瀝青路面攤鋪碾壓過程能耗模型與節能技術

劉聶玚子,王元慶,劉洪海,王戰剛

(1.長安大學 運輸工程學院,西安 710064;2.道路施工技術與裝備教育部重點實驗室(長安大學),西安 710064;3.甘肅路橋建設集團有限公司,蘭州 730030)

公路交通行業的碳排放在溫室氣體排放中占有較大的比例,尤其在道路修筑過程中,拌和、運輸、攤鋪和碾壓等環節會消耗大量燃油,變成溫室氣體排入大氣[1-2]。隨著交通運輸的發展,道路建設過程中產生的碳排放受到業內專家學者的廣泛關注。文獻[3-4]通過對中國多條高等級公路瀝青路面的碳排放來源進行調查,建立不同類型瀝青混合料的碳排放模型,得到相應的碳排放指標;文獻[5]通過建立瀝青路面建設期能耗與碳排放計算模型,得出結論認為碳排放主要來源為原材料生產階段和混合料生產階段;文獻[6]通過建立道路養護過程中的碳減排模型,為養護過程中碳減排計算提供了理論依據;文獻[7]采用生命周期的方法建立了路面大修工程碳排放數學計算模型,計算了典型公路的碳排放量;文獻[8]將路面反照率引入路面生命周期(LCA)模型中,進一步完善了路面建設過程中溫室氣體的排放分析模型;文獻[9]采用響應面方法(RSM)和粒子群優化(PSO)算法研究了實現最佳工程性能所需的混凝土混合物,從而減少測試試驗數量,并減少CO2排放量;文獻[10]建立了路面生命周期成本評估模型,從整個生命周期的角度研究了熱拌瀝青混合料(HMA)、溫拌瀝青混合料(WMA)和預防性養護等方案的碳排放;文獻[11]以英國城際道路為例,探討了路面生命周期評估(LCA)系統邊界的影響,認為與維護過程相比,道路工程延誤造成的額外交通排放相對較小;文獻[12]研究表明,采用WMA和生物燃料可減少拌合過程能耗,降低路面溫室氣體的排放量;文獻[13]發現在HMA中添加熟石灰,對降低瀝青混合料能源消耗及其產生的溫室氣體效果顯著;文獻[14]研究表明,在路面建設過程中,通過優化路面壓實方案,可以減少能耗和碳排放。

目前,關于公路建設過程中的碳排放問題受到廣泛重視,但主要從路面結構和材料等方面進行了建設、養護期或基于生命周期的宏觀研究,缺乏將機械與材料相結合的精細化模型,且未涉及瀝青路面攤鋪壓實過程與節能施工之間關系的理論與試驗研究。在道路建設過程中,熱拌瀝青混合料攤鋪碾壓環節使用了大量的機械設備,所消耗的燃油變成了溫室氣體排放到周圍環境中,而且攤鋪碾壓施工工藝與能耗之間存在著密切關系。值得注意的是,混合料碾壓過程的設備數量和碾壓遍數,除了與混合料類型、鋪層厚度、混合料溫度、環境溫度等因素相關外,還在很大程度上取決于攤鋪機所攤鋪的混合料壓實程度[15]。當混合料攤鋪壓實度較低時,為了達到最終的壓實度要求,壓路機的數量和碾壓遍數則較多;當混合料攤鋪壓實度較高時,則相反。而設備數量和碾壓遍數多少,直接影響了作業能耗與排放大小。因此,關于瀝青路面攤鋪壓實過程與節能施工之間關系的理論與試驗研究,可為節能減排施工提供理論指導和工程應用參考。

本文以混合料攤鋪壓實度為切入點,進行壓路機的壓實試驗,得到混合料壓實度與碾壓遍數之間關系;并進行攤鋪機的攤鋪試驗,得到混合料攤鋪壓實度與振動頻率之間關系;建立與混合料攤鋪壓實度相關的壓路機數量計算模型、攤鋪機作業功率計算模型和壓路機作業功率計算模型,進而建立攤鋪碾壓總體能耗計算模型,提出瀝青混合料攤鋪碾壓節能施工技術,并通過實體工程進行足尺試驗研究。

1 混合料攤鋪壓實度與壓路機碾壓遍數的關系

壓實是壓路機對混合料進行多次碾壓的過程,在這個過程中材料顆粒發生移動,增加單位體積固體顆粒數量,提高壓實度。瀝青混合料的壓實過程可以用流變學中的Burgers模型進行描述,壓實過程中混合料具有非線性黏彈力學行為,每次碾壓其彈性應變與塑性應變如圖1所示[16]。

圖1 混合料碾壓應變

圖1中,橫坐標為壓路機的壓實作用時間,縱坐標為被壓混合料的應變。圖中曲線表明壓路機碾壓過程中,被壓材料的應變由彈性應變和塑性應變組成,t1為應變達到最大的時刻。壓路機碾壓過后,瞬時彈性應變會立刻恢復,延遲彈性應變逐漸恢復,而塑性應變則不能恢復。碾壓初期,混合料壓實度較小,碾壓阻力也小,這個階段彈性應變所占的比例很小,塑性應變所占的比例較大。碾壓末期,混合料已基本密實,在這個階段塑性應變所占的比例較小,彈性應變所占的比例很大。當混合料被壓實時,壓路機碾壓之后,彈性應變很快得到恢復,幾乎不產生塑性應變;若繼續碾壓不僅會壓碎石料破壞混合料級配,而且過度碾壓還會造成能源浪費。由于不同的壓實設備性能不同,不同的混合料可壓實特性也有差異,因此碾壓遍數與混合料壓實度兩者之間的關系,需要通過實體工程進行試驗得到。

本項試驗采用常用的AC20混合料進行,混合料級配如表1所示,結合料為90#瀝青,混合料中瀝青用量4.3%,壓實厚度60 mm;壓路機采用110型振動壓路機,振動頻率40 Hz,振幅設置為“2”檔,碾壓速度4 km/h;采用PQI301無核密度儀對混合料壓實度進行無損檢測;在壓路機每完成一遍碾壓作業之后,測定混合料的壓實度。壓實度檢測采用Trans-Tech Systems Inc公司推薦的測量方法進行,首先以無核密度儀與材料接觸圓盤為基礎在路面上畫圓,測量壓實度,再以圓的邊緣為基礎分割為4等份,分別測量壓實度,如圖2所示。取5次測量值的平均值作為該點的壓實度值,試驗結果如圖3所示。

表1 AC20混合料級配

圖2 壓實度檢測

圖3 碾壓過程壓實度變化曲線

圖3為混合料壓實度隨碾壓遍數變化曲線,可用擬合公式(1)表示。

(1)

式中:x為壓路機的碾壓遍數;y為與碾壓遍數對應的混合料壓實度;0.77為攤鋪機攤鋪混合料的壓實度(曲線與縱軸的交點),用y0表示;0.23為經過壓路機碾壓后混合料達到的最大壓實度與攤鋪壓實度之差,當最大壓實度為1時可用(1-y0)表示;式中3(由圖3曲線求出)表征了壓實效率,用C表示,稱之為壓實效率系數。

根據以上定義,可得混合料壓實度與碾壓遍數之間關系,用式(2)表示:

(2)

由圖3和式(2)可知,混合料的攤鋪壓實度y0越高,達到規定壓實度需要的碾壓遍數越少,但兩者之間并非線性關系。由以上分析可以看出,通過提高攤鋪機對混合料的攤鋪壓實度,可以減少壓路機的碾壓遍數,從而降低施工設備的總體能耗和排放。

2 混合料的攤鋪壓實度與攤鋪機振動頻率的關系

2.1 攤鋪機振動熨平板的結構和工作原理

攤鋪機振動熨平板配置了激振器可以用于提高混合料的攤鋪壓實度,典型的振動熨平板結構如圖4所示。熨平板由激振器中的偏心軸轉動產生的離心力迫使其振動。激振器的振動頻率通常在0～55 Hz之間無級調節。

圖4 熨平板結構

攤鋪機作業過程中,熨平板在激振器的作用下對混合料施加周期性振動作用力。混合料中的顆粒在激振力的作用下,處于振動狀態,減小顆粒之間的內摩擦阻力,提高混合料的密實度;在這個過程中,混合料產生的密實效果與熨平板的振動頻率密切相關,當振動頻率很小時密實效果并不明顯;隨著振動頻率增加,對材料的密實效果增強;當振動頻率在材料的共振頻率范圍內時,變形阻力大幅減少,振動壓實效果達到最佳。

2.2 混合料攤鋪壓實度與攤鋪機振動頻率的關系

為了得到攤鋪混合料的壓實度與攤鋪機熨平板振動頻率之間關系,進行如下試驗研究。

試驗選用的攤鋪設備為LT12攤鋪機,發動機功率156 kW。熨平板激振器的工作頻率在0～55 Hz之間可以連續調節。試驗材料采用目前公路施工中典型的AC20瀝青混合料(級配見表1),厚度60 mm。

2.2.1 試驗方法

采用無核密度儀,在攤鋪過程中檢測攤鋪混合料的壓實度,如圖5所示。調節攤鋪機熨平板振動頻率,在不同的振動頻率下進行攤鋪作業;采用無核密度儀在攤鋪機剛鋪完尚未碾壓的鋪層上進行壓實度檢測,同一個測點進行5次試驗,取平均值,以確定攤鋪混合料的壓實度與熨平板振動頻率之間關系。

圖5 采用無核密度儀檢測混合料的攤鋪壓實度

2.2.2 試驗結果

根據采集的試驗數據,繪制攤鋪機熨平板的振動頻率與混合料攤鋪壓實度關系曲線,如圖6所示。

圖6 振動頻率與攤鋪壓實度關系曲線

由試驗結果并參考文獻[17]可得攤鋪機熨平板振動頻率與混合料攤鋪壓實度關系數學模型,如式(3)所示。

(3)

式中:y0為混合料的攤鋪壓實度;y1為攤鋪機熨平板振動頻率設置為零時攤鋪混合料的壓實度;y2為熨平板振動對混合料壓實度的影響系數;ω為振動頻率,Hz;ω0為系統無阻尼固有頻率,Hz;ζ為阻尼比。

圖6和式(3)表明對于不同的混合料,式中具體參數會有所不同,但變化趨勢相同;混合料的攤鋪壓實度與攤鋪機熨平板的振動頻率密切相關,而且都存在與壓實度峰值對應的頻率。在振動頻率較小時,混合料的攤鋪壓實度較低;隨振動頻率增大攤鋪壓實度在增加,當振動頻率在35 Hz附近時,攤鋪壓實度接近最大值,此時的頻率稱之為高效振動頻率。因此,可以通過調整攤鋪機熨平板的振動頻率,使其處于高效振動頻率范圍內,可獲得較高的混合料攤鋪壓實度。

3 攤鋪功率模型

3.1 攤鋪機熨平板的振動頻率與驅動功率的關系

由于提高混合料的攤鋪壓實度,需通過調節攤鋪機熨平板的振動頻率完成,會增加其功率消耗,因此需要研究攤鋪機熨平板振動頻率與驅動功率之間的關系,以確定提供振動頻率所增加的功率。驅動攤鋪機熨平板振動的功率與熨平板的參振質量、振動參數、攤鋪材料的物理力學性質等因素有關,占攤鋪機發動機總輸出功率的8%以內[18]。本文采用的攤鋪機,其發動機為BF6M1013C,額定功率156 kW[18]。熨平板的單位長度質量620 kg/m,偏心軸的單位長度質量1.6 kg/m,偏心距23.3 mm。由于目前尚未建立熨平板振動驅動功率與振動頻率之間關系理論模型,因此需要進行試驗研究。圖7為通過試驗得到的攤鋪機熨平板單位長度的驅動功率與振動頻率之間關系曲線,可得擬合為

圖7 熨平板振動單位長度驅動功率與振動頻率關系曲線

PZ1=2×10-4ω2+6×10-4ω+1.62×10-2

(4)

式中:PZ1為熨平板振動單位長度所需驅動功率,kW/m;ω為振動頻率,Hz。

式(4)表明振動頻率增加,驅動功率隨之以很小的幅度增長,即振動頻率變化對驅動功率的影響并不顯著,相對發動機功率而言其所占比例非常小。

3.2 攤鋪機作業功率模型

攤鋪機采用柴油發動機作為動力源,可以在發動機動力輸出端檢測轉速和扭矩得到作業功率,這種檢測方法雖然準確,但是需要將轉速傳感器和扭矩傳感器接入傳動系統中,在工作現場實施難度很大。若直接檢測機械功率有困難時,可由式(5)計算。

(5)

式中:PZp為攤鋪機作業功率,kW;Msp為攤鋪機熨平板不開振動時的實際作業生產率,t/h;PCsp為攤鋪機額定作業能力,t/h;Psp為攤鋪機額定功率,kW;L為攤鋪機熨平板寬度,m。

4 壓實功率模型

4.1 不同攤鋪壓實度下所需壓路機數量

進行熱拌瀝青混合料碾壓作業時,壓路機的數量應滿足連續施工的要求。式(1)、(2)和圖3表明,壓路機的碾壓遍數與混合料的攤鋪壓實度負相關,可以由混合料的攤鋪壓實度,得到壓路機的碾壓遍數,進而計算壓路機數量。

根據攤鋪機的作業速度、攤鋪寬度,壓路機的碾壓速度、鋼輪寬度、碾壓遍數,可由式(6)～(8)計算壓路機數量,攤鋪和碾壓示意如圖8所示。

圖8 攤鋪和碾壓過程示意

(6)

(7)

(8)

式中:nm為壓路機數量;B為路面寬度,m;vp為攤鋪機作業速度,m/min;x為碾壓遍數;b1為壓路機有效碾壓寬度,m;n為壓路機橫向碾壓道數;b為壓路機的鋼輪寬度,m;h為壓路機的碾壓重疊寬度,m;vr為壓路機的碾壓速度,m/min。

4.2 壓路機作業功率模型

壓路機采用柴油發動機作為動力源,可以采取與攤鋪機相同的方式得到壓實功率,計算方法為

(9)

式中:PZr為壓路機作業功率,kW;Msr為壓路機的實際作業生產率,m2/h;PCsr為壓路機額定作業能力,m2/h;Psr為壓路機額定功率,kW。

5 基于工程量的攤鋪碾壓總體能耗模型與節能技術研究

5.1 攤鋪和碾壓能耗模型

根據規范要求,施工過程攤鋪機須保持勻速、連續的工作狀態,此時攤鋪機發動機的轉速變化幅度較小,攤鋪機的作業功率和油耗之間關系可由發動機的速度特性曲線確定。

根據攤鋪機作業功率PZp,或壓路機的作業功率PZr,由發動機特性試驗曲線得到功率比油耗率ge,可計算單位時間燃油消耗量Ge,即

Gep=PZpgep

(10)

Ger=PZrger

(11)

式中:Gep為攤鋪機單位時間燃油消耗量,kg/h;gep為攤鋪機單位時間和單位功率下的油耗量,g/(kW·h)。Ger為壓路機單位時間燃油消耗量,kg/h;ger為壓路機單位時間和單位功率下的油耗量,g/(kW·h)。

5.2 基于工程量的總體能耗模型

根據總工程量和單機完成的工程量,由如下模型計算施工過程能耗:

(12)

式中:E為整個工程燃油消耗量,kg;Ei為第i臺設備的燃油消耗量,kg;Qi為第i臺設備的作業工程量,m3;qi為第i臺設備的單位時間作業工程量,m3/h;Gei為第i臺設備的單位時間燃油消耗量,kg/h;Di為第i臺設備的作業距離,m;vi為第i臺設備沿作業方向的移動速度,m/min。

對于典型的攤鋪碾壓作業場景,一臺攤鋪機和nm臺同型號的壓路機組合,根據式(10)～(12)可得其基于工程量的攤鋪碾壓施工過程總體能耗計算模型:

(13)

式中:E為攤鋪和碾壓設備總體的燃油消耗量,kg;D為設備作業距離,m;nm為壓路機數量。

5.3 攤鋪碾壓節能研究

由式(2)可知,碾壓遍數與攤鋪機的攤鋪混合料壓實度關系密切,可以采用提高攤鋪層壓實度的方法,減少壓路機的碾壓遍數,進而減少壓路機臺數,以達到節能減排的目的。

攤鋪機熨平板的振動頻率對瀝青混合料攤鋪層壓實度有顯著影響,振動頻率較小時,攤鋪層壓實度較低;隨振動頻率增大,攤鋪層壓實度增加;當振動頻率接近材料的共振頻率時,可獲得較高的攤鋪層壓實度。通過調節攤鋪機熨平板的振動頻率,得到高密實混合料攤鋪層,此時雖然增加了一些攤鋪機的功率消耗(增加的幅度很小),但是可以大幅減少壓路機的碾壓工作量,顯著降低施工能耗。

本文采用的LB12攤鋪機(發動機功率156 kW)和110型雙鋼輪振動壓路機(發動機功率93 kW),在高和低兩種攤鋪壓實度方案下進行能耗試驗,試驗方案如下。

試驗采用AC20混合料進行,混合料級配如表1所示。結合料為90#瀝青,混合料中瀝青用量4.3%,鋪層壓實厚度60 mm。

LB12攤鋪機作業寬度B=12 m,攤鋪速度為3.2 m/min。低攤鋪壓實度方案Ⅰ:攤鋪機振動頻率10 Hz、攤鋪壓實度0.800、平均作業油耗Gep=25.6 kg/h;高攤鋪壓實度方案Ⅱ:攤鋪機振動頻率35 Hz、攤鋪壓實度0.901、平均作業油耗Gep=26.1 kg/h。

110型壓路機的壓實寬度b=1.9 m、重疊寬度h=0.25 m,振動頻率40 Hz、振幅0.50 mm、速度4 km/h (66.7 m/min),平均作業油耗Ger=12.9 kg/h。試驗過程中,攤鋪壓實度和壓路機的壓實度采用PQI301無核密度儀檢測。

攤鋪和碾壓參數見表2,根據式(2)可得壓路機碾壓遍數,代入式(6)可得壓路機臺數。

表2 攤鋪和碾壓參數

由表2和式(4)可知,攤鋪機的振動頻率由10 Hz增加到35 Hz,熨平板的振動驅動功率僅增加了2.88 kW;在這兩種振動頻率下,攤鋪壓實度由0.800提高到0.901,增加了12.6%;壓路機的碾壓遍數由8遍減少為5遍,減少了37.5%;壓路機減少兩臺。將相關參數代入式(13),可得方案Ⅱ與方案Ⅰ兩種工藝的能耗比,如式(14)所示。

(14)

式中:E1為第1種方案攤鋪和碾壓設備的燃油消耗量,kg;E2為第2種方案攤鋪和碾壓設備的燃油消耗量,kg。

由于第2種方案提高了混合料的攤鋪壓實度,碾壓能耗顯著降低,攤鋪和碾壓過程總能耗較第1種方案降低了30.4%。通過調節攤鋪機的振動頻率,可以得到高密實混合料攤鋪層,此時攤鋪機的功率消耗略有增加,但是可以大幅減少壓路機的碾壓工作量,顯著降低攤鋪碾壓過程的總體能耗。

6 結 論

在進行壓路機的壓實試驗和攤鋪機的攤鋪試驗之后,建立了與混合料攤鋪壓實度相關的壓路機數量計算模型,進而建立了攤鋪碾壓總體能耗計算模型,提出了攤鋪碾壓節能技術,并通過實體工程足尺試驗得出如下結論:

1)混合料的攤鋪壓實度越高,達到規定壓實度需要的碾壓遍數越少;通過提高攤鋪機對混合料的攤鋪壓實度,可以降低施工設備的總體能耗,但兩者之間并非線性關系。

2)攤鋪機的振動頻率對攤鋪混合料的壓實度有顯著影響,振動頻率較小時,攤鋪層壓實度較低;隨振動頻率增大,攤鋪層壓實度增加;當振動頻率足夠高時,可以獲得高密實的攤鋪層。

3)通過調節攤鋪機的振動頻率,得到高密實混合料攤鋪層,此時攤鋪機的作業能耗增加很小,但是可以大幅降低壓路機的作業功率,顯著降低攤鋪碾壓的整體作業能耗。

4)試驗結果表明,攤鋪機的振動頻率從10 Hz提高到35 Hz,混合料的攤鋪壓實度從0.800提高到0.901,此時攤鋪和壓實設備的作業總能耗降低了30.4%,具有顯著的節能效果。