SMA混合料模糊碾壓工藝與機(jī)組配置

王生楠，邊慶華，張夫剛，王 睿

（1．甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730030；2．長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引 言

SMA瀝青混合料是瀝青、纖維與礦粉形成瑪蹄脂填充于粗細(xì)集料骨架間隙構(gòu)成的間斷級(jí)配骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，具有較好的高低溫性能、耐久性能和抗滑性能［1－3］。由于瀝青路面的性能與碾壓情況有密切關(guān)系，因此為實(shí)現(xiàn)SMA的優(yōu)越性能，需對(duì)其壓實(shí)技術(shù)進(jìn)行研究。瀝青路面施工由拌合機(jī)、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等一系列機(jī)械設(shè)備共同完成，其中碾壓作業(yè)是最后一道工序，也是保證施工質(zhì)量的重要一環(huán)［4－5］。當(dāng)采用了優(yōu)質(zhì)的材料、精良的攪拌設(shè)備和攤鋪設(shè)備，而在碾壓中出現(xiàn)問(wèn)題，將前功盡棄。若壓實(shí)不足，空隙率過(guò)大，會(huì)增加路面的滲透性，產(chǎn)生水損壞，降低路面疲勞壽命；過(guò)壓則會(huì)使路面空隙過(guò)小或礦料破碎，導(dǎo)致路面出現(xiàn)泛油或失穩(wěn)，影響路面強(qiáng)度和穩(wěn)定性［6－9］。為了保證壓實(shí)質(zhì)量，提高設(shè)備的施工效率，有必要開(kāi)展瀝青路面碾壓工藝和機(jī)組合理配置技術(shù)的研究［10］。在這個(gè)領(lǐng)域一些學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究，如趙麗等［11］對(duì)碾壓施工技術(shù)進(jìn)行了探討，提出了采用緊跟碾壓工藝解決瀝青混合料施工過(guò)程中的溫度損失過(guò)大的問(wèn)題；李戰(zhàn)慧等［12］基于排隊(duì)論的基本原理，對(duì)瀝青混凝土路面機(jī)群的優(yōu)化配置進(jìn)行研究；郭偉等［13］基于GIS技術(shù)，設(shè)計(jì)出機(jī)群優(yōu)化配置系統(tǒng)。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)SMA混合料的碾壓環(huán)節(jié)提出模糊碾壓工藝，通過(guò)機(jī)群配置建模，確定瀝青路面施工中基于模糊碾壓的連續(xù)碾壓過(guò)程壓路機(jī)數(shù)量、壓路機(jī)碾壓速度、碾壓段長(zhǎng)度等工藝參數(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)模糊碾壓與分段碾壓的施工質(zhì)量進(jìn)行比較分析。

1 模糊碾壓工藝

模糊碾壓工藝指瀝青路面施工過(guò)程中，壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)進(jìn)行不停歇的連續(xù)追壓作業(yè)，以緩解碾壓段混合料溫降過(guò)大的問(wèn)題，同時(shí)提高碾壓效率和施工質(zhì)量。壓路機(jī)進(jìn)行循環(huán)壓實(shí)作業(yè)，完成初壓、復(fù)壓和終壓。

由于SMA混合料是緊排骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，初壓采用雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)直接振動(dòng)碾壓不推移，因此可以緊跟攤鋪機(jī)直接進(jìn)入復(fù)壓工序，壓至距攤鋪機(jī)20～30cm處折返。終壓在振動(dòng)壓路機(jī)完成復(fù)壓后進(jìn)行，以消除壓實(shí)輪跡。根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范推薦壓實(shí)機(jī)工作參數(shù)，如表1所示［14］。

表1 壓路機(jī)工作參數(shù)

2 施工機(jī)組配置

在SMA瀝青路面施工中，為了實(shí)現(xiàn)模糊碾壓的連續(xù)施工工藝，需要對(duì)攪拌機(jī)、攤鋪機(jī)和壓路機(jī)等機(jī)組配置進(jìn)行研究，通過(guò)建模分析，確定碾壓機(jī)械配置參數(shù)，提出合理配置碾壓機(jī)械的方法與計(jì)算公式。

2．1 瀝青混合料攪拌機(jī)配置

瀝青混合料攪拌機(jī)的生產(chǎn)能力影響著后續(xù)的攤鋪及碾壓作業(yè)。在瀝青面層施工中，攪拌機(jī)組是主導(dǎo)機(jī)械，決定攪拌機(jī)組產(chǎn)量的因素主要為工程量、工期。攪拌機(jī)的生產(chǎn)能力可由式（1）確定。

式中：Q1為混合料攪拌機(jī)組生產(chǎn)的能力（t·h－1）；W 為SMA路面工程的總工程量，即鋪層壓實(shí)體積與相應(yīng)容重的乘積（t）；T1為有效施工工期（d）；kh為時(shí)間利用系數(shù)，一般取1．0～1．2；k1為機(jī)群聯(lián)合作業(yè)系數(shù)，根據(jù)機(jī)群配合熟練程度確定；kw為集料含水量對(duì)攪拌機(jī)生產(chǎn)能力的影響系數(shù)；T2為每日計(jì)劃施工時(shí)間（h）。系數(shù)k1、kh、kw的取值見(jiàn)表2～4。

表2 機(jī)群聯(lián)合作業(yè)系數(shù)

表3 時(shí)間利用系數(shù)

表4 集料含水量對(duì)攪拌設(shè)備的影響系數(shù)

2．2 攤鋪機(jī)作業(yè)速度

單位時(shí)間內(nèi)的攤鋪面積決定于攤鋪機(jī)作業(yè)速度，也決定了壓路機(jī)數(shù)量的多少。影響攤鋪速度的主要因素分別為攪拌機(jī)產(chǎn)量、攤鋪厚度、攤鋪寬度等［15］，攤鋪速度計(jì)算公式如下。

式中：vt為攤鋪機(jī)組實(shí)際攤鋪速度（m·min－1）；Q1（i）為第i臺(tái)瀝青混合料攪拌機(jī)的生產(chǎn)量（t·h－1）；γ為瀝青混合料壓實(shí)成型后的容重（t·h－3）；B為攤鋪路面寬度（m）；h為攤鋪層壓實(shí)成型后的厚度（m）。

由式（2）可知：攤鋪機(jī)作業(yè)速度與攪拌機(jī)組的生產(chǎn)量正相關(guān)，與攤鋪路面寬度、攤鋪層厚度負(fù)相關(guān)。通常單臺(tái)攤鋪機(jī)的攤鋪寬度應(yīng)小于7．5m，當(dāng)B≤7．5m時(shí)，選用單機(jī)全幅攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，當(dāng)7．5m≤B≤15m時(shí)，選用雙機(jī)并行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。攤鋪機(jī)組實(shí)際攤鋪速度應(yīng)根據(jù)瀝青混合料攪拌機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)能力確定。參考瀝青路面施工規(guī)范，攤鋪機(jī)組進(jìn)行SMA混合料施工時(shí)的攤鋪速度應(yīng)介于1～3m·min－1之間；若高出該速度范圍，應(yīng)設(shè)置2個(gè)工作面。

2．3 壓路機(jī)碾壓速度

在壓路機(jī)碾壓過(guò)程中，被壓實(shí)顆粒由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要一個(gè)過(guò)程，以使材料顆粒處于振動(dòng)狀態(tài)。試驗(yàn)表明，當(dāng)鋼輪中激振器頻率與被壓材料固有頻率相符，并且至少產(chǎn)生3次以上連續(xù)激振時(shí)，才能使材料顆粒處于振動(dòng)狀態(tài)［16］，根據(jù)壓路機(jī)振動(dòng)輪接地示意圖（圖1），計(jì)算壓路機(jī)碾壓速度，即

式中：v為壓路機(jī)的工作速度（km·h－1）；R為振動(dòng)輪半徑（m）；f為振動(dòng)頻率（Hz）；d為被壓實(shí)材料的變形量（m）。

圖1 振動(dòng)輪接地示意

由式（3）可知，壓路機(jī)碾壓速度與振動(dòng)頻率、振動(dòng)輪半徑正相關(guān)，與振動(dòng)輪沉降量成反比。通常激振頻率f在35～55Hz之間［17］。根據(jù)《瀝青路面技術(shù)施工規(guī)范》要求，振動(dòng)壓路機(jī)的碾壓速度為3～5 km·h－1。

圖2 振動(dòng)壓路機(jī)起振、停振過(guò)程

2．4 碾壓段長(zhǎng)度

振動(dòng)壓路機(jī)在碾壓作業(yè)過(guò)程中的頻率狀態(tài)變化如圖2所示。壓路機(jī)在起振與停機(jī)的過(guò)程中頻率變化為非穩(wěn)態(tài)，即激振力在變化，而振動(dòng)壓路機(jī)的平穩(wěn)工作時(shí)間應(yīng)占到整個(gè)壓實(shí)時(shí)間的80%以上，以提高作業(yè)效率和壓實(shí)質(zhì)量［18］。碾壓段過(guò)短，容易在碾壓過(guò)程中出現(xiàn)壓實(shí)不均；碾壓段過(guò)長(zhǎng)，容易導(dǎo)致混合料溫度損失，不能保證路面的壓實(shí)度。所以，在振動(dòng)壓路機(jī)碾壓過(guò)程中，需要保證合理的碾壓段長(zhǎng)度，當(dāng)壓路機(jī)速度為3～5km·h－1時(shí)，碾壓作業(yè)段長(zhǎng)度應(yīng)為30～50m［19］。

2．5 壓路機(jī)數(shù)量

壓實(shí)是決定路面質(zhì)量的關(guān)鍵工序，而合理配置壓路機(jī)數(shù)量是保證壓實(shí)質(zhì)量的基礎(chǔ)。當(dāng)采用模糊碾壓工藝時(shí)，壓路機(jī)只有靜壓和振動(dòng)2種壓實(shí)狀態(tài)。壓路機(jī)數(shù)量與攤鋪寬度、攤鋪速度、碾壓遍數(shù)等參數(shù)有關(guān)。由相關(guān)資料可知，壓路機(jī)靜壓時(shí)重疊寬度約為主輪的1／3～1／2，振動(dòng)壓實(shí)時(shí)重疊寬度約為0．2 m［20］。因此，壓實(shí)機(jī)械組數(shù)量配置計(jì)算公式如下。

終壓靜壓時(shí)壓路機(jī)數(shù)量

式中：n1為靜壓時(shí)壓路機(jī)數(shù)量；Nc為靜碾壓遍數(shù)；vc為壓路機(jī)靜壓速度（km·h－1）；bc為壓路機(jī)靜壓有效作業(yè)寬度（m）。

振動(dòng)時(shí)壓路機(jī)數(shù)量

式中：n2為振動(dòng)碾壓時(shí)壓路機(jī)數(shù)量；Nf為振動(dòng)碾壓遍數(shù)；vf為壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)速度（km·h－1）；bf為壓路機(jī)振動(dòng)壓實(shí)有效作業(yè)寬度（m）。

3 壓實(shí)試驗(yàn)對(duì)比

3．1 壓實(shí)試驗(yàn)方案

方案一：按照施工規(guī)范要求，復(fù)壓采用雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，壓實(shí)4～6遍，終壓采用雙鋼輪靜作用壓路機(jī)，壓實(shí)1～2遍。采用分段碾壓工藝壓實(shí)。

方案二：按照施工規(guī)范要求，復(fù)壓采用雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)，壓實(shí)4～6遍，終壓采用雙鋼輪靜作用壓路機(jī)，壓實(shí)1～2遍。采用模糊碾壓工藝壓實(shí)。

3．2 壓實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

依托實(shí)體工程項(xiàng)目進(jìn)行分段碾壓與模糊碾壓的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下：現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為26℃，風(fēng)速3級(jí)，熱拌瀝青混合料出廠溫度為168℃，攤鋪溫度為159℃，攤鋪速度為2m·min－1，壓路機(jī)碾壓速度為3km·h－1。2種碾壓方式同時(shí)進(jìn)行，依次測(cè)量每次碾壓后的溫度，記錄瀝青混合料的溫度值。施工完成后，第二天測(cè)定平整度，并鉆芯取樣測(cè)定壓實(shí)度。平整度測(cè)定使用激光路面平整度檢測(cè)方法，壓實(shí)度測(cè)定采用鉆芯法。

2種碾壓方案的壓實(shí)遍數(shù)均為5遍，初始碾壓溫度為149℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表5所示。從結(jié)果中可以得出：方案一終壓完成后溫度為82℃，碾壓作業(yè)完成后壓實(shí)度平均值為98．50%，平整度平均值為0．69mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0．15mm；方案2終壓完成后溫度為113℃，碾壓作業(yè)完成后壓實(shí)度平均值為99．50%，平整度平均值為0．63mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0．11mm。

圖3 兩種碾壓方式不同階段的鋪層溫度

表5 兩種碾壓方案的壓實(shí)度及平整度比較

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）根據(jù)SMA混合料的材料特性和施工質(zhì)量要求，提出了模糊碾壓工藝。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比表明：模糊壓實(shí)能有效保證碾壓溫度，縮短碾壓時(shí)間，提高了作業(yè)效率。碾壓完成后路面的壓實(shí)度和平整度均得到提高，并且降低了路面平整度的標(biāo)準(zhǔn)差，減小了施工變異性。

（2）針對(duì)SMA混合料的模糊碾壓工藝機(jī)群配置難以確定的問(wèn)題，分別對(duì)攤鋪機(jī)作業(yè)速度、壓路機(jī)碾壓速度、碾壓段長(zhǎng)度、壓路機(jī)數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的量化，確定出每個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系和影響因素，從而使每個(gè)參數(shù)的取值在合理范圍，為施工機(jī)械優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。

（3）本文提出的模糊碾壓工藝主要針對(duì)SMA混合料開(kāi)展了研究，且在工程應(yīng)用中獲得了良好的壓實(shí)效果。為了便于模糊碾壓工藝在施工中推廣應(yīng)用，今后需要進(jìn)一步開(kāi)展其他類型熱拌瀝青混合料的研究工作。