瀝青路面高密實振搗壓實傳遞特性研究

賈 潔, 曾小龍, 劉洪海, 楊海濤, 萬一品

(1. 長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實驗室,西安 710064; 2. 甘肅路橋第三公路工程有限責(zé)任公司,蘭州 730030)

瀝青混合料施工過程中,壓實對成型路面結(jié)構(gòu)的使用壽命和路用性能起到?jīng)Q定性的作用[1]。攤鋪機(jī)對瀝青混合料進(jìn)行平整與初步壓實,壓路機(jī)復(fù)壓和終壓,使最終成型路面的密實度達(dá)到瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求。攤鋪層初始密實度越高,后續(xù)的碾壓作業(yè)越少,節(jié)約施工成本[2]。振搗機(jī)構(gòu)作為攤鋪機(jī)熨平板的主要組成部分之一,對松散瀝青混合料進(jìn)行搗實,使鋪層具有一定的初始密實度。若攤鋪階段的密實度不足或產(chǎn)生離析,攤鋪層在壓路機(jī)的高頻振動下受到同一壓實功作用,將產(chǎn)生壓實密度的分布不均勻[3]。

劉剛等[4-7]的研究結(jié)果表明,高溫狀態(tài)下,瀝青混合料通過壓實達(dá)到規(guī)范要求密實度以保證足夠的路用性能,即路面性能與瀝青路面的壓實結(jié)果密切相關(guān)。阿特拉斯科普柯國際壓實中心(IHCC)研究表明[8],瀝青路面的攤鋪密實度對路面強(qiáng)度、耐磨性和耐久性等至關(guān)重要,同時良好的密實度分布均勻性可以降低路面建設(shè)維護(hù)費(fèi)用。美國瀝青協(xié)會曾指出,瀝青混合料密實度是影響路面性能的最重要因素之一,小幅度提高混合料密實度就能明顯延長瀝青路面的使用壽命。劉洪海等[9-11]多年的研究表明,攤鋪作業(yè)中瀝青混合料的高密實攤鋪取決于攤鋪機(jī)壓實裝置壓實混合料的能力和傳遞給鋪層混合料振搗壓實功的多少。因此,攤鋪機(jī)振搗機(jī)構(gòu)對瀝青混合料的壓實傳遞特性對于提高攤鋪層混合料的初始密實度起關(guān)鍵性的作用。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,針對振搗機(jī)構(gòu)與材料組成的動力學(xué)模型,提出振搗壓實傳遞力和壓實傳遞率的理論計算方法,分析不同振搗參數(shù)(頻率,攤鋪層和下承層剛度及阻尼)對瀝青路面振搗壓實傳遞特性的影響規(guī)律。進(jìn)行振搗壓實試驗研究,獲得密實度與壓實傳遞力之間關(guān)系,為攤鋪作業(yè)過程高密實攤鋪振搗參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

1 振搗壓實系統(tǒng)動力學(xué)模型

1.1 振搗機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型

振搗機(jī)構(gòu)搗實松散瀝青混合料時,相對于混合料的壓縮變形,夯錘的動態(tài)響應(yīng)容易受到下承層剛度的影響[12]。在振搗壓實過程中,振搗系統(tǒng)提供的能量并不等于混合料吸收的能量。為了保證混合料的振搗壓實效果,振搗機(jī)構(gòu)有能力壓縮混合料,即產(chǎn)生足夠密實混合料的振搗壓實傳遞力。通過改變振搗參數(shù)將壓實傳遞力主要用于壓實鋪層混合料,避免夯錘振動影響熨平板正常工作,需要對瀝青混合料的振搗壓實傳遞特性進(jìn)行研究。基于已有研究[13],動力學(xué)分析時考慮攤鋪下承層對振搗壓實系統(tǒng)的作用,建立振搗壓實系統(tǒng)的二自由度動力學(xué)模型,如圖1所示。

圖1 振搗壓實系統(tǒng)動力學(xué)模型Fig.1 Dynamic model of vibration compaction system

圖1中:m1為振搗壓實系統(tǒng)夯錘的質(zhì)量,kg;m2為瀝青混合料質(zhì)量,kg;c1為瀝青混合料阻尼系數(shù),N·s/m;c2為下承層阻尼系數(shù),N·s/m;k1為瀝青混合料剛度系數(shù),N/m;k2為下承層剛度系數(shù),N/m;Fd為振搗力的幅值,N;x1為振搗夯錘作用力正方向上夯錘的振動位移量,m;x2為瀝青混合料壓縮變形正方向瀝青混合料的變形位移量,m。

振搗循環(huán)過程中,只有與混合料接觸壓實階段需要消耗振搗功率。當(dāng)初始相位角為0時,夯錘與鋪層混合料接觸,夯錘從上止點(diǎn)到與混合料接觸之間運(yùn)動的距離為h-x1,對于每個振搗周期,振搗力的有效值是一個沖擊載荷,在恒定振搗激勵下振搗力幅值Fd為

(1)

式中:fd為振搗頻率,Hz;g為重力加速度;md為振搗偏心的質(zhì)量,kg;h為振搗沖程,m,rd為振搗偏心距,m。

振搗壓實系統(tǒng)動力學(xué)模型方程為

(2)

對于周期性簡諧激勵,振搗力Fd(t)見式(3)。

Fd(t)=Fdeiωdt

(3)

式中,ωd為振搗角頻率,單位為rad/s,ωd=2πfd。

式(2)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

(4)

式中,X1和X2分別為x1(t)和x2(t)的最大值,由振搗系統(tǒng)的頻率和偏心參數(shù)決定。

將式(3)和式(4)代入式(2),得到式(5)

(5)

式中,Z(ωd)為系數(shù)矩陣,其定義為

(6)

則振搗作用下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅為

(7)

1.2 振搗壓實傳遞特性

振搗壓實傳遞特性是指振搗機(jī)構(gòu)壓實混合料的能力和振搗壓實功傳遞給鋪層混合料的比率,分別為振搗壓實傳遞力和振搗壓實傳遞系數(shù)。鋪層混合料存在黏彈效應(yīng),振搗作用傳遞到被壓瀝青混合料的力Fa(t)如式(8)所示。

(8)

振搗壓實傳遞力的幅值FA為

FA=|Fa(t)|=

(9)

力的幅值與振搗力幅值的比值為壓實傳遞系數(shù)FTR,如式(10)所示。

(10)

壓實傳遞系數(shù)越大,傳遞給鋪層混合料的振搗壓實能量越多,振搗壓實對混合料密實度增長的影響越來越顯著,但是過大的夯錘振動會影響熨平板正常工作。因此,需要保證夯錘傳遞給混合料足夠的壓實力,同時避免夯錘過大的振動。振搗壓實傳遞力是被壓混合料與下承層之間相互作用力,下承層的結(jié)構(gòu)和材料特性是確定的,振搗壓實傳遞力隨振搗頻率的變化反映了振搗力和鋪層材料振搗壓實特性的變化,體現(xiàn)振搗系統(tǒng)的壓實能力。壓實傳遞系數(shù)隨振搗頻率的變化則反映了振搗動態(tài)響應(yīng)量的變化,是振搗能量利用率和振搗壓實效率的另一種體現(xiàn)。

2 壓實傳遞特性影響規(guī)律

2.1 振搗頻率影響因素分析

采用瀝青混合料AC-25,通過攤鋪機(jī)振搗機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型的計算及相關(guān)試驗研究,同時根據(jù)式(1)求得激振力幅值。振搗壓實系統(tǒng)計算參數(shù)如表1 所示。

表1 SBS改性瀝青特性檢測指標(biāo)Tab.1 Testing indicators for the characteristics of SBS modified asphalt

振搗壓實過程中,振搗夯錘周期性地與鋪層混合料接觸分離,隨著作用于鋪層混合料振搗次數(shù)的增加,混合料的厚度和密實度在逐漸的變化。根據(jù)瀝青路面施工過程中不同的攤鋪厚度,利用熨平裝置振搗機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型,得到不同瀝青混合料質(zhì)量作用下壓實傳遞力和傳遞系數(shù)隨著振搗頻率增大的變化趨勢,分別如圖2和圖3所示。

圖2 傳遞力與振搗頻率關(guān)系Fig.2 Transfer force versus vibration frequency

圖3 壓實傳遞系數(shù)與振搗頻率關(guān)系Fig.3 Compaction transfer coefficient versus vibration frequency

由圖2可知,振搗壓實系統(tǒng)的第一峰值頻率和對應(yīng)壓實傳遞力峰值不受混合料壓實質(zhì)量變化的影響,壓實系統(tǒng)的第二峰值頻率隨著壓實質(zhì)量減小而逐漸增大。為了提高瀝青混合料的初始密實度,攤鋪壓實質(zhì)量小的混合料需要更高的振搗頻率,保證振搗壓實傳遞力在第二峰值頻率范圍內(nèi)。由圖3可知,隨著混合料質(zhì)量的增加,第二峰值頻率呈減小趨勢,第二峰值振搗傳遞率增大,更多的振搗能量被混合料吸收。對于瀝青混合料質(zhì)量小的攤鋪層,特別是薄的瀝青面層的攤鋪壓實,混合料對振搗能量的吸收能力降低,應(yīng)增大振搗頻率至第二峰值頻率附近,以獲得高的壓實傳遞力和壓實傳遞率,同時避免夯錘過大的動態(tài)響應(yīng)影響熨平板正常工作。

2.2 混合料剛度因素的影響分析

瀝青混合料的阻尼和剛度能夠吸收和消耗振搗激勵的大部分能量,Kassem等[14]的研究結(jié)果表明鋪層混合料密實度影響瀝青混合料剛度。由于攤鋪介質(zhì)配合比及施工工藝參數(shù)的改變,均會影響振搗壓實過程中混合料的密實度,從而改變剛度及阻尼系數(shù)。根據(jù)熨平板動力學(xué)方程計算熨平板下方混合料剛度和阻尼系數(shù),結(jié)合剛度變化范圍,對于不同瀝青混合料剛度,振搗壓實傳遞力與振搗頻率的關(guān)系如圖4所示。振搗壓實傳遞力系數(shù)與振搗頻率的關(guān)系如圖5(a)所示,無阻尼狀態(tài)下,壓實傳遞系數(shù)與振搗頻率的關(guān)系如圖5(b)所示。

圖4 混合料不同剛度下傳遞力與振搗頻率的關(guān)系Fig.4 Transfer force versus vibration frequency with different stiffness of mixture

如圖4所示,振搗頻率高于第一峰值頻率時,隨著混合料剛度增加,振搗壓實傳遞力呈現(xiàn)增大的趨勢,混合料振動壓實作用明顯。圖5(a)所示,隨著混合料剛度增加,第一峰值頻率及壓實傳遞系數(shù)第一峰值增加。對比圖5(a)和圖5(b)可知,振搗頻率在0～30 Hz內(nèi),當(dāng)混合料剛度增大時,由于阻尼效應(yīng)的存在,振搗壓實傳遞系數(shù)峰值和第二峰值頻率變化量減弱。當(dāng)逐漸增大的混合料剛度越來越接近下承層的剛度時,瀝青混合料的阻尼效應(yīng)對曲線峰值的衰減作用愈加明顯。由于混合料阻尼的存在,減弱了混合料剛度增加對系統(tǒng)峰值頻率處響應(yīng)峰值的影響。

2.3 混合料阻尼因素的影響分析

混合料不同阻尼時振搗壓實傳遞力和傳遞系數(shù)與振搗頻率的變化關(guān)系,分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同阻尼下傳遞力與振搗頻率關(guān)系Fig.6 Transfer force versus vibration frequency with different damping of mixture

圖7 壓實傳遞系數(shù)與振搗頻率關(guān)系Fig.7 Compaction transfer coefficient versus vibration frequency with different damping of mixture

在同一振搗力的作用下,相同的混合料壓縮前高度(夯錘沖程下止點(diǎn)的調(diào)節(jié)依據(jù)可壓縮變形來調(diào)節(jié)),可壓縮變形越大,振搗壓實阻力越小。圖6中,振搗頻率在5～30 Hz內(nèi),隨著混合料阻尼系數(shù)的增加,振搗壓實傳遞力增大,表明混合料可壓縮變形越明顯。由圖7可知,振搗頻率在5～30 Hz內(nèi),隨著混合料阻尼系數(shù)的增加,振搗壓實傳遞系數(shù)增大,表明混合料吸收更多的振搗能量,振搗壓實系統(tǒng)對瀝青混合料的密實度增長作用明顯。

由于逐漸密實的混合料剛度的改變,混合料密實度的進(jìn)一步增加需要消耗更多壓實能量。將振搗頻率匹配在振搗壓實系統(tǒng)的峰值頻率附近,振搗機(jī)構(gòu)對混合料的密實度增長作用顯著;為了增大混合料的初始密實度并避免振搗動態(tài)響應(yīng)影響熨平板工作,將振搗頻率匹配在第二峰值頻率附近的15～26 Hz內(nèi),通過降低振搗壓實傳遞系數(shù)犧牲一些振搗能量,獲得高的振搗壓實傳遞力,增強(qiáng)振搗壓實能力。此外,由于瀝青混合料阻尼效應(yīng)的存在,會減弱振搗機(jī)構(gòu)響應(yīng)幅值對熨平板的影響,保證振搗壓實作業(yè)的高效性和穩(wěn)定性。

2.4 下承層剛度和阻尼的影響分析

當(dāng)進(jìn)行瀝青路面施工時,所在的下承層,其材料配合比,路面結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工工藝的不同等都會導(dǎo)致下承層介質(zhì)發(fā)生變化,從而改變下承層介質(zhì)剛度和阻尼系數(shù)。下承層剛度對振搗壓實的影響如圖8所示。

圖8 下承層剛度因素的影響Fig.8 Effect of stiffness of lower layer

分析圖8可知,下承層路面結(jié)構(gòu)剛度的變化對第一峰值頻率沒有顯著影響,只是壓實傳遞系數(shù)隨著剛度和阻尼的增加而增大,振搗壓實傳遞力大于振搗力,夯錘振動響應(yīng)明顯。由圖8(a)可知,下承層剛度增加,振搗壓實傳遞力增大,能夠使混合料充分搗實的能力越強(qiáng)。由圖8(b)可知,下承層剛度增加,第二峰值頻率增大,為保證最高效壓實和高密實攤鋪壓實效果,需要提高振搗頻率至第二峰值頻率附近。不同下承層材料因素影響分析結(jié)果表明,下承層剛度大,增強(qiáng)了振搗壓實能力,混合料越易被壓實。結(jié)合瀝青混合料現(xiàn)場壓實試驗,分別在柔性和剛性下承層上對瀝青混合料進(jìn)行壓實,得到瀝青混合料空隙率變化如圖9所示。

圖9 不同下承層下瀝青混合料空隙率變化Fig.9 Air voids of asphalt mixture with different stiffness

由圖9可知,在剛性下承層上壓實瀝青混合料獲得的密實度高于在柔性下承層上獲得的密實度,即瀝青下承層的剛度越大,瀝青混合料越易密實。仿真分析與試驗結(jié)論吻合,熨平裝置振搗機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型能夠合理分析混合料的振搗壓實傳遞特性。

3 振搗機(jī)構(gòu)壓實試驗研究

3.1 試驗材料與設(shè)備

為了驗證振搗壓實傳遞力能否作為攤鋪密實度變化的特征參數(shù),試驗研究振搗壓實傳遞力和壓實傳遞系數(shù)對攤鋪密實度的影響。試驗段為國道331線二連浩特口岸至滿都拉圖段公路K19+500～K20+550段,試驗攤鋪設(shè)備采用熨平裝置振搗頻率可連續(xù)調(diào)節(jié)的兩臺攤鋪機(jī)進(jìn)行半幅全寬階梯狀攤鋪,攤鋪機(jī)熨平板寬度分別為5.25 m和6.0 m,滿足設(shè)計寬度的要求。

試驗選取典型級配的AC-25瀝青混合料,級配設(shè)計如圖10所示。通過對體積和力學(xué)指標(biāo)的分析,得出AC-25最佳瀝青用量為5%。

圖10 AC-25瀝青混合料級配Fig.10 Gradation data of AC-25 mixture

試驗段混合料采用秦皇島中石油燃料瀝青有限公司生產(chǎn)的昆侖牌SBS(I-C)聚合物改性瀝青,加工改性瀝青的基質(zhì)瀝青采用A級90號道路石油瀝青,SBS改性劑用量按瀝青的5%控制,各項檢測指標(biāo)如表2所示。

表2 SBS改性瀝青特性檢測指標(biāo)Tab.2 Properties of SBS modified bitumen

粗集料采用石質(zhì)堅硬、清潔、干燥、不含風(fēng)化顆粒、近立方體顆粒的碎石,20～25 mm,10～20 mm,5～10 mm碎石采用卓資縣如意礦業(yè)有限公司生產(chǎn)玄武巖碎石,3～5 mm碎石采用蘇尼特左旗瑞通礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石。

采用PQI301無核密度儀檢測攤鋪層的密實度。無核密度儀采用電磁法測量瀝青路面的均勻性和相對密度,工作原理如圖11所示。

圖11 無核密度儀工作原理示意圖Fig.11 Operational principle of nuclear density

無核密度儀通過調(diào)整電磁波強(qiáng)度來改變穿透深度,合理地進(jìn)行不同級配類型瀝青混合料密實度的檢測。在設(shè)置菜單中輸入路面材料的標(biāo)準(zhǔn)密度(即最大理論密度或室內(nèi)馬歇爾密度),即可在無核密度儀顯示屏上直接獲得相應(yīng)的密實度讀數(shù),測量的密實度具有很高的精準(zhǔn)度和代表性[15]。

振搗壓實特性測試試驗過程如圖12所示。

圖12 試驗過程Fig.12 Test process

檢測前需對無核密度儀進(jìn)行標(biāo)定,為減小測量誤差,攤鋪完成后,沿著攤鋪機(jī)熨平板的橫向方向選擇五個位置,在同一位置取3點(diǎn)進(jìn)行測量。檢測過程中,應(yīng)避開攤鋪層橫向邊緣位置,保證檢測結(jié)果的代表性。

3.2 試驗方案

攤鋪過程中,振動頻率和作業(yè)速度保持恒定,振搗機(jī)構(gòu)設(shè)置不同頻率進(jìn)行攤鋪壓實試驗。試驗攤鋪機(jī)的振搗頻率是通過設(shè)置該頻率占振搗最大頻率的百分比來調(diào)節(jié),因此,采用振搗頻率百分比來表示振搗頻率的大小。試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案Tab.3 Test scheme 單位:%

3.3 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗方案得到密實度與振搗頻率之間關(guān)系,如圖13所示。

圖13 密實度與振搗頻率關(guān)系Fig.13 Density versus vibration frequency

由圖13可知,振搗頻率為最大振搗頻率的10%(4 Hz左右),密實度出現(xiàn)第一個峰值點(diǎn)87%,之后密實度逐漸減小,在振搗頻率百分比為45%(15 Hz左右)時,到達(dá)密實度低谷段84%后又逐漸增大,振搗頻率百分比為65%(22 Hz左右)達(dá)到密實度第二個峰值點(diǎn)88%,密實度隨著振搗頻率的增大呈現(xiàn)先增加后減小,之后又逐漸增大的趨勢。

在實測振搗頻率變化對壓實傳遞力的影響規(guī)律時,已有振搗壓實傳遞特性試驗研究表明[16],振搗壓實傳遞力的峰值與振搗頻率的關(guān)系,如圖14所示。

圖14 壓實傳遞力峰值與振搗頻率關(guān)系Fig.14 Compaction transfer force peak versus vibration frequency

對比壓實傳遞力峰值與振搗頻率的關(guān)系曲線,振搗頻率在峰值頻率附近,密實度與壓實傳遞力均出現(xiàn)兩個峰值點(diǎn),對實測的密實度的均值與壓實傳遞力峰值的均值進(jìn)行相關(guān)性分析,得到相關(guān)系數(shù)為0.865 8,瀝青混合料攤鋪密實度與壓實傳遞力密切相關(guān)。壓實傳遞力為被壓混合料底部感受到的壓實力,它反映了振搗力動態(tài)作用下振搗機(jī)構(gòu)對混合料的壓實能力。壓實傳遞力越大,能夠使混合料產(chǎn)生足夠密實度的振搗壓實能力越強(qiáng),混合料振動壓實越明顯在小于最大振搗頻率65%(22 Hz)的振搗頻率范圍內(nèi),密實度和振搗壓實傳遞力之間存在對應(yīng)關(guān)系。密實度快速增大后趨于平緩。 因此,可將振搗壓實傳遞力作為密實度變化的特征參數(shù)。

4 結(jié) 論

對瀝青路面高密實振搗壓實傳遞特性仿真模型與試驗研究,得出以下結(jié)論:

(1)在振搗壓實系統(tǒng)動力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上,分析了攤鋪過程中的振搗壓實傳遞特性,得到了振搗頻率對振搗壓實傳遞力和振搗壓實傳系數(shù)的影響規(guī)律,提出了一種反映振搗壓實能力的壓實傳遞力理論計算方法。

(2)隨著瀝青混合料壓實質(zhì)量減小、剛度增大,振搗壓實系統(tǒng)峰值頻率增大,為了提高振搗壓實傳遞力,可調(diào)節(jié)振搗頻率在第二峰值頻率附近。隨著瀝青混合料阻尼的增大,減弱了混合料剛度增大對系統(tǒng)峰值頻率處響應(yīng)峰值的影響。下承層剛度越大,振搗機(jī)構(gòu)對混合料的振搗密實作用越顯著。

(3)攤鋪密實度試驗表明,攤鋪密實度和振搗壓實傳遞力理論計算結(jié)果之間存在對應(yīng)關(guān)系。在小于振搗頻率22 Hz的范圍內(nèi),振搗壓實傳遞力可以作為攤鋪密實度變化的特征參數(shù)。