沥青路面工程质量变异性控制管理系统研究

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,等于沥青路面的质量完全失控了。” 2005年6月8月,课题组分别对山、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。规条文指出“钻孔测试压实度都是事后检查,且报告弄虚作假”,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、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围。所设计的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。

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年首先就山、铁四两条高速公路沥青面层大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 ①以料堆法空间分布均方差为指标评价HMA的离析特性;

②以加速度动力响应为指标评价碾压过程HMA组成结构状态的变化;

③以孔洞分布为指标评价HMA空隙结构的分布状态;

④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;

⑤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;

⑥以数字图像法的D2与A2、θ与Δ为指标评价HMA的部组成结构。

(2)控制技术包括 ①从材料设计层面对级配离析的控制;

②控制级配微分布的方法与标准;

③沥青层路段碾压的过程控制;

④在面控的基础上实施选点检测;

⑤基于红外摄像法路段温度场的检测,进行场的控制;

⑥基于宏观与细观信息调整系统控制。

需要说明①所建的配套技术是对已有的补充与发展,而不是取代。②配套技术可不同的组合以针对不同的情况。简本以对规的“支持”与“补充”为重点。

2 对规的支持与补充 2.1 规JTG F40-2004的两点认识 在JTG F40-2004中,修订的容共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,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。

2.2.2 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 (1993) 100 97 65 49.5 37.5 28 20.5 14 9.5 6 沪宁高速 建议值 (1995) 95 ︱ 100 70 ︱ 90 50 ︱ 70 30 ︱ 50 22 ︱ 37 16 ︱ 28 12 ︱ 23 8 ︱ 18 6 ︱ 13 4 ︱ 8 修订完善的建议值(2001) 100 90 ︱ 100 75 ︱ 90 55 ︱ 70 30 ︱ 50 22 ︱ 37 16 ︱ 28 12 ︱ 23 10 ︱ 17 8 ︱ 15 6 ︱ 10 现场 检测 (1999) 围 98.5 ︱ 100 92.2 ︱ 95 80.1 ︱ 83.6 61.9 ︱ 64.9 33.9 ︱ 38.4 24.1 ︱ 28 17.2 ︱ 21.9 14.8 ︱ 17.2 9.7 ︱ 13.8 8.7 ︱ 12 7.3 ︱ 9.0 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