智能攤鋪的得力助手—美國GSSI實時連續(xù)式路面壓實度測量儀Pavescan RDM 2.0
一、 背景
壓實度對瀝青混凝土的早期破壞和長期性能有重要影響。目前對瀝青路面壓實效果的典型評價包括覆蓋范圍有限的一些方法，如無核（核子）密度儀法和以及破壞性的方法，如取芯法等，這些方法以抽樣的方式對攤鋪瀝青路面進行質(zhì)量檢查，但是存在破壞或者無法客觀評價路面整體施工質(zhì)量的缺陷，這樣就產(chǎn)生了對無損且全面路面質(zhì)量檢查方法的需求，希望能夠?qū)崿F(xiàn)可以持續(xù)收集數(shù)據(jù)，且對路面結(jié)構(gòu)無損的方法。探地雷達技術(shù)為這一目的提供了可行性，提供了一種非破壞性、連續(xù)測試的方案。
二、傳統(tǒng)方法的缺陷
在瀝青路面施工過程中，對于檢測機構(gòu)的風(fēng)險(用戶風(fēng)險)是檢測機構(gòu)根據(jù)幾個隨機抽樣點的結(jié)果接受或拒絕當(dāng)天的攤鋪質(zhì)量是否合格。實際上，一項路面工程的實際整體壓實度差異性是未知的。在圖3的場景中，檢測機構(gòu)選取的點正好為壓實合格點，便接受了現(xiàn)場整個攤鋪的質(zhì)量要求，而實際整個項目有明顯的壓實度不足(統(tǒng)計類型II錯誤)。由于路面的使用壽命通常是由性能最差的地方?jīng)Q定的，所以導(dǎo)致會錯誤地接受質(zhì)量差、壽命短的攤鋪路面。
另一方面，當(dāng)隨機樣本位置與局部欠壓實區(qū)域重合時，承包施工方面臨風(fēng)險(生產(chǎn)者風(fēng)險)，如圖4所示，在這種情況下，承包商會因為當(dāng)天的抽檢不合格而被認為整個項目有瑕疵，盡管事實上大部分的施工都是可以接受的(統(tǒng)計類型I的錯誤)。
以上的兩種錯誤判斷類型都是目前的定點檢測所帶來的隨機誤差導(dǎo)致的，從而造成對項目質(zhì)量的把控不能從根本上了解實際的情況?；诂F(xiàn)狀，連續(xù)且全面的壓實質(zhì)量檢測便越來越受到行業(yè)人員的青睞和關(guān)注。
三、Pavescan的發(fā)展
GSSI公司于上世紀90年代初聯(lián)合TTI（美國得克薩斯州交通研究院）進行了雷達系統(tǒng)路面測試的產(chǎn)品開發(fā)，其后在美國公路戰(zhàn)略研究計劃二期(SHRP2)中 4個研究領(lǐng)域：安全、再生、可靠性和通行能力中進行了詳細描述。形成了“Rapid Technologies to Enhance Quality Control on Asphalt Pavements (R06C)”（瀝青路面質(zhì)量控制的快速測量技術(shù)）和“GPR, one of two ways to evaluate asphalt pavements during construction”（GPR ，瀝青路面質(zhì)量評估的兩種方法之一）的技術(shù)文件。SHRP2與SHRP一樣，是美國國會指令性目標明確1.5億美元經(jīng)費進行為期4年(2005年~2009年)的以成果為主的研究項目。
①: 2012年德克薩斯州交通運輸研究所(TTI)的原型喇叭天線使用1.6 GHz天線；
②③ : 2015年與明尼蘇達州運輸部合作制作了PaveScan的原型機；
④: 2016年在TRB會議上發(fā)布 RDM 1.0；
⑤ : 2019年發(fā)布RDM 2.0，并納入了AASHTO #PP 98-19；
目前，探地雷達逐漸在國內(nèi)外的相關(guān)測試中得到認可，作為一種連續(xù)測試方法，在工程中的QC / QA（質(zhì)量控制/質(zhì)量保證）起到了積極作用，大大提高了檢測效率和測試普查精度，為承包商和業(yè)主單位進行質(zhì)量把控和落實改修建方案提供了有利參考。
探地雷達的工作原理是發(fā)送電磁波離散脈沖在路面和捕捉反射信號的不同層之間傳動，用雷達反射振幅和反射之間的時間延遲來計算層介電常數(shù)(公式1)，由于空氣的介電常數(shù)小于瀝青混合料的其他組分，所以瀝青混合料的綜合介電常數(shù)會隨著壓實程度的增大而增大，因此，測量的介電常數(shù)與壓實度成正比。
圖6顯示了不同材料的介電常數(shù)，熱拌瀝青混合料(HMA)的一般表面介電常數(shù)在4~6之間，區(qū)別取決于骨料類型、瀝青含量和級配。介電值高往往表明材料內(nèi)部含有水分。
低頻雷達可以穿透到路面深處，而高頻雷達(2GHz以上)可以測量較淺的深度，但是分辨率更高。因此，對于小于2in (5.08cm)厚的典型HMA疊加層，高頻雷達具有良好的分辨率。較小的高頻天線的另一個優(yōu)點是，裝置更加便攜，更加容易進行現(xiàn)場安裝、無損測量。
另外該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是能夠快速收集連續(xù)的測量數(shù)據(jù)。
低頻雷達可以穿透到路面深處，而高頻雷達(2GHz以上)可以測量較淺的深度，但是分辨率更高。因此，對于小于2in (5.08cm)厚的典型HMA疊加層，高頻雷達具有良好的分辨率。較小的高頻天線的另一個優(yōu)點是，裝置更加便攜，更加容易進行現(xiàn)場安裝、無損測量。另外該系統(tǒng)最大的優(yōu)點是能夠快速收集連續(xù)的測量數(shù)據(jù)。
四、Pavescan的特征及技術(shù)應(yīng)用
PaveScan RDM 2.0是第二代瀝青路面密度評估工具，可以提供精確的實時測量，以確保瀝青路面壽命和質(zhì)量。該系統(tǒng)是檢測出現(xiàn)在路面鋪裝過程中不一致性的理想工具，包括較差的均勻性和明顯的密度偏差。通過檢測這些問題，PaveScan可以幫助避免路面的早期破壞，如道路斷層、裂縫和沿接縫處的損壞。
1）創(chuàng)新的技術(shù)
PaveScan提供了一種簡單而經(jīng)濟的評估工具，以無損測試的方法確定瀝青路面在服役期間的介電值。PaveScan是一種電介質(zhì)斷面系統(tǒng)(DPS)，是識別新瀝青路面不均勻區(qū)域的首選測試方法。它可以通過兩種不同的測試方法進行數(shù)據(jù)采集；介電值或空隙率。不存在現(xiàn)場危險，也不需要像使用核子儀/放射性產(chǎn)品那樣封閉工作區(qū)域。
2）多樣化的安裝方式
整套系統(tǒng)能夠安裝在手推車、高爾夫車、機動車以及壓路機上，滿足不同場景的測試需求，在滿足快速測量的同時，能夠最大限度發(fā)揮設(shè)備的工作性能。
2.1）壓路機上的實時碾壓測試
Pavescan的誕生為在路面攤鋪過程中的壓實度實時測量提供了可能，在路面攤鋪過程中，不同的碾壓次數(shù)能夠獲取不同的壓實度水平，傳統(tǒng)的壓實度測試只能獲取終壓之后的壓實度數(shù)據(jù)，碾壓指標不合格后無法再有補救的機會，而pavescan便能有效地解決這樣的問題，碾壓過程中實現(xiàn)了過程的實時監(jiān)控，從而能夠及時反饋壓實度數(shù)據(jù)，為后續(xù)的業(yè)主決策和方案變更提供及時的數(shù)據(jù)反饋。
3）集成化的主機盒
l 可容納多達3個傳感器，每個傳感器頻率為2GHz（最大測量寬度為6英尺）；
l 用于纜線收集的外殼；
l 可熱插拔，雙電池；
4）全新的傳感器設(shè)置
l 專為極端的瀝青鋪裝環(huán)境制造；
l 激光幫助精確定位；
l GPS和安裝桿提供了高精度的位置信息，并與PaveScan接口無縫對接；
5）PaveScan RDM 2.0的可視化數(shù)據(jù)
配置松下G1平板電腦操作平臺，可實現(xiàn)簡潔的用戶界面， PaveScan操作簡單，無縫集成的GPS，可實現(xiàn)實時的屏幕數(shù)據(jù)顯示和導(dǎo)出選項。
5.1）實時測量：介電值顯示
PaveScan可以自動計算新鋪路面的介電測量值。瀝青混合料介電值的變化與瀝青空隙率的變化有關(guān)。因此，PaveScan識別出壓實中的異常值，讓用戶能夠確定新鋪路面和大致區(qū)域鉆芯樣的結(jié)果一致性。
5.2）采集結(jié)果：顯示空隙率百分比
PaveScan為用戶提供了一種全覆蓋的采集方法，通過將取芯樣的空隙率與密度相關(guān)聯(lián)來確定瀝青路面的完整性。通過空隙率和介電常數(shù)的關(guān)系來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，測量的數(shù)據(jù)在PaveScan系統(tǒng)中可通過.CSV或KML文件進行輸出，實現(xiàn)壓實度的實時連續(xù)測量和數(shù)據(jù)顯示。
6）PaveScan RDM 2.0的結(jié)果可靠性
美國德州農(nóng)工大學(xué)交通學(xué)院（Texas A&M Transportation Institute ）在2019年發(fā)布的一份研究報告中顯示，該機構(gòu)在北美針對PaveScan RDM 2.0以及手持式核子密度定點測試儀進行了對比，通過鉆芯法和兩種無損測試方法進行了比對，對大量的數(shù)據(jù)采集點以及相關(guān)性進行分析，獲得了傳統(tǒng)法（鉆芯法）和PaveScan RDM 2.0以及手持式核子密度儀的對比數(shù)據(jù)，并取得了具有價值的相關(guān)性分析結(jié)果。
注：文中的部分分析圖表和數(shù)據(jù)參考來自以下文獻：
1） Evaluation of the Rolling Density Meter for Rapid
Continuous Measurement of Asphalt Mixture Density，Texas A&M Transportation Institute，2019.
2） Using Infrared and High-Speed Ground-Penetrating
Radar for Uniformity Measurements on New HMA Layers, SHRP 2, R06C, 2013.
五、結(jié)語
SHRP 2 R06C報告中指出“現(xiàn)場路面密度是決定熱拌瀝青混合料(HMA)路面耐久性的一個關(guān)鍵因素” 。局部的不均勻混合料區(qū)域稱為離析，通常會成為路面攤鋪層的低密度區(qū)域。離析仍然是與路面鋪裝相關(guān)的一個主要問題，會對路面使用壽命產(chǎn)生嚴重的不利影響。因此，GSSI在2016年研制了PaveScan，這是一個提供實時全覆蓋數(shù)據(jù)的無核解決方案。通過進一步的研究和實地測試，PaveScan 2.0集成了全新的傳感器設(shè)計、安裝配置和軟件更新，提高了數(shù)據(jù)檢測的準確性。
全新的PaveScan 2.0系統(tǒng)將成為路面施工過程中數(shù)據(jù)測試和質(zhì)量實時監(jiān)控的重要檢測手段，是一款高科技集于一身的智能化檢測設(shè)備，將為路面質(zhì)量控制和長久運行保駕護航！
