瀝青路面鋪築新技術：智慧滾壓

智慧滾壓(Intelligent Compaction, IC)的主要創新亮點是以資通訊科技將路面滾壓歷程完整紀錄，經由在壓路機裝配先進資通訊裝置，使得施工方及業主得以在滾壓進行中實時量測紀錄材料的性質、視覺化跟監鋪築面的滾壓型態與次數、並將所有數據同步傳至雲端備查。

壓路機安裝的智慧滾壓系統(Intelligent Compaction, IC)組成(圖源：參考文獻[4])

結合遙測(Remote Sensing)、衛星地位(Global Positioning System)、及地理資訊(Geographic Information System)的3S系統提供的所謂定位服務(Location Based Service, LBS)，在歐洲和日本應用在營建施工已有多年經驗，其中的智慧滾壓(Intelligent Compaction, IC)技術，如圖1所示的智慧滾壓，是指將感測技術應用在道路施工時的滾壓程序中，實時處理受壓面的回應數據來加強滾壓的步驟以期控制壓實度，其中的智慧滾壓量測值(Intelligent Compaction Measurement Values, ICMV)是可以代表受壓層勁度的指標。

圖1、智慧滾壓組成[4]

在面層瀝青混凝土施工時，除了平坦度外，壓密度是路面鋪築施工的最重要控制項目，鋪平滾壓後得到的路面材料密度(空隙率)直接與瀝青路面的耐久性相關；影響鋪築滾壓後瀝青路面密度的因素計有材料架構特性(標稱最大粒徑與鋪築厚度比)、鋪築滾壓機俱(材料轉運車、鋪裝機、勻泥鈑有否震動、壓路機大小、壓路機型式、壓路機震動模式、滾壓型式與次數)、及環境因素(氣溫、路面溫)等，因此，達到壓密度要求一直都是施工團隊的主要挑戰。

有相關研究指出路面破壞歸因於材料不良的百分比只有21%，大都是施工因素；現行檢測瀝青路面壓密度的主要方法是在完成的路面取鑽心試體，如圖2所示，在實驗室測得鑽心試體的密度來代表完成路面的壓密度；由於依隨機抽樣的統計原理，鑽心抽樣點位及取樣數常造成困擾，對完成面的破壞，加上抽樣檢驗這些已出熱拌廠並且鋪到路上的材料，其實為時已晚無法控制品質，要控制品質要針對生產過程去修正，而不是靠對成品抽樣檢驗。若能在瀝青路面鋪築施工時採用智慧滾壓系統，則顯然比「後知後覺」又破壞路面的鑽心取樣好太多。

圖2、傳統以路面鑽心取樣測得壓密度

智慧滾壓(Intelligent Compaction, IC)的主要創新亮點是以資通訊科技將路面滾壓歷程完整紀錄，經由在壓路機裝配先進資通訊裝置，使得施工方及業主得以在滾壓進行中實時量測紀錄材料的性質、視覺化跟監滾壓型式與次數、並將所有數據同步傳至雲端備查。智慧滾壓已被定義為在震動壓路機裝備以下設備：壓路滾軸上安裝加速度規、測量級衛星定位系統(GPS)、熱紅外線溫度感測器、及具顯示螢幕的隨車監控電腦；實時紀錄的數據則包括智慧滾壓量測值(ICMV)、滾壓次數、受壓面溫度、及壓路機本身的速度、震幅與頻率。

智慧滾壓引入美國後，發現各大壓路機製造商都開發有類似的軟硬體系統，如圖3所示，其實已經相當成熟，具有各自的衛星定位系統及不同的ICMV量測及演算方法，但有軟硬體設備多樣化造成的資訊標準不一而很難落實為施工規範的問題；美國聨邦公路總署(FHWA)以運輸共同基金(Transportation Pooled Fund)在2008年開始結合包括全美12個州公路局、鋪路施工承包商、及機具設備製造商，共同合作開發探究智慧鋪築，並已達成以下三項目標[1]：

1. 制定智慧滾壓規範；
2. 開發包含參與各州使用經驗的智慧滾壓知識庫；
3. 確定智慧滾壓技術所需的後續改進項目並排定優先順序。

圖3、各廠牌壓路機製造商原廠配置智慧滾壓系統[1]

該研究提出的智慧滾壓(IC)標準實務規範列在AASHTO PP 81-18 (2020)[5]，乃指以具備自動紀錄滾壓參數(地理空間位址、勁度、溫度、滾壓次數、震動頻率和振幅)的壓路機進行滾壓；配備加速度規的 IC 壓路機使用壓路機振動測量來評估受壓面材料特性，並確保通過持續監控操作實現最佳壓實度和均勻性。該實務規範指出以測量級衛星定位為基礎，實時紀錄的壓路機覆蓋面，搭配鋪築面和實時鋪築面溫度檢測值，可以實時紀錄鋪築面的溫度及滾壓次數，如圖4所示是控制瀝青鋪築施工壓密的最佳指標。

圖4、智慧滾壓系統實時顯示的滾壓面溫度、滾壓次數

及後製分析的鋪築面滾壓次數分布[4]

要獲得圖4的數據，除了壓路機的壓路滾覆蓋面與安裝的測量級GPS要率定外，鋪築面的地理位置定位也需每日校核，如圖5所示；AASHTO PP 81規定校核時溫度差異需在5F以內，GPS定位差異則需在6英吋以內。

圖5、智慧滾壓系統的主要校核項目規定[4]

由於各機俱供應商採用的軟硬體設備不同，開發通用的資料存取與分析軟體做為整合工具一向是智能營建採用的方法，各廠牌製造商仍可以其慣用的軟硬體在壓路機上的監控營幕得到所需的資訊，但必需能支援共通的格式供規定的軟體存取及分析。美國聯邦公路總署建置的共通分析管理軟體稱為VETA，以開放程式碼供下載，各家智慧滾壓系統販售商必需確保它們的系統蒐集的數據，可以通用VETA軟體進行數據分析，概念如圖6所示。

圖6、智慧滾壓量測值的標準分析軟體- Veta的使用圖示[4]

智慧滾壓系統對瀝青路面智能施工需求來說，後續的研發重點是建立壓密度與ICMV的關係，終極目標是用ICMV取代鑽心試體密度，雖已投入不少的研究資源，但，目前尚未有定論[2]。

明尼蘇達州公路局在2014至2018年期間陸續在其長度超過4英哩的鋪路專案中採用，其它好幾個州公路局也隨後跟進，到2017年有23州擬訂瀝青路面智慧滾壓相關規範，並依據實際採行經驗精煉修正中，初步確認將智慧營建系統導入路面鋪築施工，公私兩方皆明顯受益；智慧滾壓是理想的壓路品質管制工具。由FHWA研究開發建置的各州使用經驗知識庫，列在「智能施工網頁(Intelligent Construction)」持續更新相關情資。

美國有一位負責安裝智慧滾壓系統到壓路機上的工程師，常受到自信滿滿的壓路機操作員的冷嘲熱諷，大體是「拜託，不就是滾壓路面嘛，有必要這些嗎? 還彩色螢幕呢!像我這麼有經驗的師傅來即可。」於是在裝置完成後要求把營幕蓋上不讓操作員看，在鋪築面滾壓完成後，再和有「豐富經驗的操作員」一起看他們的滾壓溫度、形態、滾壓次數分析等資料，當操作員看到自已留下的「慘不忍睹的紀錄」幾乎都被說服採用智慧滾壓系統。在持續前進的鋪築面操作壓路機，只有靠電腦才能確保每個面都在一定時間內滾壓到需要的次數。

參考文獻

1. George Chang, et. al., Accelerated Implementation of Intelligent Compaction Technology for Embankment Subgrade Soils, Aggregate Base, And Asphalt Pavement Materials, Final Report, FHWA-IF-12-002, July 2011.
2. George Chang, et. al., A Study on Intelligent Compaction and In-kPlace Asphalt Density, Final Report, FHWA-HIF-14-017, December 2014.
3. Andrew Hanz, New technology can improve pavement performance, Asphalt Magazine, 04/30/2019.
4. George Change, Future of Construction: Intelligent Compaction, Rocky Mountain Asphalt conference & Equipment Show, The Transtec Group.
5. AASHTO PP 81-18 (2020) Standard Practice for Intelligent Compaction Technology for Embankment and Asphalt Pavement Applications.