压实度实时检测技术发展与实践
发布者： 发布时间：2012-11-01
摘要：压实质量问题是造成沥青路面早期损坏的主要原因之一，长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室汪学斌为大家分享压实度实时检测技术发展与实践经验……
压实质量问题是造成沥青路面早期损坏的主要原因之一。压实不足将导致车辙、坑槽、松散及其它水损害，过压将导致压密、松散、级配改变、泛油，并可能将集料破碎使得粘结料不能裹覆集料新断裂面，同时压实过程中还存在其它质量问题（如平整度、压实度一致性、构造深度不满足要求，出现轮迹、重叠区域压实不足或过压、裂纹等），部分早期损坏现象及压实质量问题,
尽管压实技术和压路机产品都得到了较大发展，但压实质量检测依然采用传统的灌沙法、取芯法等破坏性试验或核子仪、无核密度仪等无损检测方法（如图2）；压实质量控制则依靠经验与试验段确定压实工艺，并通过事后压实度检测调整压实遍数来保证。传统压实度检测方法不能实时获得压实信息，结果滞后于压实过程，欠压过压现象不能及时发现，检测所取测试点试样与所压实材料的体积之比是1:100万[1]，检测只局限于几个点，不具备充分的代表性；费工、费时、劳动量大、不安全，需要熟练的操作技巧，试验结果的复现性差；压路机工作状态是否稳定、参数是否合理亦不能实时监控。
1 国内外压实实时检测技术现状
显然，采用传统压实度检测和质量控制方法不能很好的保证压实作业质量。基于振动压路机与被压材料动力学响应的压实度实时检测技术近年来得到了较快发展，一些高校、科研机构、压路机制造商等对压实度实时检测技术进行了大量研究，并开发了相关产品（如表1）。不仅实现了压实度的快速实时检测与过程监控，并且基于压实度实时检测技术，结合GPS技术，实现了压实质量信息化管理。部分厂家还开发了智能压路机，将压实度实时检测技术与压路机控制技术结合，根据压实结果实时调整压路机工作参数，实现快速高效压实。
（1）CMV检测系统。
压实过程中，被压材料压实状况的不同，振动轮垂直加速度谐波分量表现出不同的特征，这些特征反映了材料被压实的程度。许多振动压路机制造商如Dynapac、Caterpillar、Ingersoll-rand采用的CMV检测系统(如图3)，其通过安装于振动轮上的加速度传感器，再经过信号处理及算法，得出CMV[2]（compaction meter value）值来反映材料压实状况，CMV值的计算公式如式（1）。
下承层材料强度
CMV=CA2ΩAΩ（1）
式中：AΩ为振动压路机激振频率幅值，A2Ω是振动轮激振频率二次谐波分量幅值，C是静态量据实际情况标定，通常取C=300.AΩ /A2Ω的比值为非线性的。通过试验标定，可确定CMV值与铺层材料干密度或力学特性参数的关系，研究表明CMV值与压路机机重、振动振幅和频率、行驶速度、材料类型和被压材料下承层强度等有关
（2）BOMAG的Evib检测系统。
BOMAG[3]认为随铺层材料被压实，振动轮与被压材料之间的相互作用力将增大，振动轮加速度信号特征的变化正是这种力学特性变化的反映，将检测到的振动轮加速度信号通过信号处理并经过由力学模型确定的软件算法可计算出材料EVIB，来表征材料压实状况。其检测系统中的Omega值反映了作用于材料的能量大小，也可间接反映材料压实状况。图6为Bomag公司压实度实时检测系统。
通过现场标定后，系统可反映压实过程中压实段第几遍可达要求；还可以以方块图的形式显示压实过程中每一段各道的压实情况，不同的颜色代表不同的压实状况，施工人员可参照这些信息及时采取措施；现场压实信息可以实时显示并存档，业主和监理单位可以对整个路段压实质量进行监督和管理。
（3）Caterpillar压实度检测系统。
（3）Caterpillar压实度检测系统。
Caterpillar压实度检测系统由加速度与角位移传感器、控制盒、无线数据传输模块、实时移动GPS接收模块、场外GPS基站等组成.角位移传感器可测量振动轮前进方向与水平面的夹角即爬坡角度。该系统测试值包括CMV（compaction meter values），跳振值RMV（resonance meter values）和机器驱动力MDP（machine drive power）。
（4）长安大学开发的压实度实时检测系统。
近年来，长安大学现代机械化施工与养护研究所开发了压实度实时检测仪，通过长时间现场试验并不断改进，仪器使用方便，运行可靠，可快速准确反映材料压实情况，目前已在国内多处工地进行试验并应用。其产品的基本组成如图8，加速度传感器检测振动轮垂直加速度，处理器实现信号处理与算法、压实数据保存，驾驶室中显示器可显示实时压实数据与每一遍材料刚度R值及R均值随压实遍数变化曲线、压路机振动频率、振幅、速度等，通过标定，根据R大小即可判断压实与否，pc端软件可实现压实数据读取分析，供施工管理用，同时系统可实现压实数据无线传输至智能终端。
大量试验表明，此压实实时检测仪数据准确，与现场试.，图12为压实质量平面图。
图11为在某工地应用试验中，压实度实时检测仪所测压实值R值与灌沙法压实度结果线性相关，R2=0.97，可较准确地反映材料压实状况。依据现场压实度要求及标定曲线，仪器所测R值达38.5~41，可认为材料已被压实，压实度达97%以上，压实作业中若所测R值大于38.5，则可停止压实，避免过压。压实完成后，PC端软件可根据压实数据生成压实质量平面图，供管理部门查看。
大量水泥稳定级配碎石基层试验研究表明，检测值R与压路机激振力、频率、振幅、碾压速度有关，同时与材料类型、级配、含水量、铺层厚度等有关。检测值R不仅可以反映材料压实状况，还可以反映压路机工作状态与铺层材料特性参数的变化，这些都将更好地指导压实作业。图13为水泥稳定级配碎石基层含水量较大时压实值随遍数变化情况（即压实度达到一定阶段，增加压实遍数不能提高压实度，并出现“弹簧”现象）。图14为铺层下承层铺设管道时，管道上部压实值R比较大的情形。
2 基于压实度实时检测技术的压实质量过程控制技术
新铺层的压实分为初压、复压、终压三阶段，初压以稳定表面层，提高承载力为主要目的，复压主要提高压实度，使路面材料力学指标达到规定要求，终压主要消除轮迹、使铺层密实平整。振动压实效果与振动压路机机重、静线压力、频率、振幅、碾压速度关系较大，同时与铺层材料类型、级配、含水量、水泥剂量、铺层厚度等特性参数相关（沥青面层则与油石比、混合料温度等有关）。不同材料类型应有不同的压路机与之配套，压实不同阶段应有不同的压路机与压实方法与之对应，压实工艺的制定首先必须考虑材料压实特性，并依据试验段，最好根据压实度实时检测仪的结果优选较为合理的压实机械组合和工艺参数。在每台压路机压实过程中也应根据压实状况调整频率、振幅、速度，并使三者合理匹配，图15为压实过程中压路机工作参数调整原则。从压实度实时检测仪压实值中反映出的材料特性变化也应及时与现场施工人员沟通，确保混合料质量，全面提高压实质量。
依据压实度实时检测结果在压实过程中实时调整压路机工作参数，使压路机工作参数与铺层材料特性相适应，发现压实过程中的问题，优化压实工艺，实现压实质量过程控制，提高压实质量和效率。
压实度实时检测技术与调频调幅技术是智能振动压实技术的核心环节，Bomag公司推出的智能压路机正是这两种技术结合的产物，其基本的思路正是将铺层材料压实结果与压路机工作参数结合，依据铺层材料压实状况实时调整压路机工作参数，快速提高压实质量，保证压实质量一致性。图16为Bomag智能压实技术基本原理。图17为智能压路机对比试验现场。
3 压实度实时检测技术发展前景
压实度实时检测技术具有以下优势：
● 铺层材料压实结果的实时显示；
● 检测点覆盖整个压实区域，不再局限于某几个点，信息全面准确；
● 及时发现欠压和过压区域，提示操作人员及时采取措施；
● 更好地控制压实过程，实现压实质量过程控制。
● 实时监测压路机工作状态，振动频率、振幅、碾压速度，并可根据压实状况调整机械参数。
● 减少检测工作量，提高压实质量效率与经济效益；
● 实现施工质量信息化管理。
压实度实时检测技术具有以下优势：
● 铺层材料压实结果的实时显示；
● 检测点覆盖整个压实区域，不再局限于某几个点，信息全面准确；
● 及时发现欠压和过压区域，提示操作人员及时采取措施；
● 更好地控制压实过程，实现压实质量过程控制。
● 实时监测压路机工作状态，振动频率、振幅、碾压速度，并可根据压实状况调整机械参数。
● 减少检测工作量，提高压实质量效率与经济效益；
● 实现施工质量信息化管理。
压实度实时检测技术作为实现压实质量过程控制和智能压实技术的基础和关键环节，工程应用还需大量研究。随着压实实时检测技术的发展，压实实时检测技术及其产品将会大量应用于工程实践，并将带动智能化压路机技术的发展，压实作业将更加高效，工程质量将会不断提高。
来源：《建设机械技术与管理》 作者：汪学斌
