碾壓遍數(shù)和頻率對(duì)橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)效果影響研究

余江YU Jiang；胡士清HU Shi-qing；向緒儒XIANG Xu-ru；安淵博AN Yuan-bo

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430073）

0 引言

碾壓是橋面瀝青混凝土鋪裝層施工的關(guān)鍵，碾壓工藝的合理性直接影響橋面瀝青的使用壽命和性能，進(jìn)而影響橋梁整體施工質(zhì)量和后期通行安全，瀝青混凝土鋪裝壓路機(jī)常有振動(dòng)壓路機(jī)和振蕩壓路機(jī)[1]。振動(dòng)壓路機(jī)常利用較大自重產(chǎn)生較強(qiáng)的豎向激振力來壓實(shí)瀝青混凝土，但過大的激振力會(huì)導(dǎo)致鋪裝層開裂而破壞防水黏結(jié)層，甚至危害橋梁結(jié)構(gòu)安全，另外石料被大量破碎可導(dǎo)致鋪裝層密實(shí)度降低。振蕩壓路機(jī)利用激振力偶形成連續(xù)的振蕩波，產(chǎn)生水平剪切應(yīng)變和振蕩輪自身垂直靜載的共同持續(xù)作用，使瀝青混合料顆粒發(fā)生共振、消除空隙，實(shí)現(xiàn)顆粒重新排列達(dá)到重組效果，進(jìn)而產(chǎn)生雙向壓實(shí)效應(yīng)使混合料變得更加密實(shí)[2]。壓路機(jī)的壓實(shí)工藝不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、壓實(shí)度、孔隙度等性能變差等物理參數(shù)發(fā)生變化，這也是造成橋面瀝青面層破壞的一個(gè)重要原因[3]。因此，壓路機(jī)是影響橋面瀝青混合料鋪裝壓實(shí)效果的關(guān)鍵因素，非常有必要研究其工作參數(shù)對(duì)橋面鋪裝壓實(shí)度的影響。為提高瀝青混合料的鋪裝質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者橋面瀝青面層碾壓工藝開展了大量研究。蘭海等[4]通過試驗(yàn)對(duì)比研究了振動(dòng)壓實(shí)和振蕩壓實(shí)對(duì)鋼橋面高黏高彈瀝青SMA混合料鋪裝的壓實(shí)效果，研究結(jié)果表明振蕩壓實(shí)效果優(yōu)于振動(dòng)壓實(shí)。楊朝明等[5]分析研究了振蕩壓實(shí)設(shè)備的選擇以及準(zhǔn)備工作內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率是瀝青路面振蕩壓實(shí)施工的控制關(guān)鍵。劉海濤[6]研究橋面瀝青鋪裝施工技術(shù)，發(fā)現(xiàn)水平振蕩壓實(shí)可避免石料振碎、鋪層振松等病害，可提高鋪裝層的平整度和密實(shí)度，進(jìn)而提高其抗水侵害能力。李嬌等[7]利用振蕩壓路機(jī)解決了鋼橋面鋪裝這一世界級(jí)難題，在滬通長(zhǎng)江大橋上實(shí)現(xiàn)了高效、高平整度的瀝青橋面鋪裝。上述研究探討了壓路機(jī)設(shè)備類型和施工工藝等參數(shù)對(duì)瀝青面層施工質(zhì)量的影響，而有關(guān)壓路機(jī)碾壓遍數(shù)及頻率對(duì)橋面瀝青混凝土鋪裝壓實(shí)度的影響研究甚少。為此，本文通過現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)對(duì)比分析振蕩和振動(dòng)壓路機(jī)工作對(duì)橋面瀝青混凝土鋪裝的壓實(shí)效果，研究壓力機(jī)的最佳碾壓遍數(shù)和頻率，可為今后橋面瀝青混凝土面層施工中壓路機(jī)工作參數(shù)的選擇和優(yōu)化提供參考和經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 壓路機(jī)工作參數(shù)

為對(duì)比振動(dòng)和振蕩壓路機(jī)施工的橋面瀝青混凝土鋪裝壓實(shí)效果，采用寶馬格BW203AD-4AM雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)和寶馬格BW 203 ADO-4振蕩壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，工作參數(shù)如表1所列。

表1 壓路機(jī)部分工作參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

①為驗(yàn)證橋面瀝青混凝土鋪裝層振蕩壓實(shí)的優(yōu)越性及最佳碾壓遍數(shù)，選用同一噸級(jí)的振動(dòng)、振蕩壓路機(jī)以表1中相同參數(shù)對(duì)兩段跨徑為16m的T型簡(jiǎn)支梁橋?yàn)r青混凝土面層進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，以各自設(shè)定的頻率和振幅進(jìn)行碾壓，根據(jù)不同的碾壓遍數(shù)，用瀝青路面密度儀測(cè)定對(duì)應(yīng)碾壓次數(shù)后的壓實(shí)度，并在最終壓實(shí)的鋪層上鉆芯取樣測(cè)定最終的壓實(shí)度。

②為驗(yàn)證碾壓頻率對(duì)壓實(shí)度的影響選定三段跨徑為16m、24m的T形簡(jiǎn)支梁橋和50m跨徑的連續(xù)鋼構(gòu)橋的實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)試驗(yàn)，壓實(shí)對(duì)象為8cm厚的AC-13型瀝青混合料，油石比為4.87%。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)狀況壓路機(jī)可調(diào)的頻率范圍，從24～33Hz選擇4個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)試其相應(yīng)的壓實(shí)度，試驗(yàn)機(jī)選用同一噸級(jí)的振動(dòng)、振蕩壓路機(jī)以表1中相同的參數(shù)對(duì)瀝青混凝土面層進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，用瀝青路面壓實(shí)儀測(cè)定每遍碾壓后的壓實(shí)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 碾壓遍數(shù)對(duì)橋面瀝青混凝土鋪裝壓實(shí)度的影響

為研究碾壓遍數(shù)對(duì)橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)效果的影響，測(cè)量每次碾壓后橋面瀝青混凝土鋪裝層的壓實(shí)度，碾壓第1次至第8次后橋面鋪裝層的壓實(shí)度列于表2。

從表2結(jié)果可看出，振蕩壓實(shí)的碾壓效率比振動(dòng)壓實(shí)效率明顯要高，壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加而不斷增加，且變化速度逐漸變緩，壓實(shí)度在第6次時(shí)壓實(shí)度達(dá)到了98.5%，已滿足設(shè)計(jì)要求，壓實(shí)效果最佳，當(dāng)超過6次后，壓實(shí)度增長(zhǎng)率趨勢(shì)變緩，且第7、8次碾壓均出現(xiàn)了過壓的情況。這是因?yàn)槟雺撼跗冢瑸r青混合料的剛度較低、材料的變形能力大，隨著碾壓次數(shù)的增加，混合料的密實(shí)度不斷增加，材料的剛度增大、變形較小，施工溫度也在逐漸降低，也是導(dǎo)致壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度逐漸變小的主要原因，由此可知瀝青混合料能夠達(dá)到的密實(shí)度，不是隨著碾壓次數(shù)的累積增加而無限增大。橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)過程中，振蕩壓實(shí)明顯優(yōu)于振動(dòng)壓實(shí)，最佳碾壓遍數(shù)為6次，壓實(shí)效果滿足設(shè)計(jì)要求，且未出現(xiàn)過壓的痕跡。

表2 不同碾壓遍數(shù)下橋面瀝青鋪裝層的壓實(shí)度

2.2 振動(dòng)頻率對(duì)橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)度的影響

設(shè)置壓路機(jī)的振動(dòng)頻率分別為24Hz、27Hz、30Hz和33Hz，測(cè)量3種不同跨徑橋梁的橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)度，2種壓路機(jī)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果列于表3和圖1。表中振動(dòng)器械編號(hào)ZD1表示振動(dòng)壓路機(jī)，ZD2表示振蕩壓路機(jī)。

①?gòu)谋?的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，在相同振動(dòng)頻率下第1遍至第6遍都均為30Hz時(shí)壓實(shí)度達(dá)到了最大值，隨著碾壓次數(shù)的增加，壓實(shí)度也逐漸增大，由試驗(yàn)可知第6次碾壓為最佳壓實(shí)次數(shù)，且在不同跨徑橋梁瀝青混凝土鋪裝層上的壓實(shí)度均滿足設(shè)計(jì)要求，從圖1的數(shù)據(jù)中可看出無論是小、中和大跨度的橋梁橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)過程中，振蕩壓實(shí)效果均優(yōu)于振動(dòng)壓實(shí)。

表3 16m、24m和50m跨橋梁橋面瀝青鋪裝在不同碾壓遍數(shù)及頻率時(shí)的振動(dòng)、振蕩壓實(shí)度

②從圖1中壓實(shí)度與頻率變化關(guān)系可以看出在24-33Hz的頻率范圍內(nèi)壓實(shí)度隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加而增加，在相同碾壓次數(shù)下壓實(shí)度在頻率達(dá)到30Hz時(shí)為峰值，從圖1中可以看出頻率對(duì)壓實(shí)度的影響比較敏感，特別是剛開始碾壓較為松散的混合料時(shí)表現(xiàn)得更加具體，例如在跨徑為16m的橋梁上第一次振蕩壓路機(jī)碾壓頻率在24Hz時(shí)壓實(shí)度為90.7%，當(dāng)頻率提高到30Hz時(shí)壓實(shí)度達(dá)到92.3%，提高了1.6%，相同條件下振動(dòng)壓路機(jī)提高了0.7%，就頻率對(duì)壓實(shí)效果而言振蕩比振動(dòng)敏感得多，這表明在橋梁瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)中選擇最佳頻率至關(guān)重要，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，最佳壓實(shí)頻率為30Hz。

③由圖1中（a）、（b）、（c）對(duì)比可知，小、中跨徑橋梁的壓實(shí)度規(guī)律與大跨徑基本一致，隨著碾壓次數(shù)的增加，壓實(shí)效果不斷提高，在第6次壓實(shí)時(shí)頻率為30Hz壓實(shí)度均達(dá)到了97%以上滿足設(shè)計(jì)要求，但相同條件下大跨徑的壓實(shí)度比中、小跨徑小，這是因?yàn)殡S著橋梁跨徑的增大，由于橋梁本身的結(jié)構(gòu)特性，受彎矩和撓度影響從而使得壓實(shí)度降低。

3 結(jié)語

本文主要分析振蕩壓路機(jī)與振動(dòng)壓路機(jī)在不同跨徑橋梁上不同碾壓遍數(shù)下不同振動(dòng)頻率壓實(shí)效果。主要研究結(jié)論如下。

①在跨度為16m的T型簡(jiǎn)支梁橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)過程中，振蕩壓實(shí)相比振動(dòng)壓實(shí)具有更高的壓實(shí)效率，最佳碾壓遍數(shù)為6次。

②無論是小、中和大跨度的橋梁橋面瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)過程中，振蕩壓實(shí)效果均優(yōu)于振動(dòng)壓實(shí)。

③振蕩壓實(shí)比振動(dòng)壓實(shí)對(duì)頻率變化更加敏感，在不同跨度橋梁瀝青混凝土鋪裝層壓實(shí)過程中，最佳壓實(shí)頻率為30Hz。

④16m、24m跨徑的橋梁壓實(shí)度規(guī)律與50m跨徑的橋梁基本一致，當(dāng)?shù)?遍碾壓頻率為30Hz時(shí)，三種不同跨度橋梁的壓實(shí)度達(dá)到最大值，但隨著橋梁跨徑的增大壓實(shí)效果反而變差。