沥青路面工程质量变异性控制管理系统研究

1、沥青路面工程质量变异性控制管理系统研究 报告简本 1概述 1.1现状 1998年以沪宁、铁四等为代表的新建高速公路，在通车后短期内发生的局 部早期损坏，引起了普遍的关注，并进行了多方面的努力。“应该看到，在采取 措施后，许多地方的水损害得到了有效的遏制。然而，由于沥青混合料的离析 及不均匀问题并没有得到根本的解决，水损害问题仍然没有得到彻底的解决。” 2001年沈金安的文章接着指出“沥青混合料的离析不仅是造成路面早期损坏的 根本原因，即使暂时没有损坏，对沥青混合料的使用性能也有严重的影响。” “离析是混合料粗细集料和沥青含量的不均匀，偏离了设计级配，从而使配合 比设计成为一种摆设，等于沥青路面

2、的质量完全 失控了。” 2005年6月8月，课题组分别对辽宁沈山、铁四两条公路沥青加铺层大修 工程进行了实测；又查阅了 2002年49月结合上海市科技发展基金重点项目分 题“重交通道路沥青面层混合料组成与施工变异性研究”中上海浦东高速公路 的测定数据。由于这两地的高速公路建设水平有一定的代表性，可以确认：沥 青混合料“离析及不均匀问题并没有得到根本的解决”的论断依然存在。 分析原因之前，有两点需要界定。 (1) 这次HMA变异性的研究热，起因在于早期损坏，而并非出自推行沥 青路面可靠性设计；因此，研究内容偏重于HMA组成结构的均匀性。但是组 成结构的变异性恰恰是路面可靠性的一个关键所在，因而有

3、利于推进20世纪 80年代以来，因变异过大，路面结构可靠度设计暂缓的现实。 (2) 离析还是专指组成的不均匀为好，即混合料粗细集料和沥青含量的不 均匀 1.2原因分析 为什么“离析及不均匀问题并没有得到根本的解决”，可以从不同的角度与 层面分析，从技术层面的主要原因： （1）按使用性能原则设计的沥青混合料 没有工艺特性指标的约束 HMA没有一个像水泥混凝土坍落度那样的工艺指标；为了与现场工艺条件 协调，配合比必然要有一个不断调试的阶段，甚至于历经失败到成功。 （2）监控不力 离析问题没能根本解决与监控不力密切相关，因为现行的检测抽样存在随 意性。规范条文指出“钻孔测试压实度都是事后检查，且报告

4、弄虚作假”，所以 需要以定量统计的面控为基础，针对薄弱部位实现确定性的定点检测，才能把 住关并发现问题。但是，并没有路段变异分布的数据。 （3）缺乏总体协调平衡 通过大量包括原材料规格质量的工艺对策研究，在解决问题方面，已经积 累有许多方法和经验，但是总体来说方法往往比较孤立，经验还是具有局限 性。例如JTG F40-2004,就沥青路面的压实，改变为“采取重点对碾压工艺进 行过程控制，适度钻孔抽检压实度的方法”，虽然条文对碾压工艺规定详细，但 即使局限于碾压，也缺乏一个能针对不同现场实际情况进行协调的、定量的、 可操作的过程控制方法。 1.3指导思想 从历史的角度而言，新形势、新问题需要新理

5、念、新方法。 高速交通对路面抗滑、抗辙、防噪音等功能的要求，自20世纪60年代起 以专题命名的国际会议，无论名称、内容与数量，不断扩大；但是，直到1993 年具有权威性的沥青路面国际会议（第七届）才第一次涉及路面表面功能，大 会就路面使用性能包括结构性与功能性两类作为专题报告。究其原因就在于两 种使用性能所存在的相互矛盾。例如抗滑所要求的构造深度、防噪声所需的多 孔结构与强度、稳定性间的矛盾，摊铺后、碾压前的平整度最佳等等。许多研 究已经表明1998年大面积水损害的出现，恰恰在于片面强调了抗滑、平整度等 功能要求，而新颁布的JTJ 032-94对级配又提供了一个较宽而又能偏粗的允许 范围。所设

6、计的HMA，虽然结构性使用性能与抗滑满足试验要求，殊不知其级 配离析特性与压实性能已经发生了变化。 历史经验表明，路面工程是一个多因素相互矛盾而又统一的动态变化的集 合体，因此需要以信息论、系统论、控制论为指导思想，以实现工程质量变异 的控制。为此： 第一，实施变异的控制 首先要分析清楚变异的来源与分布。 归纳研究动态，当前离析与不均匀的研究偏重于包括原材料规格质量的施 工工艺，这反映出变异来源于施工过程的认识。这有它对的一面，因为沥青混 合料随工艺过程而变化（见图 1-1）：但有其局限性。HMA作为具有一定粘性 的散粒体，离析是其固有的特性。1998年出现的大面积水损害足以证明：单纯 按使用

7、性能、没有工艺指标约束所设计出来的HMA组成，就是沥青路面变异 的另一个重要来源。 粗集料间隙率VCA V r冷料配备过程 混合料生产过程 储运过程 摊铺过程 碾压过程 空隙率VV J集料间隙率VMA * 沥青饱和度VFA 空隙分布 均匀性 压碎性 结构性 （如何控制变化 从过程中去找） 级配组成因离析而变化 温度因散热而变化 三相分布随工艺过程而变化 （数量、细观结构状态） 图1-1沥青混合料随工艺过程的变化 对于变异的分布，严格来说是缺乏研究，因为所测定的级配曲线各粒级的 偏差，并不是沥青路面变异的分布。所要控制的工程质量是以路段为单元的， 路段各点HMA组成结构变异的分布。定量统计路段变

8、异分布的重要意义在于 它不仅是由面检到点检的基础；而且是找准原因，从而落实对策针对性的基 础。 第二，控制是以信息为基础的反馈。 以路段工程质量变异性控制为目的的反馈需要宏观与细观两类信息。宏观 的信息是路段各点质量的动态变化。以什么为指标！密度、构造深度还是力学 指标？为了分析原因还需要的内部指标传统用抽提试验和密度，然而无法及时 反馈，因为待到测定出来，工程已经进行到数百米之外。由于反馈控制的基础 是客观规律，而客观规律又是以信息的采集与分析为基础，所以课题组最大的 工作量在信息的采集与分析。 1.4进程 课题研究以上述3个关键技术为重点。2005年首先就沈山、铁四两条高速 公路沥青面层大

9、中修为依托工程进行了现场测定、研究；为深入分析较为全面 而系统的现场数据，2006-2007年集中开展了以离析评价体系与组成结构细观分 析为中心的基础研究；直到 2007年秋，基于两个基础研究的突破，才有可能重 点进行整合性的研究，从而实现了合同规定的研究目的。 课题组在宏观信息方面采用力学指标，不仅在于其包容性、无破损，更因 为可以与工艺过程控制相结合，这是由于在振动压路机上的加速度动力响应测 定装置所采集的信息是一个动态的、工艺全过程的信息。因为碾压的初始状态 沉淀了碾压前各工艺过程的信息。所以它的意义可以超越智能压路机所定的目 标，关键在于信息分析技术。 数字图像法用于芯样的分析已有不少

10、研究，仍有技术创新的空间，但更缺 乏的是整合研究。与抽提试验等传统方法相比，优势不仅在快，而且有利于内 部结构分析；课题采用了与传统方法相结合的技术路线。 级配离析评价体系的建立，并作为一个信息，融合于反馈控制，也使动态 反馈控制不再停留在施工过程控制范畴。 1.5配套技术 合同规定“研究的目的在于对高速公路沥青路面工程，提出一套具有过程 监控与信息反馈控制特色的、能控制工程质量变异性的控制配套技术”。课题研 究提出的技术成果，包括信息采集与分析技术和控制技术两个方面： （1）信息采集与分析技术包括： 以料堆法空间分布均方差为指标评价HMA的离析特性； 以加速度动力响应为指标评价碾压过程 HM

11、A组成结构状态的变化； 以孔洞分布为指标评价HMA空隙结构的分布状态； 以红外摄像的温度场分布为指标评价工艺过程温度分布状态的动态变 化； 以激光构造深度比为指标评价竣工后路面现场的不均匀性； 以数字图像法的D2与A2、B与为指标评价HMA的内部组成结构 (2)控制技术包括： 从材料设计层面对级配离析的控制； 控制级配微分布的方法与标准； 沥青层路段碾压的过程控制； 在面控的基础上实施选点检测； 基于红外摄像法路段温度场的检测，进行场的控制； 基于宏观与细观信息调整系统控制。 需要说明：所建的配套技术是对已有的补充与发展，而不是取代。配 套技术可不同的组合以针对不同的情况。简本以对规范的“支持

12、”与“补充” 为重点。 2对规范的支持与补充 2.1规范JTG F40-2004的两点认识 在JTG F40-2004中，修订的内容共12条，与HMA组成结构性相关的占7 条，修订有两点认识在条文说明中得到了明确： 针对当前国内外莫不以“按使用性能设计HMA”为指导思想，条文说明 5.3.1指出“ 一个好的设计应该是具有良好的使用性能，施工操作性好及变异性 小、容易压实”。 针对早期损坏，条文说明11.4.7指出“沥青路面成败与否，压实是最重要 的工序。许多高速公路沥青路面发生早期损坏，大多数都与压实不足有关，因 此压实度的评定至关重要”。 据此，条文“最大的修改”是：要求“沥青路面的压实度，

13、采取重点对碾 压工艺进行过程控制，并适度钻孔抽检压实度的方法”。 上述两点认识对于 HMA组成结构变异是要害；改进措施基于发现了原有 方法的问题，修订有理，会有一定效果，但未必能解决问题。 项目合同规定“提出一套具有过程监控与信息反馈控制特色的、能控制工 程质量变异性的控制配套技术”，并明确以是否实现对规范的“支持”与“补 充”作为检验标准，而两点认识指明了重点。 2.2从设计层面实现对 HMA级配离析的控制 2.2.1必要性 1996-1998年随着沪宁高速的陆续通车，水损害不断；为什么经过了使用性 能多指标试验研究的多碎石沥青混合料（SAC ）出现水损害是有争论的。现在 分析反映出级配离析

14、问题的根据，不仅仅在当年实测空隙率、级配变异，而是 用级配离析研究所得出的回归公式，对SAC沪宁高速建议值（1995年）与 SAC修订完善后的建议值（2001年），计算、分析的结果由表2-1,表2-2，修 订后SAC的离析特性以均方差为指标，约减少了一半。 222料堆法的选择 早在1997年NAPA就指出“合适的混合料设计对消除离析是重要的”。为 什么没有提出设计 HMA要兼顾使用性能与工艺特性？原因就在于缺乏HMA 工艺特性的评价指标与方法。文献表明化工、制药以及采矿等行业都有各自不 同的散体离析评价，但是 HMA是具有一定粘性的散粒体。没有搜索到这种非 理想散粒体离析特性的研究报告。 选择

15、料堆法有多种原因，最重要的启发在自组织临界性理论（SOC），它始 于物理学领域利用沙堆模型研究颗粒物质有关运动基础上，由美国理论物理所 1987年提出。这是为解释无序的、非线性复杂系统的行为特征提出的新概念， 是控制大量广延耗散动力系统的普遍原则，已成为现代非平衡态统计物理学最 基本的概念之一。 表2-1 SAC-16级配设计的发展一览表 项目 Pi 通过下列筛孔（mm） 的质量（ %) 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 沪宁高速 试验路 100 97 65 49.5 37.5 28 20.5 14 9.5 6 （1993） 沪宁

16、高速 95 70 50 30 22 16 12 8 4 建议值 1 1 1 1 1 1 1 1 1 （1995） 100 90 70 50 37 28 23 18 13 8 90 75 55 30 22 16 12 10 8 修订完善的建议值（ 2001) 100 1 1 1 1 1 1 1 1 1 100 90 70 50 37 28 23 仃 15 10 98.5 1 92.2 80.1 61.9 33.9 24.1 17.2 14.8 9.7 : 8.7 7.3 范围 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 现场 100 95 83.6 64.9 38.4 28 21.9 17.2

17、13.8 12 9.0 检测 （1999） 均值 99.4 94.0 82.1 63.5 36.2 26.4 19.3 15.7 11.8 10.4 8.2 变异 系数 0.81 1.11 1.51 1.65 4.74 4.19 8.77 5.09 12.5 12.1 6.14 表2-2离析评价的方法计算沪宁高速不同时期的离析特性 指标 时期、 粗粒级/中粒级 细粒级含量（%） 集料离析特性 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 (

18、P13.2=80) 27% 0.190 V 0.4 ( P13.2=90) 50 - -60 修订后0.309V 0.4 16% 30 40 皮带 传送 方向 图2-1级配混合料离析试验（料堆法） 正因为级配离析是散粒体的固有属性，为评价这一特性就需要在简化受力 的同时创造一个最小约束的条件，充分发挥自组织特性，用料堆空间分布的变 异，表征散粒体这一固有属性；从而提高了指标的灵敏度与重现性。试验模型 如图2-1。 操作方法见指南的附录。基于统计物理学的计算公式如下： S2 1 NR n (Pj Pi )2 Nr n j 1 i 1Pi (1) 式中：S2离析方差; Nr料堆试验分区个数，如果本

19、试验中只选取“前”、“顶”、“后”、 “左”、“右”五个分区作为衡量标准，则 Nr=5; n 为集料组分个数，即筛孔尺寸个数； Pi为第i个筛孔尺寸下的标准百分比含量（未离析的），%; pij为第i个筛孔尺寸的集料，在第j个分区内的百分比含量（离析后 的），% 223三层次评价体系 为评价HMA级配离析一方面服务于路面工程，另一方面指导集料的生产 与冷料的供应，有必要建立反映历经集料一沥青混合料一现场施工传递、设计 配比发生变异的评价体系。 集料级配离析的评价改用滑板法（图2-2），因集料无粘性，在按料堆法 前、后、中、左、右 5个分区取样时容易出现滑落崩塌的干扰；并经比较试 验，滑板法与料堆

20、法总体规律一致 图2-2滑板法的试验设备 沥青路面离析评价体系以 NCAT为基础（表2-3），对依托工程各段按级配 的变异分为轻度、中度、重度三类，并分别给出了各段不同程度的均方差（表 2-4） 表2-3 NCAT离析评价指标及其容许变化范围 检测指标 轻度离析 中度离析 重度离析 级配变化 一个筛孔5% 两个筛孔10% 四个筛孔15% 沥青含量变化 0.3% 0.75% 0.75% 1.3% 1.3% 空隙率变化 2.5% 4.5% 4.5% 6.5% 6.5% 表2-4不同路段、不同级配均方差的统计 路段类型离析程度最大值最小值均值标准差变异系数 轻 6.37 4.77 5.67 0.62

21、2 0.110 SMA-16 中 10.24 10.24 : 10.24 0.000 : 0.000 重 总体 10.24 4.77 6.43 1.946 0.303 A段 轻 7.57 5.44 6.65 0.882 0.133 AC-20 中 9.51 6.56 7.83 1.086 1 0.139 重 17.19 12.39 14.79 3.399 0.230 总体 17.19 5.44 8.67 3.367 0.389 B段 （一） AC-16 轻 9.58 6.04 8.39 2.034 0.242 中 12.06 7.28 9.58 1.826 0.191 重 总体 12.06 6

22、.04 9.14 1.863 0.204 (二) AC16 轻 11.00 6.34 8.43 1.854 0.220 中 13.36 8.32 11.18 2.593 0.232 重 14.88 13.71 14.30 0.826 0.058 总体 14.88 6.34 10.43 2.974 0.285 （总） AC-16 轻 11.00 6.04 8.41 1.774 0.211 中 13.36 7.28 10.18 2.124 0.209 重 14.88 13.71 14.30 0.826 0.058 总体 14.88 6.04 9.85 2.559 0.260 即使用最简单的方法，也

23、反映出三层次相互紧密的联系: Sp ka Sa 式中：$为沥青路面现场取样的均方差；Sa为料堆法HMA级配离析的均 方差；Sg为料堆法集料级配的均方差；ka和kg为相应的换算系数。 相对频数 08 -164.750.6 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 H1 1 1 t 1 1 J 1 单滑 合成级配 i J11 : n ； 1 A r .fc ,n,i 】0站至進6 7 8 9石1的电1,3屢51事17 相对频数 相对频数 相对频数 表2-5三层次评价体系相关要素一览表 级配 类型 Sg Sa kg Sp ka 轻度 离析 中度 离析 重度 离析 轻度 离析 中度

24、离析 重度 离析 AC-20 60 21.6 0.357 4.8-7.5 7.5-11.0 11.0 0.2-0.34 0.34-0.5 0.5 SMA-16 25 6.6 0.264 4.2-6.0 (6.0-9.0) (9.0) 0.6-0.9 (0.9-1.4) (1.4) 相对频数 0.8 4.75 1.18 0.6 0.7 Ln Ln. 0.6 L L 0 5 0 4 1 i D 单滑 合成级配 0 3 1 r 1 0.2 1 1 P 1 | 0.1 0 It 1 1 ri L. .fl. rTlI Th y 1 1 心 13 2* 3$ 4 f5 16 27 田书 10 11 12

25、 命傅碼 16 17 n 相对频数 图2-3相邻三档集料干扰情况图2-4非相邻三档集料干扰情况 表2-5所给出的数据，So取自依托工程路面现场，故有一个波动范围。Sa 与Sg来自试验测定；取两种级配类型，AC-20与SMA-16，分别采用料堆法与 滑板法进行符合规范建议值范围内的无沥青与有沥青时的混合料的级配离析试 验，包括上限、中值、下限、走向I、走向U共 5种级配；对于Sa，每种级配 按料堆前、中、后、左、右 5个分区取样抽提试验，与各自的初始级配相比， 经计算共得25个均方差，表2-5的Sa为总平均；对于Sg按滑板法的6个分区 筛分，与各自的初始级配比较，经计算得 6个均方差，表2-5的

26、Sg为总平均。 2.2.4初步结论 HMA级配是一个复杂性问题，随着条件而千变万化，因此重要在于建立一 个能反映其自身特性的评价体系，按自组织原则建立起来的HMA级配离析评 价方法，从现有试验范围来看，有良好的敏感性、重现性、规律性；即便试验 的工作量不小，从全局而言仍属小样本，但毕竟提供了一个从无到有的良好开 端和扩大应用改进完善的工作基础。 （1）抗离析级配的基本原则： 相邻多粒级的无粘性集料，其离析程度远小于非相邻粒级的集料（图2- 3,图 2-4）。 由于粘性的存在细粒级在 HMA基本上不离析，而在无粘性的集料混合 料则离析显著。因此，提高HMA的粘性，有利于提高粗级配的抗离析特性 （

27、图 2-5）。 *设计 前 占中 一后 左 右 1 U131J 0.075 0.15 0.30.61.18 2.36 4.75 9.513.21619 120 100 80 60 40 20 0 （2）沥青混合料 5个区的分布 （1）集料级配混合料 图2-5 AC-20规范中值为设计级配经料堆法空间 HMA抗离析级配设计的基本原则与连续级配原则的干涉一填充理论不 同，宜“以中粒级为主，控制粗粒级与细粒级的用量 ”。由图2-6,细观分析证 明，已经是骨架-密实型的，要注意提高c值；已经是悬浮-密实型的要注意提高 值；即粗细要协调。 悬浮-密实型 口骨架-密实型 - - -I骨架-密实型 8 -

28、)7.5- m 7 D 6.5 6 - 悬浮-密实型 n n nt 8 2 kaM( ) 图2-6不同粗集料微分布条件下 A2、D2值与抗剪性能 2）验证与检验 采用SAC作为验证的数据，如表2-2。 对SMA-16型HMA的检验表明，以均方差为指标的级配离析小于AC 型，但对空隙率的敏感性甚为显著，必须分类提出离析标准 用离析试验（包括离析程度以及不同离析程度下取样的使用性能测定） 表明对AC-20型HMA而言，可分为三种情况：因粘性的存在一般级配离析并 不严重，但在证明确实存在抗离析的级配同时，也发现了当粗、中、细三档 粒 级不协调时出现了突变。目前发现的突变与级配曲线走向有关，这说明现行

29、的 级配建议值范围的提法并不合理，它没能排除突变类。 增加沥青混合料拌合厂的热仓，与 调整热仓粒级配置，既提高了微分布 的精度，也用以适应按“以中粒级为主，控制粗粒级与细粒级用量”原则设计 配合比后，微分布的变动。 NAPA1997年对于断级配、S型混合料离析特性 过于否定，但国内有些 对于S型也过分肯定，要害在于一定条件下的综合协调平衡。因此一个合理的 评价级配离析试验方法十分重要。 3）应用 在为实现按使用性能与工艺特性统一的原则设计 HMA，当前可用离析评价 体系、方法、指标，检验已有的 HMA设计方案。 2.3在面控的基础上实施选点检测 2.3.1概况 众所周知，监控不力的关键在于现行抽样检测选点时的随意性。理想的方 式是基于面控的选点检测，对此较有前景的有如下三类；各有不同的优缺点， 正处于不断改进之中。 寄予厚望的核子密度仪，因测定结果与成分相关，而成分分布是不均匀 的，有可能被当前试用的无核密度仪所代替，但需要多次测定方可连续成网供 选点之用。 通过构造深度比，无论是激光法、数字图像法，是当前国内外的一个热 点；本课题结合国情给出了均匀区域构造深度的预估模型，分类标准有所改 进。 连续检测法的优势在于：将传感器装在压路机上，为检测选点所提供的 连续测定数据也就是碾压过