瀝青路面工程質(zhì)量變異性控制管理系統(tǒng)研究

1、西部交通建設(shè)科技項目“瀝青路面工程質(zhì)量變異性控制管理系統(tǒng)的研究”研究報告簡本瀝青路面工程質(zhì)量變異性控制管理系統(tǒng)研究報告簡本1概述1.1現(xiàn)狀1998年以滬寧、鐵四等為代表的新建高速公路，在通車后短期內(nèi)發(fā)生的局 部早期損壞，引起了普遍的關(guān)注，并進行了多方面的努力。“應(yīng)該看到，在采取措施后，許多地方的水損害得到了有效的遏制。然而，由于瀝青混合料的離析及不均勻問題并沒有得到根本的解決，水損害問題仍然沒有得到徹底的解決?！?2001年沈金安的文章接著指出“瀝青混合料的離析不僅是造成路面早期損壞的 根本原因，即使暫時沒有損壞，對瀝青混合料的使用性能也有嚴重的影響。”“離析是混合料粗細集料和瀝青含量的不均勻

2、，偏離了設(shè)計級配，從而使配合 比設(shè)計成為一種擺設(shè)，等于瀝青路面的質(zhì)量完全 失控了?！?005年6月8月，課題組分別對遼寧沈山、鐵四兩條公路瀝青加鋪層大修 工程進行了實測；又查閱了 2002年49月結(jié)合上海市科技發(fā)展基金重點項目分 題“重交通道路瀝青面層混合料組成與施工變異性研究”中上海浦東高速公路 的測定數(shù)據(jù)。由于這兩地的高速公路建設(shè)水平有一定的代表性，可以確認：瀝 青混合料“離析及不均勻問題并沒有得到根本的解決”的論斷依然存在。分析原因之前，有兩點需要界定。（1）這次HMA變異性的研究熱，起因在于早期損壞，而并非出自推行瀝青路面可靠性設(shè)計；因此，研究內(nèi)容偏重于HMA組成結(jié)構(gòu)的均勻性。但是組成

3、結(jié)構(gòu)的變異性恰恰是路面可靠性的一個關(guān)鍵所在，因而有利于推進20世紀80年代以來，因變異過大，路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計暫緩的現(xiàn)實。（2）離析還是專指組成的不均勻為好，即混合料粗細集料和瀝青含量的不 均勻。1.2原因分析為什么“離析及不均勻問題并沒有得到根本的解決”，可以從不同的角度與 層面分析，從技術(shù)層面的主要原因:（1）按使用性能原則設(shè)計的瀝青混合料 沒有工藝特性指標的約束HMA沒有一個像水泥混凝土坍落度那樣的工藝指標；為了與現(xiàn)場工藝條件 協(xié)調(diào)，配合比必然要有一個不斷調(diào)試的階段，甚至于歷經(jīng)失敗到成功。（2）監(jiān)控不力離析問題沒能根本解決與監(jiān)控不力密切相關(guān)，因為現(xiàn)行的檢測抽樣存在隨 意性。規(guī)范條文指出“

4、鉆孔測試壓實度都是事后檢查，且報告弄虛作假”，所以需要以定量統(tǒng)計的面控為基礎(chǔ)，針對薄弱部位實現(xiàn)確定性的定點檢測，才能把 住關(guān)并發(fā)現(xiàn)問題。但是，并沒有路段變異分布的數(shù)據(jù)。（3）缺乏總體協(xié)調(diào)平衡通過大量包括原材料規(guī)格質(zhì)量的工藝對策研究，在解決問題方面，已經(jīng)積 累有許多方法和經(jīng)驗，但是總體來說方法往往比較孤立，經(jīng)驗還是具有局限 性。例如JTG F40-2004,就瀝青路面的壓實，改變?yōu)椤安扇≈攸c對碾壓工藝進 行過程控制，適度鉆孔抽檢壓實度的方法”，雖然條文對碾壓工藝規(guī)定詳細，但 即使局限于碾壓，也缺乏一個能針對不同現(xiàn)場實際情況進行協(xié)調(diào)的、定量的、 可操作的過程控制方法。1.3指導(dǎo)思想從歷史的角度而言

5、，新形勢、新問題需要新理念、新方法。高速交通對路面抗滑、抗轍、防噪音等功能的要求，自 20世紀60年代起 以專題命名的國際會議，無論名稱、內(nèi)容與數(shù)量，不斷擴大；但是，直到1993年具有權(quán)威性的瀝青路面國際會議（第七屆）才第一次涉及路面表面功能，大 會就路面使用性能包括結(jié)構(gòu)性與功能性兩類作為專題報告。究其原因就在于兩 種使用性能所存在的相互矛盾。例如抗滑所要求的構(gòu)造深度、防噪聲所需的多 孔結(jié)構(gòu)與強度、穩(wěn)定性間的矛盾，攤鋪后、碾壓前的平整度最佳等等。許多研 究已經(jīng)表明1998年大面積水損害的出現(xiàn)，恰恰在于片面強調(diào)了抗滑、平整度等 功能要求，而新頒布的JTJ 032-94對級配又提供了一個較寬而又能

6、偏粗的允許 范圍。所設(shè)計的HMA，雖然結(jié)構(gòu)性使用性能與抗滑滿足試驗要求，殊不知其級 配離析特性與壓實性能已經(jīng)發(fā)生了變化。歷史經(jīng)驗表明，路面工程是一個多因素相互矛盾而又統(tǒng)一的動態(tài)變化的集 合體，因此需要以信息論、系統(tǒng)論、控制論為指導(dǎo)思想，以實現(xiàn)工程質(zhì)量變異 的控制。為此：第一，實施變異的控制 首先要分析清楚變異的來源與分布。歸納研究動態(tài)，當前離析與不均勻的研究偏重于包括原材料規(guī)格質(zhì)量的施 工工藝，這反映出變異來源于施工過程的認識。這有它對的一面，因為瀝青混 合料隨工藝過程而變化（見圖 1-1）：但有其局限性。HMA作為具有一定粘性 的散粒體，離析是其固有的特性。1998年出現(xiàn)的大面積水損害足以證

7、明：單純 按使用性能、沒有工藝指標約束所設(shè)計出來的HMA組成，就是瀝青路面變異的另一個重要來源。圖1-1瀝青混合料隨工藝過程的變化對于變異的分布，嚴格來說是缺乏研究，因為所測定的級配曲線各粒級的 偏差，并不是瀝青路面變異的分布。所要控制的工程質(zhì)量是以路段為單元的， 路段各點HMA組成結(jié)構(gòu)變異的分布。定量統(tǒng)計路段變異分布的重要意義在于 它不僅是由面檢到點檢的基礎(chǔ)；而且是找準原因，從而落實對策針對性的基礎(chǔ)。第二，控制是以信息為基礎(chǔ)的反饋。以路段工程質(zhì)量變異性控制為目的的反饋需要宏觀與細觀兩類信息。宏觀 的信息是路段各點質(zhì)量的動態(tài)變化。以什么為指標！密度、構(gòu)造深度還是力學(xué) 指標？為了分析原因還需要的

8、內(nèi)部指標傳統(tǒng)用抽提試驗和密度，然而無法及時 反饋，因為待到測定出來，工程已經(jīng)進行到數(shù)百米之外。由于反饋控制的基礎(chǔ) 是客觀規(guī)律，而客觀規(guī)律又是以信息的采集與分析為基礎(chǔ)，所以課題組最大的 工作量在信息的采集與分析。1.4進程課題研究以上述3個關(guān)鍵技術(shù)為重點。2005年首先就沈山、鐵四兩條高速 公路瀝青面層大中修為依托工程進行了現(xiàn)場測定、研究；為深入分析較為全面 而系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，2006-2007年集中開展了以離析評價體系與組成結(jié)構(gòu)細觀分 析為中心的基礎(chǔ)研究；直到 2007年秋，基于兩個基礎(chǔ)研究的突破，才有可能重 點進行整合性的研究，從而實現(xiàn)了合同規(guī)定的研究目的。課題組在宏觀信息方面采用力學(xué)指標，

9、不僅在于其包容性、無破損，更因為可以與工藝過程控制相結(jié)合，這是由于在振動壓路機上的加速度動力響應(yīng)測 定裝置所采集的信息是一個動態(tài)的、工藝全過程的信息。因為碾壓的初始狀態(tài) 沉淀了碾壓前各工藝過程的信息。所以它的意義可以超越智能壓路機所定的目 標，關(guān)鍵在于信息分析技術(shù)。數(shù)字圖像法用于芯樣的分析已有不少研究，仍有技術(shù)創(chuàng)新的空間，但更缺 乏的是整合研究。與抽提試驗等傳統(tǒng)方法相比，優(yōu)勢不僅在快，而且有利于內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析；課題采用了與傳統(tǒng)方法相結(jié)合的技術(shù)路線。級配離析評價體系的建立，并作為一個信息，融合于反饋控制，也使動態(tài)反饋控制不再停留在施工過程控制范疇。1.5配套技術(shù)合同規(guī)定“研究的目的在于對高速公路瀝

10、青路面工程，提出一套具有過程課題研監(jiān)控與信息反饋控制特色的、能控制工程質(zhì)量變異性的控制配套技術(shù)”究提出的技術(shù)成果，包括信息采集與分析技術(shù)和控制技術(shù)兩個方面：(1) 信息采集與分析技術(shù)包括： 以料堆法空間分布均方差為指標評價 HMA的離析特性； 以加速度動力響應(yīng)為指標評價碾壓過程 HMA組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化； 以孔洞分布為指標評價HMA空隙結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)； 以紅外攝像的溫度場分布為指標評價工藝過程溫度分布狀態(tài)的動態(tài)變 化； 以激光構(gòu)造深度比為指標評價竣工后路面現(xiàn)場的不均勻性； 以數(shù)字圖像法的D2與A2、B與為指標評價HMA的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)(2) 控制技術(shù)包括： 從材料設(shè)計層面對級配離析的控制； 控制

11、級配微分布的方法與標準； 瀝青層路段碾壓的過程控制； 在面控的基礎(chǔ)上實施選點檢測； 基于紅外攝像法路段溫度場的檢測，進行場的控制； 基于宏觀與細觀信息調(diào)整系統(tǒng)控制。需要說明：所建的配套技術(shù)是對已有的補充與發(fā)展，而不是取代。配 套技術(shù)可不同的組合以針對不同的情況。簡本以對規(guī)范的“支持”與“補充” 為重點。2對規(guī)范的支持與補充2.1規(guī)范JTG F40-2004的兩點認識在JTG F40-2004中，修訂的內(nèi)容共12條，與HMA組成結(jié)構(gòu)性相關(guān)的占7 條，修訂有兩點認識在條文說明中得到了明確：針對當前國內(nèi)外莫不以“按使用性能設(shè)計HMA”為指導(dǎo)思想，條文說明5.3.1指出“ 一個好的設(shè)計應(yīng)該是具有良好的

12、使用性能，施工操作性好及變異性 小、容易壓實”。針對早期損壞，條文說明11.4.7指出“瀝青路面成敗與否，壓實是最重要 的工序。許多高速公路瀝青路面發(fā)生早期損壞，大多數(shù)都與壓實不足有關(guān)，因 此壓實度的評定至關(guān)重要”。據(jù)此，條文“最大的修改”是：要求“瀝青路面的壓實度，采取重點對碾 壓工藝進行過程控制，并適度鉆孔抽檢壓實度的方法”。上述兩點認識對于 HMA組成結(jié)構(gòu)變異是要害；改進措施基于發(fā)現(xiàn)了原有 方法的問題，修訂有理，會有一定效果，但未必能解決問題。項目合同規(guī)定“提出一套具有過程監(jiān)控與信息反饋控制特色的、能控制工 程質(zhì)量變異性的控制配套技術(shù)”，并明確以是否實現(xiàn)對規(guī)范的“支持”與“補 充”作為檢

13、驗標準，而兩點認識指明了重點。2.2從設(shè)計層面實現(xiàn)對 HMA級配離析的控制2.2.1必要性1996-1998年隨著滬寧高速的陸續(xù)通車，水損害不斷；為什么經(jīng)過了使用性 能多指標試驗研究的多碎石瀝青混合料（SAC ）出現(xiàn)水損害是有爭論的。現(xiàn)在分析反映出級配離析問題的根據(jù)，不僅僅在當年實測空隙率、級配變異，而是 用級配離析研究所得出的回歸公式，對SAC滬寧高速建議值（1995年）與SAC修訂完善后的建議值（2001年），計算、分析的結(jié)果由表2-1,表2-2，修 訂后SAC的離析特性以均方差為指標，約減少了一半。222料堆法的選擇早在1997年NAPA就指出“合適的混合料設(shè)計對消除離析是重要的”。為

14、什么沒有提出設(shè)計 HMA要兼顧使用性能與工藝特性？原因就在于缺乏HMA工藝特性的評價指標與方法。文獻表明化工、制藥以及采礦等行業(yè)都有各自不 同的散體離析評價，但是 HMA是具有一定粘性的散粒體。沒有搜索到這種非 理想散粒體離析特性的研究報告。選擇料堆法有多種原因，最重要的啟發(fā)在自組織臨界性理論（SOC）,它始于物理學(xué)領(lǐng)域利用沙堆模型研究顆粒物質(zhì)有關(guān)運動基礎(chǔ)上，由美國理論物理所 1987年提出。這是為解釋無序的、非線性復(fù)雜系統(tǒng)的行為特征提出的新概念， 是控制大量廣延耗散動力系統(tǒng)的普遍原則，已成為現(xiàn)代非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學(xué)最 基本的概念之一。表2-1 SAC-16級配設(shè)計的發(fā)展一覽表Pi :通過下列篩

15、孔（mm）的質(zhì)量（%）191613.29.54.75,2.361.180.60.30.150.075滬寧高速試驗路100976549.537.52820.5149.56（1993）滬寧高速9570503022161284建議值111111111（1995）1009070503728231813890755530221612108修訂完善的建議值（2001)10011111111110090705037282317151098.5 192.280.161.933.924.117.214.89.7 :8.77.3現(xiàn)場 檢測范圍1100195183.6164.9138.4128121.9117.21

16、13.811219.0均值99.494.082.163.536.226.419.315.711.810.48.2（1999）變異 系數(shù)0.811.111.511.654.744.198.775.0912.512.16.14表2-2離析評價的方法計算滬寧高速不同時期的離析特性指標時期 粗粒級/中粒級細粒級含量（%）集料離析特性N=(P 19 P13.2)/(P13.2 P2.36)(P2.36 P0.3)/ (P19 P0.3)0.923 > 0.4 ( P13.2=70 )70 -80早期0.471 > 0.4 ( P13.2=80)27%0.190 V 0.4 ( P13.2=9

17、0)50 -60修訂后0.309V 0.416%30 -40皮帶 傳送 方向圖2-1級配混合料離析試驗（料堆法）正因為級配離析是散粒體的固有屬性，為評價這一特性就需要在簡化受力 的同時創(chuàng)造一個最小約束的條件，充分發(fā)揮自組織特性，用料堆空間分布的變 異，表征散粒體這一固有屬性；從而提高了指標的靈敏度與重現(xiàn)性。試驗?zāi)Ｐ?如圖2-1。操作方法見指南的附錄?；诮y(tǒng)計物理學(xué)的計算公式如下:(1)S2 亠心 n （j）2Nr n j i i iPi式中：S2離析方差；Nr料堆試驗分區(qū)個數(shù)，如果本試驗中只選取“前”、“頂”、“后”、“左”、“右”五個分區(qū)作為衡量標準，則 Nr=5;n為集料組分個數(shù)，即篩孔尺

18、寸個數(shù)；pi為第i個篩孔尺寸下的標準百分比含量（未離析的），%;pij為第i個篩孔尺寸的集料，在第j個分區(qū)內(nèi)的百分比含量（離析后 的），。2.2.3三層次評價體系為評價HMA級配離析一方面服務(wù)于路面工程，另一方面指導(dǎo)集料的生產(chǎn) 與冷料的供應(yīng)，有必要建立反映歷經(jīng)集料一瀝青混合料一現(xiàn)場施工傳遞、設(shè)計 配比發(fā)生變異的評價體系。集料級配離析的評價改用滑板法（圖2-2），因集料無粘性，在按料堆法前、后、中、左、右 5個分區(qū)取樣時容易出現(xiàn)滑落崩塌的干擾；并經(jīng)比較試驗，滑板法與料堆法總體規(guī)律一致圖2-2滑板法的試驗設(shè)備瀝青路面離析評價體系以 NCAT為基礎(chǔ)（表2-3），對依托工程各段按級配 的變異分為輕度、

19、中度、重度三類，并分別給出了各段不同程度的均方差（表2-4）表2-3 NCAT離析評價指標及其容許變化范圍檢測指標輕度離析中度離析重度離析級配變化一個篩孔5%兩個篩孔10% :四個篩孔15%瀝青含量變化0.3% 0.75%0.75% 1.3%> 1.3%空隙率變化2.5% 4.5%4.5% 6.5%> 6.5%表2-4不同路段、不同級配均方差的統(tǒng)計路段類型離析程度最大值最小值均值標準差變異系數(shù)A段SMA-16輕6.374.775.670.6220.110中10.2410.24 :10.240.000 :0.000重總體10.244.776.431.9460.303AC-20輕7.5

20、75.446.650.8820.133中9.516.567.831.086 :0.139重17.1912.3914.793.3990.230總體17.195.448.673.3670.389B段（一）AC-16輕9.586.048.392.0340.242中12.067.28 :9.581.8260.191重總體12.066.049.141.8630.204（二）AC16輕11.006.348.431.8540.220中13.368.3211.182.5930.232重14.8813.7114.300.8260.058總體14.886.3410.432.974 :0.285（總）AC-16輕1

21、1.006.048.411.774 :0.211中13.367.2810.182.1240.209重14.8813.7114.300.8260.058總體14.886.049.852.5590.260即使用最簡單的方法，也反映出三層次相互緊密的聯(lián)系：Sp ka Sa ka kg Sg式中：S)為瀝青路面現(xiàn)場取樣的均方差；Sb為料堆法HMA級配離析的均方差；Sg為料堆法集料級配的均方差；ka和kg為相應(yīng)的換算系數(shù)。相對頻數(shù)相對頻數(shù)0.80.70.60.50.40.30.20.12)相對頻數(shù)0單滑 合成級配-0-1 -2 '3 -4 5 6 7 8 9 101!1213115*1617(3

22、)(1)(2)0.8相 對 頻 數(shù):n:nLiinDi1inJn IIi i4.751.18 0.60.70.60.50.40.3單滑 合成級配0.20.1|. 01- 2' 3： 4 -5 16 -7-8 9 10 11 12 13 14 15 16 17(3)圖2-3相鄰三檔集料干擾情況圖2-4非相鄰三檔集料干擾情況表2-5三層次評價體系相關(guān)要素一覽表級配 類型SgSakgSpka輕度離析中度 離析重度離析輕度離析中度 離析重度離析AC-206021.60.357 j4.8-7.57.5-11.0 1>11.0r 0.2-0.340.34-0.5>0.5SMA-1625

23、6.60.2644.2-6.0(6.0-9.0)(>9.0)0.6-0.9(0.9-1.4)(>1.4)表2-5所給出的數(shù)據(jù)，£取自依托工程路面現(xiàn)場，故有一個波動范圍。SB與Sg來自試驗測定；取兩種級配類型，AC-20與SMA-16，分別采用料堆法與 滑板法進行符合規(guī)范建議值范圍內(nèi)的無瀝青與有瀝青時的混合料的級配離析試驗，包括上限、中值、下限、走向I、走向U共 5種級配；對于Sa,每種級配 按料堆前、中、后、左、右 5個分區(qū)取樣抽提試驗，與各自的初始級配相比， 經(jīng)計算共得25個均方差，表2-5的Sa為總平均；對于Sg按滑板法的6個分區(qū) 篩分，與各自的初始級配比較，經(jīng)計算得

24、 6個均方差，表2-5的Sg為總平均。2.2.4初步結(jié)論HMA級配是一個復(fù)雜性問題，隨著條件而千變?nèi)f化，因此重要在于建立一 個能反映其自身特性的評價體系，按自組織原則建立起來的HMA級配離析評價方法，從現(xiàn)有試驗范圍來看，有良好的敏感性、重現(xiàn)性、規(guī)律性；即便試驗 的工作量不小，從全局而言仍屬小樣本，但畢竟提供了一個從無到有的良好開 端和擴大應(yīng)用改進完善的工作基礎(chǔ)。(1)抗離析級配的基本原則: 相鄰多粒級的無粘性集料，其離析程度遠小于非相鄰粒級的集料(圖2- 3,圖 2-4)。 由于粘性的存在細粒級在 HMA基本上不離析，而在無粘性的集料混合 料則離析顯著。因此， 提高HMA的粘性，有利于提高粗級

25、配的抗離析特性（圖 2-5）(1)集料級配混合料(2)瀝青混合料圖2-5 AC-20規(guī)范中值為設(shè)計級配經(jīng)料堆法空間 5個區(qū)的分布 HMA抗離析級配設(shè)計的基本原則與連續(xù)級配原則的干涉一填充理論不同，宜“以中粒級為主，控制粗粒級與細粒級的用量 ”。由圖2-6,細觀分析證明，已經(jīng)是骨架-密實型的，要注意提高c值；已經(jīng)是懸浮-密實型的要注意提高 ©值；即粗細要協(xié)調(diào)懸浮-密實型口骨架-密實型- -I骨架-密實型8 - )7.5-m 7D 6.56 -懸浮-密實型 n n nt 0.16I11hh0369121582k»aM(46.045.044.0)。43.042.041.040.0

26、03691215圖2-6不同粗集料微分布條件下A2、D2值與抗剪性能2)驗證與檢驗 采用SAC作為驗證的數(shù)據(jù)，如表2-2。 對SMA-16型HMA的檢驗表明，以均方差為指標的級配離析小于AC型，但對空隙率的敏感性甚為顯著，必須分類提出離析標準 用離析試驗（包括離析程度以及不同離析程度下取樣的使用性能測定）表明對AC-20型HMA而言，可分為三種情況：因粘性的存在一般級配離析并 不嚴重，但在證明確實存在抗離析的級配同時，也發(fā)現(xiàn)了當粗、中、細三檔 粒 級不協(xié)調(diào)時出現(xiàn)了突變。目前發(fā)現(xiàn)的突變與級配曲線走向有關(guān)，這說明現(xiàn)行的 級配建議值范圍的提法并不合理，它沒能排除突變類。 增加瀝青混合料拌合廠的熱倉，

27、與 調(diào)整熱倉粒級配置，既提高了微分布 的精度，也用以適應(yīng)按“以中粒級為主，控制粗粒級與細粒級用量”原則設(shè)計配合比后，微分布的變動。 NAPA1997年對于斷級配、S型混合料離析特性 過于否定，但國內(nèi)有些 對于S型也過分肯定，要害在于一定條件下的綜合協(xié)調(diào)平衡。因此一個合理的 評價級配離析試驗方法十分重要。3）應(yīng)用在為實現(xiàn)按使用性能與工藝特性統(tǒng)一的原則設(shè)計 HMA，當前可用離析評價 體系、方法、指標，檢驗已有的 HMA設(shè)計方案。2.3在面控的基礎(chǔ)上實施選點檢測2.3.1概況眾所周知，監(jiān)控不力的關(guān)鍵在于現(xiàn)行抽樣檢測選點時的隨意性。理想的方 式是基于面控的選點檢測，對此較有前景的有如下三類；各有不同的

28、優(yōu)缺點， 正處于不斷改進之中。 寄予厚望的核子密度儀，因測定結(jié)果與成分相關(guān)，而成分分布是不均勻 的，有可能被當前試用的無核密度儀所代替，但需要多次測定方可連續(xù)成網(wǎng)供 選點之用。 通過構(gòu)造深度比，無論是激光法、數(shù)字圖像法，是當前國內(nèi)外的一個熱 點；本課題結(jié)合國情給出了均勻區(qū)域構(gòu)造深度的預(yù)估模型，分類標準有所改 進。 連續(xù)檢測法的優(yōu)勢在于：將傳感器裝在壓路機上，為檢測選點所提供的連續(xù)測定數(shù)據(jù)也就是碾壓過程的信息。碾壓難以獲得的過程信息，可通過反饋 分析發(fā)展為供全過程的工程質(zhì)量控制所用。壓實計法早在20世紀80年代就由Dynapac公司開發(fā)并供工程應(yīng)用，由于局限于孤立的信號分析，指標沒有明確 的物理

29、意義，影響到擴大工程應(yīng)用。232選擇動力響應(yīng)法為主，配合構(gòu)造深度比振動壓路機在無約束的理想狀態(tài)下呈簡諧振動，響應(yīng)信號為規(guī)則的正弦波，但 當位于被壓材料之上，由于來自材料的作用力（F）呈現(xiàn)復(fù)雜的振動形態(tài)，頻率 成分隨之變化，產(chǎn)生諧波。不同的被壓材料，當加速度傳感器安裝在振動輪 軸，由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)頻譜分析，頻譜圖大致歸納為5類。細粒土、二灰土如前三種，碎石土、二灰碎石隨含石量為后 3種，瀝青層屬第5種。據(jù)此，證實孤 立信號分析的局限性，需采用動力響應(yīng)法。圖2-7含有1次諧波的頻譜圖三卓陣 tiClfcq* n«*».* ITrt i*"圖2-8含有14次諧波的頻譜圖圖

30、2-9含有1/2次、15次諧波的頻譜圖圖2-10含有多次諧波及分數(shù)諧波的頻譜圖圖2-11頻率比較復(fù)雜的頻譜圖無論是室內(nèi)、現(xiàn)場振動壓、壓實過程，、都可歸為如下模型（圖2-12）：M x F（x） Psin t式中，激振力（P）已知，也可測定校核；壓路機振動質(zhì)量（ M）已知，x （振 動加速度）由加速度傳感器測定，F(xiàn)為系統(tǒng)的抗力，即被壓材料對施力體的反作用力。反力F隨壓密而不斷增長，隨過壓損傷而衰減。上式可用非線性振動理論進行數(shù)值模擬；也是由&用動力學(xué)評價方法實現(xiàn)碾壓質(zhì)量識別的理論根據(jù)。b）現(xiàn)場壓實c）動力學(xué)模型圖2-12振動壓實模型233瀝青路面工程應(yīng)用的可行性結(jié)合牡丹江一綏芬河高等級公

31、路碎石土路基（1998 2000）和沈大高速公路擴建，大量采用砂礫、山皮、石渣路基填料（20012004），動力響應(yīng)法歷經(jīng) 黑龍江與遼寧兩次立項路基壓實度質(zhì)量控制的研究，雖然兩個項目鑒定都有較 高的評價，由于公路路基深受壓實度理念和傳統(tǒng)的束縛，只是因為填料的粒料 含量甚高，作為超出規(guī)范范圍，而又急需解決的特殊問題來處理。但是信息傳 到鐵路行業(yè)，上下都十分重視，決定進入相關(guān)規(guī)范，并制定了在這一輪高速鐵 路建設(shè)路基工程檢測推廣應(yīng)用的工作安排。公路行業(yè)采用壓實度為指標的傳統(tǒng)可以追溯到細粒土路基，但到粗粒土和 瀝青混合料，情況發(fā)生了變化，第一，以粒料為主的混合料，級配離析是其基 本屬性，因此壓實度的分

32、母 不再是常數(shù)；第二，細粒土最大密實度、最佳含水 量下最穩(wěn)定的規(guī)律也 不再適用。和碾壓過程聯(lián)系的動力響應(yīng)可以得到的不僅是 碾壓終了的分布，而且是分布的動態(tài)變化！即便如此，還是存在有不同的疑 慮，對此探討的結(jié)論: 關(guān)于有序作業(yè)確實，緊跟攤鋪機往往以有序開始的碾壓作業(yè)，逐步變?yōu)闊o序。有序不是 為了采用動力響應(yīng)法；無序必然形成過壓與漏壓，成為不均勻。組成結(jié)構(gòu)變異 的組織原因，必須杜絕。在這個指導(dǎo)思想，有序就一定能做到。注意，第一， 起始與終了的各段基準線應(yīng)該是斜的。第二，由于定位系統(tǒng)的費用過高，用人 為控制，就要及時分段校正誤差。 關(guān)于溫度的影響溫度有影響，但是80C時溫度對動力相應(yīng)的影響不影響總體

33、規(guī)律，詳見總 報告3.4。 關(guān)于敏感性動力響應(yīng)初值與終值之差有大有?。辉虿钪递^小的居多，而疑慮指標的 敏感性。但從最大值與最小值之差約達 20%，說明不是敏感性問題。初值、終 值之差甚小反映了多次碾壓具有正反兩方面的作用；以最大值為界，前段為波 動上升階段，隨碾壓而密實化，而后段為波動衰減階段，隨過壓而局部損傷。 這恰恰反映了內(nèi)部規(guī)律性的變化。2.4碾壓的過程控制2.4.1路段狀態(tài)的演化與動態(tài)趨勢分析1）數(shù)據(jù)處理所關(guān)注的是路段的質(zhì)量，因此，首先按路段，將各點隨碾壓遍數(shù)的實測值，如表2-6,計算均值、標準差、變異系數(shù)，統(tǒng)計最大、最小值，如表 2-7,并繪制成圖，如圖 2-13、圖2-13、圖2

34、-15。表2-6沈山AC20響應(yīng)表點號去1回1去2回2去3回3去4回4137.8738.0644.4738.7343.8435.9542.6533.03236.8537.8244.6438.438.7137.8740.2431.98337.4333.8946.3139.7741.6333.6241.0933.94438.4634.4840.8233.2440.7433.3240.7432.3534.1334.8639.0833.9439.7832.8639.328.76633.1331.0439.4332.1136.9629.9236.3330.82732.3137.1744.0232.853

35、6.3135.3437.529.73832.3332.1136.1735.9935.1633.9836.9830.04933.7137.9340.7436.3438.5935.2138.2730.291035.1536.2542.0733.3239.7233.3836.8730.48%數(shù)系異變 8 6 4 2 0響應(yīng)均值 響應(yīng)最大值 f 響應(yīng)最小值 T變異系數(shù)0064208 642086444443 333322di值應(yīng)響續(xù)表點號去1回1去2回2去3回3去4回41135.1837.2541.935.7541.3634.25P 40.0232.231232.9234.837.0735.4838.

36、8632.7135.4332.391333.97P 34.7336.6932.6638.8629.99P 37.8229.751432.9236.5237.0935.5838.1633.5239.7532.251532.8432.7634.8927.9934.2232.183528.661635.2137.11440.9834.7540.1234.4337.8132.311734.6135.9841.2134.5441.0733.9138.3632.17表2-7沈山17點AC20各碾壓遍數(shù)響應(yīng)統(tǒng)計情況響應(yīng)統(tǒng)計一遍去一遍回二遍去二遍回三遍去三遍回四遍去四遍回均值34.648:35.45640.4

37、4634.79139.06433.67338.48031.243標準差1.9742.1233.3132.8102.4431.9482.0891.539變異系數(shù)%5.6975.9878.1918.0756.2555.7845.4304.926最大值38.460：38.06046.31039.77043.84037.87042.65033.940最小值32.31031.04034.89027.99034.22029.92035.00028.660極差6.1507.02011.42011.7809.6207.9507.6505.280沈山AC2測點碾壓遍數(shù)（奇為去，偶為回）圖2-13沈山AC20各測

38、點每遍的響應(yīng)均值、最大值、最小值和變異系數(shù)2）動力響應(yīng)波動三階段全面分析碾壓全過程動力響應(yīng)的變化，包括波動增長、動態(tài)變化、 波動衰減3個階段。波動增長是嵌擠化、密實化的過程；當多次振動碾壓出 現(xiàn)不同程度的棱角破損，集料碎裂等損傷時，進入衰減階段。合理的碾壓方案 應(yīng)不出現(xiàn)波動衰減階段，有效的過程控制方法應(yīng)從及時避免進入波動衰減階 段。3）波動類型由于各點材料與初始狀態(tài)的不均勻，所以各點的壓實性能并不相同，即使 碾壓過程各點的碾壓工藝操作完全均勻，統(tǒng)計值表達的各點總和，是欠壓、過 壓和正好三種情況的不同組合。沈山SMA16L測點碾壓遍數(shù)（奇為去，偶為回） 響應(yīng)均值響應(yīng)最大值一響應(yīng)最小值*變異系數(shù)2

39、086420 864433333 22直亠也幗圖2-14沈山SMA16各測點每遍的響應(yīng)均值、最大值、最小值和變異系數(shù)鐵嶺AC20第一測段測點碾壓遍數(shù)（奇為去，偶為回） 響應(yīng)均值響應(yīng)最大值r響應(yīng)最小值*變異系數(shù)%數(shù)系異變76 54 3 2 1 0直亠也幗圖2-15鐵嶺AC20各測點每遍的響應(yīng)均值、最大值、最小值和變異系數(shù)據(jù)此面控制所關(guān)注的波動上升與波動衰減兩個階段，還可分為A、B兩種類型（表2-8），控制的目標是B型。以波動衰減的B型為例，均值雖然有所下 降，變異系數(shù)的衰減表明極差在縮小，這時內(nèi)部損傷并不大，卻換得全路段整 體進一步的密實。表2-8波動階段分類波動階段波動上升波動衰減類型ABAB

40、均值f最大值f最小值f變異系數(shù)fJf狀況雖然總體增強， 但并不均勻、穩(wěn)定均勻穩(wěn)定 地增強內(nèi)部損傷擴展， 出現(xiàn)剪脹趨勢內(nèi)部損傷不多， 換來進一步的密實4）碾壓過程的四種狀態(tài)動力響應(yīng)的3個波動的階段定3種狀態(tài)，加上初始狀態(tài)，所以碾壓全過程 歷經(jīng)4個狀態(tài)，路段狀態(tài)的演化由初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)增態(tài)、動態(tài)而到終態(tài)?？?制并不是事后檢查，而是要從動態(tài)中作出趨勢性的判斷，控制終態(tài)；所以，試 拌試鋪宜包括4個狀態(tài)。242應(yīng)用實例1）AC 型由圖2-13到圖2-15,依托工程3個路段的波動階段分類如表 2-9。由圖2-13,沈山AC-20的碾壓已經(jīng)不宜再增，第4遍的最小值增長甚慢，而最大值已 出現(xiàn)負增長，也就是變異

41、系數(shù)雖在緩慢下降，是通過某些點的損傷來實現(xiàn)的； 而鐵嶺AC-20碾壓3遍即可，因為第4遍開始最大值很少增長而最小值已出現(xiàn) 負增長，因而導(dǎo)致變異系數(shù)的增大。表2-9碾壓過程趨勢判斷的工程驗證級配類型路段波動階段分類主要影響因素AC-20興城段波動衰減B型:集料混有較多不合格材質(zhì)，級配中度離析，少量重度AC-20鐵嶺段波動上升A型集料混有少量不合格材質(zhì)，級配中度離析SMA-16興城段波動衰減A型工藝參數(shù)不協(xié)調(diào)，級配中度離析再從動力響應(yīng)值來分析。如果說鐵嶺段碾壓4遍，最大動力響應(yīng)值達48.520 （圖2-15），沈山興城段為40.446 （圖2-13），包含了機型不同、動力響 應(yīng)值不能作為排序依據(jù)；

42、那么，為什么鐵嶺段的均值隨碾壓遍數(shù)增長，而興城 段第2遍出現(xiàn)最大值后隨接衰減呢？原因恰恰在材質(zhì)，課題組進入興城段時中 面層已接近尾聲，余料較差（總報告附錄1,附表1-5）。2）SMA 型興城SMA-16 （圖2-14）屬另一種情況，碾壓 3遍變異系數(shù)連續(xù)不斷增長 反映出碾壓工藝與材料壓實性能不太適應(yīng)，碾壓3遍空隙率波動6.210.3%，全部大于6% （見總報告表4-4），需重新調(diào)整工藝。3面向現(xiàn)實，簡化工程應(yīng)用3.1動態(tài)反饋系統(tǒng)控制概要狹義地說，動力響應(yīng)是一定材料（原材料與混合料組成等）、在一定碾壓工 藝（碾壓方式、機型、工藝參數(shù)等）和環(huán)境（溫度、基礎(chǔ)質(zhì)量等）條件下，用 以控制碾壓質(zhì)量（壓實度

43、及其均勻性）的一種方法，并不涉及最佳工藝選擇、 施工組織設(shè)計以及HMA的材料設(shè)計。上述3個實例表明動力響應(yīng)法有 潛在的 優(yōu)勢，在動態(tài)反饋系統(tǒng)控制理念的指導(dǎo)下，可以擴大功能，包括三個層次： 分析信息，預(yù)估趨勢；局限于碾壓遍數(shù)，現(xiàn)場組織以及個別工藝參數(shù)的實時反饋控制。 分析信息，面積定位；采取補救性的以及局部返工等措施。 分析信息，找出原因，提出改進方案，供下一部分工程應(yīng)用，即階段性 的動態(tài)反饋控制。第一層次，就事論事，局限于碾壓工序；第三層次，已涉及工程質(zhì)量的全 部；第二層次，雖不是全部，但已不受碾壓的局限，是針對具體問題的一種補 救。應(yīng)該說最適合當前國情的是階段性動態(tài)反饋控制；因為當前HMA質(zhì)量不均勻的原因往往是綜合的。明確究竟關(guān)鍵何在，其他各種因素所占的地位，以 及對策的針對性與協(xié)調(diào)平衡作用，才是 最為重要的。而對癥下藥的同時，也是 經(jīng)濟優(yōu)化的過程，這樣可以在眾多設(shè)備、方法之中，做出具有針對性的最佳選 擇。為實現(xiàn)階段性動態(tài)反饋系統(tǒng)控制，基礎(chǔ)仍然是信息論。為此，項目就HMA細觀分析等作了進一步的研究，并形成信息采集與分析技術(shù)各6項，并提出了系統(tǒng)控制調(diào)整的方法、步驟。由于簡本篇幅有限，故簡本定位于針對規(guī)范的支 持與補充，涉及階段