探讨动态控制技术在我国沥青路面的应用

　　摘要：本文笔者结合自己多年的工作经验，介绍了沥青混凝土路面的特点和在我国的应用状况。由此介绍了沥青路面施工质量动态控制技术方法，并举实例进行了分析。
　　关键词：公路、沥青混凝土、施工、动态控制、实例分析
　　引言
　　近几年来，我国经济得到飞速发展，交通也越来越方便，这与我国高速公路的迅速发展有着非常重要的关系。截至2008年底，中国高速公路总里程已达5.5万km，1级公路5.01万km。预计2010年高速公路将达6.5万km。
　　沥青混凝土路面，具有平整、吸振、噪声小等特点，在我国被广泛应用于各等级道路路面的建设，在交通中起着不可代替的作用。资料显示，美国高速公路约95%为沥青路面，日本高速公路中沥青路面约占94%。
　　虽然我国沥青路面技术不断进步，但是整体质量与国外相比仍存在较大差距。国外的高速公路可以使用几十年，而我国的高速公路基本上都是在交付使用几年后就出现了车辙、推移、泛油、拥包、松散等早期破坏现象，必须进行维修甚至是大修。调查表明，我国公路沥青混凝土路面的施工质量存在诸多问题，严重影响了路面的使用性能及运营效果，其主要问题之一就是各个环节的生产施工质量不稳定，控制不严密。
　　质量动态控制与管理旨在及时发现影响质量的因素，纠正偏差，提高施工质量的稳定性，减小质量指标的变异系数。沥青混凝土路面施工质量动态控制与管理，国外工业发达国家早在20多年前就普遍采用。我国京津塘高速公路在外国监理的指导下，自始至终很好地使用了该方法，对施工过程质量管理起到了很好的作用。但遗憾的是，在高速公路以后，高速公路工程的建设、施工和监
　　理单位很少再采用这个方法，这说明我国公路建设施工过程质量管理措施还不到位。
　　1动态控制技术的核心和作用
　　产品在制造过程中，质量特性值总是波动的，分为正常（随机）质量波动和异常（系统）质量波动，前者不可避免，质量控制的核心在于杜绝异常质量波动的发生。1924年以来，美国贝尔实验室的休哈特博士、罗米格博士等先后提出了控制图和过程控制理论以及统计抽样理论，为捕捉过程中的异常先兆，将异常消灭在萌芽状态和过程中，为预防不合格产品的发生提供了有效的工具。
　　动态控制技术又称统计过程控制，其核心是借助数理统计方法中的过程控制工具，绘制统计过程控制图，科学地分析生产过程中产生异常质量波动的因素，区分偶然因素与系统因素，对生产过程的异常及时告警，以便及时采取措施，消除异常，恢复过程的稳态。它是现代企业生产过程中质量控制的重要手段。
　　控制图有很多种，常用的计量控制图有平均值-标准差（X－s）控制图、平均值-极值（X－R）控制图、中位数-极差控制图、单值-移动极差控制图等。
　　2沥青路面施工质量动态控制技术方法
　　2.1平均值动态控制技术
　　休哈特博士提出的过程控制理论（即动态控制理论），控制图的统计原理就是利用3倍标准差原理界定计量值控制图的上、下限。控制图一般分为分析用控制图和控制用控制图，要求先收集25组以上的质量特性统计数据，通过X、R或S建立分析用控制图，分析统计数据的分布特征，求得总体标准差，从而确定控制用控制图的上、下限。
　　JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》附录中应用控制图，介绍了对沥青路面施工质量进行动态控制的方法，通过对施工周期内（一般以5～7d为一个周期）的施工参数（包括抽提油石比、级配、马氏参数、压实度等）检测数据进行整理、统计，分别计算逐日检测结果X、一个周期内逐日结果X的平均值X（期望值）、R、S绘制成动态控制曲线，通过曲线中X的分布分析判断质量控制的合理性，并以变异系数CV分析判断质量控制的稳定性。
　　该方法的特点是以施工日为监控点，要求每个施工日的样本数不小于2（即检测频率不小于2），而在实际工程施工中，设计、建设和监理单位都是按照JTGF40—2004的检测频率要求实施，一般都是1～2次，检测频率不小于2的施工天数是比较有限的；同时，检测频率不小于2的要求对施工企业而言还存在成本较高的问题，还可能因为非主观原因，施工日内无法实现2次或2次以上取样，因此，该方法对在建工程进行质量控制的实时监控是有难度的。
　　2.2单值动态控制技术
　　一种沥青混合料在整个施工过程中，质量控制的统计数据量很有限。而收集25组以上的预备数据，对生产过程中质量特性值的分布特征、稳定性进行诊断，建立控制用动态控制图，需要较长的过程。同时，在施工过程中加大检测频率，以谋求足够的样本数，又是不现实的。因此，在实际工程中，对沥青路面施工质量进行动态控制，采用平均值动态控制技术是有局限的。
　　另外，实际工程中，为了抢工期，一个施工日内生产的沥青混合料数量越来越大，产生质量异常波动是可能存在的，无论多大的抽样检测频率，以施工日内的平均值为代表值，还有可能掩盖这些施工日内的质量异常波动。
　　本文根据我国工程的实际情况，认为对沥青混凝土路面施工质量进行动态控制与管理，采用单值动态控制图技术是比较可行的。
　　质量控制是质量管理的核心，是产品合格率和优质率的保证。从根本上讲，产品质量与满足技术保证的能力即过程能力密切相关，体现质量控制的水平。而过程能力指数与质量特性统计数据的标准差、公差范围密切相关，有如下关系式：
　　Cp＝T/6σ＝（T－2ε）/6σ
　　式中，Cp为过程能力指数；T为公差范围；σ为总体标准差；ε为分布中心偏离目标值的偏离量。
　　在GB/T4091—2001《常规控制图》中，要求Cp≥1.33，而国际先进企业则要求Cp≥1.67。在对产品过程综合特性能力等级评定中，对于关键质量特性，过程能力指数Cp≥1.67时[3，8]才是理想状态。
　　因此，在沥青混凝土路面施工质量控制中，可以根据设计给定的T和要求的Cp，推算质量特性统计数据要求的σ，建立动态控制模型，一般是设定Cp＝1.67、ε＝0。绘制的单值动态控制图，一般有控制上限UCL、控制下限LCL、单值曲线、中心线CL、阶段平均值5条线。控制上、下限的确定以目标值M为中心线，根据
　　3σ原理进行核算：UCL（控制上限）＝M（目标值）＋3σ，
　　LCL（控制下限）＝M（目标值）－3σ，
　　CL（中心线）＝M（目标值）。
　　3单值动态控制技术应用实例与分析
　　3.1单值动态控制技术对在建工程质量的实时监控
　　运用沥青路面质量单值动态控制技术，对浙江一条在建高速公路ATB-25沥青混合料的级配质量控制进行了试点应用。
　　国内外研究结果表明，沥青混合料级配质量控制最重要的是对其关键筛孔通过率的控制。对于不同种类的沥青混合料，所控制的关键筛孔是不同的。AC-25、AC-20和ATB-25、ATB-20等粗粒式混合料，控制的关键筛孔是4.75mm。
　　该工程ATB-25沥青混合料关键筛孔4.75mm通过率的设计波动范围22.3%～34.3%，目标值为28.3%。由此可以得到T＝12，质量控制的理想状态就是分布中心无限接近目标值，所以，可以设定ε＝0，Cp＝1.67。
　　那么，由Cp＝T/6σ＝（T－2ε）/6σ转换计算标准差σ：
　　σ＝（12－0）/6×1.67＝1.2，
　　UCL＝28.3＋3×1.2＝31.9，
　　LCL＝28.3－3×1.2＝24.7，
　　CL＝28.3。
　　本文收集了该工程某一个周期（6个施工日）ATB－25沥青混合料关键筛孔4.75mm通过率的检测结果，发现第3和第5施工日内的波动很明显，然后，利用单值动态控制技术将数据绘制成动态控制图，见图1。
　　
　　从图1可以看出，ATB-25沥青混合料关键筛孔4.75mm筛通过率的控制出现异常，有5个点超出了控制范围。因此，必须查找产生质量异常波动的原因，及时消除影响因素，把下一阶段生产的ATB-25沥青混合料关键筛孔4.75mm筛的通过率控制在要求范围内。
　　在未改动原材料的情况下，出现这种异常，显然不是偶然因素造成。在检修拌和楼时，才发现拌和楼热料进料控制系统出了问题，其中0～3mm仓的控制键异常，当连续进料到一定量时，失去控制，在不需要进料时无法完全关闭，仍然有少量的集料入仓。这样，0～3mm档的集料就明显高出控制值，从而导致ATB-25沥青混合料的关键筛孔4.75mm筛通过率偏高。
　　设备修复后，为加强对ATB-25沥青混合料关键筛孔4.75mm筛通过率的控制，在第1、2个施工日增加了检测频率，图2是5个施工日内关键筛孔通过率的控制图。
　　
　　
　　从图2可看出，设备修复后，ATB-25沥青混合料的关键筛孔4.75mm筛通过率的控制非常好。
　　3.2单值动态控制技术对历史工程质量控制水平的评价
　　单值动态控制技术不仅可以对在建工程质量进行实时监控，还可以对历史工程质量控制水平进行分析与评价。
　　某高速公路沥青混凝土路面大修1期改造工程于2008年5月完工。其中一段近3km的工程，在开放交通不足一年，就因中面层的AC-25沥青混合料损坏，产生了渗水、拥包、坑槽、掉粒等路面早期病害而进行了返工。笔者利用单值动态控制技术对其级配的控制水平进行了分析与评价。
　　该工程AC-25沥青混合料关键筛孔4.75mm筛通过率的设计波动范围为23.9%～35.9%，目标值为29.9%。由此可以得到T＝12，同样设定ε＝0，Cp＝1.67。
　　那么，由Cp＝T/6σ＝（T－2ε）/6σ转换计算σ：
　　σ＝（12－0）/6×1.67＝1.2，
　　UCL＝29.9＋3×1.2＝33.5，
　　LCL＝29.9－3×1.2＝26.3，
　　CL＝29.9。
　　收集整理该问题路段AC-25沥青混合料级配检测数据，采用单值动态控制技术，将关键筛孔4.75mm筛通过率的检测结果，绘制成动态控制
　　
　　
　　图，见图3。
　　从图3可以看出，AC-25沥青混合料的关键筛孔4.75mm筛通过率的控制出现了非常明显的异常，80%的点超出了动态控制和设计上限，而最大值超出目标值40.5%。说明AC-25沥青混合料的级配明显偏细，这是造成渗水、坑槽、掉粒等早期病害的根本原因。
　　4结束语
　　单值动态控制技术采用统计学方法将检测点绘制在时间序列中，通过设置动态控制上、下限，将质量特性统计数据绘制成动态控制图，根据图形趋势，可以更加有效地达到分析原因、控制质量和开展预控等目的。同时，动态控制图还可以通过对质量特性的统计分析，用来评价施工单位的质量控制水平。
　　同时，应用该动态控制技术，无论是对在建工程质量进行实时监控，还是对历史工程质量控制水平进行评价，其结果对于建设单位和养护单位，都可以用于分析预测工程可能存在的潜在质量隐患和可能产生的某些早期病害，从而在运营管理过程中有针对性地采取预防措施进行养护，从技术层面指导养护决策。
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《探讨动态控制技术在我国沥青路面的应用》

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