瀝青路面攤鋪碾壓過程能耗模型與節(jié)能技術(shù)

劉聶玚子,王元慶,劉洪海,王戰(zhàn)剛

(1.長安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院,西安 710064;2.道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長安大學(xué)),西安 710064;3.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,蘭州 730030)

公路交通行業(yè)的碳排放在溫室氣體排放中占有較大的比例,尤其在道路修筑過程中,拌和、運(yùn)輸、攤鋪和碾壓等環(huán)節(jié)會消耗大量燃油,變成溫室氣體排入大氣[1-2]。隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,道路建設(shè)過程中產(chǎn)生的碳排放受到業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3-4]通過對中國多條高等級公路瀝青路面的碳排放來源進(jìn)行調(diào)查,建立不同類型瀝青混合料的碳排放模型,得到相應(yīng)的碳排放指標(biāo);文獻(xiàn)[5]通過建立瀝青路面建設(shè)期能耗與碳排放計(jì)算模型,得出結(jié)論認(rèn)為碳排放主要來源為原材料生產(chǎn)階段和混合料生產(chǎn)階段;文獻(xiàn)[6]通過建立道路養(yǎng)護(hù)過程中的碳減排模型,為養(yǎng)護(hù)過程中碳減排計(jì)算提供了理論依據(jù);文獻(xiàn)[7]采用生命周期的方法建立了路面大修工程碳排放數(shù)學(xué)計(jì)算模型,計(jì)算了典型公路的碳排放量;文獻(xiàn)[8]將路面反照率引入路面生命周期(LCA)模型中,進(jìn)一步完善了路面建設(shè)過程中溫室氣體的排放分析模型;文獻(xiàn)[9]采用響應(yīng)面方法(RSM)和粒子群優(yōu)化(PSO)算法研究了實(shí)現(xiàn)最佳工程性能所需的混凝土混合物,從而減少測試試驗(yàn)數(shù)量,并減少CO2排放量;文獻(xiàn)[10]建立了路面生命周期成本評估模型,從整個(gè)生命周期的角度研究了熱拌瀝青混合料(HMA)、溫拌瀝青混合料(WMA)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)等方案的碳排放;文獻(xiàn)[11]以英國城際道路為例,探討了路面生命周期評估(LCA)系統(tǒng)邊界的影響,認(rèn)為與維護(hù)過程相比,道路工程延誤造成的額外交通排放相對較小;文獻(xiàn)[12]研究表明,采用WMA和生物燃料可減少拌合過程能耗,降低路面溫室氣體的排放量;文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)在HMA中添加熟石灰,對降低瀝青混合料能源消耗及其產(chǎn)生的溫室氣體效果顯著;文獻(xiàn)[14]研究表明,在路面建設(shè)過程中,通過優(yōu)化路面壓實(shí)方案,可以減少能耗和碳排放。

目前,關(guān)于公路建設(shè)過程中的碳排放問題受到廣泛重視,但主要從路面結(jié)構(gòu)和材料等方面進(jìn)行了建設(shè)、養(yǎng)護(hù)期或基于生命周期的宏觀研究,缺乏將機(jī)械與材料相結(jié)合的精細(xì)化模型,且未涉及瀝青路面攤鋪壓實(shí)過程與節(jié)能施工之間關(guān)系的理論與試驗(yàn)研究。在道路建設(shè)過程中,熱拌瀝青混合料攤鋪碾壓環(huán)節(jié)使用了大量的機(jī)械設(shè)備,所消耗的燃油變成了溫室氣體排放到周圍環(huán)境中,而且攤鋪碾壓施工工藝與能耗之間存在著密切關(guān)系。值得注意的是,混合料碾壓過程的設(shè)備數(shù)量和碾壓遍數(shù),除了與混合料類型、鋪層厚度、混合料溫度、環(huán)境溫度等因素相關(guān)外,還在很大程度上取決于攤鋪機(jī)所攤鋪的混合料壓實(shí)程度[15]。當(dāng)混合料攤鋪壓實(shí)度較低時(shí),為了達(dá)到最終的壓實(shí)度要求,壓路機(jī)的數(shù)量和碾壓遍數(shù)則較多;當(dāng)混合料攤鋪壓實(shí)度較高時(shí),則相反。而設(shè)備數(shù)量和碾壓遍數(shù)多少,直接影響了作業(yè)能耗與排放大小。因此,關(guān)于瀝青路面攤鋪壓實(shí)過程與節(jié)能施工之間關(guān)系的理論與試驗(yàn)研究,可為節(jié)能減排施工提供理論指導(dǎo)和工程應(yīng)用參考。

本文以混合料攤鋪壓實(shí)度為切入點(diǎn),進(jìn)行壓路機(jī)的壓實(shí)試驗(yàn),得到混合料壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)之間關(guān)系;并進(jìn)行攤鋪機(jī)的攤鋪試驗(yàn),得到混合料攤鋪壓實(shí)度與振動(dòng)頻率之間關(guān)系;建立與混合料攤鋪壓實(shí)度相關(guān)的壓路機(jī)數(shù)量計(jì)算模型、攤鋪機(jī)作業(yè)功率計(jì)算模型和壓路機(jī)作業(yè)功率計(jì)算模型,進(jìn)而建立攤鋪碾壓總體能耗計(jì)算模型,提出瀝青混合料攤鋪碾壓節(jié)能施工技術(shù),并通過實(shí)體工程進(jìn)行足尺試驗(yàn)研究。

1 混合料攤鋪壓實(shí)度與壓路機(jī)碾壓遍數(shù)的關(guān)系

壓實(shí)是壓路機(jī)對混合料進(jìn)行多次碾壓的過程,在這個(gè)過程中材料顆粒發(fā)生移動(dòng),增加單位體積固體顆粒數(shù)量,提高壓實(shí)度。瀝青混合料的壓實(shí)過程可以用流變學(xué)中的Burgers模型進(jìn)行描述,壓實(shí)過程中混合料具有非線性黏彈力學(xué)行為,每次碾壓其彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變?nèi)鐖D1所示[16]。

圖1 混合料碾壓應(yīng)變

圖1中,橫坐標(biāo)為壓路機(jī)的壓實(shí)作用時(shí)間,縱坐標(biāo)為被壓混合料的應(yīng)變。圖中曲線表明壓路機(jī)碾壓過程中,被壓材料的應(yīng)變由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變組成,t1為應(yīng)變達(dá)到最大的時(shí)刻。壓路機(jī)碾壓過后,瞬時(shí)彈性應(yīng)變會立刻恢復(fù),延遲彈性應(yīng)變逐漸恢復(fù),而塑性應(yīng)變則不能恢復(fù)。碾壓初期,混合料壓實(shí)度較小,碾壓阻力也小,這個(gè)階段彈性應(yīng)變所占的比例很小,塑性應(yīng)變所占的比例較大。碾壓末期,混合料已基本密實(shí),在這個(gè)階段塑性應(yīng)變所占的比例較小,彈性應(yīng)變所占的比例很大。當(dāng)混合料被壓實(shí)時(shí),壓路機(jī)碾壓之后,彈性應(yīng)變很快得到恢復(fù),幾乎不產(chǎn)生塑性應(yīng)變;若繼續(xù)碾壓不僅會壓碎石料破壞混合料級配,而且過度碾壓還會造成能源浪費(fèi)。由于不同的壓實(shí)設(shè)備性能不同,不同的混合料可壓實(shí)特性也有差異,因此碾壓遍數(shù)與混合料壓實(shí)度兩者之間的關(guān)系,需要通過實(shí)體工程進(jìn)行試驗(yàn)得到。

本項(xiàng)試驗(yàn)采用常用的AC20混合料進(jìn)行,混合料級配如表1所示,結(jié)合料為90#瀝青,混合料中瀝青用量4.3%,壓實(shí)厚度60 mm;壓路機(jī)采用110型振動(dòng)壓路機(jī),振動(dòng)頻率40 Hz,振幅設(shè)置為“2”檔,碾壓速度4 km/h;采用PQI301無核密度儀對混合料壓實(shí)度進(jìn)行無損檢測;在壓路機(jī)每完成一遍碾壓作業(yè)之后,測定混合料的壓實(shí)度。壓實(shí)度檢測采用Trans-Tech Systems Inc公司推薦的測量方法進(jìn)行,首先以無核密度儀與材料接觸圓盤為基礎(chǔ)在路面上畫圓,測量壓實(shí)度,再以圓的邊緣為基礎(chǔ)分割為4等份,分別測量壓實(shí)度,如圖2所示。取5次測量值的平均值作為該點(diǎn)的壓實(shí)度值,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表1 AC20混合料級配

圖2 壓實(shí)度檢測

圖3 碾壓過程壓實(shí)度變化曲線

圖3為混合料壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)變化曲線,可用擬合公式(1)表示。

(1)

式中:x為壓路機(jī)的碾壓遍數(shù);y為與碾壓遍數(shù)對應(yīng)的混合料壓實(shí)度;0.77為攤鋪機(jī)攤鋪混合料的壓實(shí)度(曲線與縱軸的交點(diǎn)),用y0表示;0.23為經(jīng)過壓路機(jī)碾壓后混合料達(dá)到的最大壓實(shí)度與攤鋪壓實(shí)度之差,當(dāng)最大壓實(shí)度為1時(shí)可用(1-y0)表示;式中3(由圖3曲線求出)表征了壓實(shí)效率,用C表示,稱之為壓實(shí)效率系數(shù)。

根據(jù)以上定義,可得混合料壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)之間關(guān)系,用式(2)表示:

(2)

由圖3和式(2)可知,混合料的攤鋪壓實(shí)度y0越高,達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度需要的碾壓遍數(shù)越少,但兩者之間并非線性關(guān)系。由以上分析可以看出,通過提高攤鋪機(jī)對混合料的攤鋪壓實(shí)度,可以減少壓路機(jī)的碾壓遍數(shù),從而降低施工設(shè)備的總體能耗和排放。

2 混合料的攤鋪壓實(shí)度與攤鋪機(jī)振動(dòng)頻率的關(guān)系

2.1 攤鋪機(jī)振動(dòng)熨平板的結(jié)構(gòu)和工作原理

攤鋪機(jī)振動(dòng)熨平板配置了激振器可以用于提高混合料的攤鋪壓實(shí)度,典型的振動(dòng)熨平板結(jié)構(gòu)如圖4所示。熨平板由激振器中的偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力迫使其振動(dòng)。激振器的振動(dòng)頻率通常在0～55 Hz之間無級調(diào)節(jié)。

圖4 熨平板結(jié)構(gòu)

攤鋪機(jī)作業(yè)過程中,熨平板在激振器的作用下對混合料施加周期性振動(dòng)作用力?；旌狭现械念w粒在激振力的作用下,處于振動(dòng)狀態(tài),減小顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力,提高混合料的密實(shí)度;在這個(gè)過程中,混合料產(chǎn)生的密實(shí)效果與熨平板的振動(dòng)頻率密切相關(guān),當(dāng)振動(dòng)頻率很小時(shí)密實(shí)效果并不明顯;隨著振動(dòng)頻率增加,對材料的密實(shí)效果增強(qiáng);當(dāng)振動(dòng)頻率在材料的共振頻率范圍內(nèi)時(shí),變形阻力大幅減少,振動(dòng)壓實(shí)效果達(dá)到最佳。

2.2 混合料攤鋪壓實(shí)度與攤鋪機(jī)振動(dòng)頻率的關(guān)系

為了得到攤鋪混合料的壓實(shí)度與攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)頻率之間關(guān)系,進(jìn)行如下試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)選用的攤鋪設(shè)備為LT12攤鋪機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)功率156 kW。熨平板激振器的工作頻率在0～55 Hz之間可以連續(xù)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)材料采用目前公路施工中典型的AC20瀝青混合料(級配見表1),厚度60 mm。

2.2.1 試驗(yàn)方法

采用無核密度儀,在攤鋪過程中檢測攤鋪混合料的壓實(shí)度,如圖5所示。調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)頻率,在不同的振動(dòng)頻率下進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè);采用無核密度儀在攤鋪機(jī)剛鋪完尚未碾壓的鋪層上進(jìn)行壓實(shí)度檢測,同一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行5次試驗(yàn),取平均值,以確定攤鋪混合料的壓實(shí)度與熨平板振動(dòng)頻率之間關(guān)系。

圖5 采用無核密度儀檢測混合料的攤鋪壓實(shí)度

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)頻率與混合料攤鋪壓實(shí)度關(guān)系曲線,如圖6所示。

圖6 振動(dòng)頻率與攤鋪壓實(shí)度關(guān)系曲線

由試驗(yàn)結(jié)果并參考文獻(xiàn)[17]可得攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)頻率與混合料攤鋪壓實(shí)度關(guān)系數(shù)學(xué)模型,如式(3)所示。

(3)

式中:y0為混合料的攤鋪壓實(shí)度;y1為攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)頻率設(shè)置為零時(shí)攤鋪混合料的壓實(shí)度;y2為熨平板振動(dòng)對混合料壓實(shí)度的影響系數(shù);ω為振動(dòng)頻率,Hz;ω0為系統(tǒng)無阻尼固有頻率,Hz;ζ為阻尼比。

圖6和式(3)表明對于不同的混合料,式中具體參數(shù)會有所不同,但變化趨勢相同;混合料的攤鋪壓實(shí)度與攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)頻率密切相關(guān),而且都存在與壓實(shí)度峰值對應(yīng)的頻率。在振動(dòng)頻率較小時(shí),混合料的攤鋪壓實(shí)度較低;隨振動(dòng)頻率增大攤鋪壓實(shí)度在增加,當(dāng)振動(dòng)頻率在35 Hz附近時(shí),攤鋪壓實(shí)度接近最大值,此時(shí)的頻率稱之為高效振動(dòng)頻率。因此,可以通過調(diào)整攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)頻率,使其處于高效振動(dòng)頻率范圍內(nèi),可獲得較高的混合料攤鋪壓實(shí)度。

3 攤鋪功率模型

3.1 攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)頻率與驅(qū)動(dòng)功率的關(guān)系

由于提高混合料的攤鋪壓實(shí)度,需通過調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)頻率完成,會增加其功率消耗,因此需要研究攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)頻率與驅(qū)動(dòng)功率之間的關(guān)系,以確定提供振動(dòng)頻率所增加的功率。驅(qū)動(dòng)攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)的功率與熨平板的參振質(zhì)量、振動(dòng)參數(shù)、攤鋪材料的物理力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān),占攤鋪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)總輸出功率的8%以內(nèi)[18]。本文采用的攤鋪機(jī),其發(fā)動(dòng)機(jī)為BF6M1013C,額定功率156 kW[18]。熨平板的單位長度質(zhì)量620 kg/m,偏心軸的單位長度質(zhì)量1.6 kg/m,偏心距23.3 mm。由于目前尚未建立熨平板振動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率與振動(dòng)頻率之間關(guān)系理論模型,因此需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。圖7為通過試驗(yàn)得到的攤鋪機(jī)熨平板單位長度的驅(qū)動(dòng)功率與振動(dòng)頻率之間關(guān)系曲線,可得擬合為

圖7 熨平板振動(dòng)單位長度驅(qū)動(dòng)功率與振動(dòng)頻率關(guān)系曲線

PZ1=2×10-4ω2+6×10-4ω+1.62×10-2

(4)

式中:PZ1為熨平板振動(dòng)單位長度所需驅(qū)動(dòng)功率,kW/m;ω為振動(dòng)頻率,Hz。

式(4)表明振動(dòng)頻率增加,驅(qū)動(dòng)功率隨之以很小的幅度增長,即振動(dòng)頻率變化對驅(qū)動(dòng)功率的影響并不顯著,相對發(fā)動(dòng)機(jī)功率而言其所占比例非常小。

3.2 攤鋪機(jī)作業(yè)功率模型

攤鋪機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,可以在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出端檢測轉(zhuǎn)速和扭矩得到作業(yè)功率,這種檢測方法雖然準(zhǔn)確,但是需要將轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器接入傳動(dòng)系統(tǒng)中,在工作現(xiàn)場實(shí)施難度很大。若直接檢測機(jī)械功率有困難時(shí),可由式(5)計(jì)算。

(5)

式中:PZp為攤鋪機(jī)作業(yè)功率,kW;Msp為攤鋪機(jī)熨平板不開振動(dòng)時(shí)的實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)率,t/h;PCsp為攤鋪機(jī)額定作業(yè)能力,t/h;Psp為攤鋪機(jī)額定功率,kW;L為攤鋪機(jī)熨平板寬度,m。

4 壓實(shí)功率模型

4.1 不同攤鋪壓實(shí)度下所需壓路機(jī)數(shù)量

進(jìn)行熱拌瀝青混合料碾壓作業(yè)時(shí),壓路機(jī)的數(shù)量應(yīng)滿足連續(xù)施工的要求。式(1)、(2)和圖3表明,壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)與混合料的攤鋪壓實(shí)度負(fù)相關(guān),可以由混合料的攤鋪壓實(shí)度,得到壓路機(jī)的碾壓遍數(shù),進(jìn)而計(jì)算壓路機(jī)數(shù)量。

根據(jù)攤鋪機(jī)的作業(yè)速度、攤鋪寬度,壓路機(jī)的碾壓速度、鋼輪寬度、碾壓遍數(shù),可由式(6)～(8)計(jì)算壓路機(jī)數(shù)量,攤鋪和碾壓示意如圖8所示。

圖8 攤鋪和碾壓過程示意

(6)

(7)

(8)

式中:nm為壓路機(jī)數(shù)量;B為路面寬度,m;vp為攤鋪機(jī)作業(yè)速度,m/min;x為碾壓遍數(shù);b1為壓路機(jī)有效碾壓寬度,m;n為壓路機(jī)橫向碾壓道數(shù);b為壓路機(jī)的鋼輪寬度,m;h為壓路機(jī)的碾壓重疊寬度,m;vr為壓路機(jī)的碾壓速度,m/min。

4.2 壓路機(jī)作業(yè)功率模型

壓路機(jī)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,可以采取與攤鋪機(jī)相同的方式得到壓實(shí)功率,計(jì)算方法為

(9)

式中:PZr為壓路機(jī)作業(yè)功率,kW;Msr為壓路機(jī)的實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)率,m2/h;PCsr為壓路機(jī)額定作業(yè)能力,m2/h;Psr為壓路機(jī)額定功率,kW。

5 基于工程量的攤鋪碾壓總體能耗模型與節(jié)能技術(shù)研究

5.1 攤鋪和碾壓能耗模型

根據(jù)規(guī)范要求,施工過程攤鋪機(jī)須保持勻速、連續(xù)的工作狀態(tài),此時(shí)攤鋪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化幅度較小,攤鋪機(jī)的作業(yè)功率和油耗之間關(guān)系可由發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性曲線確定。

根據(jù)攤鋪機(jī)作業(yè)功率PZp,或壓路機(jī)的作業(yè)功率PZr,由發(fā)動(dòng)機(jī)特性試驗(yàn)曲線得到功率比油耗率ge,可計(jì)算單位時(shí)間燃油消耗量Ge,即

Gep=PZpgep

(10)

Ger=PZrger

(11)

式中:Gep為攤鋪機(jī)單位時(shí)間燃油消耗量,kg/h;gep為攤鋪機(jī)單位時(shí)間和單位功率下的油耗量,g/(kW·h)。Ger為壓路機(jī)單位時(shí)間燃油消耗量,kg/h;ger為壓路機(jī)單位時(shí)間和單位功率下的油耗量,g/(kW·h)。

5.2 基于工程量的總體能耗模型

根據(jù)總工程量和單機(jī)完成的工程量,由如下模型計(jì)算施工過程能耗:

(12)

式中:E為整個(gè)工程燃油消耗量,kg;Ei為第i臺設(shè)備的燃油消耗量,kg;Qi為第i臺設(shè)備的作業(yè)工程量,m3;qi為第i臺設(shè)備的單位時(shí)間作業(yè)工程量,m3/h;Gei為第i臺設(shè)備的單位時(shí)間燃油消耗量,kg/h;Di為第i臺設(shè)備的作業(yè)距離,m;vi為第i臺設(shè)備沿作業(yè)方向的移動(dòng)速度,m/min。

對于典型的攤鋪碾壓作業(yè)場景,一臺攤鋪機(jī)和nm臺同型號的壓路機(jī)組合,根據(jù)式(10)～(12)可得其基于工程量的攤鋪碾壓施工過程總體能耗計(jì)算模型:

(13)

式中:E為攤鋪和碾壓設(shè)備總體的燃油消耗量,kg;D為設(shè)備作業(yè)距離,m;nm為壓路機(jī)數(shù)量。

5.3 攤鋪碾壓節(jié)能研究

由式(2)可知,碾壓遍數(shù)與攤鋪機(jī)的攤鋪混合料壓實(shí)度關(guān)系密切,可以采用提高攤鋪層壓實(shí)度的方法,減少壓路機(jī)的碾壓遍數(shù),進(jìn)而減少壓路機(jī)臺數(shù),以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)頻率對瀝青混合料攤鋪層壓實(shí)度有顯著影響,振動(dòng)頻率較小時(shí),攤鋪層壓實(shí)度較低;隨振動(dòng)頻率增大,攤鋪層壓實(shí)度增加;當(dāng)振動(dòng)頻率接近材料的共振頻率時(shí),可獲得較高的攤鋪層壓實(shí)度。通過調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)熨平板的振動(dòng)頻率,得到高密實(shí)混合料攤鋪層,此時(shí)雖然增加了一些攤鋪機(jī)的功率消耗(增加的幅度很小),但是可以大幅減少壓路機(jī)的碾壓工作量,顯著降低施工能耗。

本文采用的LB12攤鋪機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)功率156 kW)和110型雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)功率93 kW),在高和低兩種攤鋪壓實(shí)度方案下進(jìn)行能耗試驗(yàn),試驗(yàn)方案如下。

試驗(yàn)采用AC20混合料進(jìn)行,混合料級配如表1所示。結(jié)合料為90#瀝青,混合料中瀝青用量4.3%,鋪層壓實(shí)厚度60 mm。

LB12攤鋪機(jī)作業(yè)寬度B=12 m,攤鋪速度為3.2 m/min。低攤鋪壓實(shí)度方案Ⅰ:攤鋪機(jī)振動(dòng)頻率10 Hz、攤鋪壓實(shí)度0.800、平均作業(yè)油耗Gep=25.6 kg/h;高攤鋪壓實(shí)度方案Ⅱ:攤鋪機(jī)振動(dòng)頻率35 Hz、攤鋪壓實(shí)度0.901、平均作業(yè)油耗Gep=26.1 kg/h。

110型壓路機(jī)的壓實(shí)寬度b=1.9 m、重疊寬度h=0.25 m,振動(dòng)頻率40 Hz、振幅0.50 mm、速度4 km/h (66.7 m/min),平均作業(yè)油耗Ger=12.9 kg/h。試驗(yàn)過程中,攤鋪壓實(shí)度和壓路機(jī)的壓實(shí)度采用PQI301無核密度儀檢測。

攤鋪和碾壓參數(shù)見表2,根據(jù)式(2)可得壓路機(jī)碾壓遍數(shù),代入式(6)可得壓路機(jī)臺數(shù)。

表2 攤鋪和碾壓參數(shù)

由表2和式(4)可知,攤鋪機(jī)的振動(dòng)頻率由10 Hz增加到35 Hz,熨平板的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率僅增加了2.88 kW;在這兩種振動(dòng)頻率下,攤鋪壓實(shí)度由0.800提高到0.901,增加了12.6%;壓路機(jī)的碾壓遍數(shù)由8遍減少為5遍,減少了37.5%;壓路機(jī)減少兩臺。將相關(guān)參數(shù)代入式(13),可得方案Ⅱ與方案Ⅰ兩種工藝的能耗比,如式(14)所示。

(14)

式中:E1為第1種方案攤鋪和碾壓設(shè)備的燃油消耗量,kg;E2為第2種方案攤鋪和碾壓設(shè)備的燃油消耗量,kg。

由于第2種方案提高了混合料的攤鋪壓實(shí)度,碾壓能耗顯著降低,攤鋪和碾壓過程總能耗較第1種方案降低了30.4%。通過調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)的振動(dòng)頻率,可以得到高密實(shí)混合料攤鋪層,此時(shí)攤鋪機(jī)的功率消耗略有增加,但是可以大幅減少壓路機(jī)的碾壓工作量,顯著降低攤鋪碾壓過程的總體能耗。

6 結(jié) 論

在進(jìn)行壓路機(jī)的壓實(shí)試驗(yàn)和攤鋪機(jī)的攤鋪試驗(yàn)之后,建立了與混合料攤鋪壓實(shí)度相關(guān)的壓路機(jī)數(shù)量計(jì)算模型,進(jìn)而建立了攤鋪碾壓總體能耗計(jì)算模型,提出了攤鋪碾壓節(jié)能技術(shù),并通過實(shí)體工程足尺試驗(yàn)得出如下結(jié)論:

1)混合料的攤鋪壓實(shí)度越高,達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度需要的碾壓遍數(shù)越少;通過提高攤鋪機(jī)對混合料的攤鋪壓實(shí)度,可以降低施工設(shè)備的總體能耗,但兩者之間并非線性關(guān)系。

2)攤鋪機(jī)的振動(dòng)頻率對攤鋪混合料的壓實(shí)度有顯著影響,振動(dòng)頻率較小時(shí),攤鋪層壓實(shí)度較低;隨振動(dòng)頻率增大,攤鋪層壓實(shí)度增加;當(dāng)振動(dòng)頻率足夠高時(shí),可以獲得高密實(shí)的攤鋪層。

3)通過調(diào)節(jié)攤鋪機(jī)的振動(dòng)頻率,得到高密實(shí)混合料攤鋪層,此時(shí)攤鋪機(jī)的作業(yè)能耗增加很小,但是可以大幅降低壓路機(jī)的作業(yè)功率,顯著降低攤鋪碾壓的整體作業(yè)能耗。

4)試驗(yàn)結(jié)果表明,攤鋪機(jī)的振動(dòng)頻率從10 Hz提高到35 Hz,混合料的攤鋪壓實(shí)度從0.800提高到0.901,此時(shí)攤鋪和壓實(shí)設(shè)備的作業(yè)總能耗降低了30.4%,具有顯著的節(jié)能效果。