淺談瀝青路面攤鋪—壓實(shí)性能研究方向

陶偉

摘 要：針對(duì)如何提高瀝青路面使用性能，文章分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外瀝青路面研究現(xiàn)狀，提出了現(xiàn)有研究的不足，并介紹了新的瀝青路面性能研究方向，該研究可以充分發(fā)揮施工機(jī)械性能，有效提高瀝青路面攤鋪-壓實(shí)作業(yè)各環(huán)節(jié)工藝水平，延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；使用性能；攤鋪；壓實(shí)

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）26-0186-02

前言

公路交通是國(guó)家經(jīng)濟(jì)的命脈，關(guān)乎國(guó)家戰(zhàn)略安全。截至2016年底，我國(guó)公路總里程已達(dá)460萬(wàn)公里，“五縱七橫”12條國(guó)道主干線全部建成；高速公路達(dá)13萬(wàn)公里。雖然我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展迅速、整體水平大幅提高，但因建設(shè)工期較短，部分工程出現(xiàn)了質(zhì)量問(wèn)題，特別是路面早期局部損壞現(xiàn)象尤為突出，有的路面使用不到一年就出現(xiàn)了車轍、裂縫、龜裂、坑槽和水損壞，形象地稱為“前鋪后補(bǔ)，前修后壞”[1]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在加快公路交通建設(shè)步伐的同時(shí)，如何提高路面使用性能、避免早期局部損壞、延長(zhǎng)路面壽命成為公路建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者從多方面對(duì)路面性能質(zhì)量提高進(jìn)行了研究。

1.1 路面材料的研究

許多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者從材料范疇進(jìn)行了嘗試：Y.S.Doh等分析了荷載作用下瀝青路面變形機(jī)理，研究了長(zhǎng)壽命瀝青路面抗疲勞性能，通過(guò)采用高模量瀝青、合理設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)等措施，提高了長(zhǎng)壽命瀝青路面質(zhì)量；F.Xiao等研究了橡膠改性瀝青混合料的性能，添加橡膠微粒和添加劑后，瀝青混合料流變特性發(fā)生變化，增強(qiáng)了瀝青路面在凍融作用下的抗破壞能力，從而提高瀝青路面的性能。同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)、湖南大學(xué)、北京交通大學(xué)、吉林大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院等院校和研究院在路面材料、路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也開(kāi)展了廣泛的研究[2]。

1.2 壓實(shí)技術(shù)的研究

瀝青路面性能不但受瀝青混合料的影響，還與施工質(zhì)量密切相關(guān)。在瀝青路面施工中，壓實(shí)質(zhì)量不高，往往是造成路面過(guò)早破壞的主要原因之一。如果能在瀝青混合料等研究成果基礎(chǔ)上提高壓實(shí)質(zhì)量，則可進(jìn)一步提高瀝青路面性能、延長(zhǎng)瀝青路面壽命。公路施工實(shí)踐證明，通過(guò)高效壓實(shí)使瀝青路面達(dá)到要求的壓實(shí)度，可以減少甚至避免瀝青路面在行車載荷作用下早期破壞，增強(qiáng)抗永久變形能力，延長(zhǎng)路面使用壽命。G.W.White等分析了壓實(shí)與路面承載力、耐久性的關(guān)系，認(rèn)為壓實(shí)是影響瀝青路面性能的重要因素，壓實(shí)不足會(huì)引起瀝青路面早期失效、縮短瀝青路面服務(wù)年限。研究發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)度每增加1%，路面的承載能力相應(yīng)的提高10～15%，而壓實(shí)的費(fèi)用僅占總投資的1～4%，所以，有效的壓實(shí)是提高路面質(zhì)量的有效且經(jīng)濟(jì)的方法[3]。

2 研究方法的不足

然而，壓實(shí)僅是瀝青路面施工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，通過(guò)壓實(shí)提高路面質(zhì)量的前提是瀝青混合料的級(jí)配、攪拌和攤鋪符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，自原材料控制開(kāi)始，就存在集料不規(guī)矩、攪拌后級(jí)配偏差、攤鋪離析等各種作業(yè)質(zhì)量不足，壓實(shí)作為后續(xù)工藝，并不能解決前述施工環(huán)節(jié)遺留問(wèn)題。尤其是攤鋪環(huán)節(jié)，與壓實(shí)過(guò)程密不可分。攤鋪不僅僅是將熱的、松散的瀝青混合料攤鋪成型，攤鋪均勻、平整和一定的預(yù)壓實(shí)度更是實(shí)現(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量控制的前提條件。因此，忽略瀝青路面攤鋪-壓實(shí)等不同作業(yè)環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性，僅將壓實(shí)環(huán)節(jié)作為研究重點(diǎn)，提高瀝青路面質(zhì)量的潛力有限。

另外，壓實(shí)的對(duì)象是瀝青混合料，壓實(shí)機(jī)理的研究首先是瀝青混合料特性研究。同樣的，完成壓實(shí)的本體是壓實(shí)設(shè)備，壓實(shí)設(shè)備的性能影響瀝青路面質(zhì)量。由于瀝青混合料研究和壓實(shí)設(shè)備研究分屬不同學(xué)科，限于專業(yè)因素，壓實(shí)機(jī)理的研究常常是或偏于材料特性或偏于機(jī)械性能，很少有“材料-機(jī)械”作為整體系統(tǒng)的研究成果，使瀝青路面質(zhì)量控制缺乏理論支撐。即使單一的瀝青路面材料研究或壓實(shí)設(shè)備研究取得較好的研究成果，仍難以解決工程實(shí)際中作業(yè)質(zhì)量控制難題。

3 新的研究方向

以攤鋪為基礎(chǔ)，以壓實(shí)為重點(diǎn)，將攤鋪-壓實(shí)作為具有時(shí)變特性的耦合系統(tǒng)，是較好的研究方法。以瀝青路面質(zhì)量為控制目標(biāo)，通過(guò)研究攤鋪-壓實(shí)耦合系統(tǒng)中溫度場(chǎng)時(shí)變特性和密實(shí)度場(chǎng)時(shí)變特性，研究攤鋪過(guò)程中材料離析和溫度離析問(wèn)題，分析振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理和振動(dòng)壓實(shí)能量傳播規(guī)律，探討不同施工環(huán)境、不同瀝青混合料種類等對(duì)施工工藝的影響，制定合理的攤鋪-壓實(shí)施工工藝，實(shí)現(xiàn)攤鋪-壓實(shí)耦合系統(tǒng)控制，提升瀝青路面建設(shè)水平和質(zhì)量，形成瀝青路面攤鋪-壓實(shí)全過(guò)程質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)，研究思路見(jiàn)圖1。

3.1 基于時(shí)變溫度場(chǎng)和密實(shí)度場(chǎng)的瀝青路面壓實(shí)特性研究

瀝青混合料對(duì)溫度較敏感，不同溫度下的瀝青混合料具有不同的流動(dòng)性和粘塑性，影響瀝青混合料的可壓實(shí)性。在攤鋪-壓實(shí)過(guò)程中，熱瀝青混合料的熱量一方面向下輻射給冷的下鋪層，另一方面向上輻射到大氣中，出現(xiàn)時(shí)刻變化的溫度場(chǎng)。受氣溫、風(fēng)速、陽(yáng)光照射、相對(duì)濕度、鋪層厚度、密實(shí)度等的影響，溫度場(chǎng)變化的速率有所不同。尤其是隨攤鋪-壓實(shí)的不斷進(jìn)行，瀝青混合料的溫度和密實(shí)度都在發(fā)生變化，且不斷變化的密實(shí)度反過(guò)來(lái)影響溫度變化的速率。

可以采取有限元仿真分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。建立熱瀝青混合料溫度場(chǎng)本構(gòu)模型，以氣溫、風(fēng)速、陽(yáng)光照射、相對(duì)濕度、鋪層厚度等作為邊界條件，研究熱瀝青混合料不同密實(shí)度下溫度場(chǎng)時(shí)變規(guī)律。試驗(yàn)研究方面，選取幾種典型瀝青混合料，分別測(cè)試不同密實(shí)度下瀝青混合料表面溫度場(chǎng)變化、沿不同深度處溫度場(chǎng)變化和與冷鋪層接觸界面處溫度場(chǎng)變化。通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)合，揭示不同溫度下壓實(shí)能量傳播規(guī)律和瀝青路面壓實(shí)特性，為預(yù)測(cè)有效壓實(shí)時(shí)間和選擇合適的壓實(shí)作業(yè)參數(shù)提供參考。

3.2 瀝青混合料攤鋪過(guò)程離析控制關(guān)鍵技術(shù)研究

良好的攤鋪質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)壓實(shí)質(zhì)量控制的前提。攤鋪的任務(wù)是成型、平整、均勻和一定的預(yù)壓實(shí)度。實(shí)際施工中，攤鋪過(guò)程中常常出現(xiàn)集料離析產(chǎn)生的“帶狀”缺陷和溫度離析產(chǎn)生“片狀”缺陷，影響瀝青路面最終質(zhì)量?？梢砸詥晤w粒運(yùn)動(dòng)分析為基礎(chǔ)，建立集料多顆粒碰撞運(yùn)動(dòng)模型，研究瀝青混合料攤鋪過(guò)程中材料離析規(guī)律；結(jié)合前述時(shí)變溫度場(chǎng)特性分析，研究攤鋪過(guò)程溫度離析規(guī)律；建立“瀝青混合料-熨平板”動(dòng)力學(xué)模型，分析振動(dòng)振搗參數(shù)對(duì)瀝青混合料預(yù)壓實(shí)度的影響。制定合理的攤鋪工藝，減少瀝青混合料材料離析和溫度離析，提高攤鋪熱瀝青路面平整度、均勻性和預(yù)壓實(shí)度，為后續(xù)壓實(shí)創(chuàng)造良好條件。endprint

3.3 基于共振減摩原理的瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理研究

壓實(shí)作業(yè)是影響瀝青路面質(zhì)量的最后環(huán)節(jié)，常采用靜壓、振動(dòng)壓實(shí)和膠輪碾壓等方式?？梢詫⒅攸c(diǎn)放在振動(dòng)壓實(shí)能量傳播規(guī)律方面探索基礎(chǔ)理論，單位體積的瀝青混合料達(dá)到要求密實(shí)度需要一定的壓實(shí)能量，如何在盡可能短的時(shí)間內(nèi)使其達(dá)到所需壓實(shí)能量是高效壓實(shí)的目標(biāo)。激振力的激振方式和工作參數(shù)不同（如采用高頻還是低頻、采用小振幅還是大振幅），影響壓實(shí)能量在瀝青混合料中的傳播?？梢愿鶕?jù)瀝青混合料的粘塑性特征，建立振動(dòng)條件下的“振動(dòng)輪-瀝青混合料”有限元模型，以單位體積瀝青混合料壓實(shí)功最大和整個(gè)壓實(shí)過(guò)程時(shí)間最短為目標(biāo)，考慮壓實(shí)過(guò)程瀝青混合料溫度場(chǎng)和密實(shí)度場(chǎng)的不斷變化，探討振動(dòng)作用下壓實(shí)能量傳播規(guī)律，最終形成瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)工藝[4]。

3.4 瀝青混合料攤鋪-壓實(shí)耦合系統(tǒng)研究

攤鋪是壓實(shí)的基礎(chǔ)，壓實(shí)是攤鋪的必要補(bǔ)充。攤鋪雖然能完成初步的瀝青混合料成型和預(yù)壓實(shí)度，但其預(yù)壓實(shí)度緊是提供后續(xù)機(jī)械設(shè)備的有限支撐，遠(yuǎn)低于要求的瀝青路面壓實(shí)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)瀝青路面的使用性能。而壓實(shí)雖能將具有較低預(yù)壓實(shí)度的瀝青路面壓實(shí)至規(guī)定密實(shí)度，但壓實(shí)功能單一，不能解決材料離析和溫度離析等攤鋪缺陷。只有攤鋪過(guò)程和壓實(shí)過(guò)程相互匹配，作為有機(jī)的耦合系統(tǒng)考慮，才可能實(shí)現(xiàn)瀝青路面質(zhì)量控制目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

因此，以瀝青路面材料研究為基礎(chǔ)，以“攤鋪-壓實(shí)”耦合系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和密實(shí)度場(chǎng)時(shí)變特性研究為理論支撐，以“材料-機(jī)械”系統(tǒng)為研究對(duì)象，將攤鋪和壓實(shí)作為關(guān)聯(lián)的耦合系統(tǒng)，開(kāi)展瀝青路面質(zhì)量控制具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。不但可以充分發(fā)揮施工機(jī)械性能，有效提高瀝青路面攤鋪-壓實(shí)作業(yè)各環(huán)節(jié)工藝水平，進(jìn)而減少早期破壞、延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命、降低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益；而且可以通過(guò)提高建設(shè)水平和瀝青路面質(zhì)量，提升路網(wǎng)服務(wù)水平和行業(yè)形象，創(chuàng)造良好的社會(huì)效益。

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