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摘要 沥青路面压实特性及控制技术研究 摘要 压实是保证沥青路面的使用质量最重要的环节之一，我国高速公路沥青路面出现的早期病害多 与施工期路面的压实不足相关影响沥青路面压实的因素有很多，主要有外界环境、层厚、初压温 度、材料性能及施工情况等。而目前在我国沥青混合料路面的施工碾压过程中，只要试验路碾压合 格后，以后无论气候环境如何变化，都不会改变压实机械及压实工艺，这样不利于路面压实度的保 证及压实机具的有效利用。为此，本文将对影响压实的各外部条件进行分析，研究不同混合料达到 目标压实度所需的压实能量，进而在分析机械所能提供的压实能量的基础上，得出基于外界环境变 化的混合料即时碾压工艺，以期改善目前碾压过程中的缺点，提高机械的压实效率，保证路面的压 实质量。 本文首先对沥青混合料降温规律进行了现场实测和分析，得知摊铺层厚度、风速、人气温度、 太冈l 辐射及混合料类型等各个冈素对混合料降温的影响关系，然后采1 4 - 1a b a q u s 有限元软什进行混合 料降温模拟计算，在与现场实测对比的基础上。模拟出各种类型混合料在不同外界条件下的降温规 律，进而得出有效压实时间的多冈素同门公式。 选取江苏省常见的儿种混合料类聚，分析了沥青在不同粘度卜i 对压实的影响，义利刖车辙扳的 不同压实遍数米模拟路面不同的乐实能量，分析不同级配对压实的影响，然后对不同的压实机械进 行研究，分析其能提供的不同的压实能量，得出适宜碾压的具体参数设置，最后分析了不同的压实 工艺对压实的影响。 在结合有效压实时间的基础上，综合分析施工单位的拌和、摊铺及压实机械，确定压实机械的 作业参数配置( 如摊铺机的摊铺速度、压路机的压实速度、混合料的碾压遍数等) ，并结合试验路的 具体情况，制定出沥青路面的即时碾压工艺。 关键词：沥青路面，环境因素，a b a q u s 模拟，有效压实时间，压实能量，机械参数配置，即时碾压 工艺 t h er e s e a r c ho fc o m p a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d c o n t r o lt e c h n o l o g yo f a s p h a l tp a v e m e n t a b s t r a c t 1 1 圮q u a l i t yo f c o m p a c t i o ni si m p o r t a n tt oa s p h a l tp a v e m e n t 1 1 l ee a r l yd i s e a s e so f a s p h a l tp a v e m e n t i n o u rc o u n t r yi sc o n c e r n e dw i t ht h ep o o rq u a l i t yo fc o m p a c t i o n t h e r e 玳m a n yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e a s p h a l tp a v e m e n tc o m p a c t i o n ：e x t e r n a le n v i r o n m e n t , s l i c et h i c k n e s s ，t e m p e r a t u r eo ft h ee a r l yc o m p a c t i o n ， t h ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l sa n dc o n s t r u c t i o n i nt h ec o n s t r u c t i o np r o e m si nc h i n a 。t h em a c h i n e sa n dt h e t e c h n o l o g yo fc o m p a c t i o nw i l ln o tc h a n g eb a s e do nt h eq u a l i f i e dt e s tr o a d t h i si sn o t c o n d u c i v et ot h e c o m p a c t i o nq u a l i t ya n dt h em a c h i n e r y t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ew i l la n a l y s i sv a r i o u se x t e r n a lc o n d i t i o n s w h i c hh a v ee f f e c to nc o m p a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e s e a r c ht h ec o m p a c t i o ne n e r g yi nt h ec o u r s eo fd i f f e r e n t m i x t u r et oa c h i e v eo b j e c t i v ev o i d ，a n dt h ec o m p a c t i o ne n e r g yw h i c hi sp r o v i d eo fc o m p a c t i o nm a c h i n e r y o nt h i sb a s i s ，c o m et ot h ei m m e d i a t ec o m p a c t i o nt e c h n o l o g yo fm i x t u r et oe n s u r et h ec o m p a c t i o nq u a l i t y a n dt h ee f f i c i e n c yo fc o m p a c t i o nm a c h i n e r y f i r s t ，t h ea r t i c l ea n a l y s i sv a r i o u sf a c t o r sw h i c hh a v ee f f e c to nt e m p e r a t u r eo fm i x t u r et h r o u g ht h es i t e m e a s u r e m e n t ，u n d e r s t a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a v i n gt h i c k n e s s ，w i n ds p e e d ，t e m p e r a t u r e ，s o l a r r a d i a t i o na n dm i x t u r et y p e ；a n dt h e nu s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et os i m u l a t et h ec o o l i n g p r o c e s si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sc o m p a r e dw i t ht h es i t em e a s u r e m e n t t h e n ，i ti se a s yt os o l v et h ep r o b l e m b e c a u s eo ft h em u l t i - f a c t o rr e g r e s s i o nf o r m u l a t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ee f f e c t so fd i f f e r e n ta s p h a l tv i s c o s i t yo fc o m m o nm i x t u r e si nj i a n g s u p r o v i n c ew h i c hh a v ei n f l u e n c eo nc o m p a c t i o n t h e ns i m u l a t et h ec o m p a c t i o ni no r d e rt oa n a l y s i so nt h e e f f e c to fd i f f e r e n tg r a d a t i o no nc o m p a c t i o na n dt h e na n a l y s i st h ee n e r g yw h i c hi sp r o v i d eo fc o m p a c t i o n m a c h i n e r y a n dc o n c l u d et h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sb ya n a l y z i n gd i f f e r e n tc o m p a c t i o nm a c h i n e r ya n di t s o p e r a t i n gp a r a m e t e r s a t l a s ta n a l y s i sd i f f e r e r e n tc o m p a c t i o nt e c h n o l o g i e sw h i c hh a v ei n f l u e n c eo n c o m p a c t i o n d e t e r m i n et h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o no fc o m p a c t i o nm a c h i n e r y ( s u c ha sp a v i n gs p e e d ， c o m p a c t i o ns p e e da n dm i x t u r er o l l e dt i m e s ，a n ds oo n ) o nt h eb a s i so fc o m b i n a t i o no fe f f e c t i v ec o m p a c t i o n t i m e , m i x i n g ，p a v i n ga n dc o m p a c t i o nm a c h i n e r ya n dt h e nc o m b i n a t i o no ft e s tr o a dc i r c u m s m n c e st o c o n c l u d et h ei m m e d i a t ec o m p a c t i o nt e c h n o l o g yo f a s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t , e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，a b a q u ss i m u l a t i o n , e f f e c t i v ec o m p a c t i o nt i m e , c o m p a c t i o ne n e r g y , i m m e d i a t ec o m p a c t i o nt e c h n o l o g y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：e l 期：型哆生! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：坍导师签名：i 进日期： 瑚它| 2 ，专口 第一章绪论 1 1 立题背景 第一章绪论 自本世纪三十年代起，高等级公路的出现及其迅速发展，标志着现代化公路建设的开始，它为 经济的繁荣奠定了坚实可靠的基础。在高等级公路建设中，沥青路面作为一种无接缝的连续式路面， 由于其自身的优点，如具有表面平整、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、施工期短、养护维修简 便、适宜于分期修建及再生利用等，现在越来越受到世界各国的重视。2 0 世纪5 0 年代以来，各国修 建沥青路面的数量迅猛增加，如美国在1 9 7 3 年沥青路面已占高等级公路的8 6 3 ，西德占8 0 ，英国 在1 9 7 5 年高达9 8 1 。在我国，自1 9 5 5 年京周公路沥青路面机械化施工出现后，沥青路面近几十年有 了很大的发展。特别是进入8 0 年代中期，以京津唐高速公路建设为契机，我国进入了高等级沥青路 面建设的新时期，提出了“重交通道路石油技术要求”，并开始进口国外高质量的沥青。这时候沥青 混凝土路面成为高等级公路工程崭新的结构形式，并且得到极大的发展。1 9 9 0 年底，我国建成通车 的高速公路沥青路面共有5 5 2 公里，而截巾2 0 0 6 年底，全国沥青路面总里程已达8 7 8 6 9 2 公里，超过了 水泥混凝士路面达2 3 2 2 9 7 公里。与此同时，国家“七五”、“八五”、“九五”、“十五”集体攻关，对沥 青混合料的技术指标与标准、混合料设计技术、混合料性能检测设备与方法、沥青路面现代化施。r 振涛设备、施工技术与施j 1 ：管理等的研究有了很大的提高【l 】。 然而，随着国民经济的发展，新的问题接踊而来。首先，经济的迅速发展带来了交通量的迅速 增长、车辆人型化、超载严重以及渠化交通等原冈，使得我国修建的沥青路面甲期损害现缘严重。 人量研究表明：我国沥青路面发生的早期损害和路面的压实度不足直接相关。如果碾压中出现任何 质量缺陷，那么必将对路面性能造成影响。良好的沥青路面质量也要通过碾压米体现，高质量的碾 压能提高路面承载力，增人密实度，减小空隙率，增加路面耐久性等，说明压实质耸的好与坏对路 面性能有很人影响。 压实是为了提高沥青混合料的强度、稳定性、抗疲劳特性以及增加路面的承载力，抵抗闪交通 荷载造成的道路变形。沥青混合料的压实度愈人，则路面空隙率就愈小，其稳定度、抗拉强度和劲 度就愈大，抗疲劳寿命愈长，在使用过程中产生的压缩变形也就愈小，从而使沥青面层具有初期良 好平整度和耐久性。相反，压实度不足的路面极易出现车辙。有研究发现：与标准压实度相对应的 空隙率每增j j n l ，沥青混合料疲劳寿命将降低约3 5 ，压实度每降低1 ，沥青混合料的渗透性将提 高2 倍，同时由于空隙率的增人，加速了沥青混合料的老化，影响路面强度和稳定性 2 1 。但压实度也 不是越高越好，过压反而使矿料破碎或使空隙率过小，易出现泛油和失稳现象，影响路面的强度与 使用。这些早期损坏现象，不仅给正常的公路交通带来了很大的障碍，严重影响了交通运输的安全 性和可靠性，同时在经济上也造成了重大的损失。在我国，公路路面的建筑费用往往占总投资的 2 0 5 0 ，有的甚至更甜引。但由于路面过早破坏现象严重，每年都需要花费相当一部分的人力、 物力、财力来用于养护和修补过早破坏的沥青路面。特别是在一、二级公路的改建费用中，路面投 资所占的比重更大。如何改变这种状况，如何能确保新建或改建沥青路面的使用性能和使用寿命， 是一个必须重视的问题，应该说现代沥青混合料层碾压的主要矛盾在于如何选择合理高效的碾压工 艺及合理地评价压实质量。 影响沥青路面压实的主要因素有：第一是外界环境( 包括气温、辐射及风速等) ；第二是压实 时的混合料的温度：第三是材料性能( 包括沥青性能、集料的性能及混合料配合比设计等) l 第四 是施工( 包括压实作业的工序、碾压机械的选型和组合及施工压实技术等) 碾压工艺是沥青路面施工的重要工艺和关键技术，碾压效果直接影响路面施工质量和使用耐久 性，改善压实工艺，保证沥青混合料的适当压实对于提高沥青路面建设质量意义重大。然而，由于 外部的气候条件、路面材料及混合料类型、机械组合等各方面因素的影响，导致压实的质量差异较 大比如，国内多数在建高速公路的施工细则对于碾压的控制只分有利和不利的气候条件来采取不 1 东南大学硕士学位论文 同的碾压方式，这种提法极其含糊其词，使得施工单位的技术人员很难把握，在很多情况下实际上 都是采用同一种碾压方式，这就不能保证压实的质量。 因此，只有对沥青混合料的压实特性和压实工艺进行研究，深入分析影响沥青混合料压实的影 响因素，采取适宜的压实设备和压实工艺，才能保证沥青混凝土路面压实度和实用性能的要求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 碾压温度场的研究 良好的沥青路面质量最终要通过碾压来体现，如果碾压中出现任何质量缺陷，必将前功尽弃， 而碾压温度是影响混合料压实密实度的最主要因素。沥青混合料在规定的温度范围内温度越高，其 塑性越大，越容易在外力作用下缩小其空隙和增加密实度，也越容易取得平整效果。但混合料温度 也不是越高越好，温度过高，会引起压路机两旁混合料隆起、碾轮后的摊铺层裂纹、碾轮上粘起沥 青混合料( 尽管用水喷洒) ，以及前轮推料等问题。而温度较低时，需要的压力较大，以克服越来 越大的内摩擦力。碾压工作变得较为困难，且容易产生很难消除的轮迹，造成道路路面不平整。因 此，如何控制碾压温度就成为了压实研究的重点。 然而由丁施：j ：都是在野外现场，这样，混合料降温就会受摊铺厚度、摊铺温度、气温、- 卜承层 温度、风力等诸多冈素的影响，混合料降温很快，降温规律极其复杂，这使得由室内试验得到的施 上温度很雉在现场施上时得以实现，而碾压温度场义直接反应了混合料的有效压实时间。冈此，欧 美等国极为重视温度场的研究j f 作，并从提高压实度的角度对沥青混合料有效压实时间进行了较为 全面和深入的研究。 1 9 7 6 年，j o r d a n 利t h o m a s 建立计算机模玳模拟摊铺后热沥青混合料的冷却规律。研究表明， 由丁基层温度较低导致刚刚摊铺的沥青混合料温度迅速。卜降，但是，随着时间的延k = ，沥青混合料 温度卜降速率主要取决丁沥青层状况( 摊铺厚度、摊铺温度等) 【4 j 。 1 9 8 0 年，b r o w n 研究了气温和风速对4 c m 厚沥青层冷却时间的影响，发现风速对沥青混合料冷 却速率的影响人丁气温的作川1 川。 1 9 8 5 年，d a i n e s 经过对沥青层冷却规律的研究，提山了有效压实时间的预估方法，以； l 】在施i ： 中能够对混合料温度进行有效控制1 6 j 。 1 9 9 8 年，h e n s l e y 介绍了在不同面层厚度、混合料温度、气温情况下，混合料降温至9 3 所需 时问的关系曲线v 1 。 现在，国外发展到利刚红外线摄像仪对混合料进行摄像，根据胶片颜色深浅得到混合料温度离 析情况及温度高低。这种方法能直观准确得到混合料温度情况，但还是无法得到混合料温度场随时 间变化的情况，所得的结果对施工指导意义并不大，而且由于这种研究手段费用很高，因而使用得 并不普遍。 我国对沥青混合料碾压温度场的研究起步较晚。八十年代以前，我国也铺筑了不少沥青路面， 由于路上通行的汽车数量不多，也没有重型的汽车通行，沥青路面的损坏并不太严重。然而从九十 年代我国多条高速公路开通以米，公路上的交通量大大增加，超载现象也很普遍，已经有多条沥青 路面公路出现了早期损坏，诸如水损坏、坑槽、车辙等。损坏的原因有很多，沥青混合料压实不足 是较常见的原因。于是人们开始研究沥青混合料的压实，新的压实工具和施工工艺层出不穷。碾压 温度对沥青混合料的压实有很大的影响，尤其是改性的沥青混合料对碾压温度的要求更高，研究者 对沥青混合料摊铺温度场的研究开始多起来，根据对大量的沥青路面温度分布与变化规律的实测工 作，并采用统计方法对观测结果进行了回归分析，得到了一些有价值的结果。 胡长顺教授指出，利用温度参数可以地估算有效压实时间，而有效压实时间的估计有助于确定 合理的碾压机械组合、碾压作业段长度等嘲。 1 9 9 6 年，在郑许高速公路沥青面层施工中，李长来对温度下降规律进行了观测，并研究了温度 对压实性能的影响，其结果在工程中得到应用唧 2 第一i 绪论 1 9 9 9 年，7 南省公路局伊如军等对河南许漯高速公路普通沥青混凝土面层施工的实铡数据进行 了研究，探讨了各种自然环境因素对有效压实时问的影响规律，得出了沥青混合料有效压实时间的 回l 公式”o l 。 长沙交通学院朱梦良教授在几个科技项目中都对沥青混合料摊铺温度场进行了较系统的研究。 在2 0 0 2 年，眭沙交通学院与湖南交通厅台作结台临湘至睦沙高速公路建设需要，对摊铺的上、中、 r 面层的撕青混合料温度场都进行r 现场脱删并做了大苗的室内试验，得到了大昔有h j 的结论， 通过这些有用的理论去指导路面的压实，经过实践检验，取得了较为理想的效果j 。 目前，国内外对热拌沥青混合料摊铺碾压温度场的研究还较少，主要原因有两个：一方面是道 路t ：作者对碾压温度场的重要性还缺乏足够的认识，认为凭着以往的经验，就已经足够保证道路施 j 的质量；另一方面是歃乏准确、有效的观测手段和方法，因为影响沥青混合料温度场的各种外界 气候崮素是报难界定的，各种罔素除了具有瞬时易变性之外，其相互之间还互有影响冈此，在研 究时报难 孜到系统性希l 准确性。 分析国内外对沥青有效压实时间的研究，发现其使用的方法多是单因素回归，卸只考虑某一个 田素对有效压实时间的影响虽然最终对多田素的影响提出了一些方法，但并没有利用数学方法综 合研究这些因素对有效压实时间的影响。而且，由于材料来源、施工j 艺、气候与环境条什的不同 国外的研究成果未必适台我国国情。通过对京福高速公路徐州两绕城段试验路面层施l 的实测数据， 探讨气i ；：；i 、风速、面层厚度( 摊铺厚度) 、碾压温皮、太日l 辐射等田秉对i c l j 青溉台科有效压实时间的影 响规律，得山r i _ ：| j 青7 m 台料有效压实时间的多因素闸门公式，升在此基础上建立了沥青7 m 台辩有效 压实时间的多田素同门预测模型，此方法能昭快速而且较为准确地得到压宴时间的预估值，在生产 中推j 虎删可咀提高沥青泄台料的压实质昔日i 沥青路面的使川品质与寿命。 】2 2 压宴机械及压实工芝的研究 随着科学技术的进步及现代化建醴的需要，压实机械也同其它旌i 。机械一样得到了不断的发展； 自i8 6 2 年1 * 州上j 现第台白行式燕汽式乐路机咀米，压路机已有一百多年的历史。在历尘的发腱 中，爪实机械基本是* 着静态光轮厅踏机轮胎压足 机振动f i 路机快速冲击舟这轨迹 米发展豹1 “”】。而日前所常川的乐路机土要是光轮压路机$ l 轮腑乐路机，如r 削。 蓐= _ 1 二 目i j 锕轮j * 踏机幽i2 轮胎m 路机 静态压实是利用压路机的静荷载对材料产生剪应力，周此，只要当这些剪应力接近混台料的剪 切强度时。也就是说，当材料产生塑性变形时就进行了压实。压实时，材料中的各个颗粒，移动 到更稳定的位置，从而就减少了 l 隙率增加了稳定性。 二十世纪三十年代德国晟甲利用振动压实十壤。1 9 3 0 年，德国在修筑公路网时研制了片 履带拖 拉机牵引的振动平板夯，首次将振动技术引 压实领域中。美国是发展土壤压实技术的先驱，在美 国发屡起来的士壤压实理论和方法在其它国家也被得到应用。振动压实机械的出现，引起各国制造 商的关注，对振动压实机械进行了实验研究。短短的几十年中振动压路机在世界各地得到了十分 广j 乏的应用。振动压路机由结构简单的拖式振动压路机，发展成结构复杂的轮胎驱动自行式单轮振 动压路机和双轮振动自行式振动压路机。最初，振动压实机械只用于压宴非粘性材科。随着技术性 3 东南大学硕士学位论文 能的改进和提高，振动压实机械已广泛用于粘性土、沥青路面和混凝土的压实工作。它在压实机理 上较以前有了重大地突破。压实效果的增长不再仅仅简单地依靠压路机的重量或线压力的增大，而 是利用振动来减弱被压材料内部的摩擦力和粘聚力，在垂直压力的作用下克服这些内部阻力而实现 内部压实的物理过程。 2 0 世纪7 0 年代压实机械发展史上的一项重大变革是迅速而普遍地推广了静液传动和液压控制 技术随着液压控制技术在振动压实机械上的应用，使得振动参数的调节成为可能。在2 0 世纪7 0 年代末期调频、调幅技术、振动技术被广泛应用于振动压实机械上，为压实作参数优化奠定了基础。 进入9 0 年代，压实机械与技术发展趋势可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 压实理论的研究更加显示出综合研究的特点，即从工作介质的材料特性、力学基础、施工方 法及机器结构、运动学与动力学的综合角度来研究压实作业过程压实技术和压实机械的发展将越 来越多地依靠压实理论的新突破。 ( 2 ) 压实机械的发展将带有多种施力方法综合作用的特点，即通过静压、揉搓、振动、捣实、冲 击等多种方法的联合作用来强化压实过程。 ( 3 ) 试验研究与计算机仿真技术的结合将成为更加重要的研究手段。c 剐d c a e c 脚d m 技术 的应用将使压实机械的研究从构思、设计、制造、试验、使用、维修到管理的全过程成为高度自动 化和现代化的j j ：作过程。 ( d ) 技术革命和高科技将继续推动压实机械向白动化、智能化、无人化和机器人化的方向发展。 碾压作业连续控制技术、_ 丁业设计技术等在压实机械中的虑川也为提高压实机械的作业性能、操作 舒适性和压实质量提供了保障。 压实1 ：艺是施j ：过程中的重要环：铬。选择合理高效的压实- 1 艺对保证路面性能具有决定性意义。 这种观点不是从米就有的，而是随着交通运输业的发展，交通鼙的增人，轴载的不断增人，车速的 提高，以及随之而米的安全、经济、舒适的要求等促使人们对路面性能以及施i ：质量，特别是压实 j i ：作的重要性进行重新认识的。国外对这一问题都相当重视，投入大量人力、物力加以研究。德国 b o m a g 公司通过人量室内及现场试验，提出了本国典型级配沥青混合料在不同厚度卜适宜的碾压 1 ：艺，包括机型、碾压遍数及土要压路机参数的选择i i6 | 。而我国一些建筑机械厂也开始研究可无级 调频、无级凋幅并且能直接反映密实度的压路机，这种压路机可适应不同类型材料的压实，但仍需 要进一步做i ：作，验证不同振频、振幅对压实材料的影响，并确定与其相适应的最佳振频和幅值， 以达到最佳的压实效果。 虽然压实机械有了很大的发展，但在我国沥青路面的压实过程中普遍使用的压实机械与方式仍 然是初压j j 振动压路机、复压用轮胎压路机及终压闱静压钢轮压路机。而压实工艺基本沿用以前的 经验，一旦在工程开始时使用了一种压实方案并得到合格的压实度后，以后的施： 中无论气候如何， 都不再变动压实： 艺，这显然不能保证压实的质量，同时也不利于压实机具的有效利用。 科学研究表明，通过采用先进的压实设备和改进的压实技术、压实工艺，使压实度略有提高， 便可使路面寿命显著增加。提高压实度，就会增加柔性路面的承载力，就会有更大的抵抗力来抵抗 交通负荷所引起的道路变形。因此，研究先进的压实设备、压实技术和压实工艺是十分必要的。 1 3 研究的目的和意义 对沥青混合料来说，沥青混凝土的空隙率取决于密实度的大小【i7 嘲，而空隙率又对沥青混凝土 的稳定性、抗疲劳性、抗车辙能力和耐久性等均有很大影响【1 9 1 。沥青混凝土的抗疲劳性和抗车辙能 力等性能都随其空隙率增加而降低。因此，提高沥青面层的使用性能，减少沥青面层可能产生的早 期损坏现象，控制沥青面层的空隙率，提高其压实度是十分必要的，也是可行的。在我国，沥青面 层通常铺筑在强度高和承载能力大的半刚性材料层上，它为碾压沥青混合料层提供了一个很好的下 承层，使沥青混合料较易达到高的压实度 2 0 l 。而且我国高等级公路的路面施工，通常采用现代化重 型压实设备，只要在规定温度范围内，合理选择碾压机械类型和工艺参数，保证必要的碾压遍数就 可以达到较高的压实度，从而可以保证施工质量，延长道路的使用寿命 4 - 第一章绪论 碾压工艺是沥青路面施工的重要工艺和关键技术，碾压效果直接影响路面施工质量和使用耐久 性改善压实工艺，保证沥青混合料的适当压实对于提高沥青路面建设质量意义重大。 京福高速公路徐州西绕城段是徐州城区外围交通的主骨架，为徐州特大城市建设拉开了框架， 对于形成徐州四通八达的立体化现代交通、促进徐州经济社会大发展和徐州中心城市做大做强至关 重要京福高速公路徐州西绕城段沥青路面的质量直接体现了徐州的城市面貌，是徐州经济发展水 平的风向标，为保证其路面的铺筑质量与使用的耐久性，非常有必要对沥青路面的压实特性和控制 技术进行研究本次研究的结果将直接用于京福高速公路徐州西绕城段沥青路面施工的技术指导。 江苏省高速公路建设2 0 0 6 年计划确保建成3 5 0 公里以上，同时保持8 0 0 多公里续建项目。本项目的 研究成果可在全省范围内推广使用，有助于提高高速公路的沥青路面建设质量，形成巨大的社会、 经济效益，具有良好的产业化前景。 1 4 主要研究内容与技术路线 本文主要研究内容与技术路线如下： 1 4 1 沥青混合料碾压温度场及有效压实时间分析 环境对沥青路面压实效果产生影响主要表现为：温度、风速与太阳热辐射，此外还要考虑摊铺 现场的情况如摊铺层温度、摊铺层的厚度等。摊铺层厚、环境的温度高，风速小或没有风，沥青混 合料摊铺后热量损失较小，压实就比较容易。相反，如果摊铺层薄，环境温度又比较低，要达到要 求的压实度就比较困难。高温的沥青混合料在摊铺碾压后，受到这些多方面因素的影响，其温度会 不断下降，对其温度场降温规律的分析有助于即时有效地碾压成型混合料，保证设计压实度的要求。 具体的研究内容和技术路线如下： 温度场的实测与分析 由于外界温度条件、风速及风力条件、混合料摊铺层厚度及太阳辐射等条件对沥青混合料温度 下降规律具有重要影响，为了分析其中的变化规律，结合试验路，选择在不同的外界温度条件、风 速及风力、摊铺层厚度及太阳辐射条件下来分别测试沥青混合料摊铺碾压温度场的变化情况，分析 外界环境对沥青混合料有效压实时间及压实效果的影响 沮度场数值分析及基本参数 选取摊铺后的混合料层作为模拟对象，详细分析沥青路面结构温度场数值模拟的边界条件，并 5 东南大学硕士学位论文 收集参考以往相关研究文献，确定出本次不同沥青路面结构温度场计算时不同路面材料的热物理参 数，建立有限元模型，对沥青混合料的热特性参数及模型的各类边界条件进行分析、确定，建立沥 青路面温度场有限元模型，通过有限元对不同条件下的沥青混合料温度场的温度变化情况进行模拟， 得出其温度场变化规律。 温度场数值结果对比分析及数值模拟 首先确定一定的边界条件，通过有限元的模拟，对沥青混合料的温度场计算结果进行分析，并 对比分析理论计算值及实测温度值，从而探讨了沥青路面结构温度场理论计算的可行性，在满足精 度要求的范围内用有限元来模拟沥青混合料的温度场变化情况，最后可得出不同条件下沥青混合料 温度随时问的变化关系。 沥青混合料有效压实时间回归 通过上面的分析可知，沥青混合料在摊铺过程中，其温度的下降要受到很多因素的影响，包括 大气温度、风速、太阳辐射等自然气候条件，也包括混合料的初始温度及摊铺层厚等因素，因此， 其下降规律是很复杂的，首先通过对各因素与有效压实时间进行回归分析，研究其对有效压实时间 的具体影响，根据单因素分析结果，建立多元因素回归模型，通过输入各参数变量值，即可得出沥 青混合料的有效压实时间。 1 4 2 压实特性及压实工艺分析 不同的沥青混合料具有不同的压实性能。传统的密级配沥青混合料由于细集料较多，运输中热 量敖火少，达到要求乐实度所需要的压实能餐相对较少。而如今为了适应重载交通的要求也越来越 多的使川一些间断级配或召架密实型的沥青混合料，如s u p e r p a v e 、s m a 等，相比密级配的沥青混 合料，这些骨架性强的混合料含粗集料较多，更难以压实，需要更多的压实遍数、更人的压实能量 及合理的碾压i ：艺才能达剑设计要求的乐实度。 不同的成型温度- 卜的沥青粘度也不同，进而反映剑碾压过程中就是碾压时所需的碾压能量不同。 针对不同成硝温度f 各种混合料的体积参数的测定，分析沥青粘度对混合料压实特性的影响。 对丁不同级配类型的混合料，其内部颗粒的排列规律也不同，颗粒间互相作用力的强弱不同， 川相同压实：i ：艺进行压实后的效果也不尽相同。冈此针对各种类型级配的混合料，研究对丁不同级 配类型混合料选用不同的压实： 艺组合至关重要。 压实技术中压实机械的合理配置和先进的碾压技术是决定碾压效果的关键。现有的压实机械主 要有静态压路机、振动压路机、冲击压路机和胶轮压路机。它们各自的特点和使用范围各不相同， 因此在实际工程中选取合适的压实机械显得尤为关键。 具体研究内容和技术路线如下： 沥青混合料对压实特性的影响 沥青混合料类型主要包括沥青混合料的沥青种类及粘度、级配类型、集料特性等。沥青的等级 与数量，尤其是施工过程中沥青的软硬程度，直接影响了沥青混合料的可压实性。改性沥青由于硬 度大稠度高就需要更多的压实功。而混合料中集料含量的增加或最大尺寸的增大，都会使其工作度 下降，要达到要求的密实度就必须选用有较大压实能力的压路机。所以对不同的混合料类型，要根 据现场的环境条件采取不同的压实对策。本次研究选择江苏地区常见的几种沥青混合料类型，着重 分析沥青粘度及级配对混合料压实特性的影响，测试沥青混合料的内部因素对有效压实时间的影响 压实机械设备对压实的影响 静态压路机可在被压材料上施加垂直方向静压力，振动压路机可在被压材料上施加垂直方向激 振力，轮胎压路机不仅给材料施加垂直方向的压力，还有对于材料的搓揉。不同的压实设备对沥青 路面产生不同的压实效果有时甚至压实后沥青混合料中集料的颗粒分布结构也不同本研究针对 6 第一章绪论 试验路的类型及采用的压实机械，拟分析机械设备对沥青路面压实阶段的影响，包括压实设备吨位、 振动方式、振幅、振动频率等影响因素，以便配合不同的环境因素和沥青混合料类型选择不同的压 实机械组合 不同压实工艺结果分析 碾压成型是形成沥青混合料强度和保证使用性能的关键因素，成型下艺与材料问的相互作用直 接影响材料的使用性能。对同一种材料采用不同的压实工艺，压实效果有明显差异；同样，同一压 实工艺作用在不同类型组成结构的混合料上，则压实效果也不同。因此对不同材料来说，均存在材 料与压实工艺的最佳组合，应根据混合料类型及材料来制定压实工艺。 沥青路面碾压时一般分为三个步骤，即初压、复压和终压。初压是为了达到整平沥青混合料、 为复压创造有利条件的碾压，初压一般采用轻型钢筒式压路机或者关闭振动的振动压路机进行碾压； 复压主要是使沥青混合料密实、稳定、成型，一般采用重型轮胎压路机或者振动压路机；终压主要 是为了消除轮迹形成平整的压实面，一般采用钢轮压路机或者关闭振动的振动压路机进行压实。不 同的压路机具有不同的压实特性，不同的路面类型也应采用不同的压实工艺类型。在整个沥青路面 的施： 期间，虽然沥青混合料的类型相对同定，但外界环境却是实时变量。一种碾压方式组合不能 适用于所有情况，因此如何结合现场情况，合理的安排振动压路机、胶轮压路机和钢轮压路机的碾 压顺序、碾压遍数，显得尤为重要。本次研究选择三种沥青混合料类型，采用不同的碾压ji ：艺，测 试沥青混合料的压实度、构造深度、压碎率、路表均匀性、渗水系数和平整度等物理指标参数，检 验其对沥青混合料的压实效果，井分析如何利h j 现有的压实机械在沥青混合料所能提供的可压实时 间内保证路面达到要求的乐实度，包括碾压速度、碾压长度、碾压遍数、碾压组合、有效压实时间、 压实沥青混合料的温度等的确定，指导现场碾乐施l ：。 1 4 3 沥青路面即时压实方案研究 整个施ji ：季。i l j i - 压实方案应随着气候、沥青混合料类型的变换而变化。但在相对较短的时间内， 压实方案义应该保持相对同定，以便丁操作。 本研究拟通过系统地分析气候、材料、机械等各冈素对沥青路面压实性的影响，建立相且之间 的关系，给出针对jl ：科实际的即时压实方案。 具体研究内容和技术路线如卜： 压实能量分析 通过对室内马歇尔压实能量以及混合料达到目标空隙率所需的压实次数，大致得出沥青混合料 达到目标空隙率所需的压实能量，通过进一步对现场压实机械所能提供的压实能量的研究，可估算 出混合料所需的压实遍数。 碾压机械配置 在沥青混合料的实际碾压过程中，影响碾压机械配置的因素有很多，比如沥青混合料的有效压 实时间、沥青混合料的摊铺厚度与面积、碾压作业段长度、碾压速度及碾压遍数、压路机的有效：i ： 作时间等，通过对这几个主要方面的讨论，得出对铺设路段的碾压机械配置方案。 即时压实方案制定 建立气候、材料、机械等综合因素对沥青路面压实性影响的关系表，综合分析，定量的给出针 对工程实际的即时压实方案。 - 7 - 束南大学碗学位论文 第二章混合料碾压温度场及有效压实时间分析 沥青混台料是沥青与级配矿料按照一定地油石比经拌合而成的级配混合料，虽然沥青在沥青混 合料中只占很小一部分但是由于沥青是一种粘弹性村料，混台料的各种体积参数及其性能受温度 影响极大，特别是沥青混合料经过摊铺后，碾压成型时的温度直接影响沥青路面的压实质量。碾压 沮度较高时，可由较少的冁压次数，得到较高的密实度和较好的压实效果。但碾压温度过高会产 生横向裂纹或推移，形成凹凸不平，并且横向裂纹会在以后的行车作用下形成坑槽影响路面的平 整度或造成行车困难和不舒适感；碾压温度过低，则路面不易压实，形成较大的空隙，永分容易渗 ，使牯结力降低，沥青从矿料表面剥落而且沥青容易与大气接触，加速老化，影响沥青混凝土 路面的使用寿命。据调查，我国许多新建高速公路的沥青路面通车后不久就出现早期损坏，很大一 部分就是因为碾压时没有在适宜的碾压温度范围内进行碾压成型造成的然而由于受气温、风力、 太阳辐射等菩方面因素的影响热拌沥青混合料降温规律极其复杂，实际操作这个碾压温度的范围 是报难控制的，田此，只有通过掌握沥青漉台料摊铺碾压温度r 降的规律，确定其有效压实时问 才能保证沥青批凝十路面压实度平实用性能的要求，这对于控制好沥青路面的质埘几有重要的意义。 本研究结台京梢高速公路徕，1 1 曲绕城段实体i 程，米测试膨响温艘场的田素，亓对其进乱_ 分忻。 2 , 1 温度场的实测与分析 京_ 鬲高述公路徐州两绕城段试验路的路面结杜j ：f 面层是s 啪的s u p e r 2 5 ，中面层是6 c m 的 s u p e r 2 0 ，上面层是45 e r a 的s m a - 】3 ，奉次试验时由r 巾、f 面i 层已经摊铺完毕搜j i i 仪对上面层 测试其山部备点在摊铺碾乐过矬中的温度变化芙系。试验准备如f ： 测试内容 测试沥青i m 台料摊铺后上面层问并点的温度变化以及外界环境中影响沥青路面材料濡度变化 的主要硐素，包括：人气渝度，太日l 辐射、风述等弗h 分析其对浙青濉合料材料阡温的影l 柄。 试验仪器 本次试验测试温度时采的是p t l c 0 昀铀电阻温应传感器，精度为01 ，其导线及接头部分经 过了酎高韫和耐碾压处理。以防止在摊铺碾压过程中被破坏，如削21 ： 缮 圈2 1p 1 0 。铂电阻温度传感器 采用x m d - - 2 0 0 0 多点述回检铡仪来采集温度敷据；另外采用p r o v a a 7 风速位来铡试 第二章混音料碟温度墒厦有效实时目分析 风速值，t 王1 0 2 总辐射表来测试太阳辐射值。 传矗器布置 为了测试摊铺碾压时沥青混合料层各点的温度变化最好将更多的温度传感嚣布置于沥青层内 上下各处，然而，由于上面层较薄仅为45 c m ，故而在同一点上只埋设了上、中、下三个温度传 感嚣，用这三个点处的温度来大致分析整个沥青层的温度变化情况。温度传感嚣具体布置如下图2 2 ； 而且通过测试完后钻苗取样后可知，传感器的位置基本在预期点上( 如图2 3 ) ，因而可以认为这样 试验是基本可行的。 酗2 2 温度传感# 布置幽酗2 30 样中的度悻辟位置 科试方案 在尚未摊铺踏段，将三个传感器川支架州定在路上，堪茸位三个传搏器均匀分布在j 二l 面层的上 中、f 三个位置。在测试时注意在碾压的最初阶段，由丁温度变化较大麻以较垣时间间隔不断记 录r 备点的温度值，同时记录f 外界的太刚辐射厦风述值。井且当压路机碾压时，记录f 压路机的 瑁号、碾雁遍数、碾压方式及碾压速度。随着摊铺历碾压的进行，温度变化幅度较小，此时可以逐 渐以稍的时问间隔米采集数据。 2 1 i 不同大气温度对温度场的影响分析 为了比较外界不同人气温度对沥青混台料摊铺后温度变化的影响，我们在7 时及1 4 时分别测试 了两个点外界环境因奈见f 袁21 ： 表21 不同大气温度时的外界环境目素 时间平均大气温度( )平均风速( m s )平均太阳辐射( w m 2 ) 7 时2 353 4 1 4 时”632 外界环境因幕中，两次测点的平均风速相差无几但是平均太阳辐射有较大差异在分析时注 意将辐射的影响也考虑在内。现单取其面层中间点的温度值绘幽如r 东南大学硕士学位论文 、 p 、- ， 越 赠 o5l o1 52 0 2 5 3 03 5 4 0 4 55 0 5 5 6 0 时间( m i n ) 图2 4不同大气温度下面层中点温度变化曲线图 由图2 4 可知，热拌沥青混合料刚开始摊铺后，温度开始有个迅速升高的过程，这是由于混合 料刚开始摊铺，与传感器才相互接触，再加上传感器有个反应的时间过程，因而早现出这一曲