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智慧系统的沥青路面品质提升应用技术

本文主要探讨沥青混合料施工质量动态监控、施工可视化系统在镇丹高速公路建设过程中的应用,通过基于物联网技术的监控系统,实现对沥青路面施工拌合、运输、摊铺、碾压的质量动态性监控,从而实时性的保障沥青路面施工质量。

1概述

目前我国在沥青路面施工质量的管理和控制方面,基本上对都是采用的“事前检验、事后把关”这一相对滞后的管理方法。在混合料拌和时按频率取样进行抽提、筛分及混合料性能等试验,现场实体的质量控制如压实度、平整度、厚度等所有试验数据,至少需要在第2天以后才得出。这些试验结果仅仅起到一个记录和事后反省的作用,当路面施工出现质量问题时,不能真实的反映出原材料、混合料配合比还是现场拌和、运输、摊铺、碾压等环节中哪个出现了问题,不能为管理者分析问题原因和制定整改提供便利。随着物联网技术的飞速发展,各个领域都在利用物联网的技术实现新的管理模式和管理方法,沥青路面施工质量控制也不例外。智能施工技术充分利用物联网架构的传感技术和3G的传输技术,实时沥青混合料加工、路面施工全过程数据信息的采集,通过通信模块及时上传到服务器,动态、真实、系统的反映工程的建设质量情况,并根据项目需求提供数据的分析预警机制,及时分析存在的质量问题,发现路面施工质量的波动情况,确保路面工程的施工质量。

2沥青路面施工智慧管控系统

2.1拌合楼生产过程监控系统

拌合楼生产过程监控系统通过在安装实时采集设备对拌合楼生产过程中的计量数据(各档热料仓投放质量、沥青质量、矿粉质量、产量)、温度数据(热料仓温度、沥青温度、混合料出料温度)和时间数据等进行实时采集,并实时传输至后台服务器,服务器端对生产数据进行永久存储,同时对生产数据进行实时分析和智能反馈,实时监测沥青混合料级配、油石比、出料温度等关键指标的波动情况,确保沥青混合料拌和质量的稳定。项目管理者的现场施工人员均可以通过PC客户端和手机终端实时查询拌和楼的生产情况。

2.2运输过程监控系统

运输过程监控系统是在混合料运输环节,基于射频识别技术(RFID)记录每一辆运输车开始装料时间,结束装料时间和车辆信息,实现运输环节和拌合环节的对接;在摊铺现场利用绑定在摊铺机上的GPS定位设备确定摊铺机位置信息,识别混合料开始卸料时间和桩号、结束时间和卸料桩号等信息,实现运输环节与摊铺环节的对接;并将采集的运输数据实时传输至后台数据中心,对混合料的运输周期、摊铺位置等信息进行统计,便于远项目管理者的现场施工人员的管理和监控,最终实现路面施工质量及病害问题可溯源。

2.3摊铺过程监控系统

摊铺过程监控系统工作技术流程为距离传感器采集摊铺速度和距离信息,传送给数据处理终端;数据处理终端向红外温度传感器阵列发射定频数据采集信号;红外温度传感器阵列采集铺面温度信息,回传给数据处理终端;数据处理终端处理分析后显示摊铺温度、速度,并通过无线网络将采集数据传送给远程监控平台,便于远程管理人员实时监控。

2.4智能压实系统

沥青路面智能压实系统是在施工现场架设定位基站,实现压路机厘米级定位、并配备红外温度传感器等外部硬件设备,在压实过程中可连续测量碾压温度、碾压速度和碾压次数,并以彩图形式反馈给现场操作手,指导操作手快速识别欠压或超压区域,保证压实遍数控制在目标遍数的合理波动范围以内,以防止出现超压和欠压现象,以此提高沥青路面施工质量。

2.5施工可视化系统

路面施工可视化系统是智慧工地的重要组成部分,是在现场安装对个高清摄像头,对现场施工情况进行实时查看,方便管理者随时对现场施工进行查看管理。

2.6沥青路面施工智慧管控系统的价值

综合分析来看,路面施工材料监测系统具有以下特点:①实时记录施工过程;②严格控制施工质量;③实时纠偏施工工艺;④优化施工效率和成本。⑤事后追溯施工责任;通过监测沥青拌合楼生产的混合料级配、各档原材料的掺配比、油石比、混合料出厂温度、实时产量、总产量等参数,实现沥青混合料拌和质量的实时分析、实时纠偏的特色功能;通过远程数据查看、短信报警进行远程管理,完全做到施工管理质量可分析、过程可视化、责任可追溯。

3应用实例

基于智慧系统的沥青路面品质提升技术在镇丹高速得到了有效应用。镇丹高速全长约21.6km,设计行车速度120km/h,按双向四车道高速公路的标准建设。在项目建设期间,沥青路面施工智慧管控系统服务内容涵盖了沥青路面上、中、下三种结构层全过程。

3.1拌合楼生产过程监控系统

镇丹高速沥青路面施工单位为江苏华晨路桥有限公司,拌合楼型号为ACP4000型间歇式拌和楼。经测试,该拌合楼工作状况良好,各类传感器运行稳定。按照项目建设要求,通过在沥青拌合楼布置传感器和控制器对生产过程中的集料、矿粉、沥青等原材料的称量数据和沥青、集料等原材料加热温度以及混合料拌和周期、出料温度的生产数据进行实时采集,并上传至后台服务器数据中心。数据中心对上述数据进行永久存储,并对各项数据进行波动性分析和智能反馈,在手机终端和PC客户端实时展示,工程相关人员均可以手机或者电脑对生产情况进行实时查询。结合动态质量控制,统计分析每日、每周以及任何时间段里的油石比、关键筛孔通过率、混合料温度等关键指标的波动情况;对每日、每周以及任何时间段里的整体生产情况进行评价,包括产量、关键指标的合格率、平均值、标准差和总体评价。以中面层Sup-20施工数据为例,中面层各热料仓计量结果波动图如图3-1,该沥青拌和站生产的沥青混合料其油石比总体控制较为稳定,级配波动幅度在允许范围之内,未发生级配超限现象。根据上、中、下面层系统分析数据,进行了关键参数分析,油石比、关键筛孔通过率评价标准分为三个等级,良好、一般、差。合格率大于98%为良好,合格率在95%~98%之间为一般,合格率小于95%为差。上、中、下面层混合料每天生产的关键筛孔通过率、油石比及出料温度统计合格率均在98%以上。沥青面层各关键参数合格率控制整体较好,为镇丹高速路面质量提供了有力保障。

3.2运输过程监控系统

运输车作为混合料的转运环节,衔接沥青混合料拌合和现场施工。镇丹高速在沥青路面施工期间,在沥青拌和楼、混合料运输和现场摊铺机上安装射频识装置,利用射频识别技术实现混合料装料、运输、卸料数据的自动采集和运输信息的反馈功能,装料对应的每一车混合料是拌合楼生产信息,卸料对应的是现场摊铺的车道和段落信息,即能够实现摊铺段落与拌合记录的一一对应。同时根据采集的的运输车出厂时间和摊铺时间计算出混合料的运输周期,保证混合料在有效时间内能后到达施工现场并及时进行摊铺。利用基于射频识别技术的沥青混合料溯源数据库,在数据中心后台,将车辆信息、拌和信息、运输信息和摊铺信息在电脑PC端和手机端统一展示和存储,便于工程相关管理人员的远程管理和监控,在路面施工出现质量问题时溯源混合料。

3.3摊铺设备摊铺过程监控系统

现场摊铺是影响沥青路面的施工质量的一个重要的控制节点,直接影响成品路面的均匀性和耐久性。摊铺过程中的精细化控制是确保路面质量的关键,在沥青路面施工过程中,必须采用有效的摊铺质量控制,提高初始压实功力,减少混合料离析。镇丹高速在沥青路面施工期间,通过在摊铺机上布置红外传感器阵列,实时获取整个摊铺断面温度数据,形成摊铺温度分布云图,快速确定温度离析区域;通过高精度GPS对摊铺机进行厘米级定位,从而获取摊铺速度和摊铺桩号;现场采集的各项摊铺信息通过LED显示屏在现场实时展示,并实时传输至后台数据中心进行存储和分析。从上中下各层的路面摊铺速度分析可知,下面层平均摊铺速度最低,且总体较为稳定,上面层平均摊铺速度最快,且波动性较大,变异系数为9.23%。

3.4碾压设备碾压过程监控系统

沥青混合料的碾压是沥青路面施工的最后一个环节,也是最为重要的、出现问题最多的一个环节。镇丹高速在沥青路面施工期间,通过在压路机上安装车载平板电脑、移动站、红外温度传感器等,通过基站与移动站的差分计算,实现压路机厘米级定位,在压实过程中连续测量碾压温度、碾压次数和碾压速度,采集的碾压数据显示屏实时展示,并实时传输到后台数据中心进行存储和分析。通过在驾驶室内安装的平板电脑,可以实时将碾压温度、碾压速度、碾压次数彩图展示给现场操作手,以便操作手碾压时查漏补缺,保证压实遍数控制在目标遍数的合理波动范围以内,做到不漏压、不超压,以此提高沥青路面压实均匀性,确保路面压实度和泌水性。

3.5路面施工可视化监控系统

镇丹高速项目使用路面施工可视化监控系统在我省高速公路路面建设中尚属首次,使用效果良好。对于防范雨淋路段、现场不规范操作、人员不足等问题有着很强的监督作用。

4应用效果

4.1沥青混合料质量控制效果

镇丹高速公路沥青路面工程通过智能施工技术的应用,高效的采集了施工过程中的关键数据,有效提高了施工质量和施工稳定性。(1)从拌合楼计量统计结果可以看出,计量变异系数与各仓设定比例基本呈正比的关系,设定比例越小其波动值越大,如中下面层矿粉变异系数维持在4.3%左右,而上面层矿粉用量较多,下降至1.9%。上面层由于米砂(3~5mm)用量仅为5%,其变异系数较中下面层上升了约1.5%。从总体来看,4#仓、3#仓、1#仓、沥青计量总体是较为稳定的;(2)各层次异常盘数占总盘数异常比重均较小。但中面层开始施工阶段出现了少量异常盘数,通过拌合楼监控数据分析及时提醒,施工单位能够及时解决,有效的降低了拌合楼生产过程中各个料仓、矿粉及油石比计量变异系数,使混合料级配保持稳定;(4)由关键参数合格率统计可以看出,上中下面层各参数合格率控制整体较好,为镇丹高速路面质量提供了有力保障;(5)各层路面摊铺速度分析可知,下面层平均摊铺速度最低,且总体较为稳定,上面层平均摊铺速度最快,但波动性也在控制范围内。

4.2现场施工质量控制效果

沥青路面施工质量检测包括:路面压实度、密水性能、离析状况调查及路面抗滑性能等,从三个结构层整体的检测结果汇总分析来看,上、中、下面层成品路面现场检测结果统计,芯样厚度、渗水系数、马氏压实度、旋转压实度合格率及上面层构造深度和摩擦系数均处在较高的水平,每日施工段落各项指标代表值均满足指导意见要求。

4.3项目质量提升效果

镇丹高速公路沥青路面工程通过沥青路面施工智慧管控系统的应用,系统高效的采集了施工过程中的关键数据,对拌合楼异常问题进行了有效预警,通过对混合料运输、摊铺、碾压过程中所采集数据的分析,及时的提出合理化建议,有效提高了施工稳定性和沥青路面质量,项目自2018年通车以来,经过两年运行,项目整体质量稳定,路面无明显坑塘、拥抱、车辙等现象。

5结语

沥青路面施工智慧管控系统在镇丹高速项目的成功应用,是物联网技术在工程中的大胆尝试,取得了良好的使用效果和社会效益。随着信息技术与交通行业建设管理的逐步融合,沥青路面施工智慧管控技术高速公路沥青路面建设的应用,有利于公路工程进行更加高效、精准的管理,对提升施工管理精细化、建设品质工程具有重要意义。

作者:赵峰 吴旻 单位:江苏省交通工程建设局

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