shí)施工期間其混合料內(nèi)部溫度越不容易散失。因此，為保證瀝青路面的壓實(shí)效果，散熱速度更快的薄面層需要提高其壓實(shí)施工效率。

2.2 瀝青混合料加速度對比分析

根據(jù)帶通濾波方法，對瀝青混合料內(nèi)部響應(yīng)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各面層每次碾壓后的加速數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖5。

圖5 瀝青混合料各層加速度時(shí)程曲線

由圖5可知，每遍振動(dòng)碾壓時(shí)Z、X和Y方向上均有明顯的加速度振動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)輪碾壓至智能顆粒正上方時(shí)，其3個(gè)方向的加速度均出現(xiàn)明顯的峰值波動(dòng)，并在豎向Z方向上的峰值波動(dòng)最大，而其余2個(gè)水平方向加速度的峰值波動(dòng)較小。由此可見，振動(dòng)碾壓過程中瀝青混合料的加速度響應(yīng)主要集中在豎直方向上。

將3個(gè)方向的加速度時(shí)程曲線中每遍碾壓時(shí)的峰值繪制成散點(diǎn)圖，并采用MATLAB的擬合程序?qū)铀俣确逯捣謩e進(jìn)行曲線擬合，下、中、上面層的擬合結(jié)果見圖6。由圖6可見，隨著振動(dòng)碾壓的進(jìn)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(shí)，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(shí)，3個(gè)方向的加速度分別是0.164 6g、0.115 4g和0.0165 6g。因?yàn)閿備伜蟮臑r青混合料處于松散狀態(tài)，所以前期碾壓時(shí)集料顆粒運(yùn)動(dòng)劇烈，前3遍振動(dòng)碾壓時(shí)加速度急劇下降，而后瀝青混合料密實(shí)骨架基本形成，加速度變化基本趨于穩(wěn)定。

此外，從3個(gè)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(gè)方向加速度擬合曲線的相關(guān)系數(shù)較大，而道路橫向(Y方向)的加速度與壓實(shí)遍數(shù)的相關(guān)性較低。這是因?yàn)闉r青混合料豎直方向和碾壓方向分別受到振動(dòng)壓路機(jī)的豎向壓實(shí)力和行車方向的推擠力，而道路橫向沒有明顯的作用力，導(dǎo)致該方向數(shù)據(jù)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(dòng)壓實(shí)過程中，振動(dòng)壓路機(jī)的豎向作用力(自重和激振力)是混合料壓實(shí)功的主要來源；同時(shí)，行駛中的振動(dòng)壓路機(jī)在碾壓方向上也會(huì)產(chǎn)生推擠力，這也在一定程度上有助于混合料密實(shí)。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(shí)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(shù)N的變化規(guī)律均可以用冪函數(shù)型公式表示為

a=nNp+q

式中：n、p、q為系數(shù)。

為了進(jìn)一步研究加速度與混合料壓實(shí)性能的關(guān)系，更加直觀地研究加速度隨碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律，對擬合曲線的橫坐標(biāo)進(jìn)行對數(shù)化，從而得到了加速度與碾壓遍數(shù)的直線擬合曲線，其中直線的斜率|k|可以表達(dá)瀝青混合料的壓實(shí)性能，即|k|越大，瀝青混合料有更好的壓實(shí)性能，能更快地形成穩(wěn)定密實(shí)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)橫坐標(biāo)取對數(shù)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(dòng)壓實(shí)過程中下面層瀝青混合料的加速度隨碾壓遍數(shù)的變化速度比上面層快。這說明現(xiàn)場碾壓時(shí)下面層的瀝青混合料可以較快地形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。需要指出的是，更快地形成骨架結(jié)構(gòu)，并不意味著更高的壓實(shí)度，骨架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，穩(wěn)定地骨架結(jié)構(gòu)導(dǎo)致混合料內(nèi)部的粗集料難以移動(dòng)，吸收較多來自振動(dòng)壓路機(jī)的壓實(shí)能，表現(xiàn)為壓實(shí)困難，則需要更多的壓實(shí)遍數(shù)。

3 結(jié)語

本文通過瀝青路面各面層現(xiàn)場振動(dòng)碾壓試驗(yàn)，對不同面層在振動(dòng)壓路機(jī)作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了對比分析。在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，設(shè)計(jì)了智能顆粒埋設(shè)方案和振動(dòng)碾壓方案，采集了碾壓層瀝青混合料的內(nèi)部加速度數(shù)據(jù)和壓路機(jī)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理。同時(shí)，采用TP700多路記錄儀和FLIR熱成像儀對碾壓混合料的內(nèi)部溫度和表面溫度進(jìn)行監(jiān)測，得到以下結(jié)論。

1) 在瀝青混合料的碾壓過程中，當(dāng)出料溫度相近時(shí)，混合料表面的溫度變化主要與當(dāng)?shù)貧鉁睾惋L(fēng)速有關(guān)，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(nèi)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(nèi)部溫度最早開始出現(xiàn)溫度下降。這說明瀝青混合料的粒徑及結(jié)構(gòu)層厚度越大，壓實(shí)施工期間其混合料內(nèi)部溫度越不容易散失，那么薄面層則需要更快的壓實(shí)速率。

2) 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的混合料加速度數(shù)據(jù)，對豎直方向、碾壓方向和道路橫向的加速度進(jìn)行了相關(guān)度分析和擬合，其中豎向加速度與壓實(shí)遍數(shù)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?yàn)樵摲较驔]有明顯的作用力，而豎直方向和碾壓方向受到壓路機(jī)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(shí)測加速度，可以明顯發(fā)現(xiàn)|k|下面層最大，|k|上面層最小，這表明振動(dòng)壓實(shí)過程中下面層瀝青混合料的加速度隨碾壓遍數(shù)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致顆粒較難移動(dòng)，吸收更多來自壓路機(jī)的壓實(shí)能，表現(xiàn)為壓實(shí)困難，則需要更多的壓實(shí)遍數(shù)。