瀝青路面高密實度攤鋪工藝參數研究

史妍妮， 劉洪海， 高新民， 楊永強， 郭宏軍

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安 710064；2.公路建設與養護技術材料及裝備交通運輸行業研發中心，蘭州 730030； 3.甘肅路橋建設集團有限公司，蘭州 730030)

隨著道路建設行業的迅速發展，道路交通基礎設施建設產生的能源消耗逐漸引起了社會的關注。國際能源署發布1990年—2017年世界道路交通能源消耗的碳強度統計數據表明，2017年道路消耗碳強度達68.0 gCO2/MJ[1-3]。中國“十三五”規劃中也明確指出要加快技術創新和結構調整，促進資源節約、循環高效利用。在我國，瀝青路面是高等級公路的主要結構形式之一，但是在生產和施工過程中，能耗和污染較大。無論從社會發展形勢還是響應國家政策上出發，都對瀝青路面的施工技術、路面耐久性、使用壽命等方面提出了更高的要求[4-5]。現有的瀝青路面施工過程分為攪拌、攤鋪和碾壓等，其中攤鋪機完成混合料的攤鋪后，再經過壓路機的初壓、復壓和終壓，得到一定密實度的混合料鋪層[6-7]。其中攤鋪機的作業參數很大程度上決定了瀝青路面的攤鋪質量，并且影響后續施工質量。熨平板是攤鋪機的主要工作裝置之一，其工作參數與路面密實度密切相關。

阿特拉斯科普柯國際亞市中心研究表明[8]，瀝青路面的攤鋪密實度對路面強度、耐磨性和耐久性等至關重要，同時良好的密實度分布均勻性可以降低路面建設維護費用。Sivapatham等[9]認為瀝青路面的面層密實度對剛度、抗車轍性能、抗疲勞和抗低溫開裂有著較大影響，提高瀝青路面的密實度對路面性能有重要的影響作用。Kumar等[10-11]的研究得出了路用性能與瀝青路面的壓實結果密切相關的結論，通過改進壓實設備和被壓材料可以提高攤鋪壓實的質量。羅丹等[12]建立了熨平板剛柔耦合動力學模型，對熨平板的橫向振幅不均勻進行了研究，提高了攤鋪密實度的均勻性。劉洪海等[13]多年的研究表明，攤鋪作業中瀝青混合料的高密實攤鋪取決于攤鋪機熨平裝置對被壓材料的壓實特性以及高密實攤鋪技術的合理應用。已有研究和工程實踐表明，瀝青混合料經過攤鋪機的整平壓實，其攤鋪密實度越高，投入使用后的路面耐久性越好。較高的攤鋪密實度可以提高路面的質量，為后續碾壓作業提供良好條件。

根據JTG F40—2004《瀝青路面施工技術規范》[14]的要求，密實度為現場測量密度與試驗測得馬歇爾密度的比值，將實驗室測的馬歇爾密度做為標準密度，目標密度需達到碾壓后標準密度值的96%。攤鋪機對瀝青混合料的壓實密實度一般在80%左右，達到90%以上的稱之為高密實度攤鋪[15]。攤鋪機完成攤鋪壓實后，還需壓路機進行多次碾壓作業以達到規范要求。過度的碾壓變形會嚴重影響瀝青路面的密實度和壓實均勻性，延長瀝青混合料密實成型的施工時間，降低了施工效率，增加施工成本，同時增加了瀝青路面成型后早期損壞的概率[16-17]。此外，欠壓實又會導致瀝青路面空隙率過大，投入使用后雨水和空氣易進入路面結構內部，加速路面的裂縫、唧漿和坑凼等病害的發生[18]。因此，有必要將振動理論與工程實踐相結合，研究攤鋪機熨平板的工藝參數，提高瀝青路面的攤鋪密實度，減少后續的碾壓難度，獲得理想的路面密實度，提高施工質量，降低能源消耗。

研究表明，機械共振的效果與施工設備和攤鋪材料有關[19]，因此，要達到高密實的攤鋪效果，需要對設備的工作參數和材料的特性參數進行綜合研究。在已有研究基礎上，基于機械共振理論建立熨平板壓實機構動力學模型和密實度趨勢-振動頻率理論模型，并進行理論分析，獲得高密實度攤鋪的最佳工藝參數，最后進行現場試驗，驗證研究結論。

1熨平板壓實系統動力學模型

1.1 壓實機構動力學模型

瀝青混合料的壓實質量與攤鋪機的工作參數密切相關[20-21]。在攤鋪施工中，熨平板的振動激振器對路面產生重復激振力，具有振動加速度的顆粒會減小顆粒間的摩擦和膠結，瀝青也為顆粒的運動提供了良好的條件[22-23]。當熨平板的振動頻率接近系統的共振頻率時，瀝青混合料的顆粒會重新排列，隨著接觸次數的增加，顆粒變得緊密，此時瀝青混合料的密實度最高。在攤鋪壓實過程中，熨平板的振動機構由雙軸偏心質量結構組成，產生的激勵F(t)作用于熨平板，如式(1)所示。

F(t)=F0eiωt

(1)

熨平板與瀝青混合料相互作用的振動模型是一個非線性系統模型，對熨平板的激振器模型進行簡化，如圖1所示。建立XOY坐標系，M為熨平板的質量，m為質量偏心塊，R為轉動半徑，ω為振動頻率，t為時間。2個偏心塊同步反向旋轉，轉角均為ωt。對于同步反向旋轉的偏心軸，激振力作用在熨平板上，使其產生豎直方向的往復運動。F0為激振力的幅值，F0=2mRω2。系統的非線性振動微分方程為

圖1 熨平板的激振器模型Fig.1 Vibration exciter model of screed plate

(2)

(3)

其中，

(4)

式中：c1為等效阻尼系數；k1為等效剛度系數。

振動微分方程的穩態響應為

y=Yei(ωt-φ)

(5)

式中，Y為實量振幅，將響應代入微分方程式(3)，可得

[-ω2(2m+M)+k1+iωc1]Ye-iφ=F0

(6)

則穩態響應的幅值為

(7)

(8)

式中：ω0為系統的自然頻率；ζ為材料的阻尼比；λ為頻率比。

熨平板的激振力通過振動傳遞路徑傳遞到接受體。在這里是通過彈簧和阻尼的形式傳給受體，則攤鋪壓實過程中，瀝青混合料從熨平板獲得的攤鋪壓實力Fc為

(9)

熨平板與瀝青混合料之間相互作用的攤鋪壓實力Fc的幅值為

(10)

在攤鋪機熨平板的振動壓實過程中，激振力的能量是通過振動熨平板傳遞到瀝青混合料，瀝青混合料從熨平板獲得的壓實力可通過實際攤鋪壓實力的幅值|Fc|來描述。

1.2 攤鋪密實度趨勢模型

在攤鋪過程中，壓實能量通過熨平板傳遞給瀝青混合料。能反映熨平板的振動特性的參數有振動位移、速度、加速度、激振器振幅、激振力和頻率等，其中振幅是影響壓實效果的重要參數。由共振理論可知，發生共振時，振幅可達到最大值。在工作過程中，激振器的振動頻率的大小可以通過調節偏心軸的轉速來改變。為了直觀的分析熨平板的振動頻率與鋪層材料密實度的關系，將式(8)中的振動頻率放大顯示，建立振幅放大因子γ。如式(11)所示。

(11)

根據共振理論，振動頻率接近材料的共振頻率，激勵幅值變高，顆粒內摩擦阻力減小，壓實效率變高。根據共振理論和式(11)，可建立密實度趨勢模型。如式(12)所示。

(12)

式中:P1為熨平板的振動頻率為0時攤鋪材料的密實度；A為熨平板壓實對瀝青混合料密實度的影響系數，它取決于材料類型、級配和層厚等。

2 攤鋪過程動態響應分析

通過對圖1模型的計算和試驗的反求解分析，可得出剛度和阻尼參數值，根據式(3)可求得熨平板所受激振力幅值。壓實系統計算參數如表1所示。

表1 壓實系統計算參數表Tab.1 Compacting system calculation parameters

通過壓實機構動力學模型的建立，可以得到攤鋪密實度頻率變化曲線，如圖2所示。隨著頻率的變化，攤鋪密實度頻率特性曲線存在峰值。峰值對應的振動頻率出現在頻率比λ=1的偏右側，材料阻尼比值越大，其偏離程度越大。當ω<ω0時，隨著振動頻率的增加，攤鋪密實度呈明顯的增長趨勢，當ω達到系統自然頻率附近時，攤鋪密實度達到最大值后，隨著ω繼續增加，攤鋪密實度緩慢減少，逐漸趨向穩定。共振特性對攤鋪密實度的影響與材料的阻尼比有密切關系，當阻尼比小于0.5時，對共振特性的影響非常明顯，曲線峰值變化明顯，當阻尼比的值大于0.5時，對共振特性的影響程度較低，曲線峰值無明顯變化。材料的阻尼比值小于0.5時，頻率比在0.9～1.5區域的攤鋪壓實效果較好[24]，阻尼比值大于0.5的材料，振動頻率高于系統自然頻率時均能夠獲得較好的攤鋪壓實效果。

圖2 攤鋪密實度頻率特性曲線Fig.2 Frequency characteristic curves of paving compactness

通過模型分析，可得出攤鋪壓實力頻率特性曲線，選取對共振特性影響明顯的阻尼比范圍進行分析，如圖3所示。隨著頻率的變化，攤鋪壓實力頻率特性曲線存在峰值，峰值出現在頻率比λ=1的偏左側，材料阻尼比值越大其偏離程度越大；當ω<ω0時，隨著ω增加，攤鋪壓實力呈明顯的增長趨勢；當ω達到系統自然頻率附近時，攤鋪壓實力達到最大值后，隨著ω繼續增加，攤鋪壓實力下降，逐漸趨向穩定；通過計算可知，頻率比λ=1.41時，瀝青混合料獲得的攤鋪壓實力不受材料阻尼特性影響；當頻率比λ>1.41時，材料的阻尼比越大，獲得的攤鋪壓實力越大，此時攤鋪壓實力不存在明顯的增長趨勢，受共振特性影響較小，在此范圍選取振動頻率進行攤鋪時，激振力的能量吸收效率較低，無論材料阻尼比為多少，因避免在此范圍選取振動參數。

圖3 攤鋪壓實力頻率特性曲線Fig.3 Frequency characteristic curves of paving compaction force

結合上述分析，對于阻尼比值小于0.5的材料，理論上選取頻率比λ=0.9～1.41作為高密實度攤鋪的最佳振動壓實區。

通過攤鋪密實度趨勢模型的建立，對連續級配瀝青混合料AC-20進行分析，可以得到對應該材料的攤鋪密實度趨勢-頻率關系曲線，如圖4所示。隨著頻率的變化，瀝青混合料AC-20的攤鋪密實度存在峰值，值為90.8%，對應的頻率比λ=1.2；當對應的頻率比λ<1.2時，隨著λ增加，攤鋪密實度呈明顯的增長趨勢；當λ>1.2時，隨著λ增加，攤鋪密實度降低，降低趨勢緩慢；振動頻率在自然頻率附近時，混合料的攤鋪密實度值較大，此時的攤鋪壓實效果較好。

圖4 攤鋪密實度趨勢-頻率關系曲線Fig.4 Relation of frequency and density

在攤鋪壓實過程中，將攤鋪密實度達到90%以上時對應的頻率比λ的范圍作為該瀝青混合料高密實度攤鋪的工藝參數范圍，在此范圍內選擇振動頻率值，可以得到高密實度攤鋪的效果。

結合圖中顯示并提取數據，達到高密實度攤鋪的瀝青混合料其對應的頻率比λ的范圍是0.95～1.41，與理論選取的高密實度攤鋪最佳振動壓實區范圍基本一致。

3 攤鋪過程振動壓實試驗

3.1 試驗材料與設備

為了驗證仿真結果的正確性和有效性，需要進行現場測試。以某工程為例，進行現場試驗研究。試驗采用DYNAPAC-141全液壓履帶式攤鋪機。熨平板的激振系統為雙軸并聯式振動系統。工作頻率的可調節范圍在0～60 Hz。試驗選用瀝青混凝土AC-20作為試驗材料。AC-20屬于連續級配瀝青混合料，級配數據如表2所示。

表2 AC-20級配數據表Tab.2 Gradation data of AC-20

粗集料采用玄武巖礫石，細集料采用石灰巖碎石，礦粉采用石灰石。瀝青采用SBS聚合物改性結合料，基質瀝青采用A級90號石油瀝青，瀝青25 ℃的針入度為60×10-1mm，5 ℃的延度為49 cm，軟化點為73 ℃。瀝青含量為4.3%。

密實度檢測采用CMS-01密實度檢測系統，如圖5所示。該密實度檢測系統是課題組自主研發制成。CMS-01密實度檢測系統的主要工作原理是在攤鋪機的熨平板上安裝密實度傳感器，通過密實度傳感器對振動的加速度信號進行采集與分析，在相關算法的基礎上，計算出能夠反映瀝青混合料密實度的壓實值，經過相關的數理統計分析，得到鋪層的密實度值。密實度傳感器主要由加速度傳感器與速度傳感器組成。加速度傳感器測得的熨平板加速度信號經放大、濾波后送入控制器進行分析處理。

圖5 CMS-01密實度檢測系統在現場使用Fig.5 CMS-01 used in density test site

3.2 試驗方案

試驗過程中，為消除攤鋪速度對瀝青路面攤鋪密實度的影響，設置攤鋪機的行駛速度為固定值，攤鋪機速度設定為2 m/min，攤鋪寬度3.7 m，攤鋪厚度60 mm。設置不同的振動頻率值對瀝青混合料進行攤鋪壓實，對不同頻率下完成攤鋪且未使用壓路機進行碾壓的混合料使用CMS-01密實度檢測系統對試驗密實度進行檢測。試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案Tab.3 Test scheme Hz

3.3 試驗結果

采用上述試驗設備與試驗方案，對連續級配瀝青混合料AC-20進行了現場試驗，AC-20的密實度-頻率曲線如圖6所示。由圖6可知，瀝青混合料的攤鋪密實度隨著振動頻率的增加呈增長趨勢，在振動頻率f=35 Hz時，攤鋪密實度達到最大值，值為91%。AC-20攤鋪頻率的高效壓實區為33～49 Hz，仿真結果與試驗結果的變化規律基本一致，模型具有有效性。

圖6 AC-20密實度-頻率曲線Fig.6 Compactness and frequency curve of AC-20

4 結 論

對瀝青路面高密實攤鋪建立了一種考慮材料特性與攤鋪壓實力的熨平板-瀝青混合料相互作用振動系統動力學模型，經過分析得出了熨平板的工藝參數對瀝青路面攤鋪密實度的影響規律，并得出了以下結論：

(1)攤鋪壓實過程中，熨平板對不同阻尼特性的瀝青混合料都存在高密實度攤鋪振動參數，在高密實度攤鋪的高效壓實區選取振動頻率可以使材料更易密實，獲得最大攤鋪密實度。材料的特性會影響系統的自然頻率，最佳振動頻率值的選擇應考慮熨平板-瀝青混合料相互作用振動系統的頻率特性。

(2)頻率比λ=0.9～1.41為高密實度攤鋪的最佳振動壓實區，將攤鋪時熨平板的振動頻率匹配在該范圍內，可以得到能量吸收效率較高，攤鋪壓實效果較好的高密實度鋪層。

(3)連續級配瀝青混合料AC-20的最佳振動頻率為35 Hz，最大攤鋪密實度值為91%，攤鋪頻率的高效壓實區為33～49 Hz，與仿真分析得出的最佳振動壓實區范圍基本一致，驗證了模型的正確性和有效性；熨平板-瀝青混合料相互作用振動系統動力學模型可用于獲得高密實攤鋪效果，減少后續壓路機的碾壓遍數，提高施工效率，減少能源消耗，為瀝青路面的高效壓實提供依據。