浅谈沥青路面摊铺—压实性能研究方向

陶伟

摘 要：针对如何提高沥青路面使用性能，文章分析了当前国内外沥青路面研究现状，提出了现有研究的不足，并介绍了新的沥青路面性能研究方向，该研究可以充分发挥施工机械性能，有效提高沥青路面摊铺-压实作业各环节工艺水平，延长沥青路面使用寿命。

关键词：沥青路面；使用性能；摊铺；压实

中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0186-02

前言

公路交通是國家经济的命脉，关乎国家战略安全。截至2016年底，我国公路总里程已达460万公里，“五纵七横”12条国道主干线全部建成；高速公路达13万公里。虽然我国公路建设发展迅速、整体水平大幅提高，但因建设工期较短，部分工程出现了质量问题，特别是路面早期局部损坏现象尤为突出，有的路面使用不到一年就出现了车辙、裂缝、龟裂、坑槽和水损坏，形象地称为“前铺后补，前修后坏”[1]。

1 国内外研究现状

在加快公路交通建设步伐的同时，如何提高路面使用性能、避免早期局部损坏、延长路面寿命成为公路建设亟待解决的关键问题和技术难点，国内外研究学者从多方面对路面性能质量提高进行了研究。

1.1 路面材料的研究

许多国内外研究学者从材料范畴进行了尝试：Y.S.Doh等分析了荷载作用下沥青路面变形机理，研究了长寿命沥青路面抗疲劳性能，通过采用高模量沥青、合理设计路面结构等措施，提高了长寿命沥青路面质量；F.Xiao等研究了橡胶改性沥青混合料的性能，添加橡胶微粒和添加剂后，沥青混合料流变特性发生变化，增强了沥青路面在冻融作用下的抗破坏能力，从而提高沥青路面的性能。同济大学、东南大学、湖南大学、北京交通大学、吉林大学、长安大学、交通运输部公路科学研究院等院校和研究院在路面材料、路基路面结构设计等方面也开展了广泛的研究[2]。

1.2 压实技术的研究

沥青路面性能不但受沥青混合料的影响，还与施工质量密切相关。在沥青路面施工中，压实质量不高，往往是造成路面过早破坏的主要原因之一。如果能在沥青混合料等研究成果基础上提高压实质量，则可进一步提高沥青路面性能、延长沥青路面寿命。公路施工实践证明，通过高效压实使沥青路面达到要求的压实度，可以减少甚至避免沥青路面在行车载荷作用下早期破坏，增强抗永久变形能力，延长路面使用寿命。G.W.White等分析了压实与路面承载力、耐久性的关系，认为压实是影响沥青路面性能的重要因素，压实不足会引起沥青路面早期失效、缩短沥青路面服务年限。研究发现，压实度每增加1%，路面的承载能力相应的提高10～15%，而压实的费用仅占总投资的1～4%，所以，有效的压实是提高路面质量的有效且经济的方法[3]。

2 研究方法的不足

然而，压实仅是沥青路面施工过程中的重要环节之一，通过压实提高路面质量的前提是沥青混合料的级配、搅拌和摊铺符合设计要求。实际上，自原材料控制开始，就存在集料不规矩、搅拌后级配偏差、摊铺离析等各种作业质量不足，压实作为后续工艺，并不能解决前述施工环节遗留问题。尤其是摊铺环节，与压实过程密不可分。摊铺不仅仅是将热的、松散的沥青混合料摊铺成型，摊铺均匀、平整和一定的预压实度更是实现压实质量控制的前提条件。因此，忽略沥青路面摊铺-压实等不同作业环节的关联性和系统性，仅将压实环节作为研究重点，提高沥青路面质量的潜力有限。

另外，压实的对象是沥青混合料，压实机理的研究首先是沥青混合料特性研究。同样的，完成压实的本体是压实设备，压实设备的性能影响沥青路面质量。由于沥青混合料研究和压实设备研究分属不同学科，限于专业因素，压实机理的研究常常是或偏于材料特性或偏于机械性能，很少有“材料-机械”作为整体系统的研究成果，使沥青路面质量控制缺乏理论支撑。即使单一的沥青路面材料研究或压实设备研究取得较好的研究成果，仍难以解决工程实际中作业质量控制难题。

3 新的研究方向

以摊铺为基础，以压实为重点，将摊铺-压实作为具有时变特性的耦合系统，是较好的研究方法。以沥青路面质量为控制目标，通过研究摊铺-压实耦合系统中温度场时变特性和密实度场时变特性，研究摊铺过程中材料离析和温度离析问题，分析振动压实机理和振动压实能量传播规律，探讨不同施工环境、不同沥青混合料种类等对施工工艺的影响，制定合理的摊铺-压实施工工艺，实现摊铺-压实耦合系统控制，提升沥青路面建设水平和质量，形成沥青路面摊铺-压实全过程质量控制关键技术，研究思路见图1。

3.1 基于时变温度场和密实度场的沥青路面压实特性研究

沥青混合料对温度较敏感，不同温度下的沥青混合料具有不同的流动性和粘塑性，影响沥青混合料的可压实性。在摊铺-压实过程中，热沥青混合料的热量一方面向下辐射给冷的下铺层，另一方面向上辐射到大气中，出现时刻变化的温度场。受气温、风速、阳光照射、相对湿度、铺层厚度、密实度等的影响，温度场变化的速率有所不同。尤其是随摊铺-压实的不断进行，沥青混合料的温度和密实度都在发生变化，且不断变化的密实度反过来影响温度变化的速率。

可以采取有限元仿真分析和试验研究相结合的方法。建立热沥青混合料温度场本构模型，以气温、风速、阳光照射、相对湿度、铺层厚度等作为边界条件，研究热沥青混合料不同密实度下温度场时变规律。试验研究方面，选取几种典型沥青混合料，分别测试不同密实度下沥青混合料表面温度场变化、沿不同深度处温度场变化和与冷铺层接触界面处温度场变化。通过仿真与试验结合，揭示不同温度下压实能量传播规律和沥青路面压实特性，为预测有效压实时间和选择合适的压实作业参数提供参考。

3.2 沥青混合料摊铺过程离析控制关键技术研究

良好的摊铺质量是实现压实质量控制的前提。摊铺的任务是成型、平整、均匀和一定的预压实度。实际施工中，摊铺过程中常常出现集料离析产生的“带状”缺陷和温度离析产生“片状”缺陷，影响沥青路面最终质量。可以以单颗粒运动分析为基础，建立集料多颗粒碰撞运动模型，研究沥青混合料摊铺过程中材料离析规律；结合前述时变温度场特性分析，研究摊铺过程温度离析规律；建立“沥青混合料-熨平板”动力学模型，分析振动振捣参数对沥青混合料预压实度的影响。制定合理的摊铺工艺，减少沥青混合料材料离析和温度离析，提高摊铺热沥青路面平整度、均匀性和预压实度，为后续压实创造良好条件。endprint

3.3 基于共振减摩原理的沥青路面振动压实机理研究

压实作业是影响沥青路面质量的最后环节，常采用静压、振动压实和胶轮碾压等方式。可以将重点放在振动压实能量传播规律方面探索基础理论，单位体积的沥青混合料达到要求密实度需要一定的压实能量，如何在尽可能短的时间内使其达到所需压实能量是高效压实的目标。激振力的激振方式和工作参数不同（如采用高频还是低频、采用小振幅还是大振幅），影响压实能量在沥青混合料中的传播。可以根据沥青混合料的粘塑性特征，建立振动条件下的“振动轮-沥青混合料”有限元模型，以单位体积沥青混合料压实功最大和整个压实过程时间最短为目标，考虑压实过程沥青混合料温度场和密实度场的不断变化，探讨振动作用下压实能量传播规律，最终形成沥青路面振动压实工艺[4]。

3.4 沥青混合料摊铺-压实耦合系统研究

摊铺是压实的基础，压实是摊铺的必要补充。摊铺虽然能完成初步的沥青混合料成型和预压实度，但其预压实度紧是提供后续机械设备的有限支撑，远低于要求的沥青路面压实度，无法实现沥青路面的使用性能。而压实虽能将具有较低预压实度的沥青路面压实至规定密实度，但压实功能单一，不能解决材料离析和温度离析等摊铺缺陷。只有摊铺过程和压实过程相互匹配，作为有机的耦合系统考虑，才可能实现沥青路面质量控制目标。

4 结束语

因此，以沥青路面材料研究为基础，以“摊铺-压实”耦合系统的温度场和密实度场时变特性研究为理论支撑，以“材料-机械”系统为研究对象，将摊铺和压实作为关联的耦合系统，开展沥青路面质量控制具有重要的理论和现实意义。不但可以充分发挥施工机械性能，有效提高沥青路面摊铺-压实作业各环节工艺水平，进而减少早期破坏、延长沥青路面使用寿命、降低养护费用，创造巨大的经济效益；而且可以通過提高建设水平和沥青路面质量，提升路网服务水平和行业形象，创造良好的社会效益。

参考文献：

[1]姚运仕.双频合成振动压实方法的试验研究[D].长安大学，2006

[2]龙运佳.基于混沌振动学的压实理论与产品开发[J].建筑机械，2004，

24（8）：64-67.

[3]黄学文.半刚性路面早期病害的成因分析与对策[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2000，23（5）：729-734.

[4]王占海，杨峰.压路机新技术及其发展趋势[J].工程机械文摘，2011（04）.endprint