瀝青路面碾壓施工膠輪初壓工藝

巫益寶 WU Yi-bao；陳飛 CHEN Fei；宗煥清 ZONG Huan-qing

（①常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，常州213000；②江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，常州213000；③常州領(lǐng)航工程科技有限公司，常州213000）

1 研究背景

瀝青路面碾壓程序分初壓、復(fù)壓、終壓三個(gè)階段，傳統(tǒng)施工碾壓工藝采用鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行初壓、復(fù)壓根據(jù)情況可采用鋼輪也可采用膠輪，傳統(tǒng)工藝有粘料、泛油、表面不夠粗糙、壓實(shí)不均勻、面層嵌擠不夠?qū)е鲁休d力低等缺陷，其中最突出的就是輪胎壓路機(jī)碾壓時(shí)輪胎粘料，目前解決輪胎壓路機(jī)粘料的唯一辦法，就是向輪胎噴擦柴油，每臺(tái)輪胎壓路機(jī)每臺(tái)班噴擦的量，春夏季40 公升，秋冬季80 公升。2004 年國(guó)內(nèi)出版的“瀝青路面施工手冊(cè)”中規(guī)定，嚴(yán)禁向輪胎噴擦柴油，直至今天，現(xiàn)在為解決輪胎粘料還在用。國(guó)外的做法是：給膠輪壓路機(jī)輪胎穿圍裙，保溫，向輪胎涂擦隔離劑，但效果不理想，粘料成為瀝青碾壓的施工難題。筆者自2000 年開(kāi)始探索膠輪初壓工藝，力求解決傳統(tǒng)工藝帶來(lái)的主要問(wèn)題。

目前在國(guó)內(nèi)高速公路瀝青路面的施工中，壓實(shí)不足是一個(gè)比較突出的問(wèn)題，主要原因是片面追求平整度和表面構(gòu)造深度。這些項(xiàng)目通車(chē)以后路面平整度衰減較快，面層受行車(chē)荷載碾壓后變形較明顯。

2 創(chuàng)新工藝——膠輪初壓原理

瀝青混合料路面的性能主要取決于施工機(jī)械的壓實(shí)效果，與標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度對(duì)應(yīng)的空隙率增加1%會(huì)導(dǎo)致路面疲勞壽命降低35%。傳統(tǒng)瀝青混合料路面碾壓通常采用鋼輪壓路機(jī)初壓和復(fù)壓，只在復(fù)壓的后期采用膠輪壓路機(jī)，終壓再用鋼輪壓路機(jī)靜壓。

傳統(tǒng)工藝采用鋼輪初壓膠輪復(fù)壓存在下列問(wèn)題：

①由于鋼輪初壓大量灑水，溫度下降快，不能確保高溫下完成復(fù)壓；②膠輪復(fù)壓時(shí)，混合料料溫低，造成了輪胎粘料；③鋼輪初壓易造成混合料推移，折返處形成橫?。虎茕撦喅鯄簬д駝?dòng)路面已成型，到膠輪復(fù)壓時(shí)溫度較低無(wú)法充分發(fā)揮輪胎的揉搓擠壓功效；⑤膠輪復(fù)壓時(shí)混合料溫度低，輪胎印跡不易消除。

2.1 輪胎壓路機(jī)的碾壓機(jī)理

輪胎式壓路機(jī)的工作裝置是兩排并列布置的充氣輪胎，同時(shí)輪胎也是它的行駛機(jī)構(gòu)。當(dāng)壓路機(jī)在混合料上駛過(guò)時(shí)，機(jī)械整個(gè)重量通過(guò)兩排輪子作用于被壓混合料。此時(shí)輪子對(duì)被壓混合料有兩種作用力：其一是垂直向下的靜作用力，具有一定級(jí)配的混合料在垂直靜載荷的作用下集料重新分布，小顆粒擠入大顆?？障吨袕亩够旌狭系拿芏仍黾硬l(fā)生永久變形，經(jīng)多次碾壓混合料的密度最后達(dá)到實(shí)際殘留變形等于零，這一作用過(guò)程和靜力鋼輪壓路機(jī)相似；其二是水平方向作用力，水平作用力由兩部分組成，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩所產(chǎn)生的切向力向后水平作用于混合料，機(jī)械推著從動(dòng)輪前進(jìn)產(chǎn)生一向前的水平力作用于混合料，這一水平作用力也與靜力鋼輪壓路機(jī)相似；第二部分是輪胎壓路機(jī)特有的輪胎變形產(chǎn)生的水平擠壓力，輪胎在垂直靜荷載與混合料垂直反力作用下變形（其變形量的大小與垂直靜荷載及垂直反力成正比而與輪胎氣壓大小成反比），使輪胎與被壓混合料在瞬時(shí)的接觸面成為如圖2 所示的形狀。由于輪胎處于滾動(dòng)狀態(tài)，在各種力作用下產(chǎn)生變形給混合料水平向外作用力；再恢復(fù)變形使混合料在輪胎寬度方向受到向內(nèi)的水平作用力和向后的水平作用力。這些交替變化的水平作用力和垂直向下的靜作用力就形成了對(duì)混合料的擠壓作用。

圖2 膠輪初壓工藝

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》5.7.6.l 條規(guī)定：對(duì)攤鋪后初始?jí)簩?shí)度較大，經(jīng)實(shí)踐證明采用振動(dòng)壓路機(jī)或輪胎壓路機(jī)直接碾壓無(wú)嚴(yán)重推移而有良好效果時(shí)，可免去初壓直接進(jìn)入復(fù)壓工序。

2.2 膠輪初壓的原理

膠輪初壓工藝?yán)幂喬サ目勺冃魏蜏囟却翱诖蟮奶攸c(diǎn)，有效地解決了鋼輪初壓的痛點(diǎn)。

由表1 可見(jiàn)傳統(tǒng)工藝從鋼輪初壓至鋼輪終壓溫度區(qū)間只有10℃，而膠輪初壓至鋼輪終壓的膠輪初壓工藝溫度區(qū)間有30℃，這就為路面壓實(shí)創(chuàng)造了更有利的溫度窗口。

表1 傳統(tǒng)工藝與膠輪初壓工藝溫度要求

與鋼輪壓路機(jī)相比膠輪壓路機(jī)有以下特點(diǎn)：

①可以通過(guò)增減配重和輪胎氣壓調(diào)節(jié)接地比壓，以適應(yīng)于不同材料的壓實(shí)；②采用動(dòng)力強(qiáng)勁型發(fā)動(dòng)機(jī)，可適用各種施工工況；③前進(jìn)三檔、后退二檔，速度可在5.33-22.05km/h 變換，方便施工和轉(zhuǎn)場(chǎng)；④前輪采用機(jī)械搖擺式懸掛裝置；⑤具有行車(chē)制動(dòng)、停車(chē)制動(dòng)，制動(dòng)性能可靠；⑥視野開(kāi)闊的全景式駕駛室，具有較好的隔音、減振效果。頂式排風(fēng)和收放機(jī)使駕駛更加舒適；⑦根據(jù)用戶需要，可裝備空調(diào)。

膠輪初壓工藝具有與傳統(tǒng)工藝明顯不同的特點(diǎn)：

①輪胎接觸面凹凸不平，對(duì)不同粒徑集料施加均勻的壓實(shí)功（圖2），而鋼輪接觸面非常平整粗集料承受的壓力大易造成集料游移和泛油（圖1）；②膠輪初壓接觸面更大，粗糙度更好；③膠輪初壓工藝是利用輪胎的揉搓擠壓作用使混合料中的集料重新分布并處于易壓實(shí)狀態(tài)，在膠輪壓路機(jī)的揉搓擠壓和振動(dòng)壓路機(jī)交變壓力的交替作用下，達(dá)到最佳的壓實(shí)效果。

圖1 鋼輪初壓工藝

膠輪初壓用自身的水箱的容量把每只輪胎的壓實(shí)重量調(diào)至1.8-2.0 噸。膠輪初壓時(shí)，輪胎的壓力不需要和膠輪復(fù)壓時(shí)相同，不是輪胎越重越好。造成輪印的原因，是輪胎過(guò)重。造成輪胎痕跡的原因，是輪胎胎面無(wú)弧度。優(yōu)化車(chē)輛組合，發(fā)揮各自的功能，經(jīng)過(guò)初壓、復(fù)壓和終壓，一個(gè)工作循環(huán)，終壓溫度控制在100℃以上，輪印自然消失。

輪胎的噸位不是越重越好。無(wú)胎面弧度的輪胎不能用作面層料的碾壓。其原因在碾壓過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生平滑曲線，容易產(chǎn)生輪胎痕跡，只能用于下面層和中面層瀝青混合料碾壓。

膠輪初壓的工藝程序?yàn)椋?/p>

①初壓——輪胎——復(fù)壓；

②復(fù)壓——鋼輪——終壓。

輪胎壓路機(jī)一次完成初壓、復(fù)壓兩道工序。鋼輪一次完成復(fù)壓、終壓兩道工序，延長(zhǎng)碾壓長(zhǎng)度簡(jiǎn)化工藝流程，減少折返點(diǎn)，以免形成橫梗。

膠輪初壓適用范圍比較廣，攤鋪厚度在4cm 以下壓實(shí)效果更佳。對(duì)于攤鋪厚度與最大粒徑比例在1:1 較好，例如 AC-20 采用 2cm 厚 AC-13 采用 1.3cm 厚。

如果是中下面層混合料采用膠輪壓路機(jī)可一次完成初壓、復(fù)壓和終壓整個(gè)碾壓流程，無(wú)需鋼輪壓路機(jī)。

膠輪初壓對(duì)施工氣溫要求較低，傳統(tǒng)工藝要求不低于5℃（高速公路不低于10℃），膠輪初壓工藝可以在零下5℃施工，在南方地區(qū)基本全年可以施工。

采用膠輪初壓工藝，路面壓實(shí)度可達(dá)98%（馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度）以上，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的95%-96%，由于混合料空隙率大大降低增強(qiáng)了面層抵抗變形的性能和抗?jié)B性能，對(duì)瀝青路面延壽非常有益。

采用膠輪初壓工藝可使瀝青混合料面層承載能力、使用年限與道路基層協(xié)調(diào)，減少或避免設(shè)計(jì)年限內(nèi)路面大修，節(jié)省路面養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的同時(shí)也減少大修對(duì)路面交通的干擾。

3 創(chuàng)新工藝——輪胎初壓實(shí)施情況

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為使用輪胎壓路機(jī)初壓會(huì)破壞瀝青混合料路面平整度，實(shí)際上在控制好壓實(shí)參數(shù)前提下輪印是不會(huì)破壞平整度的。瀝青混合料剛攤牌后溫度較高粘度較低，應(yīng)趁此機(jī)會(huì)進(jìn)行充分壓實(shí)。尤其是改性瀝青，粘度較普通瀝青大，更應(yīng)該在高溫區(qū)段碾壓，否則溫度一旦降低，則很難壓實(shí)。采用膠輪初壓工藝極大地拓寬了瀝青混合料碾壓的溫度窗口，使兼顧壓實(shí)度、平整度、構(gòu)造深度以及抗變形能力成為可能。

在這二十年中，膠輪初壓工藝施工的道路有很多成功的案例；常州市東恒印染有限公司的廠區(qū)道路2005 年施工的，勞動(dòng)?xùn)|路支路2010 年元旦施工，當(dāng)天溫度為攝氏零下五度，交通流量大，超載量大，十多年過(guò)去了，道路質(zhì)量完好。360 省道溧陽(yáng)段于2017 年12 月施工，2 臺(tái)攤鋪機(jī)同時(shí)攤鋪，用4 臺(tái)輪胎壓路機(jī)碾壓，檢測(cè)結(jié)果，不用鋼輪壓路機(jī)，達(dá)到碾壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，鋼輪壓路機(jī)，輪胎壓路機(jī)的每臺(tái)班總用油520 公升，現(xiàn)在每臺(tái)班的總用油量只要120 公升。2021 年8 月建成的中天鋼鐵集團(tuán)廠內(nèi)道路至目前為止經(jīng)重載交通使用3 個(gè)月以上未見(jiàn)任何病害發(fā)生。

3.1 膠輪初壓的裝備要求

膠輪初壓對(duì)壓路機(jī)要求主要是重量和胎形，重量太重會(huì)產(chǎn)生較深輪印太輕則壓實(shí)不足；胎形對(duì)搭接處是否平滑非常重要。

膠輪壓路機(jī)裝備要求：①保證做上面層料壓路機(jī)每只輪胎的負(fù)荷為1.8-2.0 噸；②確保輪胎的氣壓正常，冷胎氣壓不小于0.55MPa；③做上面層料輪胎胎面弧度要求良好。

3.2 膠輪初壓的注意事項(xiàng)

為確保混合料碾壓質(zhì)量膠輪初壓有以下3 個(gè)重點(diǎn)事項(xiàng)需要注意：

①膠輪壓路機(jī)要緊跟攤鋪機(jī)碾壓，輪胎壓熱后不粘料時(shí)應(yīng)進(jìn)20m 退40m；②鋼輪要緊跟膠輪壓路機(jī)，只要夠鋼輪碾壓寬度就要開(kāi)始碾壓，應(yīng)進(jìn)40m，退40m；③鋼輪要與膠輪串聯(lián)交替碾壓，不能分段碾壓。

3.3 膠輪初壓工法

經(jīng)多年實(shí)踐和逐步完善，膠輪初壓的碾壓流程推薦采用：①膠輪一次完成初壓復(fù)壓，進(jìn)20m 是初壓，退40m20m是復(fù)壓；②鋼輪一次完成復(fù)壓終壓，進(jìn)40m20m 是復(fù)壓，退40m20m 是終壓；③膠輪、鋼輪各工作一次，完成一個(gè)工作循環(huán)，初壓，復(fù)壓，終壓；④冬天進(jìn)20m 退40m，夏天可進(jìn)30m 退60m，增加了碾壓長(zhǎng)度減少折返點(diǎn)，提高了平整度；⑤膠輪初壓工藝壓一段路面碾壓2 遍12 個(gè)折回點(diǎn)，增加了一半以上的有效壓實(shí)時(shí)間與溫度。

利用膠輪壓路機(jī)對(duì)攤鋪后的瀝青混合料進(jìn)行碾壓的步驟之前還包括：向膠輪壓路機(jī)的輪胎上涂覆防粘結(jié)劑。

初壓利用膠輪壓路機(jī)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行揉壓，碾壓速度為2.5-3.0km/h；復(fù)壓時(shí)利用膠輪壓路機(jī)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行揉壓，碾壓速度為3.5-4.0km/h；終壓利用雙鋼輪壓路機(jī)分別對(duì)瀝青混合料進(jìn)行靜壓至無(wú)輪胎印跡，碾壓速度為3.0-4.0km/h。

上述雙鋼輪壓路機(jī)上設(shè)置有自動(dòng)噴水裝置用于向輪胎噴射水霧。

瀝青混合料在初壓時(shí)的溫度不低于150℃，在復(fù)壓時(shí)的溫度不低于90℃。

復(fù)壓采用輪胎壓路機(jī)的輪胎充氣氣壓處于冷態(tài)時(shí)不小于0.55MPa，發(fā)熱后不小于0.6MPa。

使用雙鋼輪壓路機(jī)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行復(fù)壓時(shí)，采用振動(dòng)碾壓。振頻不小于35-50Hz，振幅不小于0.3-0.8mm。

傳統(tǒng)工藝壓4 遍48 個(gè)折回點(diǎn)，多了36 個(gè)停車(chē)起步折回點(diǎn)，新工藝。省工、省時(shí)、省錢(qián)、高效。

瀝青路面施工手冊(cè)中要求，如提高碾壓溫度則碾壓遍數(shù)可以減少，輪胎初壓遍數(shù)只要2-3 遍，就可以達(dá)到碾壓質(zhì)量要求，這只有輪胎初壓才能做到，由此產(chǎn)生了創(chuàng)新性生產(chǎn)力。溫度決定碾壓質(zhì)量，壓實(shí)度單靠噸位大壓實(shí)力強(qiáng)不容易達(dá)到，只有綜合有效的壓實(shí)時(shí)間、溫度、碾壓幅度和一定的壓實(shí)力才能達(dá)到壓實(shí)效果。

3.4 膠輪初壓經(jīng)濟(jì)效益顯著

通過(guò)實(shí)踐證明，膠輪初壓工藝可以減少一半壓路機(jī)，減少一半人工，用油減少一多半，并增加了一半以上的有效壓實(shí)時(shí)間與溫度窗口。按配備2 臺(tái)攤鋪機(jī)計(jì)，壓路機(jī)從8 臺(tái)（耗油 520L）減少到 4 臺(tái)（耗油 120L）；加水車(chē)及人工減少1000 元/日；節(jié)省噴擦輪胎用柴油60L。

膠輪初壓工藝不僅可以省工省料還節(jié)能環(huán)保、延長(zhǎng)路面壽命，綜合各方面體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。

采用膠輪初壓工藝，在瀝青混合料路面碾壓質(zhì)量要素方面實(shí)現(xiàn)8 項(xiàng)可控：

①灑水量；②有效壓實(shí)時(shí)間；③有效壓實(shí)溫度；④碾壓幅度；⑤混合料與最大粒徑比例；⑥壓實(shí)度；⑦避開(kāi)混合料不穩(wěn)定溫度區(qū)間；⑧低溫施工。

以上8 項(xiàng)可控導(dǎo)致最終的結(jié)果是碾壓質(zhì)量可控，膠輪初壓工藝的創(chuàng)新使瀝青混合料路面施工質(zhì)量產(chǎn)生革命性的飛躍，該碾壓工藝為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

4 幾點(diǎn)建議

作者歷經(jīng)二十余年的時(shí)間研究瀝青路面碾壓工藝，用十五年時(shí)間進(jìn)行膠輪初壓工藝驗(yàn)證并獲得國(guó)家發(fā)明專利（專利號(hào)：ZL 2010 1 0561526.9）。

4.1 膠輪初壓工藝實(shí)施建議

①采用膠輪初壓工藝可適當(dāng)減薄面層厚度，特別是對(duì)于不連續(xù)級(jí)配膠輪壓路機(jī)的摩擦易使粗骨料浮起，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)深度減小甚至出現(xiàn)泛油，因此適當(dāng)減薄面層厚度不但不會(huì)導(dǎo)致道路面層承載力降低反而壓實(shí)度更好承載力更高；②推薦施工方法：壓路機(jī)進(jìn)20m，退40m，夏季可采用進(jìn)30m，退60m，具體以輪胎不粘料為標(biāo)準(zhǔn)，此方法也叫搭積碾壓法；③SMA 改性瀝青完全可采用輪胎初壓，但混合料溫度必須130℃以上；④終壓溫度越接近攝氏100℃輪印越少，不粘料且路面抗?jié)B性能好。

4.2 膠輪初壓改進(jìn)的方向

①對(duì)重載瀝青路面的膠輪初壓進(jìn)行專項(xiàng)研究，逐步解決重交通瀝青路面車(chē)轍和橫向變形等通?。虎诳舍槍?duì)攤鋪厚度與集料最大粒徑比例進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)以找到最佳適配比例。

輪胎壓路機(jī)在瀝青混合料路面碾壓上具有其它類型壓路機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，因此在瀝青路面壓實(shí)機(jī)具選配時(shí)應(yīng)將輪胎壓路機(jī)作為首選。膠輪初壓工藝，已得到了很好的實(shí)踐，隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，是一項(xiàng)利國(guó)利民的新工藝。

5 結(jié)束語(yǔ)

膠輪初壓核心是解決了瀝青路面碾壓的溫度窗口問(wèn)題，傳統(tǒng)工藝按照鋼輪-膠輪-鋼輪的流程進(jìn)行碾壓容易導(dǎo)致后期壓實(shí)效果不佳。溫度決定碾壓質(zhì)量，膠輪初壓工藝避開(kāi)瀝青混合料溫度不穩(wěn)定區(qū)，輪印可控、不粘料且壓實(shí)效果更佳，壓實(shí)度達(dá)到98%，還可以節(jié)省施工機(jī)械臺(tái)班和人工。與鋼輪初壓工藝相比膠輪初壓更具有科學(xué)性、先進(jìn)性、合理性和實(shí)用性。