朱 应 山宏宇 关瑞士 张仁坤 王世平

(1.中海建筑有限公司 深圳 518057； 2.中南大学土木工程学院 长沙 410075)

作为沥青路面施工中的关键工序之一，压实质量与路面性能和耐久性有密切的关系。压实质量的好坏将对路面的密度、均匀性、平整度、厚度，以及集料的骨架结构产生直接影响[1]。

压实度是评价路面路用性能及施工期间进行压实质量控制的重要指标。目前，沥青混合料的压实度检测方法主要有传统的钻芯取样方法、数值模拟方法和智能压实方法。传统的钻芯取样方法虽然可以精确地测得芯样的密度或压实度，但是钻芯取样存在很大的随机性和滞后性，而且破坏了路面的完整性[2]。于是有学者采用数值模拟的方法来预测沥青混合料压实质量[3]，然而，现有的数值模拟方法基本上局限于模拟实验室压实试验，难以真正模拟复杂的现场压实过程，而且，数值模型的复杂程度严重降低了其计算效率和精度[4-5]。随着振动压路机的普及和传感器的发展，近几十年提出了一种智能压实(IC)方法，可以根据压路机响应反映的IC测量值(ICMV)无损实时地监测路面压实度[6-7]。然而，因为受到混合料类型、基层类型和压路机型号的影响，徐光辉等[8]研究发现ICMV与现场实测数据的相关性较差，无法准确地表征沥青混合料的压实度。为保证铺层材料达到目标压实度和均匀性，需要着重关注混合料由松散状态到密实状态过程中集料颗粒的运动状态[9-10]。由于沥青路面振动压实效果受到路面材料、碾压层位，以及温度的影响，因此，本文采用智能颗粒探究(SmartRock)下、中、上不同面层沥青混合料内部的动力响应变化规律，对比分析各面层沥青混合料的压实特性。

1 现场试验测试方案

现场试验路段位于某高速公路的LM-3、4标段，该路段为双向六车道高速公路，路面的下、中、上面层分别采用AC-25、AC-20和AC-13沥青混合料，级配曲线和油石比见图1。

图1 各面层的级配曲线

现场试验沥青混合料振动压实使用的振动压路机为戴纳派克双钢轮振动压路机(Dynapac CC624HF)，其工作参数见表1。

表1 Dynapac CC624HF相关参数

1.1 智能颗粒埋设方案

为了探究沥青混合料在碾压过程中的颗粒运动状态，研究碾压过程中沥青混合料内部响应指标的变化规律，埋设智能颗粒于松散的沥青混合料中，实时采集碾压过程中的响应数据。智能颗粒是一种超小型耐高温传感器，尺寸与沥青混合料的粗集料相近，颗粒外壳与沥青具有较好的相容性和黏结性。智能颗粒通过无线连接方式以100 Hz(每个数据点10 ms)的采样频率将混合料颗粒动力响应数据传输到电脑进行可视化处理和分析，本文使用的智能颗粒的尺寸为27 mm×27 mm×27 mm，见图2a)。为了避免颗粒与中面层顶部直接接触或压路机钢轮直接作用于颗粒，摊铺机摊铺沥青混合料后，用小铲挖开小洞，将颗粒置于碾压层的中部位置(深度方向)，见图2b)。为了方便处理数据，颗粒埋设时使颗粒的Z轴、Y轴和X轴分别对应现场竖直方向、道路横向和行车方向，沿着振动碾压方向间隔10 m位置埋设第二颗智能颗粒。

图2 智能颗粒(尺寸单位：mm)

1.2 振动碾压试验方案

现场试验碾压施工时，沥青混合料采用VOGELE super-2100摊铺机进行摊铺。摊铺完成后，在预设的测试点埋设智能颗粒，埋设完成后对测试点进行标记，以便压实度定位测量和表面温度测量。智能颗粒对碾压过程中混合料的内部响应进行采集，通过连接WDQ1信号接收器的笔记本电脑接收现场数据。HCF传感器采集的振动轮的加速度信号通过USB网关传输至笔记本电脑。由于压路机的振动频率为51 Hz，所以智能颗粒的采样频率设置为100 Hz。压路机距离测试点约10 m处时开始采集记录数据，直至压路机完成该路段的重复碾压，每次振动压路机碾压过后，采用无核密度仪、FLIR全球红外热成像仪和TP700多路数据记录仪分别进行压实度测量、路表温度测量和内部温度测量。现场布置图见图3。

图3 试验方案与现场布置

路面压实分为初压、复压和终压。碾压遵循“先静压后振动，均匀压实”的原则。由于复压是沥青路面压实度形成的主要阶段，本试验主要测试复压阶段，复压阶段采用振动压路机均匀行驶，速度为5.4 km/h。

2 基于智能颗粒的沥青路面振动碾压动态响应

2.1 沥青混合料温度变化

一般来说，温度对沥青混合料的压实性能影响较大：碾压温度过高，沥青混合料压实施工时容易产生横向裂纹甚至严重推移，从而导致路面平整度差；反之，碾压温度过低时，沥青混合料则难以被压实，导致沥青混合料孔隙率大于目标孔隙率。所以，沥青混合料的现场碾压温度会直接影响沥青混合料的压实质量。沥青混合料碾压时，其施工温度一般受到拌和出料温度、当地气温、风速、下承层温度等的影响。为了研究不同面层压实施工时的温度变化规律，对各面层碾压施工时进行了表面温度和内部温度测量，温度测试数据分布图见图4。

图4 现场混合料温度

由图4a)可见，摊铺完成后，沥青混合料路表温度在碾压过程中不断下降，碾压完成时最低温度约为90 ℃。其中上、中、下面层的路表温度降幅分别为34.82%、39.31%和34.65%，而且不同面层的温度变化规律相似，随着碾压遍数逐渐降低。由此可见，振动压实施工期间，当出料温度相近时，混合料表面的温度变化主要与当地气温和风速有关。而从图4b)可以发现，埋入温度传感器后，碾压过程中不同面层的沥青混合料内部温度变化规律均是先增大后减小，其中上面层混合料的内部温度最早开始出现温度下降拐点，而下面层内部温度则最迟出现温度下降。这说明沥青混合料的粒径及结构层厚度越大，压实施工期间其混合料内部温度越不容易散失。因此，为保证沥青路面的压实效果，散热速度更快的薄面层需要提高其压实施工效率。

2.2 沥青混合料加速度对比分析

根据带通滤波方法，对沥青混合料内部响应现场实测数据进行处理，得到各面层每次碾压后的加速数据，结果见图5。

图5 沥青混合料各层加速度时程曲线

由图5可知，每遍振动碾压时Z、X和Y方向上均有明显的加速度振动响应。当振动压路机的振动轮碾压至智能颗粒正上方时，其3个方向的加速度均出现明显的峰值波动，并在竖向Z方向上的峰值波动最大，而其余2个水平方向加速度的峰值波动较小。由此可见，振动碾压过程中沥青混合料的加速度响应主要集中在竖直方向上。

将3个方向的加速度时程曲线中每遍碾压时的峰值绘制成散点图，并采用MATLAB的拟合程序对加速度峰值分别进行曲线拟合，下、中、上面层的拟合结果见图6。由图6可见，随着振动碾压的进行，各面层的加速度峰值整体上均呈递减的变化趋势。以下面层混合料的加速度为例，第一遍碾压时，Z方向、X方向和Y方向的加速度峰值分别是0.910 8g、0.615 7g和0.115 1g，而第七遍碾压时，3个方向的加速度分别是0.164 6g、0.115 4g和0.0165 6g。因为摊铺后的沥青混合料处于松散状态，所以前期碾压时集料颗粒运动剧烈，前3遍振动碾压时加速度急剧下降，而后沥青混合料密实骨架基本形成，加速度变化基本趋于稳定。

此外，从3个方向的加速度峰值可以看出集料颗粒的加速度主要集中在竖直方向(Z方向)和碾压方向(X方向)。而且这2个方向加速度拟合曲线的相关系数较大，而道路横向(Y方向)的加速度与压实遍数的相关性较低。这是因为沥青混合料竖直方向和碾压方向分别受到振动压路机的竖向压实力和行车方向的推挤力，而道路横向没有明显的作用力，导致该方向数据较离散。

图6 沥青混合料各层加速度峰值拟合

由上述分析讨论可知，在沥青混合料的振动压实过程中，振动压路机的竖向作用力(自重和激振力)是混合料压实功的主要来源；同时，行驶中的振动压路机在碾压方向上也会产生推挤力，这也在一定程度上有助于混合料密实。于是，通过分析Z方向和X方向加速度峰值来对比不同面层沥青混合料的实测加速度。通过不同面层竖直方向和碾压方向的拟合曲线可以看出，加速度a随碾压遍数N的变化规律均可以用幂函数型公式表示为

a=nNp+q

式中：n、p、q为系数。

为了进一步研究加速度与混合料压实性能的关系，更加直观地研究加速度随碾压遍数的变化规律，对拟合曲线的横坐标进行对数化，从而得到了加速度与碾压遍数的直线拟合曲线，其中直线的斜率|k|可以表达沥青混合料的压实性能，即|k|越大，沥青混合料有更好的压实性能，能更快地形成稳定密实结构。

根据横坐标取对数后的拟合曲线及拟合公式见图7。

图7 加速度拟合曲线

由图7可见，下面层拟合曲线的斜率|k|下面层最大，|k|上面层最小，也就是说，振动压实过程中下面层沥青混合料的加速度随碾压遍数的变化速度比上面层快。这说明现场碾压时下面层的沥青混合料可以较快地形成稳定的骨架结构。需要指出的是，更快地形成骨架结构，并不意味着更高的压实度，骨架结构主要由粗骨料相互嵌挤形成，而下面层混合料的粒径较大，使得下面层能更快地形成骨架结构，稳定地骨架结构导致混合料内部的粗集料难以移动，吸收较多来自振动压路机的压实能，表现为压实困难，则需要更多的压实遍数。

3 结语

本文通过沥青路面各面层现场振动碾压试验，对不同面层在振动压路机作用下的动力响应规律进行了对比分析。在现场试验过程中，设计了智能颗粒埋设方案和振动碾压方案，采集了碾压层沥青混合料的内部加速度数据和压路机的振动加速度数据，并对数据进行了滤波处理。同时，采用TP700多路记录仪和FLIR热成像仪对碾压混合料的内部温度和表面温度进行监测，得到以下结论。

1) 在沥青混合料的碾压过程中，当出料温度相近时，混合料表面的温度变化主要与当地气温和风速有关，各面层的表面温度变化规律基本一致；而不同面层的沥青混合料内部温度变化规律是先增大后减小，其中上面层混合料的内部温度最早开始出现温度下降。这说明沥青混合料的粒径及结构层厚度越大，压实施工期间其混合料内部温度越不容易散失，那么薄面层则需要更快的压实速率。

2) 根据现场实测的混合料加速度数据，对竖直方向、碾压方向和道路横向的加速度进行了相关度分析和拟合，其中竖向加速度与压实遍数的拟合度最高，而且竖向加速度最大，碾压方向的加速度较小，而道路横向的加速度最小，也是最离散的，因为该方向没有明显的作用力，而竖直方向和碾压方向受到压路机的激振力和推挤力作用。

3) 通过对比分析下、中、上不同面层沥青混合料的实测加速度，可以明显发现|k|下面层最大，|k|上面层最小，这表明振动压实过程中下面层沥青混合料的加速度随碾压遍数的变化速度比上面层快，也就是说下面层混合料较快形成骨架结构，导致颗粒较难移动，吸收更多来自压路机的压实能，表现为压实困难，则需要更多的压实遍数。