輪胎壓路機與振動壓路機的壓實特性與效果研究

劉洪海，謝王寶，程永龍，劉景剛，謝永平

（1.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.山西路橋建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引 言

壓實是瀝青路面施工過程中的重要環(huán)節(jié)，欠壓會導(dǎo)致瀝青路面的空隙率增大，空氣和雨水容易進入路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，加速瀝青混合料的老化和路面水損壞；過壓會使礦料顆粒破碎，破壞混合料級配［1-2］。過壓或欠壓都會影響瀝青混合料的施工質(zhì)量和路面耐久性［3］。

長期以來，國內(nèi)在瀝青路面新材料、新結(jié)構(gòu)和混合料設(shè)計方面做了大量的研究，但對瀝青路面壓實技術(shù)的研究存在較大不足，特別是缺乏對不同類型設(shè)備的壓實特性的研究［4-6］。在制定碾壓工藝時，忽略了設(shè)備的特點，設(shè)備的性能沒有得到充分發(fā)揮，瀝青路面難以達到最佳的壓實效果。本文通過對施工中兩種常用壓路機工作裝置的機構(gòu)組成、壓實機理進行理論分析和試驗研究，探討輪胎壓路機和振動壓路機壓實瀝青混合料時的壓實特性，為合理的制定壓實工藝提供依據(jù)。

1 壓路機工作裝置結(jié)構(gòu)與壓實機理

1.1 輪胎壓路機的裝置結(jié)構(gòu)與壓實機理

自行式輪胎壓路機由車架、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、壓力水系統(tǒng)和專用碾壓輪胎組成，如圖1所示。中型輪胎壓路機前軸有4個輪胎，后軸有4～5個輪胎；重型輪胎壓路機前軸有5個輪胎，后軸有5～6個輪胎，為了均勻壓實路面，前后輪胎交錯布置。自行式輪胎壓路機的輪胎懸掛方式主要有機械擺式懸掛（圖2）和液壓升降式懸掛兩種。自行式輪胎壓路機的每個輪子都可以在垂直方向有較大的位移，使接地壓力均衡，對材料進行均勻壓實。

圖1 自行式輪胎壓路機

圖2 機械擺式懸掛

輪胎壓路機在對混合料的壓實過程中具有揉壓的效果。碾壓作業(yè)時，輪胎對被壓材料產(chǎn)生兩種作用力：一種是由重力產(chǎn)生的垂直向下的靜作用力，該作用力會對具有一定級配組成的混合料產(chǎn)生垂直荷載作用，使材料產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)達到剪切強度極限時，能夠克服材料之間的粘聚力和內(nèi)摩阻力，使小顆粒進入大顆粒之間的空隙中，形成更密實的結(jié)構(gòu)。第二種是水平作用力，水平作用力包含兩個部分，第一部分是由于充氣輪胎在垂直荷載作用下發(fā)生的變形對混合料的水平作用力，輪胎在滾動過程中進入接觸區(qū)對混合料產(chǎn)生向外的水平作用力，隨著接觸面增大，變形也增大，這種作用變得更加強烈，在離開接觸區(qū)時，輪胎逐漸恢復(fù)原有形狀，隨著接觸面積減小這種作用力的強度在減弱；第二部分水平作用力是驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動時對混合料的作用力，對于主動輪而言會產(chǎn)生一個與移動方向相反的水平作用力，對于從動輪則產(chǎn)生一個與移動方向相同的水平作用力。上述的水平作用力與垂直作用力的聯(lián)合作用會對瀝青混合料產(chǎn)生強烈的搓揉效果。

1.2 振動壓路機的裝置結(jié)構(gòu)與壓實機理

振動壓路機由車架、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、振動系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)和鋼制光輪組成［7-8］。振動壓路機的工作裝置為碾壓輪，其內(nèi)部裝有偏心塊振動器，可以使鋼輪產(chǎn)生振動。

振動輪內(nèi)部的定向振動器工作原理如圖3所示，兩個大小相同的偏心塊a和b以相同的轉(zhuǎn)速作相反方向的同步轉(zhuǎn)動，兩偏心塊轉(zhuǎn)動中心的連線與x軸成一定角度的夾角。為了便于分析，建立如圖3所示坐標(biāo)系，當(dāng)偏心塊以ω轉(zhuǎn)動時，兩偏心塊的離心力在坐標(biāo)軸上的投影分別為Fax、Fbx、Fay、Fby，見式（1）～（4）。

圖3 定向振動器工作原理

式中：m為偏心塊質(zhì)量；e為偏心距；α為偏心塊轉(zhuǎn)動軸連線與x軸夾角；r為偏心塊到轉(zhuǎn)動中心的距離；ω為偏心塊的角速度；t為偏心塊轉(zhuǎn)動時間；Fy為垂直激振力；Fx為水平振蕩力；M（r）為力偶矩。

由式（6）、（7）可見，角度α決定了垂直激振力Fy和水平振蕩力Fx的大小。α增大時，垂直力減小，水平力增加；當(dāng)α＝90°時，F(xiàn)y＝0，振動器作水平振蕩；當(dāng)α＝0°時，F(xiàn)x＝0，振動器作垂直振動。由此可見，定向振動器可實現(xiàn)從垂直振動到水平振蕩形式之間的無級轉(zhuǎn)換，因此可以無級調(diào)節(jié)垂直振幅。作為特例，當(dāng)α＝0°時，僅有垂直激振力而無水平激振力的振動狀態(tài)是目前最常見的垂直定向振動壓路機，其激振力的表達式為式（9）、（10）。在定向周期激振力的作用下，振動器的運動軌跡為一條垂線，因此對被壓材料只產(chǎn)生上下垂直振動壓實作用，而無水平搓揉效果。

2 壓實特性

2.1 輪胎壓路機的壓實特性

（1）消除裂紋。在混合料溫度過高或混合料承載力不足的情況下，鋼輪振動碾壓時混合料會產(chǎn)生層間滑動，使鋪層表面產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。裂紋一旦形成，依靠振動壓路機的垂直作用不能消除。輪胎壓路機則不同，彈性輪胎在水平面內(nèi)產(chǎn)生的變形對材料具有搓揉作用，可以消除裂紋，使其形成一個整體。

（2）碾壓過程具有使瀝青向上遷移的作用。常溫下，混合料中的瀝青是一種粘結(jié)劑，將礦料顆粒粘結(jié)在一起，產(chǎn)生整體強度。高溫下，瀝青是一種潤滑劑，可降低混合料顆粒之間的內(nèi)摩阻力，有利于壓實。瀝青的另一個重要作用是表面封水，在表層顆粒之間形成均勻的油膜，可以防止水浸入，減少水損害發(fā)生。施工過程中輪胎壓路機的搓揉作用類似于水泥振搗棒對混凝土的提漿作用，可以將自由瀝青向上遷移，使碾壓表面致密。

（3）輪胎壓路機的均勻壓實特性。鋼輪壓路機在碾壓混合料時，鋼輪寬而且剛度大，在大顆粒材料之間可能會形成“搭橋”現(xiàn)象，當(dāng)橫向攤鋪不平整，特別是梯形攤鋪接縫處鋪層厚度不一致時，會產(chǎn)生橫向壓實度不均勻現(xiàn)象。由于輪胎壓路機輪子之間采用平衡懸掛，同一軸上的輪胎可以上下擺動，即使路面存在較大的高低變化，也可以通過擺動使輪子與混合料良好接觸，產(chǎn)生均勻的壓力。因此，輪胎壓路機對平整度較差的鋪層，壓實效果更好。

（4）壓實度隨深度衰減較快，壓實效率低。輪胎壓路機所施加的作用力隨鋪層厚度的增加急速衰減，其變化規(guī)律如圖4所示，圖中P為輪胎單位載荷，D為輪胎寬度。由圖4可知，隨著深度的增加，作用力急劇減小，當(dāng)深度大于1.5D時，作用力已十分微弱。因此，其壓實深度小，壓實效率低。

2.2 振動壓路機的壓實特性

圖4 輪胎壓路機作用力的變化規(guī)律

關(guān)于振動壓實理論有三種學(xué)說：材料內(nèi)摩擦減小學(xué)說、共振學(xué)說和反復(fù)荷載交變剪應(yīng)變學(xué)說。振動壓路機利用共振理論設(shè)計，每種材料都有固有的振動特性，具有諧波振動特征，在受到激發(fā)之后會獨立于激發(fā)強度進行自我調(diào)節(jié)，每個振動幅度在系統(tǒng)固有頻率下重復(fù)出現(xiàn)。自然振動取決于設(shè)備與材料組成的系統(tǒng)特征（如設(shè)備大小、材料參數(shù)、接觸情況及臨界條件等），如果某系統(tǒng)中包含有若干個自然頻率，每個自然頻率都有其自身的振動模式，當(dāng)用與自然頻率之一相同的頻率去激發(fā)該系統(tǒng)時，將產(chǎn)生高振幅的共振現(xiàn)象。振動壓實采用振動設(shè)備對材料施加周期性的激振力，使材料顆粒處于振動狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 振動壓實原理

當(dāng)振動頻率等于材料的固有頻率時，可使材料處于共振狀態(tài)，減小顆粒之間的內(nèi)摩阻力和粘聚力，使小顆粒填入大顆粒之間的空隙，發(fā)生重新排列，處于更加緊密的狀態(tài)，以獲得最佳壓實效果。

2.3 兩種壓路機壓實特性比較

振動壓路機能夠利用混合料的固有振動特性，使其處于共振狀態(tài)，降低材料的內(nèi)摩阻力，具有壓實效率高、壓實度大、壓實深度衰減小的特點，表現(xiàn)出很好的壓實效果，但不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。

輪胎壓路機在碾壓過程中的垂直和水平作用力交替變化，對混合料形成壓和揉的聯(lián)合作用，這種作用對混合料會產(chǎn)生特殊的壓實效果，壓實均勻，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，碾壓過程中瀝青向上遷移使表面致密。但壓實效率較低，混合料壓實度增長較慢。

綜合振動壓路機和輪胎壓路機的壓實特點，在碾壓工藝中，振動壓路機適合在復(fù)壓工序，輪胎壓路機應(yīng)緊跟振動壓路機之后，放在復(fù)壓或終壓工序。

3 壓實效果試驗研究

3.1 試驗方案

為了驗證輪胎壓路機與振動壓路機的不同組合對壓實效果的影響，在施工現(xiàn)場采用兩種不同的工藝進行試驗，檢測成型路面的壓實度和滲水系數(shù)。

試驗采用的設(shè)備見表1，試驗方案見表2。施工混合料為AC-20混合料，瀝青含量為4.3%，級配曲線如圖6所示，結(jié)合料為SBS改性瀝青，針入度為72（0.1mm），軟化點為61℃；混合料鋪層厚度為6cm。

表1 壓路機種類及數(shù)量

表2 碾壓方案

圖6 AC-20級配曲線

3.2 密度檢測方法與試驗數(shù)據(jù)分析

對兩種碾壓工藝進行碾壓遍數(shù)與鋪層密度關(guān)系的試驗研究，每完成1遍碾壓，在同一區(qū)域布置5個檢測點（圖7），采用無核密度儀PQI301（圖8）對瀝青混合料鋪層進行密度檢測，取其平均值。壓實度對比結(jié)果見圖9，滲水系數(shù)試驗結(jié)果見表3。

由試驗結(jié)果可以看出，同樣的壓實遍數(shù)，方案2較方案1的壓實度高出近1%，滲水系數(shù)降低約12%，這是由于方案2的碾壓工藝充分發(fā)揮了兩種設(shè)備的作業(yè)特性。振動壓路機壓實效率高，可以在較短的時間內(nèi)快速提高壓實度；輪胎壓路機壓實效率低，隨壓實遍數(shù)增加壓實度增長較慢，但是它對混合料有揉搓作用，可以使混合料表面致密，將微小裂縫彌合，提高鋪層的封水效果。

圖7 測點布置

圖8 無核密度儀

圖9 兩種不同碾壓方案壓實度對比

表3 兩種不同碾壓方案滲水系數(shù)對比

4 結(jié) 語

（1）不同類型的壓實設(shè)備工作原理不同，會產(chǎn)生不同性質(zhì)的作用力，作用力的性質(zhì)不同，又會對混合料產(chǎn)生不同的作用效果。振動壓路機壓實效率高，壓實度增長快，壓實深度衰減小，具有很好的壓實效果，但是不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。輪胎壓路機通過對混合料壓和揉的聯(lián)合作用，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，使表面致密，但是輪胎壓路機的壓實效率較低，壓實度增長速度較慢。

（2）對熱拌瀝青混合料進行復(fù)壓時，宜選擇振動壓路機和輪胎壓路機組合碾壓（SMA混合料除外）。振動壓路機在前，輪胎壓路機緊跟其后的碾壓方案，既可以提高壓實效率，使路面達到較高的壓實度，又可以使鋪層具有較好的封水效果。