輪胎壓路機(jī)在瀝青混合料攤鋪層碾壓中的作用探討

蘇立強(qiáng)

（秦皇島路橋建設(shè)開發(fā)有限公司，河北 秦皇島 066000）

瀝青路面的壓實(shí)一般分為：初壓、復(fù)壓和終壓三道工序。初壓的目的是整平和穩(wěn)定混合料，同時(shí)為復(fù)壓創(chuàng)造條件，是壓實(shí)的基礎(chǔ)，采用輕型靜力壓實(shí)；復(fù)壓的目的是使混合料密實(shí)、穩(wěn)定、成型，混合料的密實(shí)程度取決于這道工序，采用振動(dòng)壓實(shí)和輪胎式揉壓；終壓的目的是消除輪跡，最后形成平整壓實(shí)面，采用輕型靜壓。在這三道壓實(shí)工序中，復(fù)壓起著非常關(guān)鍵的作用，而采用輪胎壓路機(jī)進(jìn)行復(fù)壓有著其它壓路機(jī)不可取代的作用。本文將通過對輪胎壓路機(jī)在碾壓熱拌瀝青混合料時(shí)充氣輪胎與瀝青混合料作用的理論分析，探討輪胎壓路機(jī)壓實(shí)瀝青混合料時(shí)的揉壓機(jī)理和作用,為瀝青混合料壓實(shí)機(jī)械的選型提供理論根據(jù)。

1 輪胎壓路機(jī)的揉壓機(jī)理

輪胎式壓路機(jī)的工作裝置是兩排并列布置的充氣輪胎，該兩排充氣輪胎也是它的行駛機(jī)構(gòu)。當(dāng)壓路機(jī)按照一定行駛路線、規(guī)律和速度在被壓的混合料上行駛時(shí)，整機(jī)的重量G通過兩排輪子 (前4后5或前5后6)作用于被壓混合料，此時(shí)，輪子對被壓混合料有兩種作用力：其一是垂直向下的靜作用力,具有一定級(jí)配比的混合料在垂直靜載荷的作用下,顆粒重新排列和互相靠近，小顆粒進(jìn)入大顆粒的空隙中，從而使混合料的密度增加，發(fā)生永久變形，隨著滾壓次數(shù)的增多，混合料的密度進(jìn)一步增加，最后達(dá)到實(shí)際殘留變形等于零，這一作用過程和靜力光輪壓路機(jī)相同；其二是水平方向的作用力，水平作用力由兩部分組成，可分析如下：設(shè)每個(gè)輪的垂直靜載荷為Q，此作用力作用于混合料上，實(shí)現(xiàn)垂直壓實(shí),同時(shí)，混合料給輪胎一垂直反力R0第一部分，對于驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩MK所產(chǎn)生的圓周力向后水平作用于混合料，該力在數(shù)值上等于切線牽引力FK，對于從動(dòng)輪，機(jī)架推力FC推著從動(dòng)輪前進(jìn)，產(chǎn)生一向前的水平力F′fc作用于混合料，如圖1所示。這一水平作用也與靜力光輪壓路機(jī)相同。第二部分是充氣輪胎變形產(chǎn)生的水平作用力，充氣輪胎在垂直靜荷載Q與混合料垂直反力R作用下 (Q與R大小相等方向相反)變形(其變形量的大小與Q和R成正比,與充氣氣壓大小成反比)，使輪胎與被壓混合料在瞬時(shí)的接觸面成為如圖2所示的形狀。

圖2 輪胎受壓變形圖

由于輪胎是處于滾動(dòng)狀態(tài)，在進(jìn)入結(jié)合區(qū)，輪胎在Q和R作用下產(chǎn)生變形，給混合料水平向外作用力；在離開結(jié)合區(qū)，由于氣壓力輪胎恢復(fù)變形，恢復(fù)力使混合料在輪胎寬度方向受到向內(nèi)的水平作用力和向后的水平作用力。這些交替變化的水平作用力和垂直向下的靜作用力就形成了對混合料的揉壓作用。另外，由于輪胎的變形，使實(shí)際的結(jié)合區(qū)面積大,雖然單位面積上的壓力降低，但是作用力的持續(xù)時(shí)間長，有助于壓實(shí)。揉壓作用將使混合料獲得最佳的壓實(shí)效果，是輪胎壓路機(jī)的特點(diǎn)。

2 揉壓作用分析

2.1 獲得高的密實(shí)度

熱拌瀝青混合料是由不同粒徑的破碎石、砂、石粉和瀝青按照一定的設(shè)計(jì)配合比拌和而成的，在碾壓時(shí)，不同壓路機(jī)的壓實(shí)過程如下。

靜力光輪壓路機(jī)壓實(shí)。混合料在靜荷載的作用下只是發(fā)生顆粒的靠近，只有少量的小顆粒進(jìn)入大顆粒的孔隙之間，大顆粒的重新排列受到了它們之間摩擦阻力的作用移動(dòng)困難，雖然有熱瀝青的潤滑作用，但這種重新排列由于只有靜壓力作用而受到限制，使最終的壓實(shí)密度不高。

振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)。混合料在振動(dòng)力的作用下重新排列和互相靠近，小顆粒進(jìn)入大顆粒之間空隙要比靜作用好的多，但振動(dòng)力只是上下作用，況且混合料的大顆粒是破碎石，形狀很不規(guī)則，雖然有振動(dòng)力作用，也會(huì)存在鑲嵌卡制現(xiàn)象，從而使密實(shí)度不能達(dá)到最好。

輪胎壓路機(jī)壓實(shí)。混合料在上述揉壓作用下顆粒之間的摩擦力大大減小，重新排列、互相靠近,小顆粒進(jìn)入大顆粒之間的空隙容易，可使壓實(shí)密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如某路段采用三種不同壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，碾壓速度為5kmO咬h，壓實(shí)度比較見表1[1]。

表1 碾壓速度為5 kmO咬h的壓實(shí)度比較

2.2 有利于返油

瀝青混合料的瀝青結(jié)合料有如下作用：①潤滑每一粒集料，減少內(nèi)摩擦，降低壓實(shí)功；②有助于密封攤鋪層表面，防止水、泥漿和空氣侵入；③起粘接劑作用，瀝青冷卻后將集料顆粒粘接在一起。因此,壓實(shí)過程不僅只是使混合料顆粒互相靠攏、填塞達(dá)到密實(shí)，還要使瀝青結(jié)合料進(jìn)入顆粒之間的空隙，將集料粘接在一起，多余的要返到表面填充表面空隙,以達(dá)到密封表層，防止水、泥漿和空氣侵入。輪胎壓路機(jī)的揉壓作用有助于將多余的瀝青結(jié)合料返到表層，以密封表層。

2.3 能消除熱裂紋

采用靜力光輪壓路機(jī)和振動(dòng)壓路機(jī)碾壓熱拌瀝青混合料時(shí)，由于推移等原因會(huì)造成碾壓熱裂紋，該裂紋一旦形成，靠垂直靜壓力和垂直振動(dòng)力不能消除，也就是說靜力光輪壓路機(jī)和振動(dòng)壓路機(jī)是不能消除熱裂紋的。如果不消除該裂紋，水、泥漿和空氣就會(huì)從裂紋處侵入，造成路面早期破壞。輪胎壓路機(jī)具有揉壓作用，在合適的碾壓溫度下用輪胎壓路機(jī)碾壓，輪胎的揉壓力可使裂紋處的集料水平移動(dòng)、熱瀝青被擠壓到裂紋中填補(bǔ)了裂紋空隙，消除了裂紋。

2.4 能保證均勻壓實(shí)

靜力光輪和振動(dòng)壓路機(jī)均采用鋼輪，而且鋼輪較寬，鋼輪的接觸線在瀝青混合料的大顆粒之間就形成了“過橋”現(xiàn)象，這種“過橋”留下的空隙，就會(huì)產(chǎn)生不均勻的壓實(shí)。另外，在攤鋪寬度方向也不會(huì)完全均勻平整，同樣存在高低不平現(xiàn)象，由于鋼輪較寬,當(dāng)沿著攤鋪方向壓實(shí)時(shí)，同樣存在過橋現(xiàn)象，壓實(shí)不均勻。相反，橡膠輪胎柔曲且單個(gè)輪胎較窄并沿著這些輪廓壓實(shí)，從而產(chǎn)生較好的壓實(shí)表面和較好的密實(shí)性。

2.5 能消除壓實(shí)層的內(nèi)應(yīng)力

熱拌瀝青混合料鋪層，經(jīng)鋼輪壓實(shí)后會(huì)存在內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力要經(jīng)過一段時(shí)間的時(shí)效才能消除，這對于改建道路或修補(bǔ)道路，鋪層碾壓好后，在短時(shí)內(nèi)就要通車的情況將會(huì)造成應(yīng)力裂紋而早期破壞。輪胎壓路機(jī)的揉壓作用可以消除內(nèi)應(yīng)力，通過輪胎壓路機(jī)壓實(shí)后，這種內(nèi)應(yīng)力非常小，可以滿足短時(shí)間內(nèi)通車的需要，不會(huì)造成應(yīng)力裂紋。

結(jié)語

通過對輪胎壓路機(jī)壓實(shí)熱拌瀝青混合料壓實(shí)機(jī)理和作用的研究分析，認(rèn)為輪胎壓路機(jī)在壓實(shí)瀝青混合料攤鋪層方面有著其它類型壓路機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。因此，在瀝青路面壓實(shí)的機(jī)械選型和配置時(shí),選用輪胎壓路機(jī)作為復(fù)壓的主要機(jī)型。另外，輪胎壓路機(jī)還可廣泛用于壓實(shí)各類建筑基礎(chǔ)。在對兩側(cè)邊做最后壓實(shí)時(shí)，能使整個(gè)鋪層表面均勻一致，而對路緣石的擦邊碰撞破壞比鋼輪壓路機(jī)要小得多。總之,輪胎壓路機(jī)在道路施工中有著廣泛的用途，關(guān)于其它方面機(jī)理和用途有待進(jìn)一步研究和探討。

[1]郝培文.瀝青路面施工與維修技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]姚懷新.工程機(jī)械底盤理論[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]何挺繼.現(xiàn)代公路施工機(jī)械[M].北京:人民交通出版社，1999.

[4]周萼秋.現(xiàn)代工程機(jī)械應(yīng)用技術(shù)[M].北京:國防科技大學(xué)出版社，1997.

[5]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防.