文摘

传统的沥青路面施工质量的评价方法已经逐渐落后于公路行业发展的步伐。大数据,物联网(物联网),和智能传感技术已经反映在道路工程领域,但这些技术也有技术缺陷的适用性、耐用性、实时性、可移植性。提供一种沥青路面施工质量评价的新方法,本研究开发了一个智能传感聚合(ISA)与低成本,高精度基于3 d打印技术和物联网技术(物联网)。根据实验室测试和现场测试,传感特性,分析了ISA耐高温、机械性能检验ISA的可靠性。通过ISA感知数据的定量分析,驾驶感觉指数(DPI)。通过分析定量关系的空间角ISA和压实度,DPI之间的定量关系,国际平整度指数(IRI)和挠度值,对沥青路面施工质量的评价标准。结果表明,最好的ISA波特率为9600个基点,和相应的数据传输距离是350米。在6米的范围,汽车、卡车、拖车、公共汽车可以被ISA。ISA的最高工作温度高达200°C。将ISA嵌入到沥青混合料对原来没有显著影响沥青混合料的级配。 The established evaluation standard of construction quality for asphalt pavement takes into account the compaction quality, the requirements of bearing capacity, and the driving comfort of asphalt pavement, which is suitable for expressway and first-class highway.

1。介绍

路面施工是整个沥青路面工程的重要组成部分。沥青混凝土路面的施工质量是密切相关的道路性能(1]。如果沥青路面的施工质量是质量差,很容易引起路面开裂和崩溃,这不仅对交通安全的影响很大,还会增加成本的公路操作(2]。因此,沥青路面施工质量的评价具有重要意义。一些研究人员使用压实度作为控制指标来评价沥青路面的施工质量。Hosseini等人利用岩心钻探方法开发了一个框架,用于连接路面施工质量控制指标长期表现在网络层(3]。张等人非核密度测量劲永国际,确定合理的检测间隔和定量评价指标的密度分布均匀性也提出了(4]。白非核的密度指标评估(NNDG)作为一个沥青跑道重修的项目的一部分。得出的结论是,当温度稳定,表面是干燥的,非核的密度仪(NNDG)是一个可靠的密度测量代替破坏性的取心(5]。胡检查的可能性,利用压实计值(CMV)来评估不同沥青路面层的密度(6]。乔治奥和网站名)进行了参数分析,开发了一个基于探地雷达(GPR)的优化方法准确评估表面热拌沥青层的压实(协会)人行道7]。可以看出,核心的钻探方法,探地雷达,和非核的密度仪主要用于检测压实度。岩心钻探方法需要破坏路面结构层,属于损伤检测方法,操作复杂。非核的密度测量方法属于无损检测,但它需要通过核心钻井数据校准。探地雷达方法成本高,容易受到噪声波干扰,数据处理和困难。

模量也是对沥青路面施工质量评价的重要指标。模量可以直接反映路面结构的承载能力和判断路面的质量8]。林等人开发了一个质量保证过程的原位模温度在不同的领域使用拟合函数从一个共同的参考温度实验数据质量保证和使用动态模量主曲线从实验室测试质量保证,可用于评估实际的路面性能(9]。Quansah等人实施交通反演计算技术通过使用一个动态圆锥贯入仪作为有效的工具在井下条件的评估和评价的结构能力可口可乐工厂道路在加纳(10]。京等人收集总共超过1000套的生产数据,超过120套雷达光谱,和138的核和利用他们为沥青路面(构建一个综合性能评价体系11]。Ikechukwu和Mostafa研究困境的表现和原因识别现有的高速公路上在尼日利亚东部进行的一系列动态针入度(DCP)测试12]。您正在等人做了功能和结构评估的视觉观察路面和Benkelman梁的挠度(bdd)技术在一个村庄道路(13]。可以看出,体重下降挠度计(FWD) Benkelman梁(BB)和动态圆锥贯入仪(DCP)主要用于测试目前沥青路面模量。然而,前轮驱动太大而昂贵的广泛使用。BB方法主要适用于路基模量反算路面模量,但测量模量是静态模量,这是不符合车辆动载荷下的模量。DCP方法决定了路面结构的承载力通过建立渗透和CBR之间的相关性,通过经验公式计算字段CBR值,但其可靠性较低。可以看出,目前的主流方法是基于力学计算,实地测试,实验室测试评估和量化沥青路面的施工质量。然而,这些方法缺乏实时检测数据往往需要复杂的二次加工,和可移植性、环保、和可用性的测试设备还需要改进14]。

智能传感技术是智能制造的先进技术和物联网(物联网),具有重要意义。近年来,智能传感器技术在公路工程发展迅速。Hasni等人提出一个表面传感检测方法的自底向上的裂缝在沥青混凝土(AC)人行道。该方法是基于压缩数据的解释存储在记忆细胞的自供电的无线传感器(慢波睡眠)和非常数的注射率(15]。香和王发达一个灵活地沥青砂胶包装为分布式光纤传感器应变监测的沥青路面16]。然而,环境温度的智能传感器有很高的要求,不能正常工作的环境中超过80°C,而沥青路面的压实温度高达150°C。霁等人伪造的自供电的损伤检测聚合(SPA)通过与环氧树脂封装压电振动器,由合成压电陶瓷(压电)和聚偏二氟乙烯(17]。然而,压电材料需要特殊电缆,自动复位缓慢时突然受到振动或过度的压力。

总之,传统的沥青路面施工质量的评价方法已经逐渐落后于公路行业发展的步伐。大数据,目前物联网(物联网),和智能传感技术已经反映在道路工程领域,但这些技术也有技术缺陷的适用性、耐用性、实时性能,和可移植性在实践中,这在一定程度上限制了促进公路行业的新技术和新材料。在这种背景下,本研究开发了一个智能传感聚合(ISA),体积小,成本低,基于物联网技术的精度高。首先,ISA的可靠性评估数据传输方面的敏感性,车辆感知、耐高温、机械性能。然后,对沥青路面施工质量的评价标准考虑到压实质量、承载能力,并建立了驾驶舒适性基于ISA的感知数据,它提供了一种沥青路面施工质量评价的新方法。

2。原材料的技术性能

2.1。角传感器

角度传感器模块选为ISA的主要芯片,及其技术参数如表所示1。

表1
角传感器模块的技术参数。
2.2。无线传输模块

无线传输模块用于全双工无线透明传输的角度传感器收集的数据,以及技术参数如表所示2。

表2
无线传输模块的技术参数。

无线传输模块通常成对使用,一个作为发射器和其他接收器。

2.3。外部包装层

ISA的外部包装层是由尼龙6/66共聚物基于3 d打印技术。材料具有良好的耐热性和机械性能18]。的技术指标如表所示3。

表3
技术指标的尼龙6/66共聚物。
2.4。其他材料

塑料钢土壤和高温胶带350°C的温度电阻被用作内部绝缘层ISA,如图1。可充电锂电池模块组成的锂电池和电源控制模块。这个模块的电压为3.7 V,容量400毫安。电源模块的电源开关可以无线遥控。在图所示的模块2。


图1
内部隔热层材料。

图2
电池模块系统。

3所示。方法

基于3 d打印技术和物联网技术(物联网),一个智能传感聚合(ISA)与低成本,高精度。根据实验室测试和现场测试,传感特性,分析了ISA耐高温、机械性能检验ISA的可靠性。通过建立ISA遥感数据之间的定量关系,压实度,IRI,和挠度值,对沥青路面施工质量的评价标准可以全面考虑压实质量、承载能力的要求,提出了沥青路面的驾驶舒适性。

4所示。开发智能传感的骨料(ISA)

智能传感聚合(ISA)和20毫米的颗粒大小是准备利用无线传输模块,角度传感器,可充电锂电池模块。ISA打包3 d打印技术和高强度和耐高温材料控制形状,保证机械强度和信号稳定。制备流程如图3。


图3
ISA的准备过程。

完成的ISA的抗压强度可以达到80 MPa。ISA角数据可以获得在坐标轴的三个方向。空间角度为指标分析在这项研究。计算方法如以下公式所示: 在哪里 是空间角度和单位学位(°); 的姿态角吗X方向; 的姿态角吗Y方向;和 的姿态角吗Z方向。

本研究使用Python编程语言开发数据采集和分析软件的ISA,如图4。


图4
ISA的数据采集和分析软件。

ISA数据采集系统(ida)是开发基于物联网的技术(物联网)。ida的大小的长度是24厘米,宽17厘米,10厘米的高度,如图5。无线传输模块(接收器)放置在设备。艾达有一个内置可充电电池,这是一种便携式设备。艾达可以用于无线ISA数据的收集和实时分析。


图5
ISA数据采集系统(ida)。

5。ISA的可靠性评估

5.1。ISA的感知特性测试
5.1.1。信号传输性能测试

ISA葬在沥青路面路面压实测试信号传输性能在不同波特率(9600个基点,至19200个基点,至38400个基点,至51200个基点,至115200个基点)。埋深是10厘米,如图6。


图6
ISA的信号传输性能测试。

ISA的信号强度可以通过无线传输模块的串口命令在测试期间。测试网站是在一个开放的区域,和测试结果如表所示4。

表4
无线传输性能测试的测试结果。

如表所示4ISA进行正常数据传输的波特率的9600 - 115200个基点。波特率的增加,无线传输距离和信号强度的ISA不断下降。考虑的准确性、完整性和包传输领域的应用程序需求,9600个基点被选为ISA的传输波特率,和相应的信号传输距离是350米。

5.1.2中。驾驶感知性能测试

沥青路面完成后,内部总在密切接触或嵌入式状态,和有骨料颗粒之间的相互作用力19]。当一个汽车轮胎接触路面时,接触表面周围的总在一定的范围内也是干扰由于力传播,如图7。


图7
骨料的扰动特征。

在图6,l打扰骨料的最大距离,也可以认为是ISA的感知距离。确定ISA的最大干扰距离可以提供一个基础的布局密度账户在人行道上。ISA的扰动特性的测试方案如图8。


图8
测试方案ISA的扰动特征。

在图8四种常见的汽车,一辆车,卡车,拖车,和公共汽车,作为分析对象,激光测距仪是用于确定各种车辆的干扰距离根据ISA ISA ida获得运动数据。当车辆到达一定的位置,如果ISA数据开始出现波动,线性距离车辆的重心ISA是用作初步感知距离l我(我= 1,2,3,4)。在分析过程中,为每辆车500组数据被收集的类型,最后结果取平均值。实地调查结果如表所示5。

表5
测试结果的驾驶感觉ISA的性能。

从表5,ISA的扰动的最大距离是6.2米。为方便实际应用,l值确定为6米。在实践中,只有一个ISA需要完整运动数据采集中的聚合沥青混合料在一个圆形区域,以ISA布局点为圆心,半径为6米。

5.2。耐高温的ISA

沥青混合物的混合和成型温度一般不超过200°C (20.]。ISA是放置在温度箱,和耐高温测试不同温度条件下(25°C, 50°C, 75°C, 100°C, 125°C, 150°C, 175°C,和200°C)。同时,抗压强度和信号的敏感性ISA在每个温度水平测试。结果如图9和10。


图9
ISA的耐高温测试。

图10
测试结果ISA的耐高温。

从数据9和10,可以看出ISA进行可靠的数据传输到200°C;然而,它的抗压强度与温度的增加,直到达到稳定下降。这是因为ISA是由一个3 d印刷层,塑料钢土层,保温材料层,并从外到内晶片组。当温度达到125°C, 3 d印刷层负载下已被摧毁。然而,塑料钢土壤具有良好的保温性能和强度,确保ISA有稳定的抗压强度和数据传输功能。

5.3。ISA的机械性能

基于实验室检测,ISA的力学性能和机械性能AC-25级配沥青混合料进行了研究。技术ISA和传统的石灰石骨料之间的性能比较如表所示6。

表6
比较ISA和传统的石灰石骨料之间的物理性质。

从表6可以看出,测试值的每个索引ISA接近石灰石骨料。通过Superpave回转压缩机(国网公司),汽缸的标本AC-25级配沥青混合料直径100毫米和150毫米的高度是由使用石灰石骨料和oil-aggregate比率为5.8%。成型温度为175°C,压实旋转角1°。普通沥青混合料和沥青混合物嵌入ISA分别形成,和三个平行样品准备。的动态模量测试两种类型的沥青混合物进行了基于UTM-30液压伺服试验机,结果是平均(21]。加载频率10 Hz,测试温度是0°C, 10°C, 20°C, 30°C, 40°C, 50°C。结果如图所示11。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图11
动态模量的比较测试结果。(一)测试标本。(b)的动态模量试验结果。(c)的状态ISA后测试

从图11可以看出,AC-25级配沥青混合料的动态模量与ISA嵌入式略低于普通AC-25级配沥青混合料在不同温度水平。ISA后保持完整的配置和功能测试。基于SPSS双因素方差分析,上述测试结果的差异分析,结果如表所示7。

表7
差异的分析测试结果。

根据SPSS双因素方差分析的假设,如果F值<F暴击, > 0.05,两组之间没有显著差异的数据(22]。从图可以看出9和表7ISA的测试的每个索引值没有显著不同的石灰石骨料,可以表明ISA可以取代传统的聚合来抵抗外部力量和内部荷载传递。AC-25级配沥青混合料的动态模量的嵌入式ISA没有明显不同于普通AC-25级配沥青混合料。可以推断,ISA嵌入到一个沥青混合料不会产生重大影响的原始机械性能混合物。

5.4。建立评价体系基于ISA的沥青路面施工质量

提出沥青路面的施工质量评价标准基于ISA的感知数据,压实度,国际平整度指数(IRI)和挠度值选为参考指标。压实度可以反映新的沥青路面的压实质量,IRI可以反映沥青路面的驾驶舒适性,和挠度值可以反映沥青路面的承载力23]。一个新的评价标准提出了沥青路面施工质量的研究。

5.4.1之前。描述基于ISA的压实质量

根据部分的布局方案5.1。2,25个账户被部署在测试区压实。测试部分总共是150米,路面参数表是一样的5。路面压实方案如表所示8。

表8
路面压实的计划。

从表8获得额外的试验压力阶段,ISA传感数据的最终稳定值。每次压实后,核密度仪器被用来测试路面的压实度,和艾达被用来收集的空间角ISA。之间的定量关系是空间角度和压实度如图12。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图12
ISA空间之间的关系角度和压实度。(一)初始压力。(b)压抑。(c)最终的压力。(d)测试阶段。

从图12(一个)25个账户观察点,ISA的平均空间角是82.8°,和相应的压实度是71.8%完成后的初始阶段的压力。在这个阶段,ISA的活动范围逐渐缩小,但ISA不是有效地交错在这个过程中,它仍然是免费的。从图12 (b)ISA的平均空间角为14.2°,相应的压实度是95.9%,平均变化值的空间角相对于初始压力阶段是67.9°6乘以压抑。此时,压实度仍然不满足规范的要求是不少于98%,高速公路和一级公路。但总量之间的联锁状态逐渐形成和ISA的运动逐渐在这个阶段有限。从图12 (c)ISA的平均空间角为4.9°,相应的压实度是98.4%,平均变化值的空间角相对于初始压力阶段最终压力10.1°后2倍。此时,压实度符合规范的要求对高速公路和一级公路。为了确认是否有房间ISA空间角度的变化,本研究进行了三个道路压实测试期间测试压实阶段。从图12 (d)ISA的平均空间角为4.8°,和空间角的平均变化值相对于最后压力阶段0.17°这不是明显不同于最终压力阶段(24]。可以看出,ISA的空间角处于一个稳定状态。根据上述分析,Φ≤5°道路压实完成后的沥青路面施工质量的评估条件。

5.4.2。拟议的驾驶感觉指数(DPI)

驾驶感觉指数(DPI)提出了研究指的是司机的驾驶舒适性基于ISA的感知数据,用于评价沥青路面的施工质量。更好的司机的安慰,路面的施工质量就越好。DPI标准由DPI之间的关系分析,IRI,挠度值。ida是固定的屋顶上收集的数据的载体,如图13。


图13
驱动的测试场景感知指数(DPI)。

根据下面的步骤,我们收集的数据和计算DPI值:(1)直线驱动5公里的速度80公里/小时,收集一组空间角数据每0.45 s,并使两次在同一车道。总共有四组数据,每组500个样本(2)计算两个相邻样本之间的差异的绝对值在每组数据,并去除最大和最小值(3)计算每组的均值差异的样本,DPI表示1,DPI2,DPI3,DPI4(4)DPI的平均值我(我= 1,2,3,4)作为最终DPI和单位的程度(°)

DPI值越小,驾驶舒适越高,路面施工质量就越好。

5.4.3。定量相关性DPI和IRI

国际平整度指数(IRI)是世界上使用最广泛的粗糙度指数,和大部分欧洲国家使用IRI作为路面粗糙度验收指标。IRI的计算方法如下所示: 在哪里Z年代车身的绝对位移,Zu是轮胎的绝对位移,l是开车的距离,IRI的单位为米/千米。路面施工完成后,IRI通常是由连续的平面度测量仪的方法。根据“公路工程质量检验和评价标准(JTG f80/1 - 2017)”和“高速公路性能评估标准(JTG h20 - 2018),“IRI的分类标准评价高速公路和一级公路的沥青混凝土表面如表所示9(25,26]。

表9
IRI的分类标准。

选择20种不同的新建道路部分实地测试,和测试区信息如表所示10。

表10
测试部分的信息。

根据测试结果,选择典型断面12的测试值之间的相关性分析IRI DPI,如图14。


图14
IRI和DPI之间的关系。

从图14,IRI的增加,DPI价值也逐渐增加,直到趋于稳定。IRI≤2.3米/千米时,相应的DPI值是5.2°,路面条件在“优秀”的水平。当IRI从2.3米/千米到5米/千米,DPI增加缓慢,增长了84.6%。在这个过程中,DPI的波动主要来自于车辆和道路之间的动态联系。当IRI从5米/公里增加到10米/千米,驾驶舒适逐渐恶化,DPI急剧增加,增加了350%。这是因为DPI的波动不仅影响车辆和道路之间的动态联系,也被撞车辆本身。IRI≥10米/千米时,DPI值趋于稳定,和道路条件很差没有进一步的测试。总之,DPI和IRI的关系符合项目的实际情况,和DPI可以用来评价沥青路面的施工质量。指在表的分类标准8,对沥青路面施工质量的评价标准基于DPI初步提出,如表所示11。

表11
评价标准基于DPI的沥青路面施工质量。
5.4.4。定量DPI和挠度值之间的相关性

路面的变形挠度值加载前后表演在人行道上。偏差指数可以反映沥青路面的承载力。落重挠度计(FWD)通常被用来检测沥青路面的挠度值(27]。

根据“公路沥青路面设计规范(JTG d50 - 2017)”,结合现场经验,路面的挠度值应该小于或等于20/0.01 mm在高速公路和一级公路的项目验收28]。相同的道路部分在图11选择挠度值检测和挠度值之间的相关性,建立了DPI,如图15。


图15
挠度值和DPI之间的关系。

从图15,DPI的增加,总体偏差值均呈增长趋势。当DPI小于或等于9.6°,挠度值从5.9到59.6大幅上升,增加了910%。当DPI大于9.6°,挠度值的增长显著放缓。这是因为当DPI小于或等于9.6°,根据评价标准表10,路面状况逐渐过渡“穷”的“优秀”等级水平,和挠度值大幅增加在这个阶段,这符合实际情况(29日]。DPI大于9.6°时,研究路面条件是“贫穷”的水平上,这个水平的路面条件通常是由压实质量或材料设计缺陷、不足和整体路面条件在这个层次上的差异不显著(30.]。值得注意的是,DPI = 5.2°时,相应的挠度值是25.9,这个时候和挠度值不满足验收要求。但当DPI = 4.7°,相应的挠度值为18.7,符合验收要求。

为了使评价标准同时考虑承载力和驾驶舒适性的要求,DPI值对应于“优秀”水平是纠正在这项研究中,最后评价标准如表所示12。

表12
评价标准基于DPI的沥青路面施工质量。

施工质量的评价标准提出了研究适用于高速公路和一级公路。

6。结论

基于物联网技术,低成本,高精度智能传感总(ISA)是由使用高强度和耐高温材料、无线传输模块、角度传感器和可充电锂电池模块。根据实验室测试和现场测试,传感特性,耐高温、机械性能的ISA进行分析来验证的可靠性ISA和确定ISA的工作条件。

推荐9600个基点的ISA的最佳传输波特率,和相应的数据传输距离是350米。在6米的范围,汽车、卡车、拖车、公共汽车可以被ISA。ISA的最高工作温度高达200°C。将ISA嵌入到沥青混合料对原没有显著影响沥青混合料的级配。

ISA的空间角度 ≤5°道路压实完成后的沥青路面施工质量的评估条件。驾驶感觉指数(DPI)提出了基于ISA传感数据。与IRI的增加,DPI值也增加。IRI是10米/千米时,DPI值趋于稳定。与DPI的增加,总体偏差值均呈增长趋势。当DPI小于或等于9.6°,与最大挠度值大幅上升,增长910%。当DPI大于9.6°,挠度值的增长显著放缓。

通过ISA感知数据的定量分析,对沥青路面施工质量的评价标准基于ISA的空间角度和DPI值建立。标准考虑了压实质量、承载能力和驾驶舒适性要求的沥青路面,适用于高速公路和一级公路。

数据可用性

在这项研究中提出的数据都可以在请求从相应的作者。由于隐私不公开的数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

y z调查研究和验证数据;c . z负责方法和软件。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

确认

这项研究是由中国博士后科学基金会(2020 m683402)的重点实验室开放基金的特殊地区公路工程教育部(长安大学)(300102210504),西安的科技计划项目(2020 kjrc0046),和自然科学基础研究计划的陕西金桥(2021 - 856)。