輪胎壓路機與振動壓路機的壓實特性與效果研究

劉洪海等

摘要：采用理論分析與試驗研究相結合的方法，分別探討了振動壓路機和輪胎壓路機的壓實特性。結果表明：振動壓路機具有壓實效率高，壓實度增長快和壓實深度衰減小的特點；輪胎壓路機壓實效率低，但具有消除鋪層表面裂縫，使表面致密的作用。因此，進行混合料碾壓時，采用組合碾壓工藝，可以得到較高的路面壓實度和較好的路面封水效果。

關鍵詞：路面工程；壓實技術；壓路機；壓實效果

中圖分類號：U415.52 文獻標志碼：B

0引言

壓實是瀝青路面施工過程中的重要環(huán)節(jié)，欠壓會導致瀝青路面的空隙率增大，空氣和雨水容易進入路面結構層內部，加速瀝青混合料的老化和路面水損壞；過壓會使礦料顆粒破碎，破壞混合料級配[12]。過壓或欠壓都會影響瀝青混合料的施工質量和路面耐久性[3]。

長期以來，國內在瀝青路面新材料、新結構和混合料設計方面做了大量的研究，但對瀝青路面壓實技術的研究存在較大不足，特別是缺乏對不同類型設備的壓實特性的研究

[46]。在制定碾壓工藝時，忽略了設備的特點，設備的性能沒有得到充分發(fā)揮，瀝青路面難以達到最佳的壓實效果。本文通過對施工中兩種常用壓路機工作裝置的機構組成、壓實機理進行理論分析和試驗研究，探討輪胎壓路機和振動壓路機壓實瀝青混合料時的壓實特性，為合理的制定壓實工藝提供依據(jù)。

1壓路機工作裝置結構與壓實機理

1.1輪胎壓路機的裝置結構與壓實機理

自行式輪胎壓路機由車架、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、壓力水系統(tǒng)和專用碾壓輪胎組成，如圖1所示。中型輪胎壓路機前軸有4個輪胎，后軸有4～5個輪胎；重型輪胎壓路機前軸有5個輪胎，后軸有5～6個輪胎，為了均勻壓實路面，前后輪胎交錯布置。自行式輪胎壓路機的輪胎懸掛方式主要有機械擺式懸掛（圖2）和液壓升降式懸掛兩種。自行式輪胎壓路機的每個輪子都可以在垂直方向有較大的位移，使接地壓力均衡，對材料進行均勻壓實。

輪胎壓路機在對混合料的壓實過程中具有揉壓的效果。碾壓作業(yè)時，輪胎對被壓材料產(chǎn)生兩種作用力：一種是由重力產(chǎn)生的垂直向下的靜作用力，該作用力會對具有一定級配組成的混合料產(chǎn)生垂直荷載作用，使材料產(chǎn)生剪應力，當達到剪切強度極限時，能夠克服材料之間的粘聚力和內摩阻力，使小顆粒進入大顆粒之間的空隙中，形成更密實的結構。第二種是水平作用力，水平作用力包含兩個部分，第一部分是由于充氣輪胎在垂直荷載作用下發(fā)生的變形對混合料的水平作用力，輪胎在滾動過程中進入接觸區(qū)對混合料產(chǎn)生向外的水平作用力，隨著接觸面增大，變形也增大，這種作用變得更加強烈，在離開接觸區(qū)時，輪胎逐漸恢復原有形狀，隨著接觸面積減小這種作用力的強度在減弱；第二部分水平作用力是驅動輪胎轉動時對混合料的作用力，對于主動輪而言會產(chǎn)生一個與移動方向相反的水平作用力，對于從動輪則產(chǎn)生一個與移動方向相同的水平作用力。上述的水平作用力與垂直作用力的聯(lián)合作用會對瀝青混合料產(chǎn)生強烈的搓揉效果。

1.2振動壓路機的裝置結構與壓實機理

振動壓路機由車架、發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、振動系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)和鋼制光輪組成[78]。振動壓路機的工作裝置為碾壓輪，其內部裝有偏心塊振動器，可以使鋼輪產(chǎn)生振動。

2壓實特性

2.1輪胎壓路機的壓實特性

（1） 消除裂紋。在混合料溫度過高或混合料承載力不足的情況下，鋼輪振動碾壓時混合料會產(chǎn)生層間滑動，使鋪層表面產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。裂紋一旦形成，依靠振動壓路機的垂直作用不能消除。輪胎壓路機則不同，彈性輪胎在水平面內產(chǎn)生的變形對材料具有搓揉作用，可以消除裂紋，使其形成一個整體。

（2） 碾壓過程具有使瀝青向上遷移的作用。

常溫下，混合料中的瀝青是一種粘結劑，將礦料顆粒粘結在一起，產(chǎn)生整體強度。高溫下，瀝青是一種潤滑劑，可降低混合料顆粒之間的內摩阻力，有利于壓實。瀝青的另一個重要作用是表面封水，在表層顆粒之間形成均勻的油膜，可以防止水浸入，減少水損害發(fā)生。施工過程中輪胎壓路機的搓揉作用類似于水泥振搗棒對混凝土的提漿作用，可以將自由瀝青向上遷移，使碾壓表面致密。

（3） 輪胎壓路機的均勻壓實特性。

鋼輪壓路機在碾壓混合料時，鋼輪寬而且剛度大，在大顆粒材料之間可能會形成“搭橋”現(xiàn)象，當橫向攤鋪不平整，特別是梯形攤鋪接縫處鋪層厚度不一致時，會產(chǎn)生橫向壓實度不均勻現(xiàn)象。由于輪胎壓路機輪子之間采用平衡懸掛，同一軸上的輪胎可以上下擺動，即使路面存在較大的高低變化，也可以通過擺動使輪子與混合料良好接觸，產(chǎn)生均勻的壓力。因此，輪胎壓路機對平整度較差的鋪層，壓實效果更好。

（4） 壓實度隨深度衰減較快，壓實效率低。

輪胎壓路機所施加的作用力隨鋪層厚度的增加急速衰減，其變化規(guī)律如圖4所示，圖中P為輪胎單位載荷，D為輪胎寬度。由圖4可知，隨著深度的增加，作用力急劇減小，當深度大于15D時，作用力已十分微弱。因此，其壓實深度小，壓實效率低。

2.2振動壓路機的壓實特性

關于振動壓實理論有三種學說：材料內摩擦減小學說、共振學說和反復荷載交變剪應變學說。振動壓路機利用共振理論設計，每種材料都有固有的振動特性，具有諧波振動特征，在受到激發(fā)之后會獨立于激發(fā)強度進行自我調節(jié)，每個振動幅度在系統(tǒng)固有頻率下重復出現(xiàn)。自然振動取決于設備與材料組成的系統(tǒng)特征（如設備大小、材料參數(shù)、接觸情況及臨界條件等），如果某系統(tǒng)中包含有若干個自然頻率，每個自然頻率都有其自身的振動模式，當用與自然頻率之一相同的頻率去激發(fā)該系統(tǒng)時，將產(chǎn)生高振幅的共振現(xiàn)象。振動壓實采用振動設備對材料施加周期性的激振力，使材料顆粒處于振動狀態(tài)，如圖5所示。

當振動頻率等于材料的固有頻率時，可使材料處于共振狀態(tài)，減小顆粒之間的內摩阻力和粘聚力，使小顆粒填入大顆粒之間的空隙，發(fā)生重新排列，處于更加緊密的狀態(tài)，以獲得最佳壓實效果。endprint

2.3兩種壓路機壓實特性比較

振動壓路機能夠利用混合料的固有振動特性，使其處于共振狀態(tài)，降低材料的內摩阻力，具有壓實效率高、壓實度大、壓實深度衰減小的特點，表現(xiàn)出很好的壓實效果，但不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。

輪胎壓路機在碾壓過程中的垂直和水平作用力交替變化，對混合料形成壓和揉的聯(lián)合作用，這種作用對混合料會產(chǎn)生特殊的壓實效果，壓實均勻，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，碾壓過程中瀝青向上遷移使表面致密。但壓實效率較低，混合料壓實度增長較慢。

綜合振動壓路機和輪胎壓路機的壓實特點，在碾壓工藝中，振動壓路機適合在復壓工序，輪胎壓路機應緊跟振動壓路機之后，放在復壓或終壓工序。

3壓實效果試驗研究

3.1試驗方案

為了驗證輪胎壓路機與振動壓路機的不同組合對壓實效果的影響，在施工現(xiàn)場采用兩種不同的工藝進行試驗，檢測成型路面的壓實度和滲水系數(shù)。

試驗采用的設備見表1，試驗方案見表2 。施工混合料為AC20混合料，瀝青含量為43%，級配曲線如圖6所示，結合料為SBS改性瀝青，針入度為72（01 mm），軟化點為61 ℃；混合料鋪層厚度為6 cm。

4結語

（1） 不同類型的壓實設備工作原理不同，會產(chǎn)生不同性質的作用力，作用力的性質不同，又會對混合料產(chǎn)生不同的作用效果。振動壓路機壓實效率高，壓實度增長快，壓實深度衰減小，具有很好的壓實效果，但是不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。輪胎壓路機通過對混合料壓和揉的聯(lián)合作用，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，使表面致密，但是輪胎壓路機的壓實效率較低，壓實度增長速度較慢。

（2） 對熱拌瀝青混合料進行復壓時，宜選擇振動壓路機和輪胎壓路機組合碾壓（SMA混合料除外）。振動壓路機在前，輪胎壓路機緊跟其后的碾壓方案，既可以提高壓實效率，使路面達到較高的壓實度，又可以使鋪層具有較好的封水效果。

參考文獻：

[1]JTG F40—2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].

[2]劉洪海，徐中富.瀝青混凝土路面攤鋪與壓實施工工藝的質量監(jiān)控[J].筑路機械與施工機械化，1999，16（1）：3335.

[3]郝培文，徐金枝，周懷治.應用貝雷法進行級配組成設計的關鍵技術[J].長安大學學報：自然科學版，2004，24（6）：16.

[4]荊農.瀝青路面機械化施工[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]張世英，陳元基.筑路機械工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[6]馮忠緒.工程機械理論[M].北京：人民交通出版社，2004.

[7]張晨光，謝立揚，董武.垂直振動壓路機作用性能試驗研究[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：2024.

[8]宋皓.垂直振動壓實技術及其設備在路基工程中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：2528.

[責任編輯：袁寶燕]endprint

2.3兩種壓路機壓實特性比較

振動壓路機能夠利用混合料的固有振動特性，使其處于共振狀態(tài)，降低材料的內摩阻力，具有壓實效率高、壓實度大、壓實深度衰減小的特點，表現(xiàn)出很好的壓實效果，但不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。

輪胎壓路機在碾壓過程中的垂直和水平作用力交替變化，對混合料形成壓和揉的聯(lián)合作用，這種作用對混合料會產(chǎn)生特殊的壓實效果，壓實均勻，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，碾壓過程中瀝青向上遷移使表面致密。但壓實效率較低，混合料壓實度增長較慢。

綜合振動壓路機和輪胎壓路機的壓實特點，在碾壓工藝中，振動壓路機適合在復壓工序，輪胎壓路機應緊跟振動壓路機之后，放在復壓或終壓工序。

3壓實效果試驗研究

3.1試驗方案

為了驗證輪胎壓路機與振動壓路機的不同組合對壓實效果的影響，在施工現(xiàn)場采用兩種不同的工藝進行試驗，檢測成型路面的壓實度和滲水系數(shù)。

試驗采用的設備見表1，試驗方案見表2 。施工混合料為AC20混合料，瀝青含量為43%，級配曲線如圖6所示，結合料為SBS改性瀝青，針入度為72（01 mm），軟化點為61 ℃；混合料鋪層厚度為6 cm。

4結語

（1） 不同類型的壓實設備工作原理不同，會產(chǎn)生不同性質的作用力，作用力的性質不同，又會對混合料產(chǎn)生不同的作用效果。振動壓路機壓實效率高，壓實度增長快，壓實深度衰減小，具有很好的壓實效果，但是不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。輪胎壓路機通過對混合料壓和揉的聯(lián)合作用，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，使表面致密，但是輪胎壓路機的壓實效率較低，壓實度增長速度較慢。

（2） 對熱拌瀝青混合料進行復壓時，宜選擇振動壓路機和輪胎壓路機組合碾壓（SMA混合料除外）。振動壓路機在前，輪胎壓路機緊跟其后的碾壓方案，既可以提高壓實效率，使路面達到較高的壓實度，又可以使鋪層具有較好的封水效果。

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[7]張晨光，謝立揚，董武.垂直振動壓路機作用性能試驗研究[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：2024.

[8]宋皓.垂直振動壓實技術及其設備在路基工程中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：2528.

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2.3兩種壓路機壓實特性比較

振動壓路機能夠利用混合料的固有振動特性，使其處于共振狀態(tài)，降低材料的內摩阻力，具有壓實效率高、壓實度大、壓實深度衰減小的特點，表現(xiàn)出很好的壓實效果，但不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。

輪胎壓路機在碾壓過程中的垂直和水平作用力交替變化，對混合料形成壓和揉的聯(lián)合作用，這種作用對混合料會產(chǎn)生特殊的壓實效果，壓實均勻，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，碾壓過程中瀝青向上遷移使表面致密。但壓實效率較低，混合料壓實度增長較慢。

綜合振動壓路機和輪胎壓路機的壓實特點，在碾壓工藝中，振動壓路機適合在復壓工序，輪胎壓路機應緊跟振動壓路機之后，放在復壓或終壓工序。

3壓實效果試驗研究

3.1試驗方案

為了驗證輪胎壓路機與振動壓路機的不同組合對壓實效果的影響，在施工現(xiàn)場采用兩種不同的工藝進行試驗，檢測成型路面的壓實度和滲水系數(shù)。

試驗采用的設備見表1，試驗方案見表2 。施工混合料為AC20混合料，瀝青含量為43%，級配曲線如圖6所示，結合料為SBS改性瀝青，針入度為72（01 mm），軟化點為61 ℃；混合料鋪層厚度為6 cm。

4結語

（1） 不同類型的壓實設備工作原理不同，會產(chǎn)生不同性質的作用力，作用力的性質不同，又會對混合料產(chǎn)生不同的作用效果。振動壓路機壓實效率高，壓實度增長快，壓實深度衰減小，具有很好的壓實效果，但是不能改善碾壓過程中鋪層表面出現(xiàn)裂縫的情況。輪胎壓路機通過對混合料壓和揉的聯(lián)合作用，可以消除鋪層表面出現(xiàn)的裂縫，使表面致密，但是輪胎壓路機的壓實效率較低，壓實度增長速度較慢。

（2） 對熱拌瀝青混合料進行復壓時，宜選擇振動壓路機和輪胎壓路機組合碾壓（SMA混合料除外）。振動壓路機在前，輪胎壓路機緊跟其后的碾壓方案，既可以提高壓實效率，使路面達到較高的壓實度，又可以使鋪層具有較好的封水效果。

參考文獻：

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[8]宋皓.垂直振動壓實技術及其設備在路基工程中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（3）：2528.

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