基于智能壓實的瀝青路面施工關鍵技術研究

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進行瀝青路面壓實施工。以振動壓實理論為基礎，研究壓實過程中瀝青混合料的流變模型及本構關系，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響應。進行瀝青路面施工壓實現場試驗，對現場施工關鍵參數進行實時監測采集，以監測數據計算瀝青路面壓實指標。以壓實計值作為瀝青路面施工質量的主要評價指標，驗證智能壓實技術應用于瀝青路面施工的效果。研究表明：采用智能壓實技術進行瀝青路面壓實，能很好地控制現場施工質量，解決了傳統瀝青路面施工質量需事后評價的關鍵問題，提高了瀝青路面施工效率及智能化程度。

關鍵詞：智能壓實；流變模型；現場試驗；施工質量

0 " 引言

截止2021年底，我國公路總里程達到528.07萬km，較上年增長1.59%，其中高速公路里程達到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、無揚塵、振動小及噪聲低等優點，但由于施工期短、施工條件復雜、施工技術不成熟、材料穩定性差等原因，瀝青路面在正常服役期內容易產生如坑槽、車轍、裂縫等病害，導致道路運維成本高、服役壽命短。

瀝青路面壓實是道路施工的關鍵環節，其既是瀝青混合料壓密成型的關鍵技術工藝，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量，提高道路結構的穩定性，有必要對瀝青路面施工壓實過程進行系統研究，以此加強對道路施工壓實質量的管理，提高施工效率，降低道路運維養管成本。

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

國內外相關學者對智能壓實技術進行了大量的研究工作。閆國棟等人[3]采用路基壓實的動態連續壓實計值（CMV）對高鐵路基的壓實特性進行了表征。研究結果表明，采用連續壓實技術對路基穩定性影響較小且不受土壤級配的影響。馬源等人[4]通過進行正交試驗，分析了智能壓實過程中碾壓速度、振力、頻率及碾壓遍數對壓實計值CMV的影響，以單變量正態分布3σ法及半變異函數驗證了智能壓實技術壓實計值的均勻特性。研究結果表明，影響智能壓實技術施工質量的因素由大到小分別為壓實速度、壓實遍數、頻率及振力，智能壓實技術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，結合智能壓實的關鍵技術特點，對瀝青路面現場施工進行施工參數實時監測，研究智能壓實在瀝青路面施工過程中質量控制的關鍵因素，以壓實計值CMV對智能壓實技術施工的瀝青路面進行質量評估。

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，在常溫下通常結構松散，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。瀝青混合料的壓實過程實質是將混合料內的空間縮小，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進行施工，如圖1a所示。在瀝青路面壓實施工過程中，振動壓路機通過機械自重以及激振器產生的高頻激振力，對瀝青混合料進行連續碾壓及振動沖擊，使瀝青混合料骨料顆粒之間處于共振狀態，以減小混合料內部空隙。通過克服瀝青混合料內的粘聚力及摩阻力，使混合料內的顆粒重新緊密排列，以達到瀝青路面平整、穩定的目的，從而提高道路長期服役性能，延長道路服役壽命。

受道路施工現場的環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量，一般會對瀝青路面按一定規律進行多次反復碾壓。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響應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特性，如圖2所示。

模型結構由串、并聯關系組成，在瀝青混合料施工碾壓過程中，其由振動壓路機碾壓造成的瀝青混合料總應變為各分應變的總和，其中包括瀝青混合料彈性應變εe、粘彈性應變εve、粘塑性應變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關系[5]為：

（2）

第一階段本構模型中相應的瀝青混合料應變表示為：

（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；σe為有效應力；σeS為屈服應力；t為時間。

根據上述瀝青混合料流變模型及本構關系，當振動壓路機施加的有效應力大于瀝青混合料的屈服應力時，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，且其由溫度及應力導致的應力均為零，選取壓路機壓實時的有效應力進行分析可得：

（5）

式中，σ0（t）為振動壓路機壓實產生的應力；Vs（t）為瀝青混合料空隙率。則根據兩者關系可得：

（6）

其中K（t）為瀝青混合料的壓實度。

2 " 瀝青路面施工參數監測

2.1 " 振動壓實現場施工

為了研究智能壓實技術在瀝青路面施工中其施工效率及質量，根據前期研究工作，本文結合某高速公路的現場施工計劃，進行了瀝青路面現場壓實試驗。采用小型振動壓路機對瀝青路面上面層進行振動壓實，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。在本次現場試驗中，振動壓路機沿試驗設計路線進行多次反復碾壓，碾壓速度為2～5km/h。壓路機定位裝置安裝與駕駛艙頂板中心位置處。壓路機振動監測設備安裝于滾輪上，在進行瀝青路面壓實施工過程中，監測設備會實時將數據信息傳輸至終端，并進行信號特征分析。

2.2 " 施工參數實時監測

根據上述試驗，對瀝青路面壓實過程中的施工參數進行實時監測，其中包括：瀝青路面上面層攤鋪厚度監測、碾壓振動監測、碾壓速度監測。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行監測，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進行監測，其主要指標如表1所示。

在瀝青路面施工中，壓路機碾壓速度過快，壓路機產生的振動能量小，從而使得壓實質量變差，導致瀝青混合料產生推移、裂紋等。碾壓速度過小則會使施工效率降低。根據《公路瀝青路面施工規范》（JT F40-2019），瀝青路面施工壓路機碾壓速度需滿足相應規定，如表2所示。

3 " 基于壓實計值的瀝青路面施工質量評估

加速度傳感器監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，通過對監測信號的分析，可對瀝青混合料的鋪筑壓實狀態進行描述[6]，并能以此計算出瀝青混合料的壓實度指標。

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

（7）

式中：Cal為標定系數；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呈良好的對數相關。本文對現場試驗瀝青混合料壓實指標CMV隨碾壓遍數的變化進行對數擬合，如圖3所示。

現場試驗的振動加速度監測結果表明，智能壓實技術能有效監測到振動信號，且對于壓實指標的計算可靠程度高。由圖3可知，壓路機碾壓遍數與CMV指標的相關性為中度相關，R2為0.3569，這與傳統壓實度評價方法的結果一致。

4 " 結束語

本文采用瀝青路面壓實理論與現場試驗結合的方法，研究了智能壓實技術在瀝青路面施工壓實過程中的關鍵技術。主要結論如下：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行力學響應分析。對現場施工的關鍵參數進行實時監測，根據壓路機反饋的數據信息，提取分析信號特征，以此計算瀝青路面壓實度指標。以現場試驗監測數據計算所得的CMV指標作為瀝青路面的壓實評價指標。研究結果表明，采用智能壓實技術能顯著提高瀝青路面的施工質量。

參考文獻

[1] 在加快建設交通強國新征程上建新功：《2021年交通運輸行業

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[3] 閆國棟.高速鐵路路基連續壓實質量控制研究[D].武漢：中南

大學，2010.

[4] 馬源，方周，韓濤，等.路基智能壓實關鍵控制參數動態仿真

及演變規律[J].中南大學學報（自然科學版），2021，52（7）：2246-

2257.

[5] 楊勝豐.瀝青及瀝青混合料動態黏彈性分數階本構模型研究[D].

長沙：湖南大學，2020.

[6] 張瑢，王正.基于過程控制的瀝青路面壓實度評價的方法及應

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