高等級瀝青路面碾壓方式的優(yōu)化

王 英，劉運(yùn)新，杜銀飛

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098）

高等級瀝青路面碾壓方式的優(yōu)化

王 英，劉運(yùn)新，杜銀飛

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098）

通過對瀝青路面碾壓過程中碾壓溫度、速度、重疊輪寬和碾壓段落進(jìn)行量化分析，找到影響壓實(shí)質(zhì)量的各因素的內(nèi)在聯(lián)系，并給出相應(yīng)的理論計(jì)算方程。結(jié)合實(shí)際分析，得到了該理論在實(shí)踐中的應(yīng)用前景，便于在施工現(xiàn)場中關(guān)于瀝青路面碾壓質(zhì)量的控制與管理。

瀝青路面;碾壓控制;實(shí)際分析

碾壓作為瀝青路面施工過程中的最后一道工序，其壓實(shí)質(zhì)量的好壞將直接影響瀝青路面的質(zhì)量和使用性能。良好的壓實(shí)能夠提供瀝青路面足夠的承載力和耐久性，使其適應(yīng)周邊環(huán)境的變化，滿足交通荷載的需要。在碾壓環(huán)節(jié)進(jìn)行切實(shí)有效的施工質(zhì)量控制，將會在很大程度上提高瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量，提高其耐久性，從而降低日后的維修費(fèi)用，提高綜合利用價(jià)值。

由于碾壓因素的不確定性，如天氣、環(huán)境以及人為等因素都將會對碾壓質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。因此，JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）［1］對碾壓的各環(huán)節(jié)控制標(biāo)準(zhǔn)均沒有給出明確的規(guī)定，導(dǎo)致在現(xiàn)場實(shí)際操作中標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，碾壓均勻性較差，局部壓實(shí)度不足現(xiàn)象常有出現(xiàn)。由于沒有規(guī)范的碾壓施工組織規(guī)劃，碾壓過程中也極易發(fā)生安全事故。鑒于此，筆者對碾壓各環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，給出實(shí)際操作參數(shù)。進(jìn)而對碾壓各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將責(zé)任分配到個(gè)人，便于施工質(zhì)量管理，提高碾壓的有序性和可行性，從而得到質(zhì)量優(yōu)良的瀝青路面。

1 瀝青路面壓實(shí)機(jī)理

瀝青混合料的壓實(shí)過程，就是從松散、塑態(tài)逐步過渡到高抗拉強(qiáng)度黏聚態(tài)的過程。一方面，瀝青混合料的壓實(shí)非常像黏性土，既通過顆粒的變形和重新組合完成壓實(shí)過程，同時(shí)隨著瀝青膠結(jié)料黏度的降低，內(nèi)聚力逐步降低;另一方面，混合料的壓實(shí)又像非黏聚性材料，因?yàn)榧项w粒的重新組合受到集料之間摩擦力的阻抗作用，棱角性小的混合料比棱角性大的易于壓實(shí)。因此，當(dāng)材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角最小時(shí)，剪應(yīng)力也最小，此時(shí)用最小的壓實(shí)功就能使混合料充分壓實(shí)。混合料的內(nèi)摩擦角與混合料的集料及級配關(guān)系很大，而內(nèi)聚力則受溫度的影響較大。壓實(shí)設(shè)備所做的功一部分直接用來改變混合料層的厚度，另一部分用來改變混合料層的顆粒排列［2-3］。

因此，瀝青路面的壓實(shí)就是在有效的壓實(shí)時(shí)間內(nèi)，采用合適的壓實(shí)設(shè)備，并進(jìn)行合理有效的碾壓的一個(gè)過程。碾壓可以分為模糊碾壓和有序碾壓兩種方式。模糊碾壓即沒有組織沒有規(guī)劃，只是將一定的壓實(shí)設(shè)備在已攤鋪完畢作業(yè)面上進(jìn)行碾壓的一個(gè)過程;而有序碾壓則是在碾壓之前進(jìn)行合理的碾壓組織規(guī)劃，在碾壓開始之時(shí)能夠按照預(yù)定的步驟進(jìn)行有組織碾壓的一個(gè)過程。顯然，有序碾壓優(yōu)于模糊碾壓。在碾壓之前對碾壓各環(huán)節(jié)進(jìn)行有組織的規(guī)劃與研究，可以提高碾壓效率，保證碾壓的均勻性和時(shí)效性，并最終可以提高壓實(shí)完成后瀝青路面的使用性能和耐久性。

2 瀝青路面碾壓控制要點(diǎn)以及相應(yīng)優(yōu)化分析

2.1 碾壓溫度控制

在確定了路面結(jié)構(gòu)混合料類型及結(jié)構(gòu)層次之后，集料的內(nèi)摩擦角也就隨之確定了，影響壓實(shí)效果的另一個(gè)重要因素即瀝青膠結(jié)料的內(nèi)聚力就顯得尤為重要，當(dāng)膠結(jié)料內(nèi)聚力較小時(shí)則易于壓實(shí)的實(shí)現(xiàn)。而瀝青膠結(jié)料的內(nèi)聚力是隨著瀝青膠結(jié)料黏度的降低而降低的，黏度又對溫度具有極高的敏感性，圖1為基質(zhì)瀝青相應(yīng)的黏溫曲線關(guān)系［4］:

圖1 基質(zhì)瀝青黏溫關(guān)系曲線Fig.1 Curve of asphalt viscosity-temperature relationship

碾壓溫度范圍除了根據(jù)黏溫曲線確定之外，也應(yīng)參考室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，從而得到適宜碾壓的溫度范圍，在該溫度范圍內(nèi)的碾壓才可以稱作是有效碾壓。過低溫度下的碾壓有可能造成集料的破碎，而使得碾壓起不到提高壓實(shí)度的效果。這就需要在混合料的有效壓實(shí)時(shí)間內(nèi)盡早完成全部碾壓工作。有效壓實(shí)時(shí)間因地域、季節(jié)以及天氣情況有很大差異。

具體操作中，可參考文獻(xiàn)［5］并結(jié)合當(dāng)日混合料的溫度下降速率來估算當(dāng)日施工用混合料有效壓實(shí)時(shí)間。在實(shí)際操作中，除了在預(yù)估的有效壓實(shí)時(shí)間內(nèi)完成碾壓之外，也要盡量保證初壓的時(shí)效性。實(shí)踐證明，剛攤鋪完的松散混合料經(jīng)過一次碾壓之后，其溫度下降速率將會得到很大程度的減緩［5］。因此，在碾壓開始之前進(jìn)行一個(gè)合理的統(tǒng)籌規(guī)劃，遵循有序碾壓的基本準(zhǔn)則，可以大大延長有效壓實(shí)時(shí)間，為復(fù)壓和終壓工作奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

2.2 碾壓速度

參考施工日天氣氣溫情況，結(jié)合文獻(xiàn)［5-6］了解當(dāng)日施工現(xiàn)場混合料溫度下降速率，以此估算當(dāng)日路面瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間，并結(jié)合拌和站生產(chǎn)能力，對各階段的碾壓速度進(jìn)行估算。

各個(gè)因素之間的關(guān)系如式（1）、式（2）:

式中:M為拌和站生產(chǎn)能力，t/h;y1為路幅寬度，m;h為設(shè)計(jì)厚度，cm;ρ為室內(nèi)成型混合料相對密度;v1為攤鋪速度，m/min;v2為初壓壓路機(jī)碾壓速度，km/h;N為碾壓遍數(shù);n為碾壓一遍需進(jìn)行往返次數(shù);t為攤鋪機(jī)運(yùn)行時(shí)間，min;98%表示預(yù)估的達(dá)到室內(nèi)成型標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)度。

式（2）中采用不等號的原因在于攤鋪剛開始后初壓工作面有限，初壓速度不可能過快。

2.3 碾壓重疊輪寬

不管壓路機(jī)是靜壓還是振動碾壓，碾壓時(shí)都應(yīng)有足夠的輪寬重疊，因?yàn)榻咏唽捀浇帀簩?shí)度普遍是偏低的?？偟膩碚f，由于輪寬附近缺少必要的集料進(jìn)行擠嵌作用的束縛，導(dǎo)致碾壓過程中集料出現(xiàn)了輕微的橫向推移，結(jié)果與無路緣石限制的路肩側(cè)碾壓效果是一樣的。對于振動壓路機(jī)來說，壓路機(jī)的振源在輪的中心，振動以波的形式向外傳播，越接近輪邊緣處混合料所受到的壓實(shí)能量越少，因而輪邊緣處與輪中心相比具有較低的壓實(shí)度［7］，如圖2。

圖2 振動輪能量傳遞示意Fig.2 Energy transfer schematic of wheel vibration

因此，需要壓路機(jī)操作手在進(jìn)行碾壓時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)妮唽捴丿B，以保證各處壓實(shí)度的均勻性。具體需要重疊的輪寬尚沒有明確的規(guī)定，DB 32/T 1246—2008《江蘇省高速公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［8］根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇1/3 ～1/2。

考慮兩臺壓路機(jī)同時(shí)運(yùn)作，有

式中:y2為壓路機(jī)碾壓輪寬;x為碾壓重疊輪寬;其他符號同前。

2.4 碾壓段落

根據(jù)碾壓的基本準(zhǔn)則，為了盡量保證壓路機(jī)的碾壓速率和攤鋪機(jī)的前進(jìn)速率相一致，碾壓段落可分為兩部分:初壓壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)的初次跟進(jìn)段落l1，壓實(shí)基本完畢留給終壓收光的段落l0。其中l(wèi)1的大小將會影響到后續(xù)壓路機(jī)的碾壓過程，l1過大，則未經(jīng)過初次碾壓的已攤鋪混合料溫度下降過快，不利于壓實(shí);l1過小，后續(xù)跟進(jìn)的膠輪壓路機(jī)工作面不足，也會影響到碾壓效率問題。

隨著攤鋪的連續(xù)有效進(jìn)行，壓路機(jī)每個(gè)往返的距離長短呈遞增趨勢，遞增數(shù)據(jù)之差應(yīng)符合等差數(shù)列基本特征，如圖3。

圖3 初壓壓路機(jī)進(jìn)退示意Fig.3 Advance and retreat schematic of initial pressure roller

圖3中，1-n表示第1遍碾壓的第n個(gè)往返過程，按照一般施工現(xiàn)場的施工方案，雙鋼輪壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)碾壓2～3遍，另有2臺膠輪壓路機(jī)各緊跟1臺鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行復(fù)壓工作。因此2-n即表示第2遍碾壓的第n個(gè)往返過程。從有效碾壓時(shí)間來考慮，在跟進(jìn)l1的情況下，壓路機(jī)經(jīng)過2遍碾壓需耗費(fèi)的時(shí)間可通過式（5）進(jìn)行估算，其中，壓路機(jī)初次跟進(jìn)速度按照攤鋪機(jī)攤鋪速度進(jìn)行考慮:

以此類推，可得到各段碾壓所需時(shí)間:

該段碾壓時(shí)間總和為T1，即:

T1的選擇應(yīng)考慮到給予后續(xù)復(fù)壓及終壓以足夠的時(shí)間。實(shí)例分析將闡述具體實(shí)施方法，根據(jù)選擇的T1大小計(jì)算出l1的大小。并估算終壓收光的段落l0，計(jì)算終壓所需時(shí)間T3，然后根據(jù)預(yù)算的有效壓實(shí)時(shí)間計(jì)算復(fù)壓時(shí)間T2，并參考《規(guī)范》［1］中給出的速度控制予以驗(yàn)證其實(shí)用可能性。

3 實(shí)例分析

以浙江杭長高速公路杭州—安城段LM-2標(biāo)瀝青路面中面層Sup-20改性瀝青混合料現(xiàn)場碾壓為例，驗(yàn)證上述理論的應(yīng)用成果。該標(biāo)段該層次路面基本情況如表1。

表1 路面基本參數(shù)情況Table 1 Basic parameters of pavement

由式（1）可以計(jì)算得出攤鋪速度v1≈ 2.5 m/min。

采用兩臺德國產(chǎn)ABG-423型攤鋪機(jī)前后相隔10～15 m進(jìn)行梯隊(duì)攤鋪，碾壓工作擬采用的壓實(shí)設(shè)備如表2。

表2 碾壓機(jī)械基本參數(shù)情況Table 2 Basic parameters of roller mechanical

對于初壓壓路機(jī)重疊輪寬問題，實(shí)際應(yīng)用中，考慮到兩臺攤鋪機(jī)中間接縫處應(yīng)保證有足夠的壓實(shí)度，故按照式（4）計(jì)算時(shí)，路幅寬度取12 m，即接縫處重疊碾壓寬度為0.75 m。則當(dāng)n=4時(shí)，x=0.8 m;當(dāng)n=5時(shí)，x=1.1 m。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)并綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益問題，選定n=4，N=2，由式（2）計(jì)算出初壓速度不超過2.4 km/h。為方便計(jì)算，選取v2=2.4 km/h，按照式（5）～ 式（7），可得T1=0.874l1，且t2-n=0.076l1。

驗(yàn)證當(dāng)天氣溫約為15℃，據(jù)文獻(xiàn)［5］估算出有效壓實(shí)時(shí)間約為35 min。各階段以及總的碾壓遍數(shù)，可參考文獻(xiàn)［9］計(jì)算確定。

假設(shè)初壓時(shí)間選擇為15 min，則l1=17.2 m，由式（6）可以計(jì)算出t2-n=1.3 min，則l2-n=v2t2-n/2≈26 m，可選取l0=30 m作為一個(gè)碾壓段落。

由于XG6301P與BW202型壓路機(jī)均只有1臺進(jìn)行全幅攤鋪，故式（4）可以改寫成x=（ny2-y1）/（n-1），由相應(yīng)的碾壓輪寬可以估算出nXG=6，nBW=8。

由于終壓的作用僅是清除輪跡，對混合料的壓實(shí)幾乎不起作用，故終壓速度可以稍微加快。根據(jù)《規(guī)范》［1］對各階段碾壓速度的規(guī)定，以vBW=5 km/h為例，T3=5.76 min。

復(fù)壓時(shí)，考慮以下兩種方案:

1）當(dāng)n=6，N=3 時(shí)，vXG=4 km/h，則

2）當(dāng)n=6，N=4 時(shí)，vXG=4 km/h，則

綜合考慮各種因素作用，選擇第1種方案進(jìn)行復(fù)壓。據(jù)此，各部分碾壓環(huán)節(jié)均有所依據(jù)，有相應(yīng)的指標(biāo)控制，便于施工過程中的質(zhì)量管理。其中，終壓應(yīng)等到復(fù)壓壓路機(jī)碾壓結(jié)束后再開始進(jìn)行收光碾壓工作。

實(shí)踐證明，在這種情況下，路面的壓實(shí)工作可以合理有效地展開，各階段壓實(shí)工作井然有序，并能在有效壓實(shí)時(shí)間內(nèi)完成碾壓工作。重要的是，將碾壓環(huán)節(jié)實(shí)行量化控制，易于將責(zé)任到個(gè)人，實(shí)行有據(jù)可循的規(guī)章制度管理，從而得到質(zhì)量優(yōu)良的瀝青路面。

4 結(jié)語

瀝青路面碾壓是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要綜合考慮到各方面的影響因素。現(xiàn)階段，《規(guī)范》中關(guān)于碾壓環(huán)節(jié)的規(guī)定也很模糊，沒有給出具體的質(zhì)量控制與管理措施，在實(shí)際施工過程中無法進(jìn)行量化控制，給碾壓施工帶來了一定的困難，不利于管理。

通過上述分析各因素內(nèi)在的聯(lián)系，在符合《規(guī)范》要求的前提下進(jìn)行碾壓方式的優(yōu)化分析，得出了相應(yīng)的理論計(jì)算方程。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)以及工程實(shí)際情況，在碾壓開始前給出具體的碾壓參數(shù)，便于施工時(shí)的管理，從而得到質(zhì)量優(yōu)良的瀝青路面，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（References）:

［1］ JTG F 40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

JTG F 40—2004 Technical Specification for Construction of Highway Asphalt Pavement［S］.Beijing:China Communications Press，2004.

［2］ 林健.影響瀝青路面壓實(shí)機(jī)理的探討［J］.山西建筑，2007，33（30）:309-310.

Lin Jian.Discussion on the factors influenced the compaction mechanism of bituminous pavement［J］.Shanxi Architecture，2007，33（30）:309-310.

［3］ 楊元貴.瀝青路面壓實(shí)機(jī)理［C］//海南省公路學(xué)會學(xué)術(shù)交流論文集.海口:海南省公路學(xué)會，2007:73-76

Yang Yuangui.The Compaction Mechanism of Asphalt Pavement［C］//Highway Society of Hainan Province Academic Papers.Haikou:Hainan Highway and Transportation Society，2007:73-76.

［4］ JTJ 052—2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2000

JTJ 052—2000 Highway Engineering Asphalt and Asphalt Mixture Test Procedures［S］.Beijing:China Communications Press，2000.

［5］ 尹如軍，李玉亭，張占軍.瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間的實(shí)測與分析［J］.公路，2001（2）:37-40.

Yin Rujun，Li Yuting，Zhang Zhanjun.Measure and analysis of time available for asphalt mixture compaction［J］.Highway，2001（2）:37-40.

［6］ 郎立新.瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間與溫度的關(guān)系分析［J］.黑龍江科技信息，2010（8）:220.

Lang Lixin.Analysis of relationship between compaction time and temperature for asphalt mixture［J］.Scientific and Technical Information in Heilongjiang，2010（8）:220.

［7］ 張春燕，馬其華.瀝青混合料路面碾壓工藝的分析與研究［J］.施工技術(shù)，2005（8）:5-67.

Zhang Chunyan，Ma Qihua.Analysis and research of rolling technology for asphalt mixture pavement［J］.Construction Technology，2005（8）:65-67.

［8］ DB 32/T 1246—2008江蘇省高速公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.南京:江蘇省交通工程建設(shè)局，2008.

DB 32/T 1246—2008 Technical Specification for Construction of Highway Asphalt Pavement in Jiangsu Province［S］.Nanjing:Jiangsu Traffic Engineering Construction Bureau，2008.

［9］ 李漢光，高英，余文斌.瀝青混合料壓實(shí)特性及瀝青路面碾壓遍數(shù)確定［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，41（1）:186-189.

Li Hanguang，Gao Ying，Yu Wenbin.Compaction characteristics of hot mixed asphalt and number of roller passes［J］.Journal of Southeast University:Natural Science，2011，41（1）:186-189.

RCC Optimization of High-Grade Asphalt Pavement

Wang Ying，Liu Yunxin，Du Yinfei
（College of Civil＆ Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

Through the quantitative analysis on various influence factors，such as temperature，velocity，overlap wheel width and paragraph in the rolling and compacting process of the asphalt pavement，the inner contact among various factors affecting the compaction quality is found out and the corresponding theoretical equations for calculating are given.With the combination of case studies，the application prospect of the theory in the practice is described.The proposed theory is available to control and manage rolling and compacting quality of the asphalt pavement at the construction site.

asphalt pavement;rolling control;actual analysis

U415.2

A

1674-0696（2013）02-0211-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.09

2012-05-02;

2012-09-21

王 英（1987—），女，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事道路材料方面的研究。E-mail:wangyinghome2011@sina.com。