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(xiàng)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(bào)告簡(jiǎn)本瀝青路面工程質(zhì)量變異性控制管理系統(tǒng)研究報(bào)告簡(jiǎn)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(jìn)行了多方面的努力?！皯?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(wèn)題并沒(méi)有得到根本的解決，水損害問(wèn)題仍然沒(méi)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(shí)沒(méi)有損壞，對(duì)瀝青混合料的使用性能也有嚴(yán)重的影響。”“離析是混合料粗細(xì)集料和瀝青含量的不均勻

2、，偏離了設(shè)計(jì)級(jí)配，從而使配合 比設(shè)計(jì)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(duì)遼寧沈山、鐵四兩條公路瀝青加鋪層大修 工程進(jìn)行了實(shí)測(cè)；又查閱了 2002年49月結(jié)合上海市科技發(fā)展基金重點(diǎn)項(xiàng)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(cè)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(rèn)：瀝 青混合料“離析及不均勻問(wèn)題并沒(méi)有得到根本的解決”的論斷依然存在。分析原因之前，有兩點(diǎn)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(jì)；因此，研究?jī)?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(gè)關(guān)鍵所在，因而有利于推進(jìn)20世紀(jì)80年代以來(lái)，因變異過(guò)大，路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)暫緩的現(xiàn)實(shí)。（2）離析還是專指組成的不均勻?yàn)楹?，即混合料粗?xì)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(wèn)題并沒(méi)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(jì)的瀝青混合料 沒(méi)有工藝特性指標(biāo)的約束HMA沒(méi)有一個(gè)像水泥混凝土坍落度那樣的工藝指標(biāo)；為了與現(xiàn)場(chǎng)工藝條件 協(xié)調(diào)，配合比必然要有一個(gè)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(wèn)題沒(méi)能根本解決與監(jiān)控不力密切相關(guān)，因?yàn)楝F(xiàn)行的檢測(cè)抽樣存在隨 意性。規(guī)范條文指出“

4、鉆孔測(cè)試壓實(shí)度都是事后檢查，且報(bào)告弄虛作假”，所以需要以定量統(tǒng)計(jì)的面控為基礎(chǔ)，針對(duì)薄弱部位實(shí)現(xiàn)確定性的定點(diǎn)檢測(cè)，才能把 住關(guān)并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。但是，并沒(méi)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(guò)大量包括原材料規(guī)格質(zhì)量的工藝對(duì)策研究，在解決問(wèn)題方面，已經(jīng)積 累有許多方法和經(jīng)驗(yàn)，但是總體來(lái)說(shuō)方法往往比較孤立，經(jīng)驗(yàn)還是具有局限 性。例如JTG F40-2004,就瀝青路面的壓實(shí)，改變?yōu)椤安扇≈攸c(diǎn)對(duì)碾壓工藝進(jìn) 行過(guò)程控制，適度鉆孔抽檢壓實(shí)度的方法”，雖然條文對(duì)碾壓工藝規(guī)定詳細(xì)，但 即使局限于碾壓，也缺乏一個(gè)能針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行協(xié)調(diào)的、定量的、 可操作的過(guò)程控制方法。1.3指導(dǎo)思想從歷史的角度而言

5、，新形勢(shì)、新問(wèn)題需要新理念、新方法。高速交通對(duì)路面抗滑、抗轍、防噪音等功能的要求，自 20世紀(jì)60年代起 以專題命名的國(guó)際會(huì)議，無(wú)論名稱、內(nèi)容與數(shù)量，不斷擴(kuò)大；但是，直到1993年具有權(quán)威性的瀝青路面國(guó)際會(huì)議（第七屆）才第一次涉及路面表面功能，大 會(huì)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(bào)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(qiáng)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(qiáng)調(diào)了抗滑、平整度等 功能要求，而新頒布的JTJ 032-94對(duì)級(jí)配又提供了一個(gè)較寬而又能

6、偏粗的允許 范圍。所設(shè)計(jì)的HMA，雖然結(jié)構(gòu)性使用性能與抗滑滿足試驗(yàn)要求，殊不知其級(jí) 配離析特性與壓實(shí)性能已經(jīng)發(fā)生了變化。歷史經(jīng)驗(yàn)表明，路面工程是一個(gè)多因素相互矛盾而又統(tǒng)一的動(dòng)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(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量變異 的控制。為此：第一，實(shí)施變異的控制 首先要分析清楚變異的來(lái)源與分布。歸納研究動(dòng)態(tài)，當(dāng)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(lái)源于施工過(guò)程的認(rèn)識(shí)。這有它對(duì)的一面，因?yàn)闉r青混 合料隨工藝過(guò)程而變化（見(jiàn)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：?jiǎn)渭?按使用性能、沒(méi)有工藝指標(biāo)約束所設(shè)計(jì)出來(lái)的HMA組成，就是瀝青路面變異的另一個(gè)重要來(lái)源。圖1-1瀝青混合料隨工藝過(guò)程的變化對(duì)于變異的分布，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是缺乏研究，因?yàn)樗鶞y(cè)定的級(jí)配曲線各粒級(jí)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(diǎn)HMA組成結(jié)構(gòu)變異的分布。定量統(tǒng)計(jì)路段變異分布的重要意義在于 它不僅是由面檢到點(diǎn)檢的基礎(chǔ)；而且是找準(zhǔn)原因，從而落實(shí)對(duì)策針對(duì)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(xì)觀兩類信息。宏觀 的信息是路段各點(diǎn)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。以什么為指標(biāo)！密度、構(gòu)造深度還是力學(xué) 指標(biāo)？為了分析原因還需要的

8、內(nèi)部指標(biāo)傳統(tǒng)用抽提試驗(yàn)和密度，然而無(wú)法及時(shí) 反饋，因?yàn)榇綔y(cè)定出來(lái)，工程已經(jīng)進(jìn)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(jìn)程課題研究以上述3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)。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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、研究；為深入分析較為全面 而系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，2006-2007年集中開展了以離析評(píng)價(jià)體系與組成結(jié)構(gòu)細(xì)觀分 析為中心的基礎(chǔ)研究；直到 2007年秋，基于兩個(gè)基礎(chǔ)研究的突破，才有可能重 點(diǎn)進(jìn)行整合性的研究，從而實(shí)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(biāo)，

9、不僅在于其包容性、無(wú)破損，更因?yàn)榭梢耘c工藝過(guò)程控制相結(jié)合，這是由于在振動(dòng)壓路機(jī)上的加速度動(dòng)力響應(yīng)測(cè) 定裝置所采集的信息是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、工藝全過(guò)程的信息。因?yàn)槟雺旱某跏紶顟B(tài) 沉淀了碾壓前各工藝過(guò)程的信息。所以它的意義可以超越智能壓路機(jī)所定的目 標(biāo)，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(yàn)等傳統(tǒng)方法相比，優(yōu)勢(shì)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(jí)配離析評(píng)價(jià)體系的建立，并作為一個(gè)信息，融合于反饋控制，也使動(dòng)態(tài)反饋控制不再停留在施工過(guò)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(duì)高速公路瀝

10、青路面工程，提出一套具有過(guò)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(gè)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(biāo)評(píng)價(jià) HMA的離析特性； 以加速度動(dòng)力響應(yīng)為指標(biāo)評(píng)價(jià)碾壓過(guò)程 HMA組成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化； 以孔洞分布為指標(biāo)評(píng)價(jià)HMA空隙結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)； 以紅外攝像的溫度場(chǎng)分布為指標(biāo)評(píng)價(jià)工藝過(guò)程溫度分布狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變 化； 以激光構(gòu)造深度比為指標(biāo)評(píng)價(jià)竣工后路面現(xiàn)場(chǎng)的不均勻性； 以數(shù)字圖像法的D2與A2、B與為指標(biāo)評(píng)價(jià)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(jì)層面對(duì)級(jí)配離析的控制； 控制

11、級(jí)配微分布的方法與標(biāo)準(zhǔn)； 瀝青層路段碾壓的過(guò)程控制； 在面控的基礎(chǔ)上實(shí)施選點(diǎn)檢測(cè)； 基于紅外攝像法路段溫度場(chǎng)的檢測(cè)，進(jìn)行場(chǎng)的控制； 基于宏觀與細(xì)觀信息調(diào)整系統(tǒng)控制。需要說(shuō)明：所建的配套技術(shù)是對(duì)已有的補(bǔ)充與發(fā)展，而不是取代。配 套技術(shù)可不同的組合以針對(duì)不同的情況。簡(jiǎn)本以對(duì)規(guī)范的“支持”與“補(bǔ)充” 為重點(diǎn)。2對(duì)規(guī)范的支持與補(bǔ)充2.1規(guī)范JTG F40-2004的兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)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(diǎn)認(rèn)識(shí)在條文說(shuō)明中得到了明確：針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外莫不以“按使用性能設(shè)計(jì)HMA”為指導(dǎo)思想，條文說(shuō)明5.3.1指出“ 一個(gè)好的設(shè)計(jì)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(shí)”。針對(duì)早期損壞，條文說(shuō)明11.4.7指出“瀝青路面成敗與否，壓實(shí)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(shí)不足有關(guān)，因 此壓實(shí)度的評(píng)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(shí)度，采取重點(diǎn)對(duì)碾 壓工藝進(jìn)行過(guò)程控制，并適度鉆孔抽檢壓實(shí)度的方法”。上述兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)對(duì)于 HMA組成結(jié)構(gòu)變異是要害；改進(jìn)措施基于發(fā)現(xiàn)了原有 方法的問(wèn)題，修訂有理，會(huì)有一定效果，但未必能解決問(wèn)題。項(xiàng)目合同規(guī)定“提出一套具有過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)范的“支持”與“補(bǔ) 充”作為檢

13、驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，而兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)指明了重點(diǎn)。2.2從設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)對(duì) HMA級(jí)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(guò)了使用性 能多指標(biāo)試驗(yàn)研究的多碎石瀝青混合料（SAC ）出現(xiàn)水損害是有爭(zhēng)論的?，F(xiàn)在分析反映出級(jí)配離析問(wèn)題的根據(jù)，不僅僅在當(dāng)年實(shí)測(cè)空隙率、級(jí)配變異，而是 用級(jí)配離析研究所得出的回歸公式，對(duì)SAC滬寧高速建議值（1995年）與SAC修訂完善后的建議值（2001年），計(jì)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(biāo)，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(jì)對(duì)消除離析是重要的”。為

14、什么沒(méi)有提出設(shè)計(jì) 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(píng)價(jià)指標(biāo)與方法。文獻(xiàn)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(píng)價(jià)，但是 HMA是具有一定粘性的散粒體。沒(méi)有搜索到這種非 理想散粒體離析特性的研究報(bào)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(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，由美國(guó)理論物理所 1987年提出。這是為解釋無(wú)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(dòng)力系統(tǒng)的普遍原則，已成為現(xiàn)代非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)最 基本的概念之一。表2-1 SAC-16級(jí)配設(shè)計(jì)的發(fā)展一覽表Pi :通過(guò)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(yàn)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(chǎng) 檢測(cè)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(píng)價(jià)的方法計(jì)算滬寧高速不同時(shí)期的離析特性指標(biāo)時(shí)期 粗粒級(jí)/中粒級(jí)細(xì)粒級(jí)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(jí)配混合料離析試驗(yàn)（料堆法）正因?yàn)榧?jí)配離析是散粒體的固有屬性，為評(píng)價(jià)這一特性就需要在簡(jiǎn)化受力 的同時(shí)創(chuàng)造一個(gè)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(biāo)的靈敏度與重現(xiàn)性。試驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖2-1。操作方法見(jiàn)指南的附錄?；诮y(tǒng)計(jì)物理學(xué)的計(jì)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(yàn)分區(qū)個(gè)數(shù)，如果本試驗(yàn)中只選取“前”、“頂”、“后”、“左”、“右”五個(gè)分區(qū)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，則 Nr=5;n為集料組分個(gè)數(shù)，即篩孔尺

18、寸個(gè)數(shù)；pi為第i個(gè)篩孔尺寸下的標(biāo)準(zhǔn)百分比含量（未離析的），%;pij為第i個(gè)篩孔尺寸的集料，在第j個(gè)分區(qū)內(nèi)的百分比含量（離析后 的），。2.2.3三層次評(píng)價(jià)體系為評(píng)價(jià)HMA級(jí)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(chǎng)施工傳遞、設(shè)計(jì) 配比發(fā)生變異的評(píng)價(jià)體系。集料級(jí)配離析的評(píng)價(jià)改用滑板法（圖2-2），因集料無(wú)粘性，在按料堆法前、后、中、左、右 5個(gè)分區(qū)取樣時(shí)容易出現(xiàn)滑落崩塌的干擾；并經(jīng)比較試驗(yàn)，滑板法與料堆法總體規(guī)律一致圖2-2滑板法的試驗(yàn)設(shè)備瀝青路面離析評(píng)價(jià)體系以 NCAT為基礎(chǔ)（表2-3），對(duì)依托工程各段按級(jí)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(píng)價(jià)指標(biāo)及其容許變化范圍檢測(cè)指標(biāo)輕度離析中度離析重度離析級(jí)配變化一個(gè)篩孔5%兩個(gè)篩孔10% :四個(gè)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(jí)配均方差的統(tǒng)計(jì)路段類型離析程度最大值最小值均值標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)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(chǎng)取樣的均方差；Sb為料堆法HMA級(jí)配離析的均方差；Sg為料堆法集料級(jí)配的均方差；ka和kg為相應(yīng)的換算系數(shù)。相對(duì)頻數(shù)相對(duì)頻數(shù)0.80.70.60.50.40.30.20.12)相對(duì)頻數(shù)0單滑 合成級(jí)配-0-1 -2 '3 -4 5 6 7 8 9 101!1213115*1617(3

22、)(1)(2)0.8相 對(duì) 頻 數(shù):n:nLiinDi1inJn IIi i4.751.18 0.60.70.60.50.40.3單滑 合成級(jí)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(píng)價(jià)體系相關(guān)要素一覽表級(jí)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(chǎng)，故有一個(gè)波動(dòng)范圍。SB與Sg來(lái)自試驗(yàn)測(cè)定；取兩種級(jí)配類型，AC-20與SMA-16，分別采用料堆法與 滑板法進(jìn)行符合規(guī)范建議值范圍內(nèi)的無(wú)瀝青與有瀝青時(shí)的混合料的級(jí)配離析試驗(yàn)，包括上限、中值、下限、走向I、走向U共 5種級(jí)配；對(duì)于Sa,每種級(jí)配 按料堆前、中、后、左、右 5個(gè)分區(qū)取樣抽提試驗(yàn)，與各自的初始級(jí)配相比， 經(jīng)計(jì)算共得25個(gè)均方差，表2-5的Sa為總平均；對(duì)于Sg按滑板法的6個(gè)分區(qū) 篩分，與各自的初始級(jí)配比較，經(jīng)計(jì)算得

24、 6個(gè)均方差，表2-5的Sg為總平均。2.2.4初步結(jié)論HMA級(jí)配是一個(gè)復(fù)雜性問(wèn)題，隨著條件而千變?nèi)f化，因此重要在于建立一 個(gè)能反映其自身特性的評(píng)價(jià)體系，按自組織原則建立起來(lái)的HMA級(jí)配離析評(píng)價(jià)方法，從現(xiàn)有試驗(yàn)范圍來(lái)看，有良好的敏感性、重現(xiàn)性、規(guī)律性；即便試驗(yàn) 的工作量不小，從全局而言仍屬小樣本，但畢竟提供了一個(gè)從無(wú)到有的良好開 端和擴(kuò)大應(yīng)用改進(jìn)完善的工作基礎(chǔ)。(1)抗離析級(jí)配的基本原則: 相鄰多粒級(jí)的無(wú)粘性集料，其離析程度遠(yuǎn)小于非相鄰粒級(jí)的集料(圖2- 3,圖 2-4)。 由于粘性的存在細(xì)粒級(jí)在 HMA基本上不離析，而在無(wú)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(jí)

25、配的抗離析特性（圖 2-5）(1)集料級(jí)配混合料(2)瀝青混合料圖2-5 AC-20規(guī)范中值為設(shè)計(jì)級(jí)配經(jīng)料堆法空間 5個(gè)區(qū)的分布 HMA抗離析級(jí)配設(shè)計(jì)的基本原則與連續(xù)級(jí)配原則的干涉一填充理論不同，宜“以中粒級(jí)為主，控制粗粒級(jí)與細(xì)粒級(jí)的用量 ”。由圖2-6,細(xì)觀分析證明，已經(jīng)是骨架-密實(shí)型的，要注意提高c值；已經(jīng)是懸浮-密實(shí)型的要注意提高 ©值；即粗細(xì)要協(xié)調(diào)懸浮-密實(shí)型口骨架-密實(shí)型- -I骨架-密實(shí)型8 - )7.5-m 7D 6.56 -懸浮-密實(shí)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(yàn)證與檢驗(yàn) 采用SAC作為驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，如表2-2。 對(duì)SMA-16型HMA的檢驗(yàn)表明，以均方差為指標(biāo)的級(jí)配離析小于AC型，但對(duì)空隙率的敏感性甚為顯著，必須分類提出離析標(biāo)準(zhǔn) 用離析試驗(yàn)（包括離析程度以及不同離析程度下取樣的使用性能測(cè)定）表明對(duì)AC-20型HMA而言，可分為三種情況：因粘性的存在一般級(jí)配離析并 不嚴(yán)重，但在證明確實(shí)存在抗離析的級(jí)配同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了當(dāng)粗、中、細(xì)三檔 粒 級(jí)不協(xié)調(diào)時(shí)出現(xiàn)了突變。目前發(fā)現(xiàn)的突變與級(jí)配曲線走向有關(guān)，這說(shuō)明現(xiàn)行的 級(jí)配建議值范圍的提法并不合理，它沒(méi)能排除突變類。 增加瀝青混合料拌合廠的熱倉(cāng)，

27、與 調(diào)整熱倉(cāng)粒級(jí)配置，既提高了微分布 的精度，也用以適應(yīng)按“以中粒級(jí)為主，控制粗粒級(jí)與細(xì)粒級(jí)用量”原則設(shè)計(jì)配合比后，微分布的變動(dòng)。 NAPA1997年對(duì)于斷級(jí)配、S型混合料離析特性 過(guò)于否定，但國(guó)內(nèi)有些 對(duì)于S型也過(guò)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(gè)合理的 評(píng)價(jià)級(jí)配離析試驗(yàn)方法十分重要。3）應(yīng)用在為實(shí)現(xiàn)按使用性能與工藝特性統(tǒng)一的原則設(shè)計(jì) HMA，當(dāng)前可用離析評(píng)價(jià) 體系、方法、指標(biāo)，檢驗(yàn)已有的 HMA設(shè)計(jì)方案。2.3在面控的基礎(chǔ)上實(shí)施選點(diǎn)檢測(cè)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(cè)選點(diǎn)時(shí)的隨意性。理想的方 式是基于面控的選點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)此較有前景的有如下三類；各有不同的

28、優(yōu)缺點(diǎn)， 正處于不斷改進(jìn)之中。 寄予厚望的核子密度儀，因測(cè)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(dāng)前試用的無(wú)核密度儀所代替，但需要多次測(cè)定方可連續(xù)成網(wǎng)供 選點(diǎn)之用。 通過(guò)構(gòu)造深度比，無(wú)論是激光法、數(shù)字圖像法，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)熱 點(diǎn)；本課題結(jié)合國(guó)情給出了均勻區(qū)域構(gòu)造深度的預(yù)估模型，分類標(biāo)準(zhǔn)有所改 進(jìn)。 連續(xù)檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)在于：將傳感器裝在壓路機(jī)上，為檢測(cè)選點(diǎn)所提供的連續(xù)測(cè)定數(shù)據(jù)也就是碾壓過(guò)程的信息。碾壓難以獲得的過(guò)程信息，可通過(guò)反饋 分析發(fā)展為供全過(guò)程的工程質(zhì)量控制所用。壓實(shí)計(jì)法早在20世紀(jì)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(hào)分析，指標(biāo)沒(méi)有明確 的物理

29、意義，影響到擴(kuò)大工程應(yīng)用。232選擇動(dòng)力響應(yīng)法為主，配合構(gòu)造深度比振動(dòng)壓路機(jī)在無(wú)約束的理想狀態(tài)下呈簡(jiǎn)諧振動(dòng)，響應(yīng)信號(hào)為規(guī)則的正弦波，但 當(dāng)位于被壓材料之上，由于來(lái)自材料的作用力（F）呈現(xiàn)復(fù)雜的振動(dòng)形態(tài)，頻率 成分隨之變化，產(chǎn)生諧波。不同的被壓材料，當(dāng)加速度傳感器安裝在振動(dòng)輪 軸，由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)頻譜分析，頻譜圖大致歸納為5類。細(xì)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(shí)孤 立信號(hào)分析的局限性，需采用動(dòng)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?jǐn)?shù)諧波的頻譜圖圖2-11頻率比較復(fù)雜的頻譜圖無(wú)論是室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)壓、壓實(shí)過(guò)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(cè)定校核；壓路機(jī)振動(dòng)質(zhì)量（ M）已知，x （振 動(dòng)加速度）由加速度傳感器測(cè)定，F(xiàn)為系統(tǒng)的抗力，即被壓材料對(duì)施力體的反作用力。反力F隨壓密而不斷增長(zhǎng)，隨過(guò)壓損傷而衰減。上式可用非線性振動(dòng)理論進(jìn)行數(shù)值模擬；也是由&用動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)碾壓質(zhì)量識(shí)別的理論根據(jù)。b）現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)c）動(dòng)力學(xué)模型圖2-12振動(dòng)壓實(shí)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(jí)公

31、路碎石土路基（1998 2000）和沈大高速公路擴(kuò)建，大量采用砂礫、山皮、石渣路基填料（20012004），動(dòng)力響應(yīng)法歷經(jīng) 黑龍江與遼寧兩次立項(xiàng)路基壓實(shí)度質(zhì)量控制的研究，雖然兩個(gè)項(xiàng)目鑒定都有較 高的評(píng)價(jià)，由于公路路基深受壓實(shí)度理念和傳統(tǒng)的束縛，只是因?yàn)樘盍系牧Ａ?含量甚高，作為超出規(guī)范范圍，而又急需解決的特殊問(wèn)題來(lái)處理。但是信息傳 到鐵路行業(yè)，上下都十分重視，決定進(jìn)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(cè)推廣應(yīng)用的工作安排。公路行業(yè)采用壓實(shí)度為指標(biāo)的傳統(tǒng)可以追溯到細(xì)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(jí)配離析是其基 本屬性，因此壓實(shí)度的分

32、母 不再是常數(shù)；第二，細(xì)粒土最大密實(shí)度、最佳含水 量下最穩(wěn)定的規(guī)律也 不再適用。和碾壓過(guò)程聯(lián)系的動(dòng)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(dòng)態(tài)變化！即便如此，還是存在有不同的疑 慮，對(duì)此探討的結(jié)論: 關(guān)于有序作業(yè)確實(shí)，緊跟攤鋪機(jī)往往以有序開始的碾壓作業(yè)，逐步變?yōu)闊o(wú)序。有序不是 為了采用動(dòng)力響應(yīng)法；無(wú)序必然形成過(guò)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(gè)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(zhǔn)線應(yīng)該是斜的。第二，由于定位系統(tǒng)的費(fèi)用過(guò)高，用人 為控制，就要及時(shí)分段校正誤差。 關(guān)于溫度的影響溫度有影響，但是80C時(shí)溫度對(duì)動(dòng)力相應(yīng)的影響不影響總體

33、規(guī)律，詳見(jiàn)總 報(bào)告3.4。 關(guān)于敏感性動(dòng)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(biāo)的 敏感性。但從最大值與最小值之差約達(dá) 20%，說(shuō)明不是敏感性問(wèn)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(dòng)上升階段，隨碾壓而密實(shí)化，而后段為波動(dòng)衰減階段，隨過(guò)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(guò)程控制2.4.1路段狀態(tài)的演化與動(dòng)態(tài)趨勢(shì)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(diǎn)隨碾壓遍數(shù)的實(shí)測(cè)值，如表2-6,計(jì)算均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，統(tǒng)計(jì)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(diǎn)號(hào)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(diǎn)號(hào)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(diǎn)AC20各碾壓遍數(shù)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)情況響應(yīng)統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)點(diǎn)碾壓遍數(shù)（奇為去，偶為回）圖2-13沈山AC20各測(cè)

38、點(diǎn)每遍的響應(yīng)均值、最大值、最小值和變異系數(shù)2）動(dòng)力響應(yīng)波動(dòng)三階段全面分析碾壓全過(guò)程動(dòng)力響應(yīng)的變化，包括波動(dòng)增長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)變化、 波動(dòng)衰減3個(gè)階段。波動(dòng)增長(zhǎng)是嵌擠化、密實(shí)化的過(guò)程；當(dāng)多次振動(dòng)碾壓出 現(xiàn)不同程度的棱角破損，集料碎裂等損傷時(shí)，進(jìn)入衰減階段。合理的碾壓方案 應(yīng)不出現(xiàn)波動(dòng)衰減階段，有效的過(guò)程控制方法應(yīng)從及時(shí)避免進(jìn)入波動(dòng)衰減階 段。3）波動(dòng)類型由于各點(diǎn)材料與初始狀態(tài)的不均勻，所以各點(diǎn)的壓實(shí)性能并不相同，即使 碾壓過(guò)程各點(diǎn)的碾壓工藝操作完全均勻，統(tǒng)計(jì)值表達(dá)的各點(diǎn)總和，是欠壓、過(guò) 壓和正好三種情況的不同組合。沈山SMA16L測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(cè)段測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(dòng)上升與波動(dòng)衰減兩個(gè)階段，還可分為A、B兩種類型（表2-8），控制的目標(biāo)是B型。以波動(dòng)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(shí)內(nèi)部損傷并不大，卻換得全路段整 體進(jìn)一步的密實(shí)。表2-8波動(dòng)階段分類波動(dòng)階段波動(dòng)上升波動(dòng)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(qiáng)， 但并不均勻、穩(wěn)定均勻穩(wěn)定 地增強(qiáng)內(nèi)部損傷擴(kuò)展， 出現(xiàn)剪脹趨勢(shì)內(nèi)部損傷不多， 換來(lái)進(jìn)一步的密實(shí)4）碾壓過(guò)程的四種狀態(tài)動(dòng)力響應(yīng)的3個(gè)波動(dòng)的階段定3種狀態(tài)，加上初始狀態(tài)，所以碾壓全過(guò)程 歷經(jīng)4個(gè)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(dòng)態(tài)而到終態(tài)?？?制并不是事后檢查，而是要從動(dòng)態(tài)中作出趨勢(shì)性的判斷，控制終態(tài)；所以，試 拌試鋪宜包括4個(gè)狀態(tài)。242應(yīng)用實(shí)例1）AC 型由圖2-13到圖2-15,依托工程3個(gè)路段的波動(dòng)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(zhǎng)甚慢，而最大值已 出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，也就是變異

41、系數(shù)雖在緩慢下降，是通過(guò)某些點(diǎn)的損傷來(lái)實(shí)現(xiàn)的； 而鐵嶺AC-20碾壓3遍即可，因?yàn)榈?遍開始最大值很少增長(zhǎng)而最小值已出現(xiàn) 負(fù)增長(zhǎng)，因而導(dǎo)致變異系數(shù)的增大。表2-9碾壓過(guò)程趨勢(shì)判斷的工程驗(yàn)證級(jí)配類型路段波動(dòng)階段分類主要影響因素AC-20興城段波動(dòng)衰減B型:集料混有較多不合格材質(zhì)，級(jí)配中度離析，少量重度AC-20鐵嶺段波動(dòng)上升A型集料混有少量不合格材質(zhì)，級(jí)配中度離析SMA-16興城段波動(dòng)衰減A型工藝參數(shù)不協(xié)調(diào)，級(jí)配中度離析再?gòu)膭?dòng)力響應(yīng)值來(lái)分析。如果說(shuō)鐵嶺段碾壓4遍，最大動(dòng)力響應(yīng)值達(dá)48.520 （圖2-15），沈山興城段為40.446 （圖2-13），包含了機(jī)型不同、動(dòng)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(zhǎng)，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(jìn)入興城段時(shí)中 面層已接近尾聲，余料較差（總報(bào)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(zhǎng) 反映出碾壓工藝與材料壓實(shí)性能不太適應(yīng)，碾壓3遍空隙率波動(dòng)6.210.3%，全部大于6% （見(jiàn)總報(bào)告表4-4），需重新調(diào)整工藝。3面向現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)化工程應(yīng)用3.1動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)控制概要狹義地說(shuō)，動(dòng)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(jī)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(shí)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(jì)以及HMA的材料設(shè)計(jì)。上述3個(gè)實(shí)例表明動(dòng)力響應(yīng)法有 潛在的 優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)控制理念的指導(dǎo)下，可以擴(kuò)大功能，包括三個(gè)層次： 分析信息，預(yù)估趨勢(shì)；局限于碾壓遍數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)組織以及個(gè)別工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋控制。 分析信息，面積定位；采取補(bǔ)救性的以及局部返工等措施。 分析信息，找出原因，提出改進(jìn)方案，供下一部分工程應(yīng)用，即階段性 的動(dòng)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(duì)具體問(wèn)題的一種補(bǔ) 救。應(yīng)該說(shuō)最適合當(dāng)前國(guó)情的是階段性動(dòng)態(tài)反饋控制；因?yàn)楫?dāng)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(duì)策的針對(duì)性與協(xié)調(diào)平衡作用，才是 最為重要的。而對(duì)癥下藥的同時(shí)，也是 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的過(guò)程，這樣可以在眾多設(shè)備、方法之中，做出具有針對(duì)性的最佳選 擇。為實(shí)現(xiàn)階段性動(dòng)態(tài)反饋系統(tǒng)控制，基礎(chǔ)仍然是信息論。為此，項(xiàng)目就HMA細(xì)觀分析等作了進(jìn)一步的研究，并形成信息采集與分析技術(shù)各6項(xiàng)，并提出了系統(tǒng)控制調(diào)整的方法、步驟。由于簡(jiǎn)本篇幅有限，故簡(jiǎn)本定位于針對(duì)規(guī)范的支 持與補(bǔ)充，涉及階段