鋼橋面鋪裝瀝青混合料數(shù)字化施工技術(shù)研究

胡海波 ，劉 剛 ，湯文杰 ，錢振東

（1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050；2.道路交通工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 南京 211102；3.東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，江蘇 南京 211102）

引 言

“下層澆注式GA瀝青混凝土+上層SMA瀝青混凝土”（簡稱“下層GA+上層SMA”）作為一種鋼橋面鋪裝典型雙層異質(zhì)鋪裝結(jié)構(gòu)，目前已應(yīng)用于大量鋼橋面鋪裝工程中［1-2］。其中下層鋪裝采用的GA瀝青混凝土具備優(yōu)良的防水性能、抗老化性能以及良好的延展性等優(yōu)點(diǎn)，主要用以保護(hù)鋼板和進(jìn)行協(xié)調(diào)變形［3］；上層鋪裝所采用的SMA瀝青混凝土是一種良好的路面材料，主要作為鋪裝磨耗層和功能層。

澆筑式瀝青混凝土受混合料瀝青含量、拌合溫度、拌合時間和運(yùn)輸方式的影響較大，且具有瀝青含量、礦粉含量和拌合溫度偏高的特點(diǎn)，對施工溫度要求較高［4-5］。對于改性SMA瀝青混凝土，其混合料屬于骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，在高溫重載下具有良好的抗車轍能力，但如果施工監(jiān)控不到位也易出現(xiàn)離析等質(zhì)量問題［6］?；阡摌蛎驿佈b材料施工的特點(diǎn)，加強(qiáng)對瀝青混合料施工要點(diǎn)的監(jiān)控，改進(jìn)鋼橋面鋪裝的施工質(zhì)量管理手段，對于保證鋼橋面鋪裝瀝青混合料的鋪裝質(zhì)量，打造大跨度鋼橋建設(shè)精品工程，具有重要意義。

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展，利用數(shù)字化檢測技術(shù)手段對產(chǎn)品質(zhì)量信息進(jìn)行收集、跟蹤、分析與管理，已成為加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制的一個主要發(fā)展趨勢［7-9］。本文以某長江大橋鋼橋面鋪裝為研究對象，通過對“下層GA+上層SMA”典型鋪裝結(jié)構(gòu)數(shù)字化施工進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，實(shí)現(xiàn)鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工過程中拌合、攤鋪和壓實(shí)的全面監(jiān)控和實(shí)時預(yù)警，從而有效提高鋼橋面鋪裝施工的信息化水平和工程質(zhì)量，為其他大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝的設(shè)計和數(shù)字化施工提供參考和借鑒。

1 配合比設(shè)計

高彈改性SMA瀝青混合料配合比設(shè)計根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011，下稱“試驗(yàn)規(guī)程”）中馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計，同時開展混合料路用性能的檢驗(yàn)。根據(jù)所設(shè)定的目標(biāo)配合比設(shè)計級配進(jìn)行上料，將確定的目標(biāo)配合比設(shè)計級配作為生產(chǎn)級配的設(shè)計中值，并不斷調(diào)整生產(chǎn)級配，最終合成級配曲線如圖1所示。并采用體積指標(biāo)作為控制指標(biāo)確定生產(chǎn)配合比的最佳油石比為6.0%。

圖1 高彈改性SMA瀝青混合料生產(chǎn)級配

GA澆筑式瀝青混合料配合比設(shè)計采用《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3364-02—2019）中的流動性和貫入度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，同時進(jìn)行車轍動穩(wěn)定度試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)，以測試澆筑式瀝青混合料的性能。根據(jù)所設(shè)定的目標(biāo)配合比設(shè)計級配進(jìn)行上料，并進(jìn)行熱料篩分試驗(yàn)。將所設(shè)定的目標(biāo)配合比設(shè)計級配作為生產(chǎn)級配的設(shè)計中值，并不斷調(diào)整生產(chǎn)級配，最終合成級配曲線如圖2所示。并采用流動性和貫入度作為控制指標(biāo)確定生產(chǎn)配合比的最佳油石比為8.0%。

2 數(shù)字化施工信息平臺

鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工質(zhì)量控制主要把瀝青混合料拌合、生產(chǎn)到現(xiàn)場施工的全過程作為管控對象，使用質(zhì)量動態(tài)追蹤管理的方法，將生產(chǎn)和施工過程中的數(shù)據(jù)信息實(shí)時采集并傳輸至云平臺，實(shí)現(xiàn)對工程質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)控［10］。

數(shù)字化施工信息平臺是以施工場內(nèi)實(shí)時流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，配置必要的計算機(jī)服務(wù)器和無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置，采用信息化動態(tài)管理的方法，對施工全過程進(jìn)行跟蹤觀測，將施工過程中關(guān)鍵指標(biāo)信息運(yùn)用用無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺，服務(wù)器平臺通過預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析對比，提醒現(xiàn)場操作人員及各級管理人員及時進(jìn)行糾偏和處理。鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工主要包括拌合站生產(chǎn)、現(xiàn)場攤鋪、壓實(shí)成型等各施工環(huán)節(jié)。施工環(huán)節(jié)繁多，場地轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)雜是其顯著的特點(diǎn)。本文通過將鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工劃分為各施工環(huán)節(jié)，并對各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵施工指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，最后依據(jù)施工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對不同環(huán)節(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮，從而建立鋼橋面鋪裝瀝青混合料的監(jiān)控數(shù)字化施工信息平臺。

對于鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工來說，其施工過程控制主要的控制指標(biāo)包括：①對瀝青混合料生產(chǎn)過程進(jìn)行質(zhì)量管控，減少瀝青混合料級配、瀝青含量及出料溫度的變異性；②對瀝青混合料攤鋪過程進(jìn)行質(zhì)量管控，主要有攤鋪溫度、攤鋪機(jī)速度、松浦厚度；③對瀝青鋪裝層壓實(shí)過程進(jìn)行質(zhì)量管控，主要包括瀝青鋪裝層厚度、壓實(shí)度、平整度，以及初壓、復(fù)壓和終壓振動方式和遍數(shù)要求。本文將鋼橋面鋪裝瀝青混合料數(shù)字化信息平臺分為以下四個模塊，包括生產(chǎn)監(jiān)控模塊、攤鋪監(jiān)控模塊、壓實(shí)監(jiān)控模塊和預(yù)警監(jiān)控模塊。下面對四個模塊的詳細(xì)內(nèi)容介紹如下：

2.1 生產(chǎn)監(jiān)控模塊

拌合站是瀝青混合料生產(chǎn)質(zhì)量管理的重要源頭，需要將瀝青混合料質(zhì)量管理由從事后把關(guān)變?yōu)槿鞒坦芾恚⑼晟频馁|(zhì)量控制體系。拌合站質(zhì)量控制體系是以拌合站既有的生產(chǎn)設(shè)備與施工現(xiàn)場實(shí)時流動數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，并配套相應(yīng)的計算機(jī)服務(wù)器和無線傳輸設(shè)置，通過數(shù)字化動態(tài)管理的方式，對拌合站運(yùn)行流程實(shí)施監(jiān)控觀測。將拌合站生產(chǎn)過程中的施工配合比、拌和物料的具體用量、施工日期、作業(yè)人員等信息逐盤收集，如圖3所示，利用利用數(shù)據(jù)信息平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析綜合對比。

圖3 瀝青拌合站實(shí)時數(shù)據(jù)界面

在生產(chǎn)監(jiān)控過程中，拌合控制系統(tǒng)內(nèi)的儀表能精確指示和打印拌合日期、時間、盤數(shù)、每盤各熱料的進(jìn)料比重、每盤混合料的重量等。對于高彈改性SMA瀝青混合料，拌和時間為：干拌10 s，濕拌45 s。將拌合好的SMA瀝青混合料混合料卸入運(yùn)料車中，進(jìn)行測溫和稱量，出料溫度要求在175～190℃范圍內(nèi)。對于GA瀝青混合料，拌和時間為：干拌15 s，濕拌90 s，將拌合好的GA瀝青混合料混合料卸入運(yùn)料車中，進(jìn)行測溫和稱量，出料溫度要求在210～240℃范圍內(nèi)。

為準(zhǔn)確獲取生產(chǎn)過程中的瀝青混合料級配數(shù)據(jù)，需要在正式生產(chǎn)之前對各熱料倉內(nèi)的集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到各熱料倉的級配，并輸入到生產(chǎn)監(jiān)控模塊。在正式生產(chǎn)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)監(jiān)控模塊會根據(jù)每盤各熱料的進(jìn)料比重實(shí)時計算，確定混合料的生產(chǎn)級配，并根據(jù)瀝青用量計算確定油石比。為了采集拌和溫度和出料溫度，需要在拌合室內(nèi)和出料口上端安裝溫度傳感器和信號傳輸設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)拌和溫度和出料溫度的實(shí)時獲取。

2.2 攤鋪監(jiān)控模塊

攤鋪監(jiān)控作為鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分之一，承擔(dān)前場施工全過程管理，把所有攤鋪車輛進(jìn)行交互統(tǒng)一，使整個施工現(xiàn)場成為一個閉環(huán)的整體進(jìn)行管控［11］。針對攤鋪過程發(fā)出不同的管理指令，并對施工機(jī)器操作者進(jìn)行現(xiàn)場導(dǎo)航指引。攤鋪通過后臺界面記錄并保存施工流程中所有數(shù)據(jù)，供攤鋪溫度、車速等查詢。攤鋪監(jiān)控實(shí)時界面如圖4所示。

圖4 攤鋪監(jiān)控實(shí)時界面

攤鋪是混合料現(xiàn)場施工的重要環(huán)節(jié)，需要對攤鋪時混合料的溫度、攤鋪的松鋪厚度及均勻性等進(jìn)行監(jiān)控。為實(shí)時獲取現(xiàn)場攤鋪溫度，在攤鋪機(jī)熨平板內(nèi)部安裝溫度傳感器和信號傳輸設(shè)備。在云平臺設(shè)置接收不同信號來源的輸入通道，以實(shí)現(xiàn)不同模塊信號的接收和匯總。有對于高彈改性SMA瀝青混合料，混合料卸料后攤鋪時的溫度不應(yīng)低于160℃，攤鋪采用1.2的松鋪系數(shù)。此外，為保證攤鋪的均勻性、密實(shí)性以及設(shè)計厚度要求，避免攤鋪機(jī)出現(xiàn)堆料和拉料的現(xiàn)象，攤鋪機(jī)行走速度應(yīng)控制在1.0～2.0 m/s。對于GA瀝青混合料，需在攤鋪前30 min對攤鋪機(jī)進(jìn)行不低于100℃要求下的預(yù)熱，放料時Cooker車離攤鋪機(jī)熨平板距離不得超過1.5 m，攤鋪時攤鋪機(jī)兩側(cè)履帶需在木模上勻速行走。

2.3 壓實(shí)監(jiān)控模塊

在碾壓設(shè)備上安裝GPS定位裝置，云端平臺通過衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時精確追蹤其位置變化，從而獲得壓實(shí)遍數(shù)數(shù)據(jù)。通過對碾壓設(shè)備現(xiàn)場施工信息的收集和分析，在第一時間內(nèi)將壓實(shí)情況以簡潔易懂的畫面和數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)侥雺涸O(shè)備駕駛室的電子顯示屏上，為操作手進(jìn)行智能壓實(shí)引導(dǎo)，操作手基于施工圖設(shè)計對不同壓實(shí)階段壓實(shí)遍數(shù)的要求控制壓實(shí)遍數(shù)，從而減少欠壓、過壓等問題的出現(xiàn)。該控制系統(tǒng)會自動收集并分析反饋的壓實(shí)溫度、車速等數(shù)據(jù)信息，給操作手提供參考和引導(dǎo)，在極大節(jié)省施工成本的同時，也提高了道路壓實(shí)作業(yè)效率。壓實(shí)監(jiān)控模塊界面如圖5所示。

圖5 壓實(shí)監(jiān)控模塊界面

2.4 預(yù)警監(jiān)控模塊

預(yù)警系統(tǒng)中的服務(wù)器平臺通過與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比對，對超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)平臺、手機(jī)等多形式、多級別的警示，并督促系統(tǒng)運(yùn)行管理人員和現(xiàn)場施工作業(yè)人員及時進(jìn)行糾偏和處置。本文從油石比預(yù)警、配合比預(yù)警、攤鋪速度預(yù)警分析該鋼橋面鋪裝質(zhì)量預(yù)警監(jiān)控功能。

2.4.1 油石比預(yù)警監(jiān)控

在油石比波動出現(xiàn)較大異常時，通過短信形式發(fā)送至手機(jī)或者預(yù)警平臺進(jìn)行告知。工作人員收到警示信息后，做好警示準(zhǔn)確性核實(shí)工作，在排除預(yù)警系統(tǒng)錯誤的情況下，開展瀝青混合料室內(nèi)抽提試驗(yàn)，以證實(shí)警示信號的真實(shí)性，從而快速準(zhǔn)確地找出預(yù)警原因。工作人員對拌合樓油石比進(jìn)行在線核實(shí)檢測，高彈改性SMA和GA混合料設(shè)計油石比分別為6.0%，8.0%，技術(shù)指標(biāo)在線檢測要求誤差為±0.3%。某時刻高彈改性SMA混合料的油石比波動圖如圖6所示。

圖6 油石比波動

由圖6可知，在第13生產(chǎn)盤數(shù)的時候，油石比數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大波動，超出技術(shù)指標(biāo)誤差范圍。為了保證鋼橋面鋪裝的施工質(zhì)量，應(yīng)及時處理廢料。

2.4.2 配合比預(yù)警監(jiān)控

對生產(chǎn)過程中瀝青混合料配合比進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，保證按照表1-2分別合成的SMA和GA瀝青混合料實(shí)時生產(chǎn)級配滿足生產(chǎn)配合比設(shè)計級配要求。主要是對關(guān)鍵篩孔通過率進(jìn)行監(jiān)控，建議4.75，2.36，0.075 mm篩孔通過率的波動范圍為±4%，±3%，±2%。

表1 高彈改性SMA瀝青混合料各熱料倉的進(jìn)料比例和油石比

表2 GA瀝青混合料各熱料倉的進(jìn)料比例和油石比

2.4.3 攤鋪速度預(yù)警監(jiān)控

攤鋪機(jī)的攤鋪速度直接影響了瀝青混合料攤鋪能否平整密實(shí)、是否達(dá)到設(shè)計厚度要求。為防止因?yàn)r青混合料攤鋪速率過快或過慢而造成的堆料或拉料等現(xiàn)象的發(fā)生，必須對攤鋪機(jī)的攤鋪速率加以控制，以達(dá)到攤鋪緩慢、平穩(wěn)、連續(xù)不間斷的要求。

高彈改性SMA層某時刻攤鋪速度趨勢如圖7所示，在樁號K8+660附近，攤鋪速度有明顯上升趨勢，預(yù)警平臺給出預(yù)警提示，工作人員立即通知攤鋪機(jī)操作手控制攤鋪車速度，回復(fù)平穩(wěn)行駛速度；在樁號K8+820附近，攤鋪速度有明顯下降趨勢，且具有跌破最低速度要求的界限，預(yù)警平臺給出預(yù)警提示，工作人員立即通知攤鋪機(jī)操作手回復(fù)至平穩(wěn)速度，回復(fù)過程不宜急切。攤鋪機(jī)攤鋪速度在預(yù)警平臺監(jiān)控下，全部保持在1～2 m/s的行駛速度，且大致在速度中值1.5 m/s附近，有效保證了攤鋪質(zhì)量。

圖7 攤鋪速度趨勢圖

3 結(jié) 論

本文對鋼橋面鋪裝瀝青混合料數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行了研究，以“上層高彈改性SMA+下層澆筑式GA”典型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)數(shù)字化施工為例，搭建了瀝青混凝土數(shù)字化施工信息平臺，建立了生產(chǎn)、攤鋪、壓實(shí)和預(yù)警監(jiān)控等多個監(jiān)控模塊，并重點(diǎn)對油石比監(jiān)控、配合比監(jiān)控、攤鋪速度等數(shù)字化監(jiān)控要點(diǎn)進(jìn)行了分析。預(yù)警平臺能夠較好地完成鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工過程中拌合、攤鋪和壓實(shí)的全面監(jiān)控和實(shí)時預(yù)警，有效保證鋼橋面的施工質(zhì)量，為其他大跨徑橋梁橋面鋪裝數(shù)字化施工提供了借鑒和參考。