當(dāng)代路面與壓實機械發(fā)展的新趨勢

孫祖望長安大學(xué)　工程機械學(xué)院，陜西　西安　710064

當(dāng)代路面與壓實機械發(fā)展的新趨勢

Trends in Development of Pavement and Compaction Machinery

孫祖望
長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西西安710064

自20世紀(jì)90年代至今的20余年是路面與壓實機械發(fā)展十分迅速的時期，在此期間出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備?？v觀路面與壓實機械這些年的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)推動當(dāng)代路面與壓實機械技術(shù)進(jìn)步的基本動力源于以下三方面：公路建設(shè)與更新改造的強大需求以及路面使用性能日益提高的技術(shù)要求，推動著路面與壓實機械向著更好滿足路面新材料、新工藝、新技術(shù)的方向發(fā)展；可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、人與自然和諧協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，推動著路面與壓實機械向資源節(jié)約、能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)以及資源的再生和利用的方向發(fā)展；現(xiàn)代高新科技的快速發(fā)展推動著路面與壓實機械向信息化、智能化、無人化的方向發(fā)展。

本期特稿綜合闡述了近幾十年來路面與壓實行業(yè)新出現(xiàn)的路面技術(shù)、施工工藝、新材料以及路面施工設(shè)備的發(fā)展趨勢。

0　引言

研究當(dāng)代路面機械的發(fā)展趨勢，首先要研究當(dāng)代推動世界路面壓實機械技術(shù)進(jìn)步的基本動力。自上世紀(jì)90年代至今的20余年是路面與壓實機械發(fā)展十分迅速的時期，在此期間出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備?？v觀路面與壓實機械這20余年的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，推動當(dāng)代世界路面與壓實機械技術(shù)進(jìn)步的基本動力來源于以下三方面。

（1）公路建設(shè)與更新改造的強大需求以及路面使用性能日益提高的技術(shù)要求，推動著路面與壓實機械向著更滿足路面新材料、新工藝、新技術(shù)的方向發(fā)展。

（2）可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、人與自然和諧協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，推動著路面與壓實機械向資源節(jié)約、能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)以及資源的再生和利用的方向發(fā)展。

（3）現(xiàn)代高新科技的快速發(fā)展推動著路面與壓實機械向信息化、智能化、無人化的方向發(fā)展。

1　路面技術(shù)的新發(fā)展及其對路面與壓實機械發(fā)展的推動作用

在21世紀(jì)前后的路面技術(shù)發(fā)展中，一個重要的新理念是將路面分成結(jié)構(gòu)性和功能性兩大部分。車輛行駛的交通載荷主要由路面的結(jié)構(gòu)性部分來承擔(dān)，它們應(yīng)具有必要的耐久性，在長時間內(nèi)不發(fā)生損壞；路面的功能性部分則用來滿足車輛平穩(wěn)、安全行駛等功能性的要求，它們應(yīng)具有良好的平整度和抗滑性。在上述理念下出現(xiàn)了兩大類新的路面技術(shù)，即長壽命路面技術(shù)和功能性路面技術(shù)。

1.1長壽命路面及其對施工設(shè)備的新要求

長壽命路面是一種設(shè)計和施工良好，至少在40～50年壽命內(nèi)能保持其結(jié)構(gòu)性部分不發(fā)生損壞的路面，而所需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修的只是其表面的功能性部分。

長壽命路面的好處包括以下方面：雖然一次性的建造投資很高，卻可以大大降低路面整個壽命周期的費用；由于最大限度地降低了瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)，從而減少了道路使用者的日常費用；由于減少了路面壽命周期的資源消耗，從而降低了能源消耗、溫室氣體的排放和對環(huán)境的影響。

與壽命為15～20年的一般瀝青路面相比，長壽命路面在結(jié)構(gòu)上有著以下一些特點：高質(zhì)量的表面磨耗層；具有很強抗車轍能力的聯(lián)結(jié)層；耐久的抗疲勞破壞的柔性基層；加強的路基和底基層。

長壽命路面的磨耗層通常為30～75 mm高質(zhì)量的透水性或密實型的熱拌瀝青混合料，聯(lián)結(jié)層則為100～180 mm高性能的抗車轍混合料，基層通常采用75～100 mm高耐久性的抗疲勞材料（圖1）。長壽命路面的這些結(jié)構(gòu)特點將對瀝青路面的施工工藝和設(shè)備提出更高的要求。

長壽命路面的瀝青層通常要厚達(dá)35～40 cm以上，對路基與基層的強度要求很高，因而對路基和路面的施工工藝和設(shè)備的效率和質(zhì)量有著更高的要求，這將推動路面與壓實機械向著大型化、重型化的方向發(fā)展。長壽命路面對原材料的質(zhì)量、混合料的均勻性、施工中的材料與溫度離析、壓實質(zhì)量和壓實度的均勻性都提出了更高的要求，這將要求瀝青拌和設(shè)備有更高的計量、控制精度和攪拌均勻性，要求混合料運輸和攤鋪設(shè)備具有更高的抗離析能力，要求壓實設(shè)備能達(dá)到更高的壓實密度和均勻度。這些都將催生某些新的施工工藝和方法，并推動路面與壓實機械向作業(yè)質(zhì)量的實時控制和智能化的方向發(fā)展。長壽命路面對結(jié)構(gòu)層抗車轍變形和抗疲勞破壞、抗反射裂縫更高的要求，常常需要采用一些特殊結(jié)構(gòu)的混合料，例如為提高抗車轍的能力常常采用高模量和嵌擠結(jié)構(gòu)的混合料，這將促使發(fā)展更加重型的壓實設(shè)備。歐洲為提高混合料抗疲勞破壞和抗反射裂縫的能力，常常采用澆筑瀝青來鋪筑瀝青基層，美國常常采用橡膠瀝青的應(yīng)力吸收層等結(jié)構(gòu)，這些都將促使發(fā)展某些特殊的路面施工設(shè)備。

圖1 長壽命路面的典型結(jié)構(gòu)

1.2功能性路面及其施工性能

隨著人們對路面使用性能的要求愈來愈高，希望路面除了滿足行車的基本功能外，還能發(fā)揮更多的功能而成為多用途的路面?！肮δ苄月访妗币辉~來源于日本，它是指除普通的行駛功能外，還具有某些特殊功能的路面。例如排水性路面、降噪路面、破冰路面、彩色景觀路面、彈性橡膠路面、阻燃路面等。在各種功能性路面中應(yīng)用最為廣泛的是多孔性排水路面（Porous Drainage Pavement）和安靜路面（Quiet Pavement）。

排水性路面是一種細(xì)料很少、具有很大空隙率的透水性路面，可以在雨天將路面的積水快速地排至邊溝。排水性路面的好處是可迅速將雨水排出路面，避免車輛在雨天行駛時出現(xiàn)“水漂”現(xiàn)象，抑制路表面的濺水與水霧的發(fā)生，減輕夜間行車的眩光現(xiàn)象，從而大大降低了交通事故的發(fā)生率。排水性路面的另一個重要功能是降低車輪在路面上的滾動噪音。

安靜路面是指交通噪音低于70 dB的路面。瀝青安靜路面的結(jié)構(gòu)可分為兩大類，一類是在密實結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的，另一類是在空隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的。密實型安靜路面的降噪機理是建立在路面負(fù)紋理表面構(gòu)造基礎(chǔ)上的，負(fù)紋理的表面構(gòu)造大都采用近乎單粒徑的集料，由于凸出的陽紋面積大而凹下的陰紋面積小，可降低車輪在路面上滾動的摩擦噪音和泵氣噪音，如圖2所示。

圖2　表面構(gòu)造的正紋理和負(fù)紋理

具有負(fù)紋理表面構(gòu)造的安靜路面通常用于城鎮(zhèn)、住宅區(qū)、冬天容易積雪的道路上，主要的結(jié)構(gòu)形式有：單粒徑的Novachip路面、單粒徑的MicroSurfacing和NovaSurfacing路面、單粒徑的Stone Mastic Asphalt路面（降噪SMA路面）。

空隙結(jié)構(gòu)的安靜路面是在排水性路面的基礎(chǔ)上形成的，排水性路面本身就具有良好的降低噪音的功能，為增強其降噪效果，又出現(xiàn)了雙層結(jié)構(gòu)的透水性路面（圖3）和橡膠瀝青透水性路面。雙層透水性路面的上層是由小粒徑集料組成的連通孔道，起著消音器的作用，因而可增強透水性路面的降噪效果。橡膠瀝青路面則由于其彈性路面的特性，同樣也可增強透水性路面的降噪效果。開級配的排水降噪型安靜路面通常用于高速、干線公路和市郊道路上，主要的結(jié)構(gòu)形式有：單層和雙層的透水性路面；單層和雙層的橡膠瀝青透水性路面。

圖3　雙層結(jié)構(gòu)的透水性路面

圖4展示了6種降噪路面相對于常規(guī)SMA路面的降噪效果，從圖中可看到，雙層透水性路面的降噪效果明顯優(yōu)于其他類型的降噪路面，尤其以雙層結(jié)構(gòu)的橡膠瀝青透水性路面的降噪效果為最好。

大多數(shù)功能性路面在路面結(jié)構(gòu)上有一些共同的特點。

（1）多數(shù)功能性路面的結(jié)構(gòu)厚度都比較薄，通常屬于2.5～4 cm的薄層路面。

（2）許多功能性路面都要求采用高粘度的結(jié)合料來加強材料之間的粘結(jié)力，從而增強路面的耐久性和承載能力。

圖4　各種降噪路面相對于常規(guī)SMA路面降噪效果的比較

（3）不少功能性路面由于需要在混合料中添加某些特殊的材料，或由于特殊功能本身的需要，往往要求采用開級配或斷級配的混合料。在這些混合料中，粗集料起著骨架的支撐作用，通常要比密級配承受更大的載荷作用。

功能性路面的這些結(jié)構(gòu)特點也給它帶來了一系列施工性能上的特殊問題。使用高性能、高粘度的粘結(jié)材料，伴隨著混合料施工和易性的惡化，增加了混合料攤鋪與壓實的難度。粗集料多、高粘度、開級配（斷級配）的混合料屬于一種壓實性能較差的硬性混合料，通常要求施加更多的壓實功；但是鋪層薄、粗集料多的混合料吸收外部能量將其轉(zhuǎn)化為壓實功的能力又較差，多余的能量將轉(zhuǎn)化為使集料破碎的功，導(dǎo)致粗集料大量壓碎而嚴(yán)重破壞原有的級配特性。因此，一方面是需要更多的外部功使混合料得到充分壓實，而另一方面又不能使用高能量的壓實設(shè)備。薄層路面散熱快等不利的碾壓條件則加劇了混合料壓實性能差而施加的壓實能量又受到限制的矛盾。

功能性路面在施工性能上的不利條件對它的施工工藝和設(shè)備提出了一些新的要求和挑戰(zhàn)。在常規(guī)的設(shè)備條件下，功能性路面的施工只能依靠改變相應(yīng)的施工工藝來適應(yīng)其不利的施工條件，通常采取的措施有以下幾種。

（1）通過提高混合料的攪拌、攤鋪和碾壓溫度來降低粘結(jié)劑的粘度，通過限制混合料的運輸距離和貯存時間來減少其熱量損失，從而改善高粘度混合料的施工和易性。

（2）關(guān)閉攤鋪機熨平板的夯實功能，降低熨平板的振動能量，以防止壓碎集料，使空隙率發(fā)生變化。

（3）限制振動壓路機和輪胎壓路機的使用，以避免破壞混合料的設(shè)計級配和粘結(jié)材料的唧漿、上浮等質(zhì)量問題。

（4）限制施工季節(jié)，避免在初春、深秋較冷的季節(jié)施工，以爭取較好的氣候條件。

采取上述一些措施雖然能緩解和改善功能性路面的施工條件，但是也會帶來一些負(fù)面的影響。在常規(guī)的設(shè)備條件下，功能性路面的施工通常會帶來更多的環(huán)境和施工質(zhì)量問題。由于提高了施工溫度，將大大加劇攪拌設(shè)備溫室氣體的排放，增加能源的消耗，加劇煙霧和粉塵的排放。由于碾壓方面的困難，更加容易造成壓實不足或壓實過度等施工質(zhì)量問題。

1.3薄層和超薄結(jié)構(gòu)路面在施工工藝和設(shè)備上的新發(fā)展

為更好地適應(yīng)功能性路面施工性能上的特點，近年來發(fā)展了一系列更加適合于薄層和超薄結(jié)構(gòu)路面的施工工藝和設(shè)備，主要有：在攤鋪過程中同步灑布粘結(jié)材料的工藝及設(shè)備；超薄結(jié)構(gòu)粘結(jié)層（NovaChip）專用的攤鋪工藝及設(shè)備；微表粘結(jié)封層（NovaSurfacing）專用的封層工藝及設(shè)備；熱碰熱（Hot on Hot）的攤鋪與碾壓工藝及設(shè)備。

1.3.1在攤鋪過程中同步灑布粘結(jié)材料的工藝及設(shè)備

取消瀝青灑布車，在攤鋪機上安裝有乳化瀝青灑布設(shè)備，可避免粘層被污染的風(fēng)險，有利于提高施工效率、降低施工成本。圖5是傳統(tǒng)工藝和新工藝的比較，圖6則是同步灑布攤鋪裝置的示意圖，圖7為V gele公司的super 1800-3 型粘層油同步灑布攤鋪機。

圖5　傳統(tǒng)工藝和同步灑布攤鋪工藝的比較

圖6　同步灑布攤鋪裝置

圖7　V?gele公司的super 1800-3 型粘層油同步灑布攤鋪機

1.3.2超薄結(jié)構(gòu)粘結(jié)層（NovaChip）專用的攤鋪工藝及設(shè)備

超薄結(jié)構(gòu)粘結(jié)層是在石屑封層的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與石屑封層相同的都是先在待鋪路面上灑一層粘結(jié)材料，不同的是敷設(shè)在其上的是經(jīng)瀝青拌和后的混合料，而且兩者是同步進(jìn)行的。圖8是NovaChip專用攤鋪設(shè)備的示意圖，圖9是其在現(xiàn)場作業(yè)的情況。

1.3.3微表粘結(jié)封層（NovaSurfacing）專用的封層工藝及設(shè)備

NovaSurfacing是從微表封層（microSurfacing）的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，其思路與NovaChip類似，只是集料和瀝青的拌和與攤鋪由微表封層機來完成，設(shè)備及施工過程如圖10所示。

1.3.4熱碰熱（Hot on Hot）的攤鋪與碾壓工藝及設(shè)備

為了解決薄層和超薄結(jié)構(gòu)路面散熱快、壓實性能差、容易壓碎集料、施加壓實能量受限制等問題，近些年來在攤鋪技術(shù)上提出了在熱鋪層上攤鋪熱鋪層的新概念（Ho t on Hot），以便利用下層材料的熱量來增大整個鋪層的熱容量，并借用下層結(jié)構(gòu)的強度來增加面層抵抗車輪載荷的能力。為實現(xiàn)這一概念而開發(fā)了雙層同步攤鋪機和串聯(lián)式（inline）攤鋪列車。

實驗室和現(xiàn)場試驗表明，熱碰熱（Hot on Hot）的攤鋪與碾壓新技術(shù)有著以下一些優(yōu)點： 由于減小了鋪層厚度，可以節(jié)省材料費用； 顯著地延長碾壓作業(yè)的時間，從而可以獲得高質(zhì)量的壓實； 減少氣候條件較差的影響，延長施工的季節(jié)； 降低了拌和的溫度，因而可減少CO2的排放、節(jié)約能源和減少瀝青的煙霧；由于熱鋪層與熱鋪層直接接觸，沒有污染的影響，因而層間的粘結(jié)強度得以提高； 提高了整體鋪層的熱穩(wěn)定性和抵抗變形的能力； 顯著縮短攤鋪的時間，節(jié)約施工成本。

雙層同步攤鋪的新技術(shù)起源于日本，隨后傳到了歐洲，但各企業(yè)開發(fā)的雙層同步攤鋪機在技術(shù)上各有特點。

（1）日本新瀉鐵工所的雙混合料攤鋪機。圖11是新瀉的雙混合料攤鋪機，它的特點是用兩個料斗接受不同混合料，然后將它們送到上層和下層熨平板的前方進(jìn)行攤鋪。兩種混合料不僅可以上、下層重疊攤鋪，也可左右并列攤鋪成帶狀的鋪層，后者常用來攤鋪不同顏色的彩色瀝青路面。

圖8　NovaChip專用攤鋪設(shè)備

圖9　NovaChip攤鋪設(shè)備在現(xiàn)場作業(yè)的情況

圖10　微表粘結(jié)封層專用的封層工藝及設(shè)備

（2）Dynapac的雙層攤鋪機。Dynapac的雙層攤鋪機由1臺基礎(chǔ)攤鋪機和1個磨耗層（上層）攤鋪模塊組成，如圖12所示。上層攤鋪模塊擁有自己的動力來驅(qū)動獨立的材料輸送帶，將料斗中的磨耗層材料送至上層熨平板的前方?；A(chǔ)攤鋪機上安裝一個容量為45 t的料斗，通過主機的輸送帶將下層材料送至主機高密度熨平板的前方。上、下兩層的混合料分別由兩臺轉(zhuǎn)運車供給并卸入各自的料斗。

（3）V gele的串聯(lián)式（in-line）攤鋪列車。串聯(lián)式攤鋪列車由2臺攤鋪機和1臺材料轉(zhuǎn)運車組成（圖13）。走在后方的是下層攤鋪機，為1臺由2100機型改型的專用攤鋪機Super 2100-2 IP。它的特點是帶有一個特制的高密實度熨平裝置，可以使下鋪層獲得很高的預(yù)壓密實度，并帶有一個特大的接料斗（40 t）。在下層攤鋪機上方安裝有專門的轉(zhuǎn)運模塊，用來接收并轉(zhuǎn)運上層攤鋪機所需攤鋪的混合料。材料轉(zhuǎn)運車處在攤鋪列車的最后方，它負(fù)責(zé)輪流為2臺攤鋪機輸送不同的混合料。下層材料卸入主攤鋪機的料斗內(nèi)，上層攤鋪用的材料送入主攤鋪機上方轉(zhuǎn)運模塊的受料斗內(nèi)，通過輸送帶，越過主攤鋪機，卸入上層攤鋪機的料斗內(nèi)。上層攤鋪機走在最前方，它是標(biāo)準(zhǔn)機型Super 1600-2或1800-2，用來攤鋪上層材料，所不同的是料斗的容量加大了（25 t），并包裝有隔熱材料，以減少混合料的熱量損失。此外，為了避免因履帶行走在熱鋪層上而粘附瀝青料，帶有專門的履帶噴水系統(tǒng)。

2　綠色道路建設(shè)對路面與壓實機械發(fā)展的推動作用

“綠色道路”是可持續(xù)發(fā)展道路建設(shè)的一個形象化代名詞?？沙掷m(xù)發(fā)展的道路建設(shè)是可持續(xù)發(fā)展理念在道路建設(shè)中的運用，它要求貫徹于從立項、設(shè)計到施工、養(yǎng)護(hù)整個道路建設(shè)和生命周期的全過程，而綠色施工與綠色養(yǎng)護(hù)則是“綠色道路”的重要組成部分。

綠色施工與綠色養(yǎng)護(hù)是指那些更加符合可持續(xù)發(fā)展理念，減少環(huán)境污染、節(jié)約資源與能源、廢料再生與再利用的施工與養(yǎng)護(hù)技術(shù)，以及適用于這些技術(shù)的材料、工藝和設(shè)備（綠色材料、綠色施工與養(yǎng)護(hù)工藝、綠色設(shè)備）。

圖11　新瀉的雙混合料攤鋪機

圖12　Dynapac的雙層攤鋪機

圖13　V?gele的串聯(lián)式攤鋪列車

圖14　高性能乳化瀝青

2.1綠色材料

在傳統(tǒng)的瀝青材料中，乳化瀝青是最符合綠色材料要求的，但常規(guī)的乳化瀝青與集料的粘附和裹覆性能很難與熱拌瀝青相比。因此，改善乳化瀝青與集料的粘結(jié)性能一直是發(fā)展綠色材料的重要方向。近些年來隨著表面化學(xué)的新進(jìn)展，出現(xiàn)了一系列新的表面活性劑，例如主動粘附劑、溫拌劑、乳化劑等，大大改善了乳化瀝青的粘附性、粘聚性、流動性、破乳時間的可控性，使瀝青結(jié)合料在冷態(tài)的條件下能更好地裹覆在集料上。圖14是20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)并獲得廣泛應(yīng)用的一些乳化瀝青新材料的例子。近些年來冷態(tài)施工粘結(jié)材料發(fā)展迅速，出現(xiàn)了溶劑型冷態(tài)施工改性瀝青、水性環(huán)氧瀝青、乳化橡膠瀝青等新材料。

綠色材料發(fā)展的另一個重要方向是廢舊材料的再生和再利用，其中最有推廣價值的是瀝青路面的回收材料和廢舊輪胎材料。

2.2綠色施工與養(yǎng)護(hù)工藝

在綠色施工與養(yǎng)護(hù)工藝方面主要有以下4個方面的技術(shù)：冷拌與溫拌技術(shù)、冷態(tài)的表面封層技術(shù)、冷態(tài)坑槽修補工藝和瀝青路面冷再生技術(shù)。

瀝青混合料的溫拌技術(shù)是從熱拌和冷拌的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，如圖15所示。圖16展示了熱拌、溫拌、半溫拌和冷拌的溫度范圍。

圖15　在熱拌和冷拌的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的溫拌技術(shù)

圖16　熱拌、溫拌、半溫拌和冷拌溫度的范圍

在各種溫拌技術(shù)中，泡沫瀝青溫拌技術(shù)是生產(chǎn)成本最低的一種，泡沫瀝青本身并不是新技術(shù)，但用于瀝青混合料還是近些年的事。目前已應(yīng)用的技術(shù)可分為三種：WAM Foam泡沫瀝青（圖17）、直接泡沫瀝青（圖18）、LEA泡沫瀝青（圖19）。泡沫瀝青溫拌技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展在于解決如何延長泡沫生存期的問題。

圖17　WAMFoam泡沫瀝青的工作原理

圖18　直接泡沫瀝青（直接將泡沫瀝青噴入拌缸，在集料外形成微泡沫的裹覆層）

在20世紀(jì)70～80年代，冷態(tài)的表面封層技術(shù)和冷態(tài)坑槽修補工藝隨著乳化瀝青和改性乳化瀝青的出現(xiàn)就已有了廣泛應(yīng)用。近些年來的發(fā)展主要體現(xiàn)在高性能乳化瀝青、乳化橡膠瀝青、高性能補坑料等新材料的發(fā)展上。

瀝青路面就地冷再生技術(shù)是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的相對較新的瀝青路面再生技術(shù)，它可分為全深度就地復(fù)拌技術(shù)（Full Depth In-Place Reclamation）和 就地冷再生技術(shù)（Cold In-Place Recycling）兩大類，前者用于路基翻修的場合，后者用于瀝青面層翻修的場合。

在各種再生技術(shù)中，就地冷再生技術(shù)在能耗和溫室氣體排放方面有著獨特的優(yōu)勢。圖20和圖21展示了各種再生技術(shù)的能耗和二氧化碳排放量的比較。

全深度就地復(fù)拌設(shè)備是從路拌設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，圖22是就地復(fù)拌設(shè)備的機型，圖23則是其現(xiàn)場施工作業(yè)的情況。

就地冷再生設(shè)備是從銑刨機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，跟隨在銑刨機后方對銑刨材料進(jìn)行破碎、篩分和計量、拌和的設(shè)備，形成列車式的機組。圖24和圖25分別是三列式和二列式的就地冷再生機組，進(jìn)一步的發(fā)展是將所有工序組合在一臺設(shè)備上形成聯(lián)合機組，如圖26所示。

圖20　各種再生技術(shù)能耗的比較

圖21　各種再生技術(shù)二氧化碳排放量的比較

3 現(xiàn)代高新技術(shù)與路面壓實機械的信息化、智能化、無人化

3.1瀝青路面施工技術(shù)的信息化、計算機輔助工程化和遠(yuǎn)程通訊化

將機器的運轉(zhuǎn)和作業(yè)過程與施工管理結(jié)合起來，是現(xiàn)代機械化施工技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。在瀝青路面施工技術(shù)的信息化、計算機輔助工程化（CAE）和遠(yuǎn)程通訊化中，包含著兩方面的內(nèi)容：一是施工機械技術(shù)狀況的采集、監(jiān)測﹑報警、故障診斷、養(yǎng)護(hù)維修等運轉(zhuǎn)工況的管理和遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)；二是機器施工作業(yè)參數(shù)的采集、處理、施工質(zhì)量的監(jiān)控等作業(yè)過程的質(zhì)量管理和遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)。

運轉(zhuǎn)工況的信息管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)在技術(shù)上難度相對較小，因而發(fā)展也較快。目前歐洲一些路面機械的大品牌，如Wirtgen、Bomag、Dynapac 大都有自己的遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)。圖27展示了Dynapac開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及機器信息中心。從圖27中可看到，安裝在其上的數(shù)據(jù)采集器通過無線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送給信息中心，而機器的地理位置則由PS系統(tǒng)傳輸?shù)叫畔⒅行牡慕邮仗炀€上。

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)和隨車計算機技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，為滿足用戶（業(yè)主）的需求，人們開始嘗試進(jìn)一步將機器的自動控制與施工作業(yè)的信息聯(lián)系起來，使信息技術(shù)（IT）在現(xiàn)代的道路施工中扮演愈來愈重要的角色，并隨之出現(xiàn)了一些新的技術(shù)概念和術(shù)語：建筑自動化（Construction Automation）、機械控制與導(dǎo)航（Machine Control and Guidance）、數(shù)字化質(zhì)量保證（Digital Quality Assurance）、工地管理或支持系統(tǒng)（Worksite Management or Support Systems）等。在隨后的發(fā)展中，它們被歸納為一個更完整的概念“計算機集成道路施工”（Computer Integrated Road Construction，CIRC）。

圖22　就地復(fù)拌設(shè)備的機型

圖23　就地復(fù)拌設(shè)備在現(xiàn)場施工作業(yè)

圖24　三列式就地冷再生機組

圖25　二列式就地冷再生機組

CIRC的概念是在歐盟委員會支持的一項英國—歐洲聯(lián)合基金研究項目“Brite-EuRamⅢ”中提出的，這一項目由5個國家的共7個研究單位和大學(xué)參與完成，為期3年（1997～1999年）。CIRC被定義為一種正在形成的交叉學(xué)科領(lǐng)域，它將傳統(tǒng)的道路施工與現(xiàn)代的信息技術(shù)、實時定位與機器控制結(jié)合在一起，以便自動地記錄和捕捉道路的施工過程，并容許在線與道路的設(shè)計要求進(jìn)行比較，其目的是以更加自覺的方式建造出更好的道路來。

按照上述定義，CIRC的研究領(lǐng)域包括了以下4個方面。

（1）PS技術(shù)在道路施工中的應(yīng)用。

（2）機器工作參數(shù)、技術(shù)狀況的采集、處理、與正常工況的對比、異常情況的診斷等機器工作狀態(tài)的管理。

（3）施工作業(yè)參數(shù)的采集、處理、與作業(yè)質(zhì)量要求的對比等作業(yè)過程的質(zhì)量管理。

（4）機器工作狀況和施工作業(yè)過程的遠(yuǎn)程管理。

在上述4個方面的研究方向中，發(fā)展相對較快的是PS技術(shù)的應(yīng)用、運轉(zhuǎn)工況管理系統(tǒng)、對故障分析和診斷的遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)。技術(shù)上難度最大、進(jìn)展相對較慢的是第三方面的工作，它包含了作業(yè)過程的在線監(jiān)測，作業(yè)參數(shù)的采集與實時處理，作業(yè)質(zhì)量的過程控制。

圖26　所有工序組合在一臺設(shè)備上的就地冷再生機

圖27　Dynapac開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及機器信息中心

進(jìn)入21世紀(jì)后，CIRC發(fā)展了CIRPAV（計算機集成道路攤鋪）和 CIRCOM（計算機集成道路壓實）兩個子系統(tǒng)。現(xiàn)在CIRPAV和CIRCOM都已有了概念型的樣機，并在某些工地上進(jìn)行了試驗，但還只是初步的、有限的作業(yè)質(zhì)量的過程控制與管理。圖28是CIRPAV系統(tǒng)的工作示意圖，在圖中可看到攤鋪機熨平板鋪層的高程是由一高程定位系統(tǒng)控制的，它由地面部分和機載部分組成（圖28）。定位系統(tǒng)采集的鋪層高程信息傳輸至機載的處理單元，經(jīng)中心站發(fā)來的指令實時處理后，一方面對熨平板高程調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)節(jié)熨平板的仰角，另一方面將調(diào)節(jié)的結(jié)果發(fā)回中心站。如果采用多臺全站儀則可進(jìn)一步對鋪層的線型、縱坡、橫坡、高程、平整度進(jìn)行自動控制，如圖29所示。

圖28　CIRPAV系統(tǒng)的工作原理

圖30則是CIRPAV在現(xiàn)場工作的情況，圖31是安裝在機器上的機載處理單元。

CIRPAV目前能實現(xiàn)的功能包括：記錄攤鋪機當(dāng)前的作業(yè)位置；按設(shè)計要求控制鋪層的線型、縱向高程、橫向坡度和平整度；采集和記錄已鋪表面的線型、縱向高程、橫向坡度和平整度。

CIRCOM的定位系統(tǒng)與CIRPAV是類似的，其另一項主要功能是實時檢測和處理鋪層的壓實度。圖32是CIRCOM的地面定位系統(tǒng)，圖33則是它的機載處理單元。

CIRCOM目前能實現(xiàn)的功能包括：記錄壓路機當(dāng)前的作業(yè)位置；告訴操作手已完成的碾壓遍數(shù)和正確的碾壓速度；按正確的碾壓速度與碾壓遍數(shù)來控制壓實過程，防止漏壓或過壓；采集和記錄鋪層的壓實密度；進(jìn)行多臺壓路機的協(xié)同控制，如圖34所示。

現(xiàn)場作業(yè)信息管理系統(tǒng)（Site Information System，SIS）的發(fā)展是機械化施工技術(shù)在信息化﹑CAE和通訊化方向上近期可能取得進(jìn)展的主要目標(biāo)，作業(yè)過程的計算機仿真和輔助工程系統(tǒng)也將是作業(yè)管理系統(tǒng)未來發(fā)展的一個主要亮點。圖35是現(xiàn)場作業(yè)信息管理系統(tǒng)的一個邏輯模型，SIS安裝在機器上，通常由一個“辦公室”模塊和一個“現(xiàn)場”模塊組成，它們可分為以下4個子系統(tǒng)。

圖29　多臺全站儀協(xié)同工作

（1）作業(yè)執(zhí)行子系統(tǒng)（WE），用以操縱機器或工作裝置。

（2）操作管理子系統(tǒng)（AFO）是一個對操作指令進(jìn)行決策的模塊，它可以由操作手，也可不通過操作手來執(zhí)行。

（3）臨時貯存子系統(tǒng)（TDS），用來貯存在傳送給外部的永久性貯存和管理系統(tǒng)之前的臨時數(shù)據(jù)，它們對施工質(zhì)量的評估十分重要。

（4）數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)是一個復(fù)合的中介系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)從現(xiàn)場獲取所需的數(shù)據(jù)，并按其他子系統(tǒng)的要求對它們進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)還負(fù)責(zé)根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

圖30　CIRPAV在現(xiàn)場工作的情況

圖31　安裝在機器上的機載處理單元

3.2攤鋪與壓實的智能化

CIRC第三方面的任務(wù)實質(zhì)上是施工作業(yè)的智能化問題，智能壓實是智能化施工進(jìn)展最快、最有現(xiàn)實意義，也是推廣應(yīng)用最快的一個領(lǐng)域。CIRCOM已經(jīng)具備了一定的智能化壓實功能，但還處在初級的階段。更為高級的智能壓實是指使壓實進(jìn)程能類似人的大腦那樣對壓實作業(yè)的環(huán)境（被壓材料的性能、現(xiàn)場條件等）進(jìn)行一定的分析，自動提供最佳控制的對策，并在實施的過程中判斷壓實效果，進(jìn)行必要的修正，從而使壓實作業(yè)始終在最佳狀況下進(jìn)行。機器將具有一定的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的智能，當(dāng)對某一材料進(jìn)行壓實時，通過一段時間的實踐自動對壓實作業(yè)的各項參數(shù)（頻率、振幅﹑碾壓速度和遍數(shù)）進(jìn)行調(diào)節(jié)，并判斷其壓實效果，從而使壓實作業(yè)始終在最佳的狀況下進(jìn)行。智能壓實的另一個目標(biāo)是使機器施加給被壓材料的能量在任何時刻都能最大限度地為被壓材料吸收，而轉(zhuǎn)化為壓實功，從而實現(xiàn)壓實過程的最佳控制。

圖32　CIRCOM的地面定位系統(tǒng)

在振動壓路機上實現(xiàn)智能化壓實的基礎(chǔ)條件已經(jīng)成熟：在實現(xiàn)振動能量的受控調(diào)節(jié)的三個主要參數(shù)振幅﹑頻率﹑碾壓速度的無級調(diào)節(jié)中，最困難的振幅調(diào)節(jié)已取得突破性進(jìn)展；振動壓實的近周期和一次簡諧振動的研究成果，為實現(xiàn)壓實進(jìn)程受控地進(jìn)行提供了必要的理論支撐；智能壓實應(yīng)用技術(shù)的研究為智能壓實的推廣應(yīng)用提供了必要的技術(shù)支持。

圖33　安裝在壓路機上的機載處理單元

智能壓實應(yīng)用技術(shù)的最新進(jìn)展包括以下幾方面。

圖34　多臺壓路機的協(xié)同控制

（1）建立智能壓實測量指標(biāo)與傳統(tǒng)鋪層壓實質(zhì)量指標(biāo)（密度、CBR、PLT、DPI、FWD、LWD等）之間的相關(guān)關(guān)系和數(shù)學(xué)模型的研究。智能壓實的測量指標(biāo)直接反映的是路面的勁度，而且是路面的各個結(jié)構(gòu)層（路基、基層、面層）的綜合勁度，它與常規(guī)的鋪層壓實質(zhì)量指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系需要通過大量的實驗室和現(xiàn)場的試驗研究來確定。

圖35　現(xiàn)場作業(yè)信息管理系統(tǒng)的邏輯模型

（2）不同品牌壓路機的智能壓實測量值之間相關(guān)關(guān)系和建立統(tǒng)一的智能壓實測量指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析模型的研究。

（3）智能壓實質(zhì)量控制和質(zhì)量保證的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究。

美國雖然在智能壓實設(shè)備的開發(fā)方面落后于歐洲和日本，但在智能壓實技術(shù)的推廣應(yīng)用方面卻發(fā)展迅速。近些年來，美國加強了智能壓實應(yīng)用技術(shù)的研究，在上述各方面的研究中投入了大量的資金和人力。2007年美國聯(lián)邦公路總局（FHWA）在交通運輸聯(lián)合基金項目（TPF）中專門列入了 “加速實施路基土壤、粒料基層、瀝青路面材料智能壓實”的研究項目TPF-5（128），這一項目有喬治亞州、印地安那州等12個州的運輸管理局參加。在美國聯(lián)邦政府和州規(guī)范中制訂有專門的智能壓實的章節(jié)已經(jīng)有18個。圖36是TPF-5(128)項目提出的振動輪與路面、路基相互作用的動力學(xué)模型。

目前已經(jīng)有了一些智能化壓實的初步嘗試，Bomag、Ammann、HAMM等公司都有了在土方或瀝青壓實方面帶有自動反饋控制（Auto-Feedback Control）的壓路機機型，但還只是簡單地根據(jù)壓實度的增加而逐漸降低振幅和提高頻率，不能做到完全實時地按照與設(shè)計壓實質(zhì)量指標(biāo)的比較進(jìn)行控制。

圖36　振動輪與路面路基相互作用的動力學(xué)模型

3.3攤鋪與壓實的無人化

在斜坡、有塌方等危險地段作業(yè)時，對機器實行沒有駕駛員的遠(yuǎn)距離操縱是目前已經(jīng)可以完全做到的事。更高層次的無人化是建立在智能化基礎(chǔ)上的遠(yuǎn)程控制。CIRC的進(jìn)一步發(fā)展是希望實現(xiàn)攤鋪機與壓路機作業(yè)過程的聯(lián)機無人遠(yuǎn)程控制，圖37是瑞典H. Thurner 博士設(shè)想的未來瀝青路面攤鋪機與壓路機協(xié)同作業(yè)無人化、智能化、聯(lián)機遠(yuǎn)程控制的情景。顯然，要完全實現(xiàn)上述目標(biāo)還需假以時日。

圖37　攤鋪機與壓路機作業(yè)過程的聯(lián)機遠(yuǎn)程控制

4　結(jié)語

（1）新的路面與壓實技術(shù)仍將不斷涌現(xiàn)，更多的功能性路面和與之配套的新工藝、新材料、新設(shè)備會不斷面世。

（2）對于公路性能要求的不斷提高和新材料、新工藝的應(yīng)用是路面與壓實設(shè)備技術(shù)發(fā)展的動力。

（3）控制技術(shù)、通信技術(shù)以及智能化技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展將推進(jìn)路面與壓實機械向著信息化、智能化、無人化的方向不斷進(jìn)步。