智能摊铺的得力助手—美国GSSI实时连续式路面压实度测量仪Pavescan RDM 2.0

一、 背景

压实度对沥青混凝土的早期破坏和长期性能有重要影响。目前对沥青路面压实效果的典型评价包括覆盖范围有限的一些方法，如无核（核子）密度仪法和以及破坏性的方法，如取芯法等，这些方法以抽样的方式对摊铺沥青路面进行质量检查，但是存在破坏或者无法客观评价路面整体施工质量的缺陷，这样就产生了对无损且全面路面质量检查方法的需求，希望能够实现可以持续收集数据，且对路面结构无损的方法。探地雷达技术为这一目的提供了可行性，提供了一种非破坏性、连续测试的方案。

路面

二、传统方法的缺陷

在沥青路面施工过程中，对于检测机构的风险(用户风险)是检测机构根据几个随机抽样点的结果接受或拒绝当天的摊铺质量是否合格。实际上，一项路面工程的实际整体压实度差异性是未知的。在图3的场景中，检测机构选取的点正好为压实合格点，便接受了现场整个摊铺的质量要求，而实际整个项目有明显的压实度不足(统计类型II错误)。由于路面的使用寿命通常是由性能最差的地方决定的，所以导致会错误地接受质量差、寿命短的摊铺路面。

另一方面，当随机样本位置与局部欠压实区域重合时，承包施工方面临风险(生产者风险)，如图4所示，在这种情况下，承包商会因为当天的抽检不合格而被认为整个项目有瑕疵，尽管事实上大部分的施工都是可以接受的(统计类型I的错误)。

以上的两种错误判断类型都是目前的定点检测所带来的随机误差导致的，从而造成对项目质量的把控不能从根本上了解实际的情况。基于现状，连续且全面的压实质量检测便越来越受到行业人员的青睐和关注。

三、Pavescan的发展

GSSI公司于上世纪90年代初联合TTI（美国得克萨斯州交通研究院）进行了雷达系统路面测试的产品开发，其后在美国公路战略研究计划二期(SHRP2)中 4个研究领域：安全、再生、可靠性和通行能力中进行了详细描述。形成了“Rapid Technologies to Enhance Quality Control on Asphalt Pavements (R06C)”（沥青路面质量控制的快速测量技术）和“GPR, one of two ways to evaluate asphalt pavements during construction”（GPR ，沥青路面质量评估的两种方法之一）的技术文件。SHRP2与SHRP一样，是美国国会指令性目标明确1.5亿美元经费进行为期4年(2005年~2009年)的以成果为主的研究项目。

①: 2012年德克萨斯州交通运输研究所(TTI)的原型喇叭天线使用1.6 GHz天线；

②③ : 2015年与明尼苏达州运输部合作制作了PaveScan的原型机；

④: 2016年在TRB会议上发布 RDM 1.0；

⑤ : 2019年发布RDM 2.0，并纳入了AASHTO  #PP 98-19；

Pavescan的工作原理

目前，探地雷达逐渐在国内外的相关测试中得到认可，作为一种连续测试方法，在工程中的QC / QA（质量控制/质量保证）起到了积极作用，大大提高了检测效率和测试普查精度，为承包商和业主单位进行质量把控和落实改修建方案提供了有利参考。

探地雷达的工作原理是发送电磁波离散脉冲在路面和捕捉反射信号的不同层之间传动，用雷达反射振幅和反射之间的时间延迟来计算层介电常数(公式1)，由于空气的介电常数小于沥青混合料的其他组分，所以沥青混合料的综合介电常数会随着压实程度的增大而增大，因此，测量的介电常数与压实度成正比。

图6显示了不同材料的介电常数，热拌沥青混合料(HMA)的一般表面介电常数在4~6之间，区别取决于骨料类型、沥青含量和级配。介电值高往往表明材料内部含有水分。

低频雷达可以穿透到路面深处，而高频雷达(2GHz以上)可以测量较浅的深度，但是分辨率更高。因此，对于小于2in (5.08cm)厚的典型HMA叠加层，高频雷达具有良好的分辨率。较小的高频天线的另一个优点是，装置更加便携，更加容易进行现场安装、无损测量。

另外该系统最大的优点是能够快速收集连续的测量数据。

低频雷达可以穿透到路面深处，而高频雷达(2GHz以上)可以测量较浅的深度，但是分辨率更高。因此，对于小于2in (5.08cm)厚的典型HMA叠加层，高频雷达具有良好的分辨率。较小的高频天线的另一个优点是，装置更加便携，更加容易进行现场安装、无损测量。另外该系统最大的优点是能够快速收集连续的测量数据。

四、Pavescan的特征及技术应用

PaveScan RDM 2.0是第二代沥青路面密度评估工具，可以提供精确的实时测量，以确保沥青路面寿命和质量。该系统是检测出现在路面铺装过程中不一致性的理想工具，包括较差的均匀性和明显的密度偏差。通过检测这些问题，PaveScan可以帮助避免路面的早期破坏，如道路断层、裂缝和沿接缝处的损坏。

1）创新的技术

PaveScan提供了一种简单而经济的评估工具，以无损测试的方法确定沥青路面在服役期间的介电值。PaveScan是一种电介质断面系统(DPS)，是识别新沥青路面不均匀区域的首选测试方法。它可以通过两种不同的测试方法进行数据采集；介电值或空隙率。不存在现场危险，也不需要像使用核子仪/放射性产品那样封闭工作区域。

2）多样化的安装方式

    整套系统能够安装在手推车、高尔夫车、机动车以及压路机上，满足不同场景的测试需求，在满足快速测量的同时，能够最大限度发挥设备的工作性能。

2.1）压路机上的实时碾压测试

Pavescan的诞生为在路面摊铺过程中的压实度实时测量提供了可能，在路面摊铺过程中，不同的碾压次数能够获取不同的压实度水平，传统的压实度测试只能获取终压之后的压实度数据，碾压指标不合格后无法再有补救的机会，而pavescan便能有效地解决这样的问题，碾压过程中实现了过程的实时监控，从而能够及时反馈压实度数据，为后续的业主决策和方案变更提供及时的数据反馈。

3）集成化的主机盒

l  可容纳多达3个传感器，每个传感器频率为2GHz（最大测量宽度为6英尺）；

l  用于缆线收集的外壳；

l  可热插拔，双电池；

4）全新的传感器设置

l  专为极端的沥青铺装环境制造；

l  激光帮助精确定位；

l  GPS和安装杆提供了高精度的位置信息，并与PaveScan接口无缝对接；

5）PaveScan RDM 2.0的可视化数据

配置松下G1平板电脑操作平台，可实现简洁的用户界面， PaveScan操作简单，无缝集成的GPS，可实现实时的屏幕数据显示和导出选项。

5.1）实时测量：介电值显示

PaveScan可以自动计算新铺路面的介电测量值。沥青混合料介电值的变化与沥青空隙率的变化有关。因此，PaveScan识别出压实中的异常值，让用户能够确定新铺路面和大致区域钻芯样的结果一致性。

5.2）采集结果：显示空隙率百分比

PaveScan为用户提供了一种全覆盖的采集方法，通过将取芯样的空隙率与密度相关联来确定沥青路面的完整性。通过空隙率和介电常数的关系来转换数据，测量的数据在PaveScan系统中可通过.CSV或KML文件进行输出，实现压实度的实时连续测量和数据显示。

6）PaveScan RDM 2.0的结果可靠性

美国德州农工大学交通学院（Texas A&M Transportation Institute ）在2019年发布的一份研究报告中显示，该机构在北美针对PaveScan RDM 2.0以及手持式核子密度定点测试仪进行了对比，通过钻芯法和两种无损测试方法进行了比对，对大量的数据采集点以及相关性进行分析，获得了传统法（钻芯法）和PaveScan RDM 2.0以及手持式核子密度仪的对比数据，并取得了具有价值的相关性分析结果。

注：文中的部分分析图表和数据参考来自以下文献：

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、结语

SHRP 2 R06C报告中指出“现场路面密度是决定热拌沥青混合料(HMA)路面耐久性的一个关键因素” 。局部的不均匀混合料区域称为离析，通常会成为路面摊铺层的低密度区域。离析仍然是与路面铺装相关的一个主要问题，会对路面使用寿命产生严重的不利影响。因此，GSSI在2016年研制了PaveScan，这是一个提供实时全覆盖数据的无核解决方案。通过进一步的研究和实地测试，PaveScan 2.0集成了全新的传感器设计、安装配置和软件更新，提高了数据检测的准确性。

全新的PaveScan 2.0系统将成为路面施工过程中数据测试和质量实时监控的重要检测手段，是一款高科技集于一身的智能化检测设备，将为路面质量控制和长久运行保驾护航！