CN105865871A - 一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟沥青路面碾压施工成型工况的技术领域，具体是一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法及设备。一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述设备包括一个模盘、一个用于碾压沥青混合料的碾压轮、一个提供碾压轮下压力的碾压轮压力控制装置、一个计算碾压轮往复次数的碾压轮次数控制装置，一个机械传动控制装置和一个检测装置；所述机械传动装置包含一个设于模盘下方的振动盘，以及提供振动盘上下振动动力的电机。该设备可以最大限度地模拟路面碾压成型阶段混合料所受到的碾压、搓揉作用，制作出符合行业标准、地方标准的沥青混合料标准试件。

Description

一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法及设备

技术领域

本发明属于模拟沥青路面碾压施工成型工况的技术领域，具体是一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法及设备。

背景技术

随着我国经济的快速发展，近年来高等级公路交通组成发生了重大变化，大流量、重轴载交通己成为高速公路的主要运输形式，也成为控制路面结构及材料设计的关键因素，在此大环境下沥青路面的早期破坏现象十分严重，调查表明我国高等级公路沥青路面的早期破坏现象主要为车辙、泛油、松散及水损害，与此相关的研究表明，就混合料自身而言，产生这些早期破坏现象的主要原因为:

⑴车辙:发生早期车辙损坏的沥青路面普遍存在的问题是沥青用量偏大，混合料密度偏低。大量统计数据表明，发生车辙的轮迹带上沥青路面芯样密度显著高于马歇尔试件密度，表明在行车荷载的作用下沥青混合料再压密是形成车辙的主要原因之一。

⑵泛油:早期损坏中的泛油现象发生在轮迹带上，从试验统计结果看，泛油现象严重的路段，其表面层沥青含量明显偏大。发生车辙的路段常常伴随有泛油现象，所以，车辙与泛油的成因大部分相同。

⑶松散:在水和高速行车的综合作用下，面层底部的沥青膜从集料表面剥落，使面层底部集料间丧失粘结而发生松散，这种结构层内部的松散称为松散现象。就混合料本身而言，造成松散的主要原因是空隙率过大及沥青与集料粘结力相对不足。

⑷水损坏:造成水损坏的水侵入途径主要是透过结构完整的沥青面层，并滞留于沥青面层之中，在荷载及化学作用下导致沥青膜从集料表面脱落，沥青混合料设计密度小，空隙率大，以及施工压实度不够等是造成水损坏的主要原因，另外因级配不良导致的离析也是造成水损坏的主要原因之一。

综上所述，就混合料自身而言，当前沥青路面早期损坏的主要原因可总结为沥青用量过大、混合料密度偏低、压实度低、现场空隙率大及级配不良等。施工管理水平参差不齐固然是产生这些问题的重要原因之一，但当全国不同施工管理水平下铺筑的沥青路面频繁出现同一种破坏现象时，我们就不得不从根源上重新审视通用的沥青混合料设计方法是否与这些破坏现象有关。事实证明，目前沥青混合料设计方法确有很多方面需要改进。

⑴室内成型方式与现场碾压方式不匹配

众所周知，室内试验要准确、有效地预测与控制现场施工质量，应满足两个最基本的条件，首先要求试件成型方式能够最大限度地模拟施工工况，使室内成果与面层实际应用效果有可比性；其次要求各种性能评价指标切实反映面层在其服务环境下的服务质量。如今现场大量使用振动压路机及轮胎压路机，而室内成型方式却采用马歇尔击实方法。由此衍生出一系列问题:马歇尔击实密度作为现场压实度的控制指标是否合适；混合料分别在击实与揉搓作用下其力学特性或许不同，那么用何种成型方式制作的试件，其指标控制现场质量更有效；用马歇尔方法进行室内研究所优化的配合比(包括级配、油石比、密度等)在现场压实条件下路用性能是否最优。

我国规范规定沥青混合料配合比设计采用马歇尔配合比设计方法。但在试件成型方面，马歇尔方法锤击次数与路面成型时的压实功能没有内在联系，马歇尔击锤的冲击力与车辆车轮接地压强存在巨大差异，马歇尔试模对沥青混合料的约束条件也与实际路面材料的受力条件不同，马歇尔的冲击压实方法不利于集料的定向重排，因此用马歇尔击实方式成型的试件各种指标控制现场质量存在隐患。

⑵以体积参数为控制指标难以实现设计意图及协调各种矛盾

对于连续密级配沥青混合料，规范规定击实功为双面击实75次，并主要以体积参数(空隙率、间隙率、饱和度等)作为控制指标确定最佳沥青用量。如果利用这种经验加体积参数分析方法作为沥青混合料配合比设计的手段，那么其成立的前提条件是，用于计算以孔隙率为代表的诸体积参数的相关试验方法必须科学、合理。并且，体积参数与路用性能之间应存在良好的相关性。但一方面现行试验规程规定的试验方法难以使沥青混合料体积参数计算结果精确(即使相对精确也不可能)，另一方面，大量的研究表明，体积参数与混合料路用性能之间不存在广泛的相关性，也就是说，满足了马歇尔体积参数的沥青混合料未必有好的路用性能。

另外，我国高速公路表面层大多使用抗滑表层，作为抗滑表层必须兼顾高温、抗滑与密实，而马歇尔方法难以平衡这几方面的矛盾。为达到抗滑目的，抗滑表层沥青混合料粗集料含量较高，由于采用马歇尔击实成型且击实功固定，导致沥青混合料密度较低，即矿料间隙率较大，而为满足体积参数要求(VV,VMA,VFA等)必然需较大的沥青用量，致使设计的沥青混合料铺筑的面层在交通荷载作用下极易追密产生车辙及泛油等早期破坏现象，结果有可能什么目的也未达到。

⑶压实标准偏低

压实度达到较高标准对沥青混合料高温抗车辙能力、抗水破坏能力及抗疲劳能力均有显著改善。由于马歇尔击实成型方式与现场碾压方式不匹配，造成混合料的密度较低。用它控制施工往往造成路面的密度偏小，空隙率过高，由此导致的后果是混合料未被充分压实，在交通荷载作用下很快产生由于抗剪强度小及追密而出现车辙。对沥青路面的调查检验表明，大多数路面使用一段时期后，混合料的密度会大于原设计密度从而不可避免地产生压密性车辙。

压实度标准的适当提高目前有坚实的物质基础，与几十年前的压实施工机械相比，如今的施工压实设备在性能及压实功能上有质的飞跃。而目前仍沿用马歇尔试件密度的压实度控制标准，因此有理由认为用性能大幅度提高的压实设备应该铺筑出压实度更高的、质量更好的沥青面层。但如室内成型条件不加改变，还沿用马歇尔方法，只能导致现今的筑路机械修筑出与以前相差无几的沥青路面，更严重的是，室内试验标准已严重阻碍了科技进步及生产的发展，使得承包商对使用新工艺、新设备没有积极性

至此，似乎窥见了解决问题的门径。首先需要寻求可以最大限度地模拟沥青路面碾压成型工况的试件成型设备；再是依据对沥青混合料这类散体材料一般科学原理的理解建立起试件成型条件与道(公)路用沥青混合料主要性能之间的内在联系并形成一种实用的沥青混合料配合比优化设计方法。

国内外目前对沥青混合料配合比设计方法可分为三种：马歇尔击实法、SUPERPAVE旋转压实法以及GTM旋转剪切压实法。

国内配合比设计方法研究成果主要体现在JTGF40-2004对马歇尔配合比设计方法、标准的修订。对于连续密级配沥青混合料，规范给出了很宽的级配范围，可以使设计单位和工程建设单位根据不同道路等级、不同交通状况、不同气候环境等选择工程级配范围。在击实次数75次条件下，对中轻交通和重载交通的空隙率、间隙率、饱和度等指标进行了调整。更严格地规定了体积参数的计算方法等。

马歇尔试验方法(Marshall tests)是影响最为深远，应用最为广泛的沥青混合料配合比设计方法，曾经是世界各国通用的设计方法。马歇尔设计方法属于体积设计方法，它的最初发明是借用土工试验中通过击实方法寻找最大密度确定最佳含水量的思想来确定沥青混合料中的最佳沥青用量。马歇尔设计方法对混合料的密度、空隙率、矿料间隙率等指标有明确的要求。可是国内外研究成果均表明，这些指标与路用性能指标有较大的差距。

⑴马歇尔击实成型试件的方式与路面施工碾压工况不匹配，混合料试件密度偏低。

⑵以VMA、VFA、VV等体积参数作为控制指标不合理，往往使得沥青用量偏高，在重交通条件下很容易出现泛油、车辙等病害。

国内江苏交通科学研究院1995年引进Superpave技术，不少省市和地区修建了Superpave试验路和实体工程。但国内目前大部分研究工作还是停留在重复国外同行的类似研究中，而对其更深层次的研究和开发还很有限。

Superpave技术发源于美国，对该技术的应用与研究还在不断深入。新的研究计划正在酝酿之中。如美国联邦公路局FHWA和特纳公路研究中心TFHRC联合开展的SIMAP研究项目，认为目前的设计论理和方法中经验性的指标和参数还占有相当大的比重。如在Superpave方法中采用旋转压实成型，通过成型试件的体积特性与规范进行比较，在满足规范要求的前提下进行相应的简单剪切SST和间接拉伸试验，将得到的试验结果应用于力学或半经验力学模型，进行路用性能预估。由于设计方法中关于级配、棱角性、纹理和体积特性等相关信息是单独从先前的经验得到的，而且这样的解决思路试验工作量很大，并且不一定能够得到好的效果。因此SIMAP解决问题的思路是将镜像技术应用于分析沥青混合料试件的内部结构。

总体而论，SUPERPAVE方法仍然是体积设计法，与其它方法的主要不同之处在于：

①考虑了交通量水平。

②以旋转压实方式成型试件，且压实功能因交通量水平、气温而变。

③以性能指标选取沥青胶结料。

④把空隙率作为试件乃至混合料设计的控制性指标。

⑤对矿料级配提出了“控制点”和“禁区”的概念。

通过深入比较我们可以得知：

⑴SUPERPAVE对级配曲线“控制点”和“禁区”的规定，并没有完善的理论依据和经验依据，落在其设计范围内的级配并不一定就是路用性能最好的，也不能排除超出级配规定范围的级配就一定是路用性能差的。

⑵与GTM的成型方法相比，它在成型试件时，只进行了体积参数的计算，并未进行力学指标的测量与推算，SUPERPAVE成型方法的前提是试件的空隙率与路用性能密切相关，此前提是否完全正确现在下结论还为时尚早。SUPERPAVE认为成型试件至材料的使用末期时空隙率应该大于2％，从GTM的成型实践来看，很有可能混合料的空隙率在达到2％之前就已经发生了塑性破坏，当沥青用量较大时尤其如此。因此用SUPERPAVE设计的沥青混合料时有较大可能发生早期车辙病害(美国西部环道[West Track]实验场按SUPERPAVE设计的沥青混合料修筑的路面发生的早期车辙也证实了这种担心不是多余的)。另外从沥青混合料的强度机理分析可知，空隙率小于2％并不是混合料破坏的内因，而真正的原因是混合料综合强度过小。

⑶SUPERPAVE方法中混合料性能试验的模型能否真实反映路用状况仍需研究和考察。

⑷虽对试件的设计空隙率(4％)和最小矿料间隙率作了严格规定，但未考虑基础性试验的精度或可信度对空隙率的影响，确定理论最大密度的方法不合理，致使计算出试件的体积参数不可信。

GTM(Gyratory Testing Machine)旋转试验机是美国工程兵团(U.S.Army Corps ofEngineers)在60年代首先以推理的方法发明的路面材料试验机，后来美国空军为解决重型轰炸机跑道容易破损的问题，又专门组织人员对GTM进行了研究开发，形成了用于机场道面的沥青混合料设计方法。

GTM把混合料成型压实实验机、力学剪切实验机和车辆模拟机合并成为了一台实验机，一旦试件成型完毕，即可得到混合料的设计密度和沥青用量，所以GTM具有设计周期短、设计成本较低的特点。GTM采用了和应力有关的推理方法进行混合料的力学分析和设计，克服了马歇尔等经验方法的不足。GTM方法可较真实地模拟实际路面材料的受力状况以及预测材料到服务期限末的应变力学性质，从而避免了路面的早期破坏。GTM成型试件的原理最大限度地模拟了路面碾压成型阶段混合料所受到的碾压、搓揉作用，还可根据路面所承受的轮胎接地压强设定垂直压力，也可以变化对试件的揉搓旋转角度。

但是该设备属于进口产品，造价很高，机械结构相当复杂，维修保养不方便，目前还很难推广使用。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法和设备，该设备可以最大限度地模拟路面碾压成型阶段混合料所受到的碾压、搓揉作用，制作出符合行业标准、地方标准的沥青混合料标准试件。

本发明的具体技术路线是：

一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

铺料，将沥青混合料投入模箱，构成标准试件；

碾压，碾压轮在经受下压力的条件下进行水平往复运动，同时模箱上下振动；

脱模检测。

优化地，所述方法包括以下步骤：

铺料，将预热的模箱从烘箱中取出，将搅拌好的全部沥青混合料一次性装入模箱中，用预热的击实锤由边至中转圈装入模箱中，

碾压，预热后的碾压轮在经受下压力的条件下进行水平往复运动，同时模箱上下振动；

脱模检测，压实后的试件冷却至室温后脱模检测。

更进一步地，所述方法包括以下步骤：

铺料：将预热的模箱从烘箱中取出，在模箱底面及侧面铺一张裁好的普通纸，使底面及侧面均被纸隔离；将搅拌好的全部沥青混合料一次性装入模箱中，中部略高于四周，用预热的击实锤由边至中转圈夯实一遍，整平成凸圆弧形。待温度达到规程要求的压实温度时，在表面铺一张裁好的普通纸，将模箱放入振动盘上。

碾压：预热后的碾压轮在经受下压力的条件下进行水平往复运动，同时模箱上下振动；

脱模检测，压实后的试件冷却至室温后脱模检测。

一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述设备包括一个模盘、一个用于碾压沥青混合料的碾压轮、一个提供碾压轮下压力的碾压轮压力控制装置、一个计算碾压轮往复次数的碾压轮次数控制装置，一个机械传动控制装置和一个检测装置；所述机械传动装置包含一个设于模盘下方的振动盘，以及提供振动盘上下振动动力的电机。

优化地，所述碾压轮压力控制装置包含一个用于提供碾压轮下压力的液压组件，以及一个控制碾压轮水平往复运动的三相异步电动机。

优化地，所述碾压轮次数控制装置包含设于模盘边缘处的光电发射器，以及一个计数器。

优化地，所述检测装置包含密度传感器和温度传感器。

更进一步地，所述碾压轮次数控制装置包含一个与液压缸连接的压力传感器。

更进一步地，所述三相异步电动机带动减速机运动，转盘通过减速机上的链轮组件带动碾压轮实现往复运动。

优化地，所述液压组件包括一个压力伸缩杆，一个与压力伸缩杆顶接的油缸，油缸上部设置行程开关，油缸连接油管，油管中包含串联的一个单向阀、溢流阀组和一个换向阀，所述溢流阀组包含两个并联的溢流阀。

附图说明

图1为沥青混合料碾压过程示意图。

图2为沥青混合料压力控制原理图。

图3为碾压轮动力控制示意图。

图4为本发明沥青混合料标准试件碾压成型设备技术路线图。

图5为本发明三相异步电机接线图。

图6为本发明数字式光电计数器的原理图。

其中，

1、碾压轮

2、模箱

3、振动盘

4、压力伸缩杆

5、单向阀

6、行程开关

7、溢流阀A

8、溢流阀B

9、油缸

10、换向阀

11、减速机

12、第一电机

13、转盘

14、链轮组件。

具体实施方式

沥青混合料标准试件碾压成型设备，最大限度地模拟了路面碾压成型阶段混合料所受到的碾压、搓揉作用，还可根据路面所承受的轮胎接地压强设定垂直压力，也可以变化对试件的揉搓旋转角度，同时考虑到现有的技术标准，模箱的下表面增加了一个振动频率可变、振幅可调的振动盘。如图1，试件上表面的中心高于四周2－5cm，碾压轮1在压力F的作用下水平移动，实现碾压动作。模箱2内沥青混合料在振动盘3作用下，受到上下不断地的振动，此时模箱2没有水平运动，碾压轮1直接碾压沥青混合料，不会碰撞模箱2边缘，更加符合道路施工中的碾压过程。

对于碾压轮1压力的控制，主要采用高性能、高精度压力传感器，通过液压***对碾压轮施加垂直方向的压力，该压力可通过显示屏人工输入压力值。如图2，为该液压***的原理图。压力伸缩杆4与油缸9相连，油缸9由行程开关6来控制启闭，其中，油缸9与油路***相连。油路***包括与油缸9上部连接的单向阀5，单向阀5一端连接一组并联的溢流阀(溢流阀A 7和溢流阀B 8)，溢流阀A 7和溢流阀B 8的另一端与换向阀10连接。换向阀10的末端连接油缸9底部。单向阀5的头部和换向阀10的尾部同时连接一根空接管。

对于碾压轮往复运动的控制，主要采用三相异步电动机，对碾压轮进行精确控制，使其实现对沥青试件的往复碾压运动，并且在磨具的边缘装有限位装置，避免碾压轮碾压到模具边缘。如图3，为碾压轮动力控制示意图，第一电机12带动减速机11运动，转盘13通过链轮组件14带动碾压轮1实现往复运动。本发明的技术路线如图4所示。

本发明中的关键技术包括：碾压轮压力控制***、碾压轮碾压次数控制***、机械传动***的设计以及试件相关参数的检测***等几个方面。

⑴碾压轮压力控制***

通过控制三相异步电动机的正反转来控制液压缸的上下位移，从而对碾压轮施加相应的压力，压力的大小可以根据液压缸位移大小和压力传感器显示压力来确定。三相异步电机接线图如图5所示。

⑵碾压轮碾压次数控制***

当碾压轮在模箱上往复碾压试件时，在模具的边缘处装有光电装置，只要碾压轮运动到两端极限位置就会遮挡住光电发射器，此时计数器就会加1，并在显示器上显示往复运动的次数，而且往复运动的次数也可以认为的事先设置。碾压次数与沥青试件的密度有着很大的相关性，所以必须对碾压次数进行精确的控制。通过车辆的俯仰角可以描绘车辆运行的轨迹。如图6所示，为控制碾压轮次数的数字式光电计数器的原理图。

本发明可提高路面结构物耐久性；通过对与实际压实设备高度一致的沥青混合料标准试件碾压成型设备的应用，可以大幅度提高沥青路面耐久性，降低维护与重建费用；减少沥青等材料的使用率；通过合理提高压实密度，可以降低对沥青、纤维等高价格材料的使用量，直接降低了工程造价，经济效益显著。

表一技术优势对比表

	振动轮碾法	马歇尔击实法	轮碾法	旋转压实法
					特点	振动压实	冲击压实	静压压实	搓揉压实
工况匹配性	匹配	不匹配	不匹配	匹配
					适用性	各种材料	坚硬石料不适应	各种材料	各种材料
操作便易性	易	易	易	易
					成本	适中	低	适中	高

本发明中，现场碾压压路机应遵循“高频、低幅”的要求，结合目前现场使用各种压路机的实际参数情况，成型机设计频率在0-60赫兹，振幅在0-1毫米之间。实际使用时根据现场设配配备情况，调整成型机相应频率、振幅。

Claims (10)

1.一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

铺料，将沥青混合料投入模箱，构成标准试件；

碾压，碾压轮在经受下压力的条件下进行水平往复运动，同时模箱上下振动；

脱模检测。

2.根据权利要求1所述沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

铺料，将预热的模箱从烘箱中取出，将搅拌好的全部沥青混合料一次性装入模箱中，用预热的击实锤由边至中转圈装入模箱中，

碾压，预热后的碾压轮在经受下压力的条件下进行水平往复运动，同时模箱上下振动；

脱模检测，压实后的试件冷却至室温后脱模检测。

3.根据权利要求2所述沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

铺料：将预热的模箱从烘箱中取出，在模箱底面及侧面铺一张裁好的普通纸，使底面及侧面均被纸隔离；将搅拌好的全部沥青混合料一次性装入模箱中，中部略高于四周，用预热的击实锤由边至中转圈夯实一遍，整平成凸圆弧形，待温度达到规程要求的压实温度时，在表面铺一张裁好的普通纸，将模箱放入振动盘上；

碾压：预热后的碾压轮在经受下压力的条件下进行水平往复运动，同时模箱上下振动；

脱模检测，压实后的试件冷却至室温后脱模检测。

4.一种沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述设备包括一个模盘、一个用于碾压沥青混合料的碾压轮、一个提供碾压轮下压力的碾压轮压力控制装置、一个计算碾压轮往复次数的碾压轮次数控制装置，一个机械传动控制装置和一个检测装置；所述机械传动装置包含一个设于模盘下方的振动盘，以及提供振动盘上下振动动力的电机。

5.根据权利要求4所述的沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述碾压轮压力控制装置包含一个用于提供碾压轮下压力的液压组件，以及一个控制碾压轮水平往复运动的三相异步电动机。

6.根据权利要求4所述的沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述碾压轮次数控制装置包含设于模盘边缘处的光电发射器，以及一个计数器。

7.根据权利要求4所述的沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述检测装置包含密度传感器和温度传感器。

8.根据权利要求4所述的沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述碾压轮次数控制装置包含一个与液压缸连接的压力传感器。

9.根据权利要求5所述的沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述三相异步电动机带动减速机运动，转盘通过减速机上的链轮组件带动碾压轮实现往复运动。

10.根据权利要求5所述的沥青混合料标准试件模拟施工态碾压成型设备，其特征在于所述液压组件包括一个压力伸缩杆，一个与压力伸缩杆顶接的油缸，油缸上部设置行程开关，油缸连接油管，油管中包含串联的一个单向阀、溢流阀组和一个换向阀，所述溢流阀组包含两个并联的溢流阀。