瀝青路面高密實(shí)度攤鋪工藝參數(shù)研究

史妍妮， 劉洪海， 高新民， 楊永強(qiáng)， 郭宏軍

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，蘭州 730030； 3.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州 730030)

隨著道路建設(shè)行業(yè)的迅速發(fā)展，道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)產(chǎn)生的能源消耗逐漸引起了社會(huì)的關(guān)注。國(guó)際能源署發(fā)布1990年—2017年世界道路交通能源消耗的碳強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2017年道路消耗碳強(qiáng)度達(dá)68.0 gCO2/MJ[1-3]。中國(guó)“十三五”規(guī)劃中也明確指出要加快技術(shù)創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進(jìn)資源節(jié)約、循環(huán)高效利用。在我國(guó)，瀝青路面是高等級(jí)公路的主要結(jié)構(gòu)形式之一，但是在生產(chǎn)和施工過(guò)程中，能耗和污染較大。無(wú)論從社會(huì)發(fā)展形勢(shì)還是響應(yīng)國(guó)家政策上出發(fā)，都對(duì)瀝青路面的施工技術(shù)、路面耐久性、使用壽命等方面提出了更高的要求[4-5]。現(xiàn)有的瀝青路面施工過(guò)程分為攪拌、攤鋪和碾壓等，其中攤鋪機(jī)完成混合料的攤鋪后，再經(jīng)過(guò)壓路機(jī)的初壓、復(fù)壓和終壓，得到一定密實(shí)度的混合料鋪層[6-7]。其中攤鋪機(jī)的作業(yè)參數(shù)很大程度上決定了瀝青路面的攤鋪質(zhì)量，并且影響后續(xù)施工質(zhì)量。熨平板是攤鋪機(jī)的主要工作裝置之一，其工作參數(shù)與路面密實(shí)度密切相關(guān)。

阿特拉斯科普柯國(guó)際亞市中心研究表明[8]，瀝青路面的攤鋪密實(shí)度對(duì)路面強(qiáng)度、耐磨性和耐久性等至關(guān)重要，同時(shí)良好的密實(shí)度分布均勻性可以降低路面建設(shè)維護(hù)費(fèi)用。Sivapatham等[9]認(rèn)為瀝青路面的面層密實(shí)度對(duì)剛度、抗車(chē)轍性能、抗疲勞和抗低溫開(kāi)裂有著較大影響，提高瀝青路面的密實(shí)度對(duì)路面性能有重要的影響作用。Kumar等[10-11]的研究得出了路用性能與瀝青路面的壓實(shí)結(jié)果密切相關(guān)的結(jié)論，通過(guò)改進(jìn)壓實(shí)設(shè)備和被壓材料可以提高攤鋪壓實(shí)的質(zhì)量。羅丹等[12]建立了熨平板剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，對(duì)熨平板的橫向振幅不均勻進(jìn)行了研究，提高了攤鋪密實(shí)度的均勻性。劉洪海等[13]多年的研究表明，攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中瀝青混合料的高密實(shí)攤鋪取決于攤鋪機(jī)熨平裝置對(duì)被壓材料的壓實(shí)特性以及高密實(shí)攤鋪技術(shù)的合理應(yīng)用。已有研究和工程實(shí)踐表明，瀝青混合料經(jīng)過(guò)攤鋪機(jī)的整平壓實(shí)，其攤鋪密實(shí)度越高，投入使用后的路面耐久性越好。較高的攤鋪密實(shí)度可以提高路面的質(zhì)量，為后續(xù)碾壓作業(yè)提供良好條件。

根據(jù)JTG F40—2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[14]的要求，密實(shí)度為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量密度與試驗(yàn)測(cè)得馬歇爾密度的比值，將實(shí)驗(yàn)室測(cè)的馬歇爾密度做為標(biāo)準(zhǔn)密度，目標(biāo)密度需達(dá)到碾壓后標(biāo)準(zhǔn)密度值的96%。攤鋪機(jī)對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)密實(shí)度一般在80%左右，達(dá)到90%以上的稱之為高密實(shí)度攤鋪[15]。攤鋪機(jī)完成攤鋪壓實(shí)后，還需壓路機(jī)進(jìn)行多次碾壓作業(yè)以達(dá)到規(guī)范要求。過(guò)度的碾壓變形會(huì)嚴(yán)重影響瀝青路面的密實(shí)度和壓實(shí)均勻性，延長(zhǎng)瀝青混合料密實(shí)成型的施工時(shí)間，降低了施工效率，增加施工成本，同時(shí)增加了瀝青路面成型后早期損壞的概率[16-17]。此外，欠壓實(shí)又會(huì)導(dǎo)致瀝青路面空隙率過(guò)大，投入使用后雨水和空氣易進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，加速路面的裂縫、唧漿和坑凼等病害的發(fā)生[18]。因此，有必要將振動(dòng)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，研究攤鋪機(jī)熨平板的工藝參數(shù)，提高瀝青路面的攤鋪密實(shí)度，減少后續(xù)的碾壓難度，獲得理想的路面密實(shí)度，提高施工質(zhì)量，降低能源消耗。

研究表明，機(jī)械共振的效果與施工設(shè)備和攤鋪材料有關(guān)[19]，因此，要達(dá)到高密實(shí)的攤鋪效果，需要對(duì)設(shè)備的工作參數(shù)和材料的特性參數(shù)進(jìn)行綜合研究。在已有研究基礎(chǔ)上，基于機(jī)械共振理論建立熨平板壓實(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型和密實(shí)度趨勢(shì)-振動(dòng)頻率理論模型，并進(jìn)行理論分析，獲得高密實(shí)度攤鋪的最佳工藝參數(shù)，最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證研究結(jié)論。

1熨平板壓實(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 壓實(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量與攤鋪機(jī)的工作參數(shù)密切相關(guān)[20-21]。在攤鋪施工中，熨平板的振動(dòng)激振器對(duì)路面產(chǎn)生重復(fù)激振力，具有振動(dòng)加速度的顆粒會(huì)減小顆粒間的摩擦和膠結(jié)，瀝青也為顆粒的運(yùn)動(dòng)提供了良好的條件[22-23]。當(dāng)熨平板的振動(dòng)頻率接近系統(tǒng)的共振頻率時(shí)，瀝青混合料的顆粒會(huì)重新排列，隨著接觸次數(shù)的增加，顆粒變得緊密，此時(shí)瀝青混合料的密實(shí)度最高。在攤鋪壓實(shí)過(guò)程中，熨平板的振動(dòng)機(jī)構(gòu)由雙軸偏心質(zhì)量結(jié)構(gòu)組成，產(chǎn)生的激勵(lì)F(t)作用于熨平板，如式(1)所示。

F(t)=F0eiωt

(1)

熨平板與瀝青混合料相互作用的振動(dòng)模型是一個(gè)非線性系統(tǒng)模型，對(duì)熨平板的激振器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1所示。建立XOY坐標(biāo)系，M為熨平板的質(zhì)量，m為質(zhì)量偏心塊，R為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，ω為振動(dòng)頻率，t為時(shí)間。2個(gè)偏心塊同步反向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角均為ωt。對(duì)于同步反向旋轉(zhuǎn)的偏心軸，激振力作用在熨平板上，使其產(chǎn)生豎直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。F0為激振力的幅值，F(xiàn)0=2mRω2。系統(tǒng)的非線性振動(dòng)微分方程為

圖1 熨平板的激振器模型Fig.1 Vibration exciter model of screed plate

(2)

(3)

其中，

(4)

式中：c1為等效阻尼系數(shù)；k1為等效剛度系數(shù)。

振動(dòng)微分方程的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

y=Yei(ωt-φ)

(5)

式中，Y為實(shí)量振幅，將響應(yīng)代入微分方程式(3)，可得

[-ω2(2m+M)+k1+iωc1]Ye-iφ=F0

(6)

則穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值為

(7)

(8)

式中：ω0為系統(tǒng)的自然頻率；ζ為材料的阻尼比；λ為頻率比。

熨平板的激振力通過(guò)振動(dòng)傳遞路徑傳遞到接受體。在這里是通過(guò)彈簧和阻尼的形式傳給受體，則攤鋪壓實(shí)過(guò)程中，瀝青混合料從熨平板獲得的攤鋪壓實(shí)力Fc為

(9)

熨平板與瀝青混合料之間相互作用的攤鋪壓實(shí)力Fc的幅值為

(10)

在攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)壓實(shí)過(guò)程中，激振力的能量是通過(guò)振動(dòng)熨平板傳遞到瀝青混合料，瀝青混合料從熨平板獲得的壓實(shí)力可通過(guò)實(shí)際攤鋪壓實(shí)力的幅值|Fc|來(lái)描述。

1.2 攤鋪密實(shí)度趨勢(shì)模型

在攤鋪過(guò)程中，壓實(shí)能量通過(guò)熨平板傳遞給瀝青混合料。能反映熨平板的振動(dòng)特性的參數(shù)有振動(dòng)位移、速度、加速度、激振器振幅、激振力和頻率等，其中振幅是影響壓實(shí)效果的重要參數(shù)。由共振理論可知，發(fā)生共振時(shí)，振幅可達(dá)到最大值。在工作過(guò)程中，激振器的振動(dòng)頻率的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏心軸的轉(zhuǎn)速來(lái)改變。為了直觀的分析熨平板的振動(dòng)頻率與鋪層材料密實(shí)度的關(guān)系，將式(8)中的振動(dòng)頻率放大顯示，建立振幅放大因子γ。如式(11)所示。

(11)

根據(jù)共振理論，振動(dòng)頻率接近材料的共振頻率，激勵(lì)幅值變高，顆粒內(nèi)摩擦阻力減小，壓實(shí)效率變高。根據(jù)共振理論和式(11)，可建立密實(shí)度趨勢(shì)模型。如式(12)所示。

(12)

式中:P1為熨平板的振動(dòng)頻率為0時(shí)攤鋪材料的密實(shí)度；A為熨平板壓實(shí)對(duì)瀝青混合料密實(shí)度的影響系數(shù)，它取決于材料類(lèi)型、級(jí)配和層厚等。

2 攤鋪過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

通過(guò)對(duì)圖1模型的計(jì)算和試驗(yàn)的反求解分析，可得出剛度和阻尼參數(shù)值，根據(jù)式(3)可求得熨平板所受激振力幅值。壓實(shí)系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 壓實(shí)系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)表Tab.1 Compacting system calculation parameters

通過(guò)壓實(shí)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的建立，可以得到攤鋪密實(shí)度頻率變化曲線，如圖2所示。隨著頻率的變化，攤鋪密實(shí)度頻率特性曲線存在峰值。峰值對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率出現(xiàn)在頻率比λ=1的偏右側(cè)，材料阻尼比值越大，其偏離程度越大。當(dāng)ω<ω0時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加，攤鋪密實(shí)度呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)ω達(dá)到系統(tǒng)自然頻率附近時(shí)，攤鋪密實(shí)度達(dá)到最大值后，隨著ω繼續(xù)增加，攤鋪密實(shí)度緩慢減少，逐漸趨向穩(wěn)定。共振特性對(duì)攤鋪密實(shí)度的影響與材料的阻尼比有密切關(guān)系，當(dāng)阻尼比小于0.5時(shí)，對(duì)共振特性的影響非常明顯，曲線峰值變化明顯，當(dāng)阻尼比的值大于0.5時(shí)，對(duì)共振特性的影響程度較低，曲線峰值無(wú)明顯變化。材料的阻尼比值小于0.5時(shí)，頻率比在0.9～1.5區(qū)域的攤鋪壓實(shí)效果較好[24]，阻尼比值大于0.5的材料，振動(dòng)頻率高于系統(tǒng)自然頻率時(shí)均能夠獲得較好的攤鋪壓實(shí)效果。

圖2 攤鋪密實(shí)度頻率特性曲線Fig.2 Frequency characteristic curves of paving compactness

通過(guò)模型分析，可得出攤鋪壓實(shí)力頻率特性曲線，選取對(duì)共振特性影響明顯的阻尼比范圍進(jìn)行分析，如圖3所示。隨著頻率的變化，攤鋪壓實(shí)力頻率特性曲線存在峰值，峰值出現(xiàn)在頻率比λ=1的偏左側(cè)，材料阻尼比值越大其偏離程度越大；當(dāng)ω<ω0時(shí)，隨著ω增加，攤鋪壓實(shí)力呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)ω達(dá)到系統(tǒng)自然頻率附近時(shí)，攤鋪壓實(shí)力達(dá)到最大值后，隨著ω繼續(xù)增加，攤鋪壓實(shí)力下降，逐漸趨向穩(wěn)定；通過(guò)計(jì)算可知，頻率比λ=1.41時(shí)，瀝青混合料獲得的攤鋪壓實(shí)力不受材料阻尼特性影響；當(dāng)頻率比λ>1.41時(shí)，材料的阻尼比越大，獲得的攤鋪壓實(shí)力越大，此時(shí)攤鋪壓實(shí)力不存在明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，受共振特性影響較小，在此范圍選取振動(dòng)頻率進(jìn)行攤鋪時(shí)，激振力的能量吸收效率較低，無(wú)論材料阻尼比為多少，因避免在此范圍選取振動(dòng)參數(shù)。

圖3 攤鋪壓實(shí)力頻率特性曲線Fig.3 Frequency characteristic curves of paving compaction force

結(jié)合上述分析，對(duì)于阻尼比值小于0.5的材料，理論上選取頻率比λ=0.9～1.41作為高密實(shí)度攤鋪的最佳振動(dòng)壓實(shí)區(qū)。

通過(guò)攤鋪密實(shí)度趨勢(shì)模型的建立，對(duì)連續(xù)級(jí)配瀝青混合料AC-20進(jìn)行分析，可以得到對(duì)應(yīng)該材料的攤鋪密實(shí)度趨勢(shì)-頻率關(guān)系曲線，如圖4所示。隨著頻率的變化，瀝青混合料AC-20的攤鋪密實(shí)度存在峰值，值為90.8%，對(duì)應(yīng)的頻率比λ=1.2；當(dāng)對(duì)應(yīng)的頻率比λ<1.2時(shí)，隨著λ增加，攤鋪密實(shí)度呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)λ>1.2時(shí)，隨著λ增加，攤鋪密實(shí)度降低，降低趨勢(shì)緩慢；振動(dòng)頻率在自然頻率附近時(shí)，混合料的攤鋪密實(shí)度值較大，此時(shí)的攤鋪壓實(shí)效果較好。

圖4 攤鋪密實(shí)度趨勢(shì)-頻率關(guān)系曲線Fig.4 Relation of frequency and density

在攤鋪壓實(shí)過(guò)程中，將攤鋪密實(shí)度達(dá)到90%以上時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率比λ的范圍作為該瀝青混合料高密實(shí)度攤鋪的工藝參數(shù)范圍，在此范圍內(nèi)選擇振動(dòng)頻率值，可以得到高密實(shí)度攤鋪的效果。

結(jié)合圖中顯示并提取數(shù)據(jù)，達(dá)到高密實(shí)度攤鋪的瀝青混合料其對(duì)應(yīng)的頻率比λ的范圍是0.95～1.41，與理論選取的高密實(shí)度攤鋪?zhàn)罴颜駝?dòng)壓實(shí)區(qū)范圍基本一致。

3 攤鋪過(guò)程振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性和有效性，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。以某工程為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用DYNAPAC-141全液壓履帶式攤鋪機(jī)。熨平板的激振系統(tǒng)為雙軸并聯(lián)式振動(dòng)系統(tǒng)。工作頻率的可調(diào)節(jié)范圍在0～60 Hz。試驗(yàn)選用瀝青混凝土AC-20作為試驗(yàn)材料。AC-20屬于連續(xù)級(jí)配瀝青混合料，級(jí)配數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 AC-20級(jí)配數(shù)據(jù)表Tab.2 Gradation data of AC-20

粗集料采用玄武巖礫石，細(xì)集料采用石灰?guī)r碎石，礦粉采用石灰石。瀝青采用SBS聚合物改性結(jié)合料，基質(zhì)瀝青采用A級(jí)90號(hào)石油瀝青，瀝青25 ℃的針入度為60×10-1mm，5 ℃的延度為49 cm，軟化點(diǎn)為73 ℃。瀝青含量為4.3%。

密實(shí)度檢測(cè)采用CMS-01密實(shí)度檢測(cè)系統(tǒng)，如圖5所示。該密實(shí)度檢測(cè)系統(tǒng)是課題組自主研發(fā)制成。CMS-01密實(shí)度檢測(cè)系統(tǒng)的主要工作原理是在攤鋪機(jī)的熨平板上安裝密實(shí)度傳感器，通過(guò)密實(shí)度傳感器對(duì)振動(dòng)的加速度信號(hào)進(jìn)行采集與分析，在相關(guān)算法的基礎(chǔ)上，計(jì)算出能夠反映瀝青混合料密實(shí)度的壓實(shí)值，經(jīng)過(guò)相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得到鋪層的密實(shí)度值。密實(shí)度傳感器主要由加速度傳感器與速度傳感器組成。加速度傳感器測(cè)得的熨平板加速度信號(hào)經(jīng)放大、濾波后送入控制器進(jìn)行分析處理。

圖5 CMS-01密實(shí)度檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用Fig.5 CMS-01 used in density test site

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程中，為消除攤鋪速度對(duì)瀝青路面攤鋪密實(shí)度的影響，設(shè)置攤鋪機(jī)的行駛速度為固定值，攤鋪機(jī)速度設(shè)定為2 m/min，攤鋪寬度3.7 m，攤鋪厚度60 mm。設(shè)置不同的振動(dòng)頻率值對(duì)瀝青混合料進(jìn)行攤鋪壓實(shí)，對(duì)不同頻率下完成攤鋪且未使用壓路機(jī)進(jìn)行碾壓的混合料使用CMS-01密實(shí)度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Test scheme Hz

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用上述試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案，對(duì)連續(xù)級(jí)配瀝青混合料AC-20進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，AC-20的密實(shí)度-頻率曲線如圖6所示。由圖6可知，瀝青混合料的攤鋪密實(shí)度隨著振動(dòng)頻率的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在振動(dòng)頻率f=35 Hz時(shí)，攤鋪密實(shí)度達(dá)到最大值，值為91%。AC-20攤鋪頻率的高效壓實(shí)區(qū)為33～49 Hz，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致，模型具有有效性。

圖6 AC-20密實(shí)度-頻率曲線Fig.6 Compactness and frequency curve of AC-20

4 結(jié) 論

對(duì)瀝青路面高密實(shí)攤鋪建立了一種考慮材料特性與攤鋪壓實(shí)力的熨平板-瀝青混合料相互作用振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)過(guò)分析得出了熨平板的工藝參數(shù)對(duì)瀝青路面攤鋪密實(shí)度的影響規(guī)律，并得出了以下結(jié)論：

(1)攤鋪壓實(shí)過(guò)程中，熨平板對(duì)不同阻尼特性的瀝青混合料都存在高密實(shí)度攤鋪振動(dòng)參數(shù)，在高密實(shí)度攤鋪的高效壓實(shí)區(qū)選取振動(dòng)頻率可以使材料更易密實(shí)，獲得最大攤鋪密實(shí)度。材料的特性會(huì)影響系統(tǒng)的自然頻率，最佳振動(dòng)頻率值的選擇應(yīng)考慮熨平板-瀝青混合料相互作用振動(dòng)系統(tǒng)的頻率特性。

(2)頻率比λ=0.9～1.41為高密實(shí)度攤鋪的最佳振動(dòng)壓實(shí)區(qū)，將攤鋪時(shí)熨平板的振動(dòng)頻率匹配在該范圍內(nèi)，可以得到能量吸收效率較高，攤鋪壓實(shí)效果較好的高密實(shí)度鋪層。

(3)連續(xù)級(jí)配瀝青混合料AC-20的最佳振動(dòng)頻率為35 Hz，最大攤鋪密實(shí)度值為91%，攤鋪頻率的高效壓實(shí)區(qū)為33～49 Hz，與仿真分析得出的最佳振動(dòng)壓實(shí)區(qū)范圍基本一致，驗(yàn)證了模型的正確性和有效性；熨平板-瀝青混合料相互作用振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可用于獲得高密實(shí)攤鋪效果，減少后續(xù)壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)，提高施工效率，減少能源消耗，為瀝青路面的高效壓實(shí)提供依據(jù)。