一种施工压实过程中沥青混合料压实剪切特性检测装置的制作方法

本发明属于沥青混合料压实检测装置技术领域，涉及一种施工压实过程中沥青混合料压实剪切特性检测装置，用于评价沥青混合料压实质量的优劣，并根据实时检测结果对施工质量和施工过程进行相应的监控和指导。

背景技术：

压实是沥青路面成型的最后一道工序，进行施工压实控制是保证沥青混合料质量、物理力学性质和路用性能满足要求的必要手段。我国沥青路面施工技术规范中对沥青路面的压实控制指标和方法作了规定，并对检测的部位、频次、允许偏差等作了详细的规定，传统的压实检测指标为路面压实度。

2010年，何建新，邱铭等[1]指出单就一个简单的压实度指标是不全面的，应当结合沥青混合料的其它特性，并以路面的特性进行指导。2017年，孙博[2]在对高速公路路面的压实度控制发展现状进行分析时，同样指出，沥青路面在不同层位具有不同的油石比，且沥青混合料的调配具有较大的变异性，采用压实度这单一指标进行控制时稳定性相对不足，质量隐患较大。

传统的压实检测方法包括：灌砂法、水袋法、环刀法、蜡封法及核子密度仪等。就检测方法而言，这些施工控制方法主要是施工验收阶段的检测，属于施工后检测，检测结果滞后于压实过程，过压与欠压区段不能及时发现。并且施工现场压实机具组合和压实遍数一般由经验确定，无法根据检测结果对施工过程和施工质量进行相应的调整和控制，缺乏相应的压实过程中沥青混合料压实状况检测装置与检测方法，在质量监督和施工过程控制方面存在一定的困难。

2002年，stephenn.goodman和yasserhassan等[3]提出来剪切性能是表征沥青混凝土混合料永久变形的可行措施，通过卡尔顿大学研发的现场剪切刚度测试设备(insisst)，分析了与剪切性能相关的混合料特性，包括：结合料性能、结合料用量和集料特性(类型、级配等)，但是该研究仅适用于路面开放交通后的施工后检测，难以用于施工在线检测。

2004年，jaganm.gudimettla和l.allencooley,jr等[4]测试了混合料和易性试验设备，通过插入摊铺前沥青混合料中的十字测头扭矩来评估沥青混合料的和易性。试验的结果说明：不同因素对沥青混合料可压实性的影响效果存在较大差异，影响效果从大到小排列为：沥青结合料特性、混合料温度、集料类型、集料的最大公称粒径。局限在于该设备仅可测量拌和沥青混合料的扭矩，且现有研究并未说明和易性与沥青混合料压实状况存在直接相关性，不适用于施工阶段的压实检测。

2005年，国内张争奇教授[5]采用多组沥青混合料进行了室内旋转压实分析，提出采用初始压实状态到设计压实次数阶段的压实曲线的密实能量指数评价沥青路面的可压实性，但由于边界问题难以测定现场施工的压实能量，无法直接指导施工。

2012年，汤文、孙立军等[6]研究了不同温度下沥青混合料抗剪性能的变化，通过进行不同的剪切性能试验，分析了不同抗剪评价指标之间具有良好的相关性，研究表明温度对沥青混合料的抗剪性能影响很大，对沥青混合料进行抗剪性能评价时应充分考虑其温度特性。

2017年，北京建筑大学师航祺、徐世法等[7]通过室内剪切压实仪成型混合料，对沥青混合料压实剪切特性进一步探究，得到了使用剪切压实仪下相应的和易压实温度，提出以压实剪应力为指标来评价混合料压实性能的优劣，分析了以剪切性能评价混合料压实状况的可行性，不过由于设备复杂，难以用于现场混合料压实检测。

尽管国内外对于沥青混合料压实检测方法已经有了很大发展，但目前的研究仍大多集中在沥青混合料在施工后中的压实检测上，尚未实现在线检测，无法根据检测结果对施工过程和施工质量进行相应的调整和控制，对于沥青混合料的实时压实质量检测方法、评价指标及评价标准需要进一步探究，缺少施工压实过程中沥青混合料压实状况检测方法。

[1]何建新,邱铭.浅析沥青路面压实度的控制[j].科技风,2010(15):216.

[2]孙博.高速公路沥青路面压实度控制现状及措施[j].黑龙江交通科技,2017,40(7):76-77.

[3]goodmansn,hassany,elhalimaeh.shearpropertiesasviablemeasuresforcharacterizationofpermanentdeformationofasphaltconcretemixtures[j].transportationresearchrecord,2002,1789(1):154-161.

[4]gudimettlajm,cooleyjrla,browner.workabilityofhot-mixasphalt[j].transportationresearchrecord,2004,1891(1):229-237.

[5]张争奇,边秀奇,杜群乐,等.沥青混合料压实特性影响因素研究[j].武汉理工大学学报,2012,34(6):36-41.

[6]汤文,孙立军.不同温度下沥青混合料的抗剪性能及其评价指标[j].公路,2012(3):191-195.

[7]师航祺.基于剪切压实仪的沥青混合料压实和易性研究[d].

技术实现要素：

针对现有单一压实度指标在路面压实过程控制中稳定性相对不足、质量隐患较大的技术不足，本发明的目的是在于提供了一种施工压实过程中沥青混合料压实剪切特性检测装置，能够简单、快速、准确地测得压实过程中沥青混合料的压实检测指数，与现有压实度结合组成双指标控制，可用于准确评价沥青混合料压实效果的优劣，确定沥青混合料在施工过程中的压实状况，并根据检测结果及时对施工过程与施工质量进行调整与控制。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种施工压实过程中沥青混合料混合料压实剪切特性检测装置，包括固定机架和检测系统，所述检测系统包括显示器、控制面板、测试爪、用于驱动测试爪转动的电动马达、用于控制测试爪上下移动的升降开关、扭矩传感器和温度传感器，所述控制面板包括用于控制电动马达的电源开关和用于控制测试爪旋转速度的转速调节器，所述电动马达的输出端与扭矩传感器的输入端相连接，所述扭矩传感器的输出端与测试爪的输入端相连接，所述测试爪的输出端上设有爪型叶片，所述温度传感器安装在爪型叶片内。

优选的，所述爪型叶片的爪数至少为3个，优选为3～6个。

优选的，所述爪型叶片底部为圆锥形尖端，便于压入具有一定压实度的沥青混合料中。

优选的，所述固定机架底部设有便于自由移动的万向轮。

在现场的压实过程中，通过检测装置在施工现场对具有一定压实度的路面的压实状况进行即时检测，得到沥青混合料的压实检测指数k/kmin，k/kmin作为路面压实状况的力学指标与路面长期疲劳寿命、抗车辙性能、和抗裂性能紧密相关。再将实时检测得到压实检测指数k/kmin与设计阶段采用检测装置根据本发明的检测方法重复对设计用沥青混合料进行检测、数据采集标定后得到的标准值进行对比并结合压实度判断沥青混合料压实状况，从而及时对施工过程与施工质量进行调整与控制：当k/kmin值大于标准区间右端点值时，说明该路段欠压，可及时进行补压施工；当k/kmin值小于标准区间左端点值时，说明该路段过压，可及时采取过压补救措施；当k/kmin值位于标准区间范围内时，说明路段压实完成，可进行下一阶段施工。同时在实际检测过程中，测试爪叶片转速较慢且高温下的沥青混合料具有一定的自愈性，在压入路面获得实测数据的同时对已施工路面的破坏较小，因此根据实时的检测数据对后续的施工过程具有工程性的指导意义，对欠压、过压的状况进行补救和预防，保证沥青混合料良好的压实效果。

本发明所述的施工压实过程中沥青混合料压实剪切特性检测装置的使用方法，具体包括以下步骤：

步骤一、现场沥青混合料铺筑施工，经压路机碾压后，将检测装置推至选定的测定点位；

步骤二、通过升降开关将测试爪输出端上的爪型叶片压入具有一定压实度的沥青混合料中；

步骤三、打开电动马达电源开关，电动马达带动测试爪缓慢匀速旋转，记录所述显示器上的温度值t及扭矩值m，t的单位为℃，m的单位为n·m；

步骤四、利用步骤三所述扭矩值m计算得到沥青混合料的抗剪强度和抗剪刚度，

式中：f为抗剪强度,g为抗剪刚度，γ为剪应变，ρ为半径，ip为极惯性矩；

步骤五、利用步骤四所述抗剪强度和抗剪刚度计算得到沥青混合料的压实检测指数k/kmin，k定义为抗剪刚度的倒数，，kmin为沥青混合料在相应压实度时候的k值最小值，再将实时检测得到压实检测指数k/kmin与设计阶段采用检测装置根据本发明的检测方法重复对设计用沥青混合料进行检测、数据采集标定后得到的标准值进行对比并结合压实度判断沥青混合料压实状况，从而及时对施工过程与施工质量进行调整与控制：当k/kmin值大于标准区间右端点值时，说明该路段欠压，可及时进行补压施工；当k/kmin值小于标准区间左端点值时，说明该路段过压，可及时采取过压补救措施；当k/kmin值位于标准区间范围内时，说明路段压实完成，可进行下一阶段施工。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、通过本发明检测装置得到的得到的压实检测指数k/kmin对实际施工的压实过程与压实度指标一起组成双指标控制，弥补传统路面施工压实过程中采用压实度单一指标控制方法的不足，可现场根据该压实检测指数的大小和压实度一起准确地判断出沥青混合料的压实状况优劣，即在检测压实度后，测试得到压实检测指数，再将实时检测得到压实检测指数与标准值进行对比，用于准确评价沥青混合料压实效果的优劣，确定沥青混合料在施工过程中的压实状况，并根据检测结果及时对施工过程与施工质量进行调整与控制。

2、本发明测试结果实时快捷，对实际施工的压实过程具有即时性的可指导作用。在测定施工压实过程中沥青混合料的压实检测指数具有实时性，通过现场实时所得压实性检测指数的大小，实时监测混合料压实状况并及时在现场指导施工，对欠压、过压的状况进行补救和预防，保证沥青混合料良好的压实效果。

3、本发明操作简单，可实施性强，针对沥青混合料施工过程中缺少实时压实控制的现状，本发明可直接用于施工现场实现事中检测。具体实施过程中，直接将检测装置运输至施工现场，对摊铺后及后续压实过程中具有一定压实度的沥青混合料进行测试，即可得到该沥青混合料在施工过程阶段的压实检测指数。

4、本发明能够直接针对沥青混合料进行测试，在实际应用中以测试爪缓慢匀速旋转测得扭矩值从而得到混合料实际施工中的可压实性，采用低转速，避免对沥青路面产生较大伤害，得到的沥青混合料的压实过程中的抗剪强度与抗剪刚度，可直接反应出施工过程中沥青混合料的力学性能优劣，而且本发明还能够根据计算得到压实检测指数的大小对沥青混合料的压实状况进行评价。

5、本发明结构简单合理，适用范围广泛，针对多种类型的沥青混合料均具有良好的检测性。通过对沥青混合料的搅拌真实、准确地反映出沥青混合料的压实粘阻力，并以扭矩值的形式表达出来，从而得到沥青混合料的压实过程中的抗剪强度与抗剪刚度，直接反映施工过程中沥青混合料的力学性能优劣，从而判断是否进行及时的补压，对于不同配比沥青混合料的压实状态均能检测准确且即时。因此具有普适性，便于在沥青路面施工中进行推广。

附图说明

图1为本发明的施工压实过程中沥青混合料混合料压实剪切特性检测装置结构示意图；

图2为测试爪结构示意图；

图3为沥青混合料混合料压实剪切特性检测装置使用示意图；

其中，1、固定机架；2、显示器；3、控制面板；31、电源开关；32、转速调节器；4、测试爪；5、电动马达；6、升降开关；7、扭矩传感器；8、温度传感器；9、爪型叶片；10、万向轮。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、使用目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1-2，为本发明一种优选的施工压实过程中沥青混合料混合料压实剪切特性检测装置，包括固定机架1和检测系统，所述固定机架1底部设有便于自由移动的万向轮10，用于施工现场检测；所述检测系统包括显示器2、控制面板3、测试爪4、用于驱动测试爪4转动的电动马达5、用于控制测试爪4上下移动的升降开关6、扭矩传感器7和温度传感器8，所述控制面板3包括用于控制电动马达5的电源开关31和用于控制测试爪4旋转速度的转速调节器32，所述电动马达5的输出端与扭矩传感器7的输入端相连接，所述扭矩传感器7的输出端与测试爪4的输入端相连接，所述测试爪4的输出端上设有爪型叶片9，爪型叶片9的爪数为6个，爪型叶片底部为圆锥形尖端，便于压入具有一定压实度的沥青混合料中，温度传感器8安装在爪型叶片内。

参见图3，具体检测过程如下：

步骤一、现场沥青混合料上、中、下面层分层铺筑施工，对于下面层经压路机碾压施工后，将检测装置推至选定的测定点位，固定万向轮；

步骤二、通过升降开关将测试爪输出端上的爪型叶片压入具有一定压实度的沥青混合料中；

步骤三、打开电动马达电源开关，电动马达带动搅拌轴缓慢匀速旋转，速度可在5°/min～10°/min之中自由选择，记录所述显示器上的温度值t及扭矩值m，t的单位为℃，m的单位为n·m；

步骤四、利用步骤三所述扭矩值m计算得到沥青混合料的抗剪强度和抗剪刚度，

式中：f为抗剪强度,g为抗剪刚度，γ为剪应变，ρ为半径，ip为极惯性矩；

步骤五、利用步骤四所述抗剪强度和抗剪刚度计算得到沥青混合料的压实检测指数k/kmin，k定义为抗剪刚度的倒数，，kmin为沥青混合料在相应压实度时候的k值最小值，再将实时检测得到压实检测指数k/kmin与标准表1中的k/kmin的标准区间进行对比判断沥青混合料压实状况，从而及时对施工过程与施工质量进行调整与控制：当k/kmin值大于标准区间右端点值时，说明该路段欠压，可及时进行补压施工；当k/kmin值小于标准区间左端点值时，说明该路段过压，可及时采取过压补救措施；当k/kmin值位于标准区间范围内时，说明下面层压实完成，重复步骤一至步骤五进行中、上面层的施工。

所述表1中的压实检测指数k/kmin与压实度对应值为设计阶段采用检测装置根据本发明的检测方法重复对设计用沥青混合料(本发明为ac-13c沥青混合料)进行检测、数据采集标定后得到的标准值，需要说明的是，标准表中的值可根据实际工程中不同设计用沥青混合料发生变化，但是所用检测装置及检测方法本质不变。压实度为沥青混合料密度与其最大理论密度相比，其测试方法参考jtgf40-2017《公路沥青路面施工技术规范》。

表1压实检测指数k/kmin与压实度双指标标准表

实施例1

本实施例中，以上面层ac-13c沥青混合料为例，混合料处于摊铺后状态，如某路段采用三种压路机进行压实，碾压方式选择如表2所示：

表2某路段碾压方式

初压应在紧跟摊铺机后碾压，采用钢筒式压路机静压后，通过无核密度仪测定沥青混合料压实度，使用压实剪切特性检测装置测定混合料实时压实检测指数k/kmin及混合料内部温度t。其中电动马达带动搅拌轴缓慢匀速旋转速度可在5度/min～10度/min之中自由选择，压实状况检测指标如表3所示：

表3某路段初压压实状况检测指标

初压的目的在于整平和稳定混合料，同时为复压创造条件。初压完成后混合料的压实度可达到80％以上，其中初压温度保持在110～130℃之间，处于正常施工温度；压实度和压实剪切特性指数k/kmin与表1标准值相比，压实度均大于设计要求80％且各路段沥青混合料压实检测指数k/kmin处于标准区间范围。由于压实度和压实检测指数均合格，说明混合料初压状况良好，可进行下一阶段施工。

复压应紧跟在初压后进行，复压是混合料密实、稳定及成型的关键工序，采用振动压路机碾压后，同初压检测步骤一样，对复压后沥青混合料进行压实性能检测，压实状况检测指标如表4所示：

表4某路段复压压实状况检测指标

对于k2+060路段，混合料内部温度所测温度在108.2℃、压实度满足设计要求、及压实剪切特性指数满足表1要求，混合料压实状况良好，可进行下一阶段施工。

对于k2+080路段，测试混合料温度为110.6℃，在该温度下，所测的压实度满足设计要求，由于混合料压实检测指数k/kmin为1.24大于95％压实度下正常值的1.20，混合料内部力学性能不达标，混合料压实不合格，可采用以下方式提高混合料力学性能：

1、可将振动压路机更换为轮胎式压路机，通过轮胎式压路机对混合料的揉压作用使颗粒之间的摩擦力减小，进行重排，使小颗粒进入大颗粒之间的空隙。

2、减缓振动压路机碾压速度，增加压路机与混合料接触时间；或采用高频率、大振幅的方式，以产生较大的激振力。

对于k2+100路段，复压后压实度偏小，混合料压实检测指数k/kmin为1.84，大于86％压实度下正常值的1.70，判断该路段压实不合格；由于混合料内部温度为90.4℃，低于复压正常施工温度95～115℃，无法进行施工补救。如在此基础上继续压实，将造成该路段压实度不足，在长期使用中容易产生车辙和剥落等病害，建议该路段进行铲除重铺。