影响沥青混合料摊铺和压实的因素

2021-05-14

影响沥青混合料摊铺和压实的因素有以下几方面,下面我们分别来了解。

  沥青混合料摊铺和压实的费用大约占整个工程成本的1~2%,但道路质量和使用寿命却主要依赖最终的摊铺和压实。根据Linden R.N(见参考文献1)的理论,空隙率每增加1%,铺层寿命降低约10%。影响沥青混合料摊铺和压实的因素包括沥青混合料的性能、机器参数和施工环境情况。选择适合的机器和如何正确使用都是非常重要的。
  冷却时间是沥青混合料压实最重要的参数之一,快速和正确地计算冷却时间对工程承包商选择施工设备和数量是非常必要的。此外,合理选择机器参数也是以最低成本达到**施工质量并满足规范要求的基本条件。PaveComp是瑞典戴纳派克公司根据几十年科研基础上开发的一套用来辅助沥青混合料摊铺和压实的专业计算机软件,根据所用沥青混合料特点、生产率要求、混合料温度和其他必要的施工条件,为用户推荐实现施工要求的**化和经济合理的摊铺机、熨平板,压路机型号和数量及使用方法。

1 沥青混合料的摊铺
  摊铺机的任务是提供平整的摊铺表面,均匀的预压密实度和设计摊铺厚度,为压路机的压实提供足够稳定性。因此摊铺机的工作性能是实现施工要求的最重量因素。
  很多因素影响摊铺质量,如熨平板类型,摊铺机类型,混合料性能等。表1综合了影响最终摊铺效果(如表面平整度、预压密实度、表面构造和混合量离析等)的因素。
  在摊铺过程中,熨平板的参数在某种程度上能影响整个摊铺过程。预压密实度,表面平整度和组织结构,在很大程度上依赖于摊铺过程的好坏。按压实系统可将熨平板分为振动型、振捣和振动组合型、高密实度型。选择熨平板要根据实际情况,如混合料类型,摊铺宽度,铺层厚度,施工现场的条件和用户爱好。无论机械拼装和液压收缩式熨平板都有上述三种熨平板供选择。但影响预压密实度的**要素是熨平板重量,重的熨平板比轻的熨平板有更高的预压密实度。在摊铺过程中,要考虑以下因素:
  (1)熨平板前端料的高度;
  (2)摊铺速度;
  (3)实际摊铺厚度;
  (4)表面平整度;
  (5)摊铺宽度;
  (6)接缝;
  (7)摊铺时混合料温度;
  (8)混合料的离析。
  摊铺速度要尽量保持不变,因为变化的摊铺速度会导致不平整的摊铺表面。停车也是一个问题,不仅会破坏表面平整度,而且会产生温度离析。每次摊铺机停车时,熨平板有下降陷入铺层的趋势。熨平板前端的料和后端部分压路机无法压实到的地方开使冷却时,熨平板下的混合料却仍是热的。因此当摊铺机重新启动,熨平板要略微提升来克服熨平板前端的冷料,并在铺层上留下突起。
  硬料需要重熨平板,而不稳定的混合料则要使用相对轻的熨平板。因为硬料一般会将熨平板顶起,而软料则没有足够阻力来支撑重的熨平板。
  另一个影响摊铺结构的因素是混合料的摊铺温度。不同的摊铺温度能产生不同的表面平整度,也影响熨平板的密实效果。当混合料冷却时会产生更大的阻力阻碍压实,此时,主机需要更大的牵引能力来克服阻力。因此,摊铺较冷的料需要大牵引能力的摊铺机和重熨平板。
  选择沥青搅拌设备的型号要先确定熨平板型号,熨平板必须能摊铺指定的宽度。另外还取决于沥青混合料的类型和摊铺厚度。然后,根据选定的熨平板来选择主机。主机必须有足够动力来牵引和支撑指定宽度的熨平板。同时要能满足指定的生产能力。至于轮胎式或履带式,则根据施工基础的形式确定。

2 沥青混合料的压实
  美国沥青研究所(见参考文献2)将影响沥青压实的因素做了归纳。常见的因素被分成材料因素,机器因素和环境因素。其中,材料因素包括:混合料类型、沥青针入度、**石料尺寸、铺层厚度、最高的压实温度、最低的压实温度和生产能力;环境因素包括:环境温度、基层温度和风速;机器因素包括:线压力、振幅、频率、碾压遍数和碾压速度。
  沥青混合料可以分成稳定沥青料和软沥青料。交通荷栽的增加导致了稳定性高的沥青面层的使用。因此,含高粘度沥青和高碎石含量的破碎骨料的硬沥青混合料被广泛使用。它有高的压实阻力,需要使用高压实效果的设备。因此振动压路机成为首选。
  软沥青混合料在压实时会有侧向位移而产生细小横向表面裂纹(3~5mm深)。适当的终压实或道路使用后的车辆行驶,可以修复这些裂纹。若产生纵向裂纹,因其深度一般很难完全修复。因此压实软沥青需要采用特殊的方法和设备。一般软沥青必须在冷却后才开始压实,即压路机距离摊铺机远些,很多时候是长车道(不小于100m)压实。为了稳定混合料,一般先采用二遍静压。此外,大直径的钢轮和低压实速度也能防止隆起和裂纹的发生,同时适合采用高频低振幅来压实这类混合料。表面终压多使用轮胎压路机。
  薄铺层通常可提高摊铺速度,提高表面性能,但对压实要求很严。若压路机提高速度以配合摊铺机的工作,就可能达不到指定的密实度。因此要实现指定的密实度,就要增加压路机数量。为避免压碎骨料,要选择高频低振幅。另外,薄铺层冷却速度非常快,这也是压路机必须迅速高效地达到指定密实度的原因。
  当沥青铺层厚度达到20cm时仍能达到高的密实度。但是,碾压过厚的铺层会产生表面波动。厚铺层压实从距离车道边缘一定距离开始,然后慢慢接近边缘,防止边缘物料发生位移。大钢轮直径和高振幅适合这些场合的使用。高振幅可确保整个铺层都有良好的密实度。
  沥青面层的发展趋势是薄铺层和大骨料。但薄铺层和大骨料在压实中容易发生骨料压碎。为了避免骨料压碎但又保证密实度,解决方法就是使用低振幅(0.2~0.25mm),随之相应要提高频率(65~70Hz),这样就能保证达到指定的密实度。
  压实过程中还要确定最适宜的碾压遍数。若碾压遍数过少,就达不到要求的密实度。若遍数过多,即不经济,又可能过压实,对以后的使用造成不良影响。图1是在确定的压路机型号和混合料类型下,如何找到最适宜碾压遍数的方法。在戴纳派克的压实实验中,采用7.5吨双钢轮振动压路机来压实石沥青玛踢子,并要求达到指定的密实度。从图上可以发现,该工作最适宜的碾压遍数为6遍。
  合适的碾压速度范围为2~6km/h。厚铺层采用低碾压速度能达到高的密实度。碾压遍数取决于许多因素,首先是混合料的压实性能和指定的密实度。
  目前用于沥青压实的压路机种类很多。压路机的选择受工程类型、规模和当地人的使用喜好的影响。
静压压路机的压实主要依靠机器的静重,当然也受钢轮直径的影响。
  轮胎压路机的压实主要依靠机器的静重,轮胎的压力。一般与静压光轮压路机或振动压路机配合使用,主要在终压实阶段消除前几次压实的钢轮痕迹,密封表面。其用途更多的是表面处理而不是压实。
  振动压路机包括了静载荷和动载荷。振动可极大降低物料的内聚力,即使使用相对较小的静线压力,也能提高压实效果。振动压路机可进行复压实和终压实。在复压中,它能达到最终的密实度要求。而小型施工中,仅采用静压可完成表面密封。大型施工中,终压实多使用静压光轮压路机或轮胎压路机。与静压压路机相比,振动压路机有更大的生产能力,因此在大型施工中,它们是非常经济实用的。
  热沥青混合料的压实性能受温度影响很大。通常摊铺温度在130 - 160℃之间。在此温度范围中,沥青非常软,且是塑性的;随着温度降低,沥青的粘度增加,压实阻力也就相应升高了。
  通常振动压路机的压实是在摊铺后马上进行,并在**遍就打开振动。但在软和不稳定的沥青混合料中,则开始两遍使用静压,且压实速度为1~2km/h。压路机要紧跟在摊铺机后面,这样压实在高于最低压实温度的情况下进行,保证密实度。
  压路机的数量和型号由摊铺能力(表示为平方米/小时)决定。混合料每小时吨数,摊铺宽度和摊铺厚度决定摊铺速度。摊铺速度乘以摊铺宽度就能获得摊铺生产能力。该值是确定压路机数量的基本数据。
  选择一种压路机或多种压路机组合,不仅要考虑机器实现指定密实度的工作能力,也要考虑施工的经济性。

3 冷却时间的计算
  冷却时间就是混合料温度从初压温度到最低压实温度之间的变化时间。Brown(见参考文献3)和Hunter(见参考文献4、5)研究出了冷却时间的计算方法。在沥青压实中,冷却时间是非常重要的参数,尤其是对于薄铺层。它决定压路机操作员在混合料温度降低到最低压实温度下完成整个压实可使用的时间。
  PaveComp使用了冷却时间的计算模型。考虑了最高压实温度,最低压实温度,铺层厚度,空气温度,地面温度和风速。其他因素包括阳光辐射,湿度等因影响很小,在该模型中没有予以考虑。
  该模型以最新的知识和实验结果为基础。在冷却时间的试验中,将热电偶插入实验段的各个位置,测试了不同的组织结构和铺层厚度。获得了成千上万的数据来完善计算模型。另外,在很多地方做了现场实验。试验室数据显示冷却时间的计算值和实验值误差很小,在5~10%之间。
  图2显示了冷却时间的计算值和试验值的比较。混合料为沥青基层,铺层厚度为65mm。四个热电偶(1h1,1h2,1v1,1v2)插入不同位置。连续记录时间和混合料温度。从图2中可以清楚看到,PaveComp可精确计算出沥青料的冷却时间。
  Robert Hunter用热流动方程来计算冷却时间,该方程多用于已压实铺层中。PaveComp的计算结果与采用CALT(见参考文献4)的结果做了比较。PaveComp比CALT需要的基本参数少,但其可靠性和CALT一样。

4 PaveComp
  ‘Compaction and Paving’(见参考文献6,译为《摊铺与压实》,编者按)一书中归纳了戴纳派克大量与沥青混合料摊铺和压实有关的经验。在这些经验和实验数据的基础上开发出了PaveComp,是沥青混合料摊铺和压实的专用软件。
  PaveComp针对不同的沥青材料,为工程承包商提供和推荐满足施工要求的最经济和实用的摊铺机和压路机型号和数量。该软件将影响沥青混合料摊铺和压实的因素都做了考虑。
  输入摊铺施工数据,程序会甄别数据并自动提供适合的熨平板的类型和型号,屏幕上显示为绿色即是适合的型号,黄色为临界,红色为不适合。选择了熨平板后主机可方便的确定。在压实部分中,要求输入如混合料类型,沥青针入度,是否是改性沥青等参数。PaveComp能根据输入来计算摊铺速度和冷却时间。在该冷却时间的基础上,推荐适合的压路机。然后PaveComp会提供如何使用该压路机,最适合的碾压遍数,碾压速度,振幅和频率,压道数量、压道长度和压路机数量。这些数据都来源于巨大的数据库。另外,所有输入和输出都能用ASCII或PDF文件保留。
  此外PaveComp还为用户提供了电子帮助文件,所有有关滩铺和压实的知识可以很快地查到,受到了全球用户的欢迎。
  沥青混合料摊铺和压实过程对路面质量和使用寿命有很大的影响。影响沥青混合料摊铺和压实的因素可分为材料因素,机器因素和环境因素。冷却时间的计算是决定压路机选型和数量的关键。戴纳派克多年行业经验组成的数据库是PaveComp的坚实基础。PaveComp是推荐摊铺和压实设备的最新工具,它考虑了影响沥青摊铺和压实的因素。它提供很多实用的数据,如摊铺和压实速度,碾压遍数,振动设定和冷却时间等。