沥青路面施工设备作业质量指标体系与施工技术研究

'分类号:TH1210710-2013225012专业硕士学位论文沥青路面施工设备作业质量指标体系与施工技术研究张勇导师姓名职称刘洪海教授校外导师姓名张天琦（高工）专业学位类别申请学位级别硕士机械工程及领域名称论文提交日期2015年5月19日论文答辩日期2015年5月30日学位授予单位长安大学 StudyonAsphaltPavementConstructionEquipmentQualityIndexSystemandConstructionTechnologyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhangYongSupervisor：Prof.LiuHonghaiChang’anUniversity,Xi’an,China 摘要为保证沥青路面的施工质量，严格控制设备的作业质量是必要条件之一。现行相关规范侧重施工质量的最终检测，缺乏对设备在各施工环节进行有效的控制，尚未建立完整的设备作业质量指标体系。因此，为解决设备施工的质量控制问题，迫切需要建立相应的质量指标体系。本文通过建立数学模型、现场试验等方法对设备作业质量的影响因素进行研究，参考现有规范与标准，建立沥青路面施工设备作业指标体系。该指标包括两方面内容：一是施工设备自身参数与施工工艺指标，二是设备施工质量的动态检测标准。对于沥青混合料拌和设备，提出温度控制、材料的计量准确度，振动筛分效率，拌和工艺等相应的质量指标；对于摊铺设备，提出弦线基准的拉力与桩距，摊铺速度作业指标，以及摊铺密实度与平整度的检测标准；针对各种压路机压实特性的差异，提出各压实阶段设备选用指标，建立压实速度、碾压遍数、以及压实段长度等作业质量指标和平整度与压实度的检测标准。此外，本项研究在沥青路面施工现场进行大量的试验研究，验证了指标体系的适用性。本文通过对一些关键施工技术的研究，提出一种确定沥青路面摊铺机作业共振频率的工程方法和一种关于沥青减量秤配料误差修正的方法。对振动压路机与轮胎压路机组合施工进行试验研究，提出合理的组合施工工艺。关键词：施工设备；施工质量；指标体系；施工技术i AbstractInordertoensuretheconstructionqualityofasphaltpavement,thestrictqualitycontrolofequipmentisoneofthenecessaryconditions.However,thecorrelativespecificationsfocusonthefinaldetectionoftheconstructionquality,arelackofeffectivecontrolabouttheconstructionequipment.Acompletequalityindexsystemhasnotyetbeenestablishedinthisfield.Therefore,itissoimportanttoestablishthecorrespondingqualityindexsystemtosolvetheproblem.Onthebasisofthestudyaboutthefactorswhichaffecttheconstructionqualitybymathematicalmodelandexperiments,theauthorhasestablishedanoperationindexsystemonthebasisofplentyofcorrelativespecifications.Theindexsystemisintwoaspects:oneisabouttheconstructionequipmentparametersandconstructiontechnology,theotherisabouttheconstructionprocess,todetectthequlityofconstructionequipmentdynamically.Fortheasphaltmixturemixingequipments,theauthorhasestablishedtherelavantqulityindexaboutthetemperaturecontrol,materialmeteringaccuracy,vibrationscreeningefficiencyandmixingtechnology;forthepavingequipments,theauthorhasproposedtheindexaboutthetensionofthesteelwireandpiledistance,pavingspeed,pavingdensityandroughness;forthecompationequipments,theauthorhasmadetheindexaboutequipmentsselection,compactionspeed,compactionsegmentlengthandthetestingstandardsaboutroughnessandcompactiondegree.Inaddition,thisstudyhasconductedalargenumberofexperimentsontheasphaltpavementconstruction,whichhaveverifiedtheapplicabilityoftheindicatorsystem.Onthebasisoftheresearchonsomekeyconstructiontechniques,theauthorhasproposedamethodtodeterminetheresonantfrequencyofthemachineonasphaltpavementconstructionandaneffectivemeasuretocorrecterrorforthedevicewhichisusedtoweightheasphalt.TheauthoralsoperformedacomparisonconstructionexperimentaboutThevibratoryrollerandtyreroller,finally,formulatedareasonablecombinationconstructiontechnology.iii Keywords:constructionequipment;constructionquality;indexsystem;constructiontechnologyiv 目录第一章绪论............................................................................................................................11.1研究背景.......................................................................................................................11.2国内外研究现状...........................................................................................................21.3研究内容.......................................................................................................................4第二章沥青混合料拌和设备作业质量指标研究................................................................62.1沥青混合料拌和设备类型...........................................................................................62.2间歇式沥青混合料搅拌设备的结构...........................................................................62.3沥青混合料拌和设备作业质量指标研究...................................................................82.3.1温度控制...............................................................................................................82.3.2热料筛分..............................................................................................................92.3.3计量系统的准确性............................................................................................102.3.4拌和工艺............................................................................................................142.4建立沥青混合料搅拌设备作业指标体系.................................................................182.5沥青混合料拌和设备配料误差指标验证.................................................................192.6本章小结.....................................................................................................................24第三章沥青混合料摊铺设备作业质量指标研究..............................................................253.1沥青混合料摊铺机的类型.........................................................................................253.2履带式摊铺机工作装置的结构与功用研究.............................................................253.3沥青路面摊铺作业质量指标研究.............................................................................273.3.1摊铺过程中各因素对作业质量的影响分析....................................................273.3.2确定摊铺过程中对施工质量的动态检测标准................................................313.4建立沥青混合料摊铺机作业质量指标.....................................................................353.5对沥青路面摊铺平整度指标试验验证.....................................................................363.6本章小结.....................................................................................................................37第四章沥青路面压实设备作业质量指标研究....................................................................394.1沥青路面压实设备类型.............................................................................................39v 4.2沥青路面用压路机结构与工作原理分析.................................................................394.2.1钢轮静作用压路机............................................................................................394.2.2轮胎压路机........................................................................................................394.2.3振动压路机与振荡压路机................................................................................414.3压实设备作业质量指标研究......................................................................................464.3.1压实设备作业质量的影响因素分析................................................................464.3.2确定压实过程中对施工质量的动态检测标准................................................504.4建立沥青路面压实设备作业指标体系.....................................................................524.5路面下承层平整度传递规律与平整度指标试验验证.............................................524.6本章小结.....................................................................................................................55第五章沥青路面关键施工技术研究....................................................................................565.1搅拌站沥青减量秤配料误差研究.............................................................................565.2沥青路面摊铺机作业共振频率的测定方法研究.....................................................605.3沥青路面常用压路机压实特性的对比试验研究.....................................................645.3.1振动压路机与轮胎压路机的组合压实效果试验研究....................................645.3.2振动压路机与振荡压路机在沥青桥面施工的对比试验研究........................665.4本章小结.....................................................................................................................68结论..........................................................................................................................................691.主要结论.......................................................................................................................692.存在的问题与进一步研究工作...................................................................................70参考文献..................................................................................................................................71攻读硕士学位期间取得的研究成果......................................................................................74致谢..........................................................................................................................................75vi 长安大学硕士学位论文第一章绪论1.1研究背景作为远距离物质传输的平台，高速公路现已成为世界各国普遍关注的基础设施，同时也成为衡量一个国家经济实力与现代化水平的重要指标。自1988年10月沪嘉高速建成通车实现我国大陆上高速公路零的突破后，高速公路建设与其他建设事业一样得到了[1]迅速的发展。截止2014年底高速公路通车里程已达到11.19万公里，居世界第一。据有关资料显示，未来我国仍将大力发展公路建设，其中国家公路占总规模的7%，约有[2]40万公里，可见，我国公路建设事业依然任重而道远。沥青路面具有工期短、行车舒适、养护维修简便等优点，近年来已成为世界各国高[1]等级路面的主要形式。目前，我国90%以上的高等级路面采用沥青路面。但是，我国沥青路面与国外沥青路面相比，一些路面仍存在着早期破坏严重和耐久性不足等问题。有些沥青路面达不到设计年限，使用4～5年后，甚至在竣工验收期间就出现网裂、松散或车辙等显著性的破坏。沥青路面的早期破坏影响了行车的舒适性以及行车安全性带[3]来经济和社会效益的损失。高速公路达不到设计要求与多方面因素有关，例如特殊的地质和气候环境、路面结构设计理念不完善、行驶车辆的重载、超载等。但是，更重要的因素是在施工中质量控制存在缺陷或不足。质量控制包括两方面内容，一是控制原材料的质量（如粗细集料质量以及级配、沥青和添加剂的质量），这是质量控制的基础；二是控制施工设备的作业质量，是质量控制的关键。沥青路面的铺筑是一项复杂的工程，科学研究和施工实践都表明，施工设备的作业[4~6]质量在很大程度上决定了成型路面的质量。沥青面层施工涉及到的设备种类庞杂，但归纳起来可分为三大类：即沥青混合料的搅拌设备、摊铺设备和压实设备。每一种设备在施工中要满足多项质量要求，影响这些施工质量的因素很多，各因素之间的关系又并非独立。从大的方面说，按照搅拌、摊铺到碾压的施工工序，前一道工序是后面施工的基础，例如，混合料的搅拌未达到质量要求，无论采用怎样先进的摊铺机和压路机，1 长安大学硕士学位论文成型路面的质量都会大打折扣。从小的方面说，例如集料的烘干环节未达到含水率和温度要求、计量不准确等每一个细小环节，都会影响后续施工的质量。要铺筑一条高质量的沥青路面，必须严格控制设备使用的每一个阶段，每一个环节，严格把关。[7]目前我国高速公路建设中仍存在着赶工期现象，施工设备的不合理使用造成沥青混合料的拌和质量难以保证，摊铺和碾压未达到设计要求。施工设备的不合理使用包括两方面内容：一是某些施工单位不具备相应的经济实力，在施工设备上投入不足，表现为设备的作业性能差、数量不足难以严格按照已制定的施工工艺进行施工；二是设备操作手文化水平低，缺少必要的专业培训，表现为施工中按主观意识操作，不了解先进设备的优良性能，不能充分利用设备资源。此外，缺少及时的施工效果检测，检测结果滞后，使后果无法补救，造成路面质量下降，难以达到设计要求也是影响施工质量的重要因素之一。[8]常见的施工质量评价指标大多是对施工设备作业的事后控制，例如在拌和好的沥青混合料后检测其各项性能，在摊铺好的路面上测定平整度与压实度。如果质量合格则罢，若不合格就会造成巨大的能源浪费或成为路面的早期破坏的巨大隐患。因此，在常见的施工质量评价指标的基础上，研究其影响因素，在施工设备的角度，细化质量指标，将一些关键的设备使用参数，施工技术要求以及施工过程中的动态检测从定性要求提升为定量要求，建立沥青路面施工设备作业质量指标体系，用量化的指标来指导设备施工、控制施工设备的作业质量具有极其重要的意义。1.2国内外研究现状沥青路面施工设备作业质量指标体系从两方面控制设备的作业质量：一是对施工设备自身参数与施工工艺进行控制，这是质量控制的基础，设备自身参数与施工工艺不合理，保证施工质量就无从谈起；二是在施工过程中对设备施工效果进行检测控制，这是质量控制的关键，只有通过检测，才能判定设备参数与工艺是否得当。质量控制，即在生产过程中，利用数理统计知识，对产品进行定期检查，及时判断[9]生产是否正常，工艺是否得当。质量控制是商品竞争的必然结果，从设备角度进行质量控制是施工管理的重要手段，它不仅仅是对产品质量的最终检验，更强调的是在生产2 长安大学硕士学位论文过程中设备自身准确度，参数的合理选择以及工艺的优化，重视各环节对后续环节及其最终质量的影响。通过各种检测手段，保证准确度，及时修改设备使用参数，优化施工工艺，以保证路面施工质量。（1）国外研究现状据统计资料显示，近年来石油的大量开采为沥青路面的普及提供了有利条件，目前世界上约有80%以上的路面是沥青面层，美国93%的高速路面是沥青路面，日本为94%[4]，沥青路面比重的上升是未来的趋势。沥青路面施工是一项非常复杂的工程，人力、物力、财力以及时间各方面消耗巨大，施工过程中某一环节出现问题不仅造成经济以及能源方面的浪费，还会给后续施工质量带来影响。因此，采取必要的质量控制手段，保证施工质量非常具有实际意义。美国很早就注意到设备的使用方案对施工质量的影响，1957年，加利福尼亚公路管理局通过大量的数据采集与分析，提出了重要的施工工序理论，称为“香蕉曲线”，对[10]沥青路面施工进行控制。日本著名学者佐用泰司在上世纪六、七十年代对设备配套与施工效率进行研究，其研究成果成为后来相关研究人员的理论基础。美国联邦公路管理局将计算机与筑路机械相结合，首次将GPS系统运用到路面施工上来，有效地提高了[11]设备的施工精度与施工质量。沥青混合料施工中的“离析问题”是一个世界性难题，是影响施工质量的重要因素之一，美国很早就开始有关“离析问题”的研究。1987年，美国学者Kennedy提出对[12]沥青混合料的离析的解释：沥青混合料中不同尺寸的集料分布不均匀。1996年，有学者在对沥青混合料的运输、摊铺和碾压进行跟踪检测的过程中，又发现了新的影响沥青路面施工质量的原因：温度离析与碾压离析。从此，沥青混合料的三种离析现象得到研究人员的高度重视，随着研究方法的发展与创新，人们对混合料的离析机理的认识越[13]来越深刻。在施工过程中，把离析作为质量控制的一个重要方面，提出离析的评价方法与减少离析的措施，能有效改善施工质量。随着沥青路面质量检测设备的发展，国外很多施工单位普遍采取无损检测方法进行质量检测，结合数理统计的方法进行质量判定与质量控制。随时发现问题，解决问题，实现了施工质量的过程控制与动态控制。3 长安大学硕士学位论文美国公路相关单位通过对施工质量的跟踪与调查，采集了大量的相关数据，经过整理、分析和总结，制定了相关施工规范与施工技术手册来控制施工质量，与此同时还制[14]定了强制性的施工过程质量控制计划，加强了施工过程中的监督。（2）国内研究现状国内对沥青路面的施工质量控制主要从原材料、配合比设计、混合料运输、摊铺和碾压等方面对沥青路面施工质量的影响进行研究和控制，但在设备方面大多仍停留在定[7]性分析层面，很少通过定量的角度分析各因素的影响。此外，一些重要的质量控制研究结果仍未能运用到实际施工中，仍存在凭借施工经验进行现场施工的现象，主观性较强。改革开放以来，国外很多先进的施工技术与质量控制理念逐渐进入中国，使道路施工人员的质量控制意识得到了较大的提升。近年来国内沥青路面普遍存在的早期破坏问题，使相关研究人员认识到施工过程控制对于沥青路面施工质量的重要意义，对一些影响施工质量的混合料质量参数（如温度、油石比、级配、压实度等）与设备参数（如振捣、振动频率，速度等）进行研究，提出了部分有效的施工措施。但这些研究较单一，没有建立一套系统的、较为完善的质量控制体系。我国目前虽已颁布了一些沥青路面施工的相关标准与规范，但是，这些规范大多应[15]用于最终的验收指标，属于质量管理中的事后控制。而且很多指标控制区间较宽，不能有力地控制施工质量。施工设备作为影响施工质量的关键因素，规范中未进行详细的规定，很多有关施工质量控制的研究都侧重于原材料的质量以及设备的产品质量，忽视了施工设备本身施工性能与作业过程对于施工质量的重要性。因此，建立沥青路面施工设备作业质量指标体系，有着重要的现实意义和实用价值。1.3研究内容“指标”一词源于拉丁文，有指明、揭示的意思，在施工中的指标一般是指一种量化的评价标准。“体系”是指由若干个可以互相区别的要素，以一定的结构和层次，互相联系、互相作用而构成的具有特定功能的整体。每一个指标是体系中的基本组成部分，其本身就有一定的意义，当指标以一定的结构组成体系后，就会产生新的综合功能，4 长安大学硕士学位论文[1]以达到预期的目标。沥青路面施工设备作业指标体系，是从设备角度，将沥青路面施工常见的质量评价指标细化，把影响施工质量的设备精度、使用参数以及关键施工工艺提升为若干个指标，科学的加以分类和量化建立设备作业指标体系。这个指标体系从数量的角度准确描述设备施工的各个环节，检测、衡量和控制施工。作为沥青路面施工过程控制的一个重要环节，建立设备作业质量指标是将过程控制中有关设备作业的关键环节具体化、数量化。本项研究宏观上将施工设备看成由一个个细微作业环节组成的系统，然后将每一个环节的允许范围或质量要求量化，作为设备作业时的依据。具体内容如下：（1）施工设备基本结构及作业装置的分析研究；（2）施工设备作业质量的影响因素分析；（3）确定设备作业质量指标，建立设备作业质量指标体系；（4）通过现场试验对指标进行合理性与适用性验证；（5）进行一些沥青路面关键施工技术研究。5 长安大学硕士学位论文第二章沥青混合料拌和设备作业质量指标研究2.1沥青混合料拌和设备类型沥青混合料的拌和设备的主要功能是将各种规格的集料（碎石、砂）、结合料（沥[16]青）、填料（矿粉）和添加剂（纤维）等按一定的比例搅拌成合格的沥青混合料。沥青混合料拌和设备有多种分类方式，工程中通常按生产工艺将其分成两类，即间歇式拌和设备和连续式拌和设备。前者工艺特点是将热骨料、矿粉和沥青等分批计量后投入拌和锅内进行拌和，成品料由卸料门卸出，再进行下一锅料的拌和。后者是将计量后的各种材料连续不断地输送一个滚筒式的拌和锅，成品料连续地从拌和锅尾部卸出。目前，欧美国家沥青混合料的生产多采用连续式沥青搅拌设备。但是在我国高等级路面工程中，间歇式沥青拌和设备仍具有绝对优势，这是由间歇式搅拌设备的结构特点和我国道路建筑材料的特点共同决定的。我国生产的碎石清洁度较差，规格不稳定，很难满足连续式设备的要求。而间歇式设备在烘干加热前对冷料进行粗配，加热完毕后由振动筛分级，拌和前又经骨料秤精确计量配料，再加上烘干、筛分两个环节配备先进的除尘系统，能较好的解决集料品质问题，因此，间歇式拌和设备得到了广泛的应用。间歇式拌和设备更能适合我国沥青路面施工现状，《公路沥青路面施工技术规范》要求：高速公路和一级公路宜采用间歇式拌和机。因此，本文主要针对间歇式拌和设备进行。2.2间歇式沥青混合料搅拌设备的结构间歇式拌和设备由冷集料供给系统，烘干、加热系统，热料提升机，热料振动筛分装置，热料的储存装置与计量配料系统，矿粉供给装置与计量系统，沥青供给装置与计量系统，除尘系统，成品料储存仓等主要部分组成。强制间歇式沥青混合料拌和设备的[17]基本结构组成如下图所示，见图2.1、2.2。6 长安大学硕士学位论文图2.1强制间歇搅拌设备实物图图2.2强制间歇搅拌设备组成示意图1—冷料储存及配料系统；2—冷料输送机；3—烘干滚筒；4－热料提升机；5－热料筛分及储存装置；6－热料计量系统；7－矿粉储存仓；8－沥青供给系统；9－搅拌器；10－成品料仓；11－除尘系统其生产工艺为：不同规格的冷集料经皮带输送至烘干滚筒；干燥滚筒采用逆流的方式对集料进行烘干、加热，含水率与温度达标的集料由滚筒中排出；热集料由提升机进入振动筛进行筛分，各种规格的热集料分别进入热料仓中贮存；骨料秤对各仓内的热料7 长安大学硕士学位论文进行累计称重计量；矿粉由螺旋输送机送至矿粉秤进行计量，热沥青由沥青泵送至沥青称量桶内称重计量；计量后的各种材料按设定的搅拌工艺进入搅拌锅进行强制拌和，拌和好的混合料由底部卸料门卸出，成品料直接卸入运料车中或送至成品料储存仓内贮存。材料在烘干、筛分和拌和过程中产生的废气和灰尘，经除尘装置处理后排入大气。2.3沥青混合料拌和设备作业质量指标研究在原材料质量符合要求的条件下，沥青混合料的拌和质量是搅拌站各生产装置联合作业的最终体现。间歇式搅拌设备的生产过程中影响最终混合料质量的主要因素有以下[18]几个方面：温度控制、热料筛分、材料计量、拌和工艺。本文拟通过对上述几个影响因素进行研究，将相关设备装置的精度参数及施工工艺参数提升为指标，并且赋予合理的数值，建立拌和设备作业质量指标体系，以便在施工中可以通过控制这些指标来实现对设备作业质量的控制。2.3.1温度控制温度对混合料的搅拌质量至关重要，严格控制各环节的温度才能保证混合料的拌和质量。沥青拌和楼对温度的控制主要包括集料的烘干、加热温度，沥青的加热温度，成品料温度以及尾气温度。成品料的出料温度与骨料的加热温度密切联系，在实际生产过程中，成品料出料温度控制通过改变骨料和沥青加热温度实现。若集料和沥青加热温度过低，在搅拌过程中沥青不能将集料表面完全裹附而出现“花白料”现象，或者虽然完全裹附，但黏结力不足容易脱落，影响到路面耐久性。加热温度过高会引起沥青的老化、混合料质量下降，[19]造成路面的早期破坏，同时会造成燃料的浪费。尾气温度虽然对混合料质量无直接影响，但温度过高意味着能量利用率降低，增加了施工成本，还会影响到布袋除尘器的使用寿命。温度过低，水蒸气在布袋除尘器上液化，粉尘被吸附于除尘器上，减小了有效工作面积，增大风机负荷，除尘效果大幅下降[18]。因此，对尾气温度进行准确测量与控制仍具有实际意义。[20]规范对骨料和沥青的加热温度和混合料温度要求，见表2.1。8 长安大学硕士学位论文表2.1混合料生产过程中各项温度指标/℃石油沥青标号施工工序50号70号90号110号沥青加热温度160-170155-165150-160145-155骨料加热温度比沥青加热温度高10-30成品料出料温度150-170145-165140-160135-155混合料废弃温度200195190185成品料仓贮存时温降≤10对于设备来说，温度控制是保证温度传感器自身的温度计量准确度。根据误差理论，传感器自身计量误差应在要求的温度误差范围的1/7或1/8以下，表2.1中成品料的温度误差范围为20℃，因此，本文提出温度计量准确度指标为计量误差不得大于3℃。沥[21]青搅拌站温度传感器一般采用热电偶温度计和红外温度计，根据标准化热电偶技术数[22]据，用于低于600℃的测量，铂铑-铂热电偶温度计的允许误差为±2.4℃，红外温度计的误差约为±3℃左右。因此，该指标对温度传感器来说,准确度可以达到要求，误差范围又不会显著影响到混合料的质量，指标具有一定的适用性。生产过程中应定期检查，发现问题及时校正或更换传感器，保证温度控制的有效性。2.3.2热料筛分沥青搅拌站振动筛的功能是把热料提升机送来的热集料，按不同粒径重新筛分，为[23]搅拌前的精确计量做好准备，见图2.3。图2.3振动筛分9 长安大学硕士学位论文筛分效率反映了集料是否完全筛分或筛分程度，是评价筛分装置生产质量的重要指[24]标之一。理想情况下，筛面上尺寸小于筛孔尺寸的集料（称为次级集料）一定会通过筛孔成为筛下集料，但是由于筛面长度、筛面倾斜度、筛孔选择以及振动频率等多方[25，26]面因素影响，在实际生产中筛下集料的质量一般小于初始筛面上集料中所有次级集料质量，换言之，就是没有完全筛分。筛分效率是指筛下集料的质量与初始集料中次级集料的质量比，如公式2.1所示:MB100%(2.1)MA式中：—筛分效率，%；M—实际筛下的集料质量，kg；BM—初始集料中所有次级集料的质量，kg。A振动筛虽然有诸多优点，但是容易堵塞，尤其细集料筛孔极易堵塞。因此，需要定期进行检查振动筛装置，清除被堵赛的筛孔，更换已破损的筛面，以防集料混仓或窜仓进而造成冷料仓待料或溢料现象。沥青路面工程中应要求振动筛的筛分效率指标要达到[27]85%以上。2.3.3计量系统的准确性（1）骨料秤、粉料秤、沥青秤及纤维投放装置的静态计量骨料秤、粉料秤、沥青秤与纤维投放装置为材料搅拌之前精确计量装置，是保证各种材料配合比的重要环节。骨料的计量准确性直接影响级配乃至路面的结构强度；沥青含量严重影响路面高、低温性能与耐久性；粉料具有很大的表面积，在混和料中具有很重要的作用，其添加量在很大程度上影响混合料的各项性能指标；适量添加木质纤维能有效降低沥青路面的温度敏感性。因此，生产前必须对骨料秤、粉料秤、沥青秤与纤维投放装置进行标定，使各计量装置的静态计量准确度达到规定值。目前，在很多施工单位不重视计量装置的标定工作，标定不规范，没有达到提高材料计量准确度的目的，本文根据试验研究并参考国家标准，提出对间歇式沥青混合料搅拌设备有关静态计量规定10 长安大学硕士学位论文[20]的性能指标，见表2.2：2.2间歇式沥青混合料搅拌设备静态计量指标指标单位允许偏差骨料计量准确度%0.50粉料计量准确度%0.50沥青计量准确度%0.25纤维计量准确度%0.50（2）骨料秤、粉料秤、沥青秤及纤维投放装置的动态计量骨料、粉料以及沥青的动态计量准确度是衡量沥青混合料搅拌设备性能的重要指标之一。动态计量准确度是指在实际生产过程中，各种材料的配料误差，因此，动态计量准确度又叫配料误差。沥青搅拌设备的配料误差决定于计量系统准确性和配料控制误差，对该系统而言，秤本身的计量误差通常只占总误差中的很小一部分，而主要是系统的动[28，29]态计量控制产生的误差，两者往往不在一个数量级。引起动态计量误差的原因主要有以下两个方面：1）空间“飞料”的影响在沥青拌和楼对各种材料进行精确计量过程中，材料只有接触到秤体时，控制室的指示值才会改变，也就是说材料离开卸料门到被称量存在着时间差，如果控制室指示值到达设定值时停止卸料，则空间必然存在一部分正处于下落状态的材料，这部分材料再接触秤体时必然会造成“超称”现象。2）材料冲击的影响材料在下降过程中有一定的速度，当与秤体接触时，必然会对秤体产生较大的冲击载荷，此时秤所感受的不仅是材料本身的质量而且还有由材料冲量产生的载荷，这将导致控制室指示重量大于材料实际重量，引起配料误差。以上两种影响配料准确度的因素，前者是实际质量大于设定值，后者是实际值小于设定值，两者在一定程度上彼此抵消，减小配料误差。在实际生产过程中一般通过设定经验值或二次称量等方法减小配料误差。木质纤维是生产SMA混合料的特殊添加剂，SMA为stonematrixasphalt的缩略语，11 长安大学硕士学位论文称为沥青玛蹄脂碎石，是由沥青结合料、纤维稳定剂、矿粉、细集料组成的沥青玛蹄脂[30]与粗集料构成，沥青玛蹄脂填充在粗集料骨架间隙之间形成骨架密实结构。SMA能有效地解决路面温度敏感性问题。在生产SMA混合料时需要添加木质纤维这种特殊的添加剂，大多数沥青搅拌站生产厂家，并不生产木质纤维的添加装置。因此，最初纤维的添加方式为人工投放。这种方式最大的缺点是：人工投放往往出现添加不及时，纤维没有被充分打散，造成SMA表面出现油斑而影响混合料质量。此外，在投放过程中，高温沥青会危及人身安全。近年来，一种简易的纤维投放装置应运而生，见图2.4、2.5。木质纤维被螺旋输送机输送至称量斗内，控制器根据安装在称量斗上的传感器控制螺旋输送机工作，称量斗底部有与拌和楼同步的排放旋转阀。当搅拌锅发出信号时，风机将纤维吹送至搅拌锅。图2.4简易的纤维投放装置实物图12374651—储料仓；2—输送螺旋；3—称重传感器；4—计量斗；5—风机；6—旋转阀；7—搅拌锅图2.5简易的纤维投放装置示意图12 长安大学硕士学位论文这种简易的投放装置虽然在一定程度上提高了SMA混合料质量，但仍具有一些不足，首先，输送螺旋容易堵塞，导致工作中断。其次，计量斗的排料较慢，一次投放过程需要18s左右，极大地延长了干拌时间。过长的干拌时间易造成集料破碎加剧，同时也降低了混合料生产率。因此，有学者对投放装置进行了改进，如图2.6，纤维被风机吹送至搅拌楼上的材料暂存仓，将原先设置在搅拌楼外侧的计量斗改装于搅拌楼二楼，搅拌锅上方，纤维由暂存仓经螺旋输送器输送至计量斗内，计量完毕后备用，等搅拌锅发出信号，计量斗底部排料阀打开，纤维靠自重落入搅拌锅内。这样一来，减少了旋转阀排[31]料以及风机吹送时各管道环节，实践证明，整个投放过程可缩短至8s以内。45671928310111—储料仓；2—旋转阀；3—风机；4—旋风分离器；5—暂存仓；6—料位计；7—输料螺旋；8—计量斗；9—称量传感器；10—排料阀；11—搅拌锅图2.6改进后的纤维投放装置关于纤维投放装置的工作质量，本文建立以下指标，见表2.3。木质纤维在SMA混[32]和料中起着吸油、稳定、加筋等多项重要作用，施工中掺配量约为0.1%-0.5%，因此对配料误差要求应较高。本文将其动态计量准确度指标设定为5.2%，在此误差范围内，不会影响到SMA混合料的质量，并且经过试验验证，一般的投放装置能达到指标要求。根据沥青混合料搅拌过程中对干拌时间的要求，规定纤维投放装置的一次投放时间应不高于8s。表2.3关于纤维投放装置工作质量的指标要求指标单位要求动态计量准确度%2.5一次添加所用时间s13 长安大学硕士学位论文通过对各种材料的“配料误差”影响因素分析，参考国家交通行业标准，建立对强制间歇式沥青混合料搅拌设备关于配料误差指标要求如下，见表2.4：表2.4配料误差指标要求指标单位允许偏差骨料计量准确度%±2.5粉料计量准确度%±2.5沥青计量准确度%±2.0纤维计量准确度%±2.52.3.4拌和工艺间歇式沥青搅拌设备采用双卧轴搅拌器对混合料进行强制拌和，搅拌器如图2.7所示。强制搅拌器由缸体、衬板、搅拌轴、搅拌臂、搅拌叶片、卸料门、同步齿轮及驱动机构等组成。图2.7沥青混合料搅拌器搅拌器是间歇式搅拌设备的核心，其作业性能的优劣直接决定了混合料的品质。搅拌器的功能是将计量好的骨料、粉料和沥青等在一定温度下拌和成均匀的混合料。双卧轴搅拌器是间歇式搅拌设备的常用结构，其搅拌原理是通过搅拌臂和搅拌叶片[33]的翻动作用，迫使缸体内的材料产生垂直面和水平面内的两种类型的运动。垂直面内搅拌叶片将材料在垂直方向内翻拌，使混合料产生“沸腾效应”而相互渗透，或将部分材料颗粒向上抛掷，在下落过程中与上升过程中的混合料颗粒互相接触，互相碰撞而达到混合的作用。水平面内，由于叶片与转轴中心线成45安装，轴根部有反向叶片，在搅拌过程中，叶片对混合料有向前推移的作用，使混合料在水平面内作圆周运动，两转14 长安大学硕士学位论文[34]轴上的叶片使混合料颗粒同时有横向的掺透作用。双卧轴搅拌器加强了材料的相互碰撞、摩擦、分散的混合作用。（1）矿料表面沥青膜厚与混合料质量的关系研究均匀度是我国衡量混合料搅拌质量的指标，其主要目的是保证混合料中的各种颗粒表面具有合适的油膜厚度。美国AASHTOT195或ASTMD2489中判别混合料是否拌匀的定义和指标要求为：拌和均匀性是指混合料中大于9.5mm筛孔尺寸的颗粒至少有95%被全沥青完全裹覆，即用粗颗粒裹覆沥青的程度判断拌和质量。科学研究表明，矿料表面沥青膜的厚度与混合料的透水性、老化硬化以及耐久性等密切相关。矿料表面沥青膜越薄，混合料越脆，因此越容易老化、脱落，造成混合料透[35，36]水性增强，耐久性变差。为了研究矿料表面沥青膜厚与混合料质量的关系，研究人员对沥青膜厚与混合料路用性能试验研究，试验结果如下，见图2.8，2.9。1200）1000/mm800600400200动稳定度（次07.08.09.010.0沥青膜厚（μm）图2.8沥青混合料动稳定度与沥青膜厚的关系420）400MPa380360340劈裂强度（3209.510.511.512.513.514.5沥青膜厚（μm）图2.9沥青混合料劈裂强度与沥青膜厚的关系15 长安大学硕士学位论文由以上曲线可以看出，沥青混合料的动稳定度以及劈裂强度都随沥青膜厚的变化而变化，沥青膜厚存在最佳值。因此，对于确定的的混合料类型而言，矿料表面需要适度的、均匀的油膜厚度，使混合料质量达到最佳。（2）沥青混合料的拌和模式研究沥青混合料中颗粒表面形成适度的、均匀的沥青油膜厚度，这样才能保证混合料的路用性能。然而混合料中材料颗粒粒径相差很大，尤其是集料与矿粉颗粒之间，这也意味着两种材料的相对表面积存在很大的差异，在搅拌过程中，它们与沥青接触的机会不均衡，沥青在两种材料颗粒表面的分布情况最后决定了油膜厚度。本项研究拟建立沥青在集料与矿粉颗粒表面分布的模型，分析沥青混合料的搅拌工艺的合理性。分布在两种材料表面的油膜厚度是材料颗粒直径和搅拌时间的函数，为了建立数学模型，做如下假设：1）集料和矿粉颗粒均为圆形，见图2.10；2）在搅拌过程中集料、矿粉和沥青相互接触；3）材料颗粒与沥青每接触一次，在其表面裹附相同厚度的沥青膜。3121—集料；2—矿粉；3—沥青图2.10材料的搅拌模型根据假设，在搅拌过程中集料和矿粉颗粒的线速度相等，不妨设为v，则两种材料颗粒与沥青的接触频率可用式（2.2）表示：vvf（i=1,2）(2.2)iL2rii式中：fi—搅拌过程中材料颗粒圆周上某点与沥青的接触频率，Hz；v—搅拌过程中材料颗粒圆周上某点的速度，m/s；Li—材料颗粒周长，m；16 长安大学硕士学位论文ri—材料颗粒半径，m。根据接触一次，材料颗粒表面油膜厚度就增加一个单位的厚度，在相同的时间增量dt内，颗粒表面油膜厚度增量可用式（2.3）计算：dTfdt（i=2，3）(2.3)ii两种材料颗粒的油膜厚度差可用式（2.4）计算：tvvT()dt(2.4)02r2r21由式（2.4）可得式（2.5）：vt(rr)12T（2.5）2rr12由于在实际搅拌过程中，颗粒之间接触的并不十分紧密，也不存在两个颗粒始终在一起的状态。因此，可用系数C对实际拌和进行修正，大小可以由试验测定，再将式（2.2）代入（2.5）中，得到式（2.9）。r2TC(1)ft（2.6）2r1式中f决定于搅拌器的拌轴转速，可以认为是常数。则公式（2.6）表明，搅拌过2程中颗粒表面裹附的油膜厚度，除了与拌和时间有关外，还决定于颗粒的粒径比，颗粒大小相差越大，在相同的拌和时间内裹附的油膜厚度差别越大。在对沥青混合料拌和时，需要确定合理的加料顺序。因此，需分析以下两种常见的拌和模式：1）加入集料后即刻加入矿粉，干拌后，喷入沥青进行湿拌。2）加入集料干拌，喷入沥青后，再加矿粉进行纯搅拌。对于模式1），由于矿粉颗粒与集料粒径相差悬殊，一方面，干拌时矿粉颗粒容易漏至拌锅底部，难以达到拌匀的目的；另一方面，根据以上模型，矿粉与集料粒径相差很大，当沥青喷入拌缸后，矿粉在很短的搅拌时间内裹覆了大量的沥青，出现“结团”现象，进而造成花白料的产生。模式2）矿粉在沥青喷入后延时加入，骨料和矿粉具有不同的拌和时间，油膜在各种材料之间分布较均匀，这种模式更为合理。集料在称量斗内是分层的，不同粒径的集料可以在湿拌过程中充分拌和，不需要在17 长安大学硕士学位论文[37]干拌时预先拌和，因此，干拌目的应是防止沥青在喷入拌缸时从底部闸门流出。干拌时集料之间为干摩擦，对石料具有再次破碎的作用，极易将立方体石料的棱角打磨掉，降低矿料的品质，同时增加功率的消耗。因此，应将干拌时间控制在3~5s范围内，对于SMA混合料，干拌时有打散木质纤维的作用，时间应适当延长至5~8s范围内。湿拌目的是将各种材料拌合均匀，粗细集料、矿粉表面被合适厚度的、均匀的沥青膜裹附。研究资料表明，矿料达到一定均匀性所需要的搅拌时间与搅拌轴上的叶片个数、[38]搅拌轴转速及充盈率有关，其计算公式见式（2.7）：60log(1A)t（2.7）nlog(1Nk/)式中：t—拌和时间，s；A—均匀度；n—搅拌轴转速，r/min；N—同一工作面上搅拌叶片个数；k—横向交换系数，一般取0.04~0.05；—充盈率。根据公式，均匀度取0.93，充盈率取53%，N取2，k取0.04，搅拌轴转速取45r/min，经计算可得搅拌时间t约为25s。改性沥青混合料与SMA混合料拌和均匀难度较大，搅拌时间应适当增加5~10s。由于矿粉颗粒粒径远小于粗集料粒径，故建议在沥青喷射后延迟5s再添加。保证拌和均匀度同时应考虑影响混合料质量的其他因素以及生产率，由于搅拌器容量有限，并且考虑到拌和时间过长会降低沥青的品质，希望尽量缩短拌和时间提高设备生产能力，减少沥青的氧化老化，因此，湿拌时间最好不要延长5s以上。本文提出的拌和时间指标见表2.5。表2.5建议拌和时间混合料类型干拌时间/s矿粉添加时刻/s湿拌时间/s参考拌和周期/s普通沥青混合料25~3045~503~5改性沥青混合料沥青喷入后延迟530~3550~55SMA5~830~3550~552.4建立沥青混合料搅拌设备作业指标体系根据沥青混合料搅拌设备各个环节的工作质量要求及设备参数与施工工艺对作业质量的影响研究，总结上述各环节的工作质量指标，建立搅拌设备作业质量指标体系，见表2.6，作为搅拌站工作的参考依据，以便在施工中可以通过控制这些指标来实现设18 长安大学硕士学位论文备作业质量的控制。2.6沥青混合料搅拌设备作业指标搅拌设备指标单位质量要求或允许偏差温度计量准确度℃±3.0振动筛筛分效率%≥85骨料±0.5粉料±0.5静态计量准确度沥青±0.25纤维±0.5%骨料±2.5粉料±2.5动态配料准确度沥青±2.0纤维±2.5一次纤维添加所用时间s普通沥青混合料3~5干拌时间改性沥青混合料s3~5SMA5~8矿粉添加时刻s沥青喷入延迟5~8拌普通沥青混合料25~30和湿拌时间改性沥青混合料30~35SMA30~30s普通沥青混合料45~50拌和周期改性沥青混合料50~55SMA50~552.5沥青混合料拌和设备配料误差指标验证前文指出搅拌站集料、沥青、粉料的配料过程中都会引起不同程度的误差，当误差超过允许范围时，就会破坏级配，进而影响路面质量，提出配料误差对混合料质量的重要性，建立了有关配料误差的指标要求。现在以甘肃某高速公路沥青搅拌站作为依托，选用某4000型拌和楼作为试验设备，通过试验对设备的作业质量进行评定并验证质量指标的合理性。过程如下：（1）某4000型拌和设备配料的数据采样，见图2.11：19 长安大学硕士学位论文图2.11数据采集现场在生产6锅料后开始采集对各类原材料的配料数据（各50个数据）。每次集料配料量累计设计值依次为：1306、1959、2343、2766、3727，沥青配料设计值为115，粉料为157.6，单位为kg。表2.7某4000型配料数据集料配料累计值/kg沥青配料/kg粉料配料/kg1234513161958230927683709114.1157.513161960231627723730114.8157.213231960230827633754114.6158.713111950229927673709114.7157.213081988230427713733114.6157.213141954230027683721114.5158.213171964230927763720115.5158.213171955229927713735115.0157.213061947231827633749115.5157.613061986230027733701115.7157.313141950230127723739114.0157.513171962231227673733113.7157.313201959230727673746114.5157.513091948229227683708114.3157.213131948229827723734115.0157.313101988230627653735114.3158.613091946231627643745114.3157.320 长安大学硕士学位论文表2.7某4000型配料数据（续）集料配料累计值/kg沥青配料/kg粉料配料/kg1234513091945229127683735113.7157.213101951229627743725114.3157.013041983230227633739114.1158.213021941231127743697114.0158.213041984229927753714114.7157.013111951229727583735114.2158.312981974231927653738114.3156.713131948229827623738115.1158.213021965231027723703113.5158.213101943231427763756114.3156.813031972228927623721115.0156.813121948229527703731113.5158.013131948229827703748114.7158.013131991230827653740114.2158.013101947229527683676115.0157.813011979232427723736114.1156.713111949230227643741115.1157.713091945231627633722114.3157.813071979229527713719115.0157.713021976231827643718116.3157.513101947228727763733115.2157.513091940230627683732113.8157.313151992230427643721114.6158.313071977231827623726113.8157.013121956229527663720114.7158.313091951229127643714114.2157.013021942229227643742114.6158.113071981231827753746117.0157.813061941231327723729115.3158.013141949229927733711114.2156.813071985229927723724113.3158.013071985230827683718113.1156.813031983230027603752115.6157.8经计算得到各种材料的配料误差，见表2.8，计算方法见式2.8：xxi0100（2.8）x021 长安大学硕士学位论文式中：—某材料的配料误差，%；x—该材料某次配料质量，kg；ix—该材料配料设计值，kg。0表2.8配料误差集料配料误差/%沥青误差/%粉料误差/%123450.766-0.051-1.4510.072-0.483-0.783-0.0630.7660.051-1.1520.2170.080-0.174-0.2541.3020.051-1.494-0.1080.724-0.3480.6980.383-0.459-1.8780.036-0.483-0.261-0.2540.1531.480-1.6650.1810.161-0.348-0.2540.613-0.255-1.8350.072-0.161-0.4350.3810.8420.255-1.4510.362-0.1880.4350.3810.842-0.204-1.8780.1810.2150.000-0.2540.000-0.613-1.067-0.1080.5900.4350.0000.0001.378-1.8350.253-0.6980.609-0.1900.613-0.459-1.7930.2170.322-0.870-0.0630.8420.153-1.3230.0360.161-1.130-0.1901.0720.000-1.5360.0360.510-0.435-0.0630.230-0.562-2.1770.072-0.510-0.609-0.2540.536-0.562-1.9210.2170.1880.000-0.1900.3061.480-1.579-0.0360.215-0.6090.6350.230-0.664-1.152-0.0720.483-0.609-0.1900.230-0.715-2.2190.0720.215-1.130-0.2540.306-0.408-2.0060.289-0.054-0.609-0.381-0.1531.225-1.750-0.1080.322-0.7830.381-0.306-0.919-1.3660.289-0.805-0.8700.381-0.1531.276-1.8780.325-0.349-0.261-0.3810.383-0.408-1.963-0.2890.215-0.6960.444-0.6130.766-1.024-0.0360.295-0.609-0.5710.536-0.562-1.921-0.1450.2950.0870.381-0.3060.306-1.4080.217-0.644-1.3040.3810.306-0.817-1.2380.3620.778-0.609-0.508-0.2300.664-2.305-0.145-0.1610.000-0.5080.459-0.562-2.0490.1450.107-1.3040.2540.536-0.562-1.9210.1450.563-0.2610.2540.5361.633-1.494-0.0360.349-0.6960.25422 长安大学硕士学位论文表2.8配料误差（续）集料配料误差/%沥青误差/%粉料误差/%123450.306-0.613-2.0490.072-1.3680.0000.127-0.3831.021-0.8110.2170.241-0.783-0.5710.383-0.510-1.750-0.0720.3760.0870.0630.230-0.715-1.152-0.108-0.134-0.6090.1270.0771.021-2.0490.181-0.2150.0000.063-0.3060.868-1.067-0.072-0.2411.130-0.0630.306-0.613-2.3900.3620.1610.174-0.0630.230-0.970-1.5790.0720.134-1.043-0.1900.6891.685-1.665-0.072-0.161-0.3480.4440.0770.919-1.067-0.145-0.027-1.043-0.3810.459-0.153-2.0490.000-0.188-0.2610.4440.230-0.408-2.219-0.072-0.349-0.696-0.381-0.306-0.868-2.177-0.0720.402-0.3480.3170.0771.123-1.0670.3250.5101.7390.1270.000-0.919-1.2800.2170.0540.2610.2540.613-0.510-1.8780.253-0.429-0.696-0.5080.0771.327-1.8780.217-0.080-1.4780.2540.0771.327-1.4940.072-0.241-1.652-0.508-0.2301.225-1.835-0.2170.6710.5220.127由采集数据计算得到每种材料的配料误差平均值与标准差（见表2.9），计算公式如下：1xxi（2.9）n1n2s(xix)n1i1（2.10）式中：x—某种材料配料误差均值，%；x—该材料某次配料误差，%；is—该材料配料误差标准差，%。表2.9配料误差的平均值与标准值配料12345沥青粉料平均值/%0.27260.1235-1.66370.07740.0274-0.3843-0.0063标准差/%0.40220.84670.39330.16820.43040.64120.340923 长安大学硕士学位论文按概率论与数理统计知识，各材料的配料误差落在以下区间内的概率约为95%，见表2.10：表2.10配料误差在约95%概率下的取值区间/%配料区间10.53，1.0821.57，1.82集料3-2.45，-0.884-0.26，0.415-0.83，0.88沥青-1.67，0.90矿粉-0.69，0.68（2）数据分析将表2.10与指标体系中允许偏差对比可知，该设备对各材料的配料均能达到指标要求，综上所述，为减少“飞料”，“冲击"等的影响，现代沥青混合料拌和设备利用先进的电子控制技术和适当的修正方法，改善了配料系统的性能，大大减小了误差，同时也验证了所规定的指标的合理性和实用性。2.6本章小结（1）通过对沥青混合料搅拌设备结构的研究，分析影响设备的作业质量的因素，确定了设备作业质量指标，将其量化后建立搅拌设备作业质量指标体系。（2）建立沥青在集料与矿粉表面的分布情况模型，经过理论分析，探讨了两种混合料常见拌和工艺的合理性，提出矿粉应在沥青喷射后延迟5s添加的拌和模式，以保证矿料表面有合适的沥青膜厚。（3）通过现场试验，对某4000型搅拌站进行配料误差分析，评价设备的作业质量并验证了指标的合理性。24 长安大学硕士学位论文第三章沥青混合料摊铺设备作业质量指标研究沥青混合料摊铺设备的功能是将混合料按照设计的厚度、宽度、平整度、压实度等[39]要求均匀地摊铺在下承层上。为满足现代化沥青路面施工自动化控制的要求，目前先进的摊铺机是机、电、液的有机结合体。3.1沥青混合料摊铺机的类型路面工程中通常按行走方式对摊铺机进行分类，即轮胎式沥青摊铺机和履带式沥青摊铺机。轮胎式摊铺机具有机动性好、结构简单和造价低等优点。但轮胎式摊铺机存在着对路面平整度比较敏感，因料斗内混合料数量的变化引起后轮的变形而影响摊铺质量，牵引附着力不足而导致轮胎打滑等缺点，因此主要用于养护作业和小型道路施工。履带式沥青摊铺机与地面的接触面积大，牵引力大，克服轮胎式摊铺机“打滑”的缺点，其对下承层的平整度不是很敏感，摊铺质量可靠，多用于高等级路面的摊铺作业，施工现场如图3.1。图3.1履带式沥青摊铺机作业现场25 长安大学硕士学位论文3.2履带式摊铺机工作装置的结构与功用研究履带式摊铺机的工作装置主要包括：刮板输送机、螺旋布料器、振捣梁和熨平装置。（1）刮板输送机刮板输送机安装在接料斗的底部，其作用是将料斗内的混合料输送至摊铺室。每台摊铺机上装有一至两个刮板输送机，由链条传动带动的，每个刮板输送机左右两侧装有同步运转的链条，每隔几个链节用一根刮料板将左右链条连接起来，工作时，链条带动刮板将混合料刮送至摊铺室内。目前摊铺机大多采用液压传动，链条运转由液压变量马达通过减速器驱动，根据摊铺的需要进行无级调速。（2）螺旋布料器摊铺机的摊铺室内左右安装两个旋向相反的螺旋布料器，左侧螺旋布料器左旋，右侧螺旋布料器右旋。工作时，两个螺旋布料器以相同的方向转动，将摊铺室内的沥青混合料从中间向两侧均匀输送、摊铺，达到摊铺机的全幅宽度。（3）振捣装置振捣装置安装在摊铺机挡料板和熨平板前端板之间，以熨平板箱体为机架，由偏心轴与安装在偏心轴上的梁式结构组成。工作时，振捣梁由液压马达通过偏心轴驱动，在竖直方向上作往复运动，混合料层在反复的加载作用下密实度逐渐增加，获得了初步的承载能力。振捣装置有单振捣梁与双振捣梁之分，单振捣梁结构简单，调试与维护方便，但有部分学者认为单振捣梁结构密实度不及双振捣结构。目前一些摊铺机采用双振捣梁结构，见图3.2。两根振捣振捣梁前后布置，有一根偏心轴带动，相位相差180°，前面的称为预捣实梁，后面的称为主振捣梁。图3.2双振捣梁26 长安大学硕士学位论文振捣梁的振动频率与振幅都可调，前者可通过液压马达实现无级调节，根据摊铺速度与密实度进行调节。后者可进行分级调整，一般根据摊铺厚度、密实度以及摊铺温度来选择振幅的大小，矿料粒径小，面层摊铺时选择小振幅；当矿料粒径大、摊铺温度较低或进行厚层摊铺时，选择较大振幅。（4）熨平装置熨平装置是一个箱体结构，箱体内装有激振器。它是混合料摊铺环节的最后一道工序，一般认为熨平装置主要作用是对铺层进行抹平，提高铺层平整度。有些学者认为，合理利用熨平装置的振动作用，能大幅提高摊铺机的摊铺密实度。3.3沥青路面摊铺作业质量指标研究作为沥青路面施工的关键设备，沥青摊铺机的施工质量在很大程度上决定着成型路面的路用性能。目前沥青路面摊铺施工的常见质量评价指标有“摊铺宽度”、“摊铺厚度”、[40]“摊铺平整度”、“摊铺密实度”和“摊铺离析”等。一般来说，“摊铺宽度”和“摊铺厚度”指标反映了摊铺设备的“作业能力”，是摊铺机本身的性能特点，其对成型路面的影响是显而易见的，本文对此不作分析。“摊铺平整度”、“摊铺密实度”和“摊铺离析”指标体现了摊铺设备在施工过程中的合理使用以及最终产品的质量。本文通过对设备作业质量的影响因素—调平基准与摊铺速度进行分析研究，确定合适的设备施工参数和动态检测标准，最终建立摊铺设备的作业质量指标体系。3.3.1摊铺过程中各因素对作业质量的影响分析（1）调平基准对作业质量的影响对于装有熨平板自动调平装置的摊铺机来说，调平系统参考基准的误差，是引起摊铺凹凸不平的一个重要因素。通常使用的参考基准有：弦线基准、浮动式平衡梁、激光调平基准和声呐调平基准。浮动平衡梁调平系统的基准是一个较大范围内平整度均值，能较好地避免局部随机不平度的影响，使铺层厚度均匀稳定。其误差主要来源于安装调试和使用过程中平衡梁滑动时粘轮。激光调平基准与声呐调平基准都属于计算基准，较高的精度使计算准能获得良好的平整度，但在实际使用过程中仍存在一些缺点。激光调平基准的误差主要来自扫描范围27 长安大学硕士学位论文内人员的或杂物的流动引起系统工作不稳定。声呐调平基准的误差主要来自施工现场温度、湿度等空气中介质的不稳定而影响到声速的变化。弦线基准是基层或下面层摊铺时常用的基准形式，其误差主要来源于施工单位往往不够重视拉线误差，施工人员拉线时工作不认真，造成基准线因张紧力不足或支承桩的间距过大而产生挠度，使摊铺时铺层产生不平整。根据施工经验，桩距越大、钢丝绳的拉力越小，则钢丝绳的挠度越大，因此，需要通过研究，用数学模型描述这三者之间的关系，才能合理的选择钢丝绳的工作参数。通常桩距在10~20m时，钢丝绳的挠度在1~18mm左右，为了便于计算，设下垂的钢丝绳满足式（3.1）的直线方程：yax（3.1）如图3.3，以点o为原点建立垂直坐标系，设桩距为L，钢丝绳挠度为，则直线过（L/2，），代入式（3.1），可得式（3.2），对钢丝绳进行受力分析，可得式（3.3），由于挠度较小，去掉的高次项，积分得到式（3.4）。考虑到钢丝绳弹性及其他因素，在式中加入修正系数C，得到式（3.5）。yox图3.3钢丝绳挠度模型2yxL（3.2）28 长安大学硕士学位论文2dL/22222F4/(4)Lkg21(y)dx40（3.3）2d2F4/LkgL4（3.4）C22FkgdL32（3.5）式中：F—拉力，N；L—桩距，m；k—钢丝绳密度修正系数，取0.74；33—钢的密度，取7.8×10kg/m；2g—重力加速度，取9.8m/s；d—钢丝绳直径，mm；C—修正系数，由实验确定。根据式（3.5），在桩距一定的情况下（10m或20m），得到挠度与拉力之间的关系，见表3.1，图3.4：表3.1挠度与拉力之间的关系拉力/N项目60080010001200140016001800挠度/mmL=10m3.02.51.91.51.31.11.0(d=2.5mm)L=20m12.49.27.46.25.24.74.1挠度/mmL=10m4.53.42.72.31.91.71.5(d=3.0mm)L=20m18.013.510.89.07.76.86.0挠度/mmL=10m6.04.53.63.02.62.32.0(d=3.5mm)L=20m24.018.014.012.010.09.08.029 长安大学硕士学位论文302520系列1系列2/mm15系列3挠度系列410系列55系列60500100015002000拉力/N图3.4挠度与拉力的关系图3.4中：系列1、3、5分别是桩距为10m，钢丝绳直径分别为2.5mm、3.0mm、3.5mm时，挠度与拉力的关系；系列2、4、6分别是桩距为20m，钢丝绳直径分别为2.5mm、3.0mm、3.5mm时，挠度与拉力的关系。由图3.4中曲线可知，钢丝绳越粗、桩距越大，所需的拉力越大。当桩距为10m时，如果要求挠度在2.0mm以下，对于钢丝绳直径为2.5mm，则要求拉力为1000N；直径为3.0mm时，要求拉力为1400N；直径为3.0mm时，要求拉力为1800N。当采用桩距为20m，挠度随着拉力减小而增加较快，对于等直径的钢丝绳，要满足挠度要求，需要的拉力要更大。太大的拉力要求使施工难度增大，因此，建议桩距在10m以下，钢丝绳直径在3.5mm以下。根据上述理论研究，本文提出了弦线基准使用中拉力与桩距工作参数的确定指标，见表3.2。表3.2钢丝拉力与桩距工作参数的要求指标单位要求钢丝直径2.5mmN≥1000钢丝直径3.0mmN≥1400挂线张紧力钢丝直径3.5mmN≥1800桩距m5~1030 长安大学硕士学位论文（2）摊铺速度对作业质量的影响沥青混合料的摊铺速度应根据沥青搅拌站生产率，运料车、压路机以及摊铺宽度、[43]厚度等因素确定，一般按下式计算：100QCv（3.6）p60DBH式中：v—摊铺速度，m/min；pD—压实成型后沥青混合料密度，t/；Q—搅拌站产量，t/h；B—摊铺宽度，m；H—压实成型后路面平均厚度，cm；C—效率系数，一般为6~8。郝培文教授关于摊铺机速度有以下论述：“摊铺速度在4m/min以下时，铺层表面拉沟、开裂现象较少，摊铺密实度较好，因此，上面层摊铺速度设置在4m/min比较合适，[44]最好为3m/min左右，中下面层可适当放宽到5m/min左右”。邵明建对摊铺速度的论述如下：“摊铺机的速度应根据搅拌站生产率，成品料贮存，运输能力以及工作质量[40]要求等综合考虑，一般摊铺速度为2.5m/min时，铺筑质量较理想”。摊铺速度的合理选择是影响摊铺质量的一个重要因素，摊铺过快，振捣梁的击实次数不足，很难达到摊铺密实度。熨平板对松铺层的振实与抹平效果不明显，影响到摊铺平整度。摊铺过慢，降低施工进度，影响施工经济性。一旦摊铺速度确定下来，在摊铺过程中不能随意改变摊铺速度。现代摊铺机多采用浮动熨平板，靠力的平衡来控制铺层的厚度，因此要求摊铺机具有良好的速度稳定性，改变摊铺速度、频繁起步或中途停车都会打破这种平衡状态，进而影响到摊铺厚度与平整度。根据规范，摊铺速度宜控制在2-6m/min，对于SMA混合料，速度降低为1-3m/min[20]。3.3.2确定摊铺过程中对施工质量的动态检测标准（1）摊铺平整度摊铺平整度是指摊铺层表面平整度波动的偏差值，其包括纵向平整度和横向平整度。31 长安大学硕士学位论文纵向平整度指在沿着道路走向，在一定长度范围内，测得的摊铺层表面凹凸量的偏差值；横向平整度则为沿垂直道路中心线方向所测凹凸量的偏差值。偏差值越小，表明摊铺平整度越好。施工经验表明，摊铺平整度与成型路面平整度存在一定的关系，本文从理论层面进行研究。理想条件下，在进行混合料摊铺时，任取一个混合料单元体进行研究，如图3.5，其受到振捣或振动的竖直方向力，处于三向压缩的状态，两个横向的法向应力可以认为[41]是相等的，此时单元体在压实后和压实前的体积之比有以下关系，见式3.7：V1(2)（3.7）11V"式中：V—单元体压实后的体积；V—单元体压实前的体积；—混合料的竖向应变；1—混合料的泊桑比。σ1△Hσ3Hσ2图3.5单元体受力分析设单元体被压实前的密度为，压实后的密度为，则：mmVV,"（3.8）"式中：m—所考察单元体的质量。将式（3.8）代入式（3.7）中变形得式（3.9）：1()/(12)（3.9）11设下层表面绝对平整，密实度均匀一致，松铺层混合料均匀一致，经压实后路面密实度一致。对于图3.6所示的摊铺层，可得式（3.10）、（3.11）：32 长安大学硕士学位论文△H2△H"△H2H"HH22H1图3.6松铺层不平整的传递H/H（3.10）1(HHH)/(HH)（3.11）1222由式（3.9）、（3.10）、（3.11）可得式（3.12）：HH2/12（3.12）22上式表明，在理想条件下，松铺层的凹凸不平能以相似规律传递到成型路面上。由此可见，在施工过程中，应提高对摊铺平整度的重视，将其控制在合理的范围内对成型路面质量有很大的意义。邵明建根据泰安市公路局与西安公路交通大学合作在京沪高速公路化林段进行的大规模平整度试验研究，通过对大量数据的分析研究，得出路面各层结构松铺层平整度的波动范围，见表3.3。表3.3各结构层松铺层平整度波动范围项目上面层中面层下面层松铺层平整度/mm0.40~0.500.50~0.600.75~1.25松铺层平整度的测量宜采用3m直尺，所测量为最大间隙。为将松铺层平整度这个指标方便地应用在施工现场，本文对表3.1中每一个结构层次的平整度取中值，然后根[41]据最大间隙与标准差的对应关系，见式3.13，计算得到最大间隙指标值，见表3.4。Lk（3.13）式中：L—最大间隙，mm；—平整度标准差，mm；k—系数，通常取3~4。33 长安大学硕士学位论文表3.4各结构层平整度最大误差要求指标单位要求上面层1.8松铺层平整度最大间隙中面层mm2.2下面层4.0（2）摊铺密实度摊铺密实度是指在摊铺机摊铺后、压路机碾压前的铺层密实度。[42]研究资料和工程实践均表明，摊铺层初压密实度愈高，路面施工质量愈好。首先，提高摊铺密实度使松铺层具有一定的承载能力，避免在初压时钢轮将混合料推移而造成材料不均匀或形成裂缝。其次，提高摊铺密实度，降低松铺层温度下降速度，有利于后续压路机的碾压施工。另外，摊铺密实度在一定程度上影响成型路面的平整度。假设下面层不平整，如图3.7（a）摊铺机摊铺后，即使铺层达到了平整度要求，但铺层密实度较低，经压路机碾压之后，由公式3.12可知，材料的压缩率相等，压缩量与松铺厚度成正比，因此会导致成型路面的不平整，如图3.7（b）。松铺层下面层（a）铺层碾压后下面层（b）图3.7摊铺密实度对平整度的影响如果摊铺密实度较大，压路机碾压过程中松铺层的压缩量就会变小，这样，成型路34 长安大学硕士学位论文面的不平整就会得到很好地缓解。可见，摊铺密实度是沥青路面摊铺施工环节的一个非常重要的指标，规范中要求摊铺密实度在85%以上。在施工过程中，可以采用无核密度仪对摊铺层进行动态检测，及时发现问题，调整摊铺参数，保证摊铺质量。（3）摊铺离析摊铺离析包括两方面，即级配离析和温度离析。级配离析指不同铺层位置处不同尺寸的集料分布不均匀；温度离析指一定的摊铺范围内，不同位置处的混合料温度与该范围内混合料平均温度存在较大偏差。混合料离析不仅影响摊铺平整度与摊铺密实度而且与混合料级配准确性密切相关，而混合料级配是否准确是影响路面结构强度的最重要因素。级配离析破坏混合料设计级配，使路面结构强度大幅下降，为路面早期破坏留下隐患。温度离析使混合料在碾压过程中难以满足平整度、压实度等基本性指标，同时也会造成路面空隙率增大，引起水损坏。因此摊铺离析指标也是评价摊铺施工质量的基本指标之一。有关实验研究显示，在摊铺宽度为10.5m的摊铺机施工后的路面上取样检测，结果发现，粗集料在路面左右两侧位置上分布约64%，中部分布约36%，这表明集料离析已相当严重。规范要求，在高速及一级公路施工时，一台摊铺机的铺筑宽度不宜超过[20]7.5m，以减少集料离析。3.4建立沥青混合料摊铺机作业质量指标本文通过研究几种常见沥青路面摊铺质量评价指标对成型路面的影响，分析了影响摊铺机作业质量的因素，最后从摊铺设备角度，将质量评价指标细化，把设备参数与检测标准定量化，作为控制指标，建立了沥青路面摊铺设备作业质量指标体系见表3.5，以期实现过程控制的目标。35 长安大学硕士学位论文表3.5沥青路面摊铺设备作业质量指标体系摊铺设备指标单位允许偏差或范围钢丝直径2.5mmN≥1000挂线张紧力钢丝直径3.0mmN≥1400钢丝直径3.5mmN≥1800履桩距m5~10带普通沥青混合料m/min2-6摊铺速度范围式改性沥青混合料及SMAm/min1-3摊上面层≤1.8铺最大间隙中面层mm≤2.2设下面层≤4.0备平整度上面层≤0.45标准差中面层mm≤0.55下面层≤1.00单机摊铺宽度m≤7.5摊铺密实度%≥853.5对沥青路面摊铺平整度指标试验验证由松铺层平整度的传递特性研究可知，松铺层的凹凸不平可以通过压实作用以相似规律传递到成型路面上。如果这个结论成立，在施工过程中能较好的控制这个指标，则对提高成型路面平整度是很有意义的。为了验证指标体系中指标赋值的合理性与适用性，在内蒙某依托施工单位的施工现场进行数据采集，如图3.8所示。图3.8摊铺平整度测量36 长安大学硕士学位论文试验段为沥青路面中面层，混合料类型为AC-20，集料为石灰岩材料，沥青采用SBS改性沥青，针入度（25，5s，100g）大于50，油石比4.8%，摊铺设备采用DYNAPACF141C型沥青摊铺机，摊铺宽度为7.5m，摊铺厚度为5cm，摊铺速度设定为2m/min。试验方案如下：沿摊铺机行驶方向每3米作为一个测量区，利用3米直尺测量摊铺层纵向平整度，横向移动测量尺，多次测量，一个测量区采集3个数据。共采集5个测量区的数据。测量数据见表3.6：表3.6摊铺及成型路面平整度数据项目测量点最大间隙/mm12.0Ⅰ21.830.812.2Ⅱ22.0测32.011.6量Ⅲ21.2区31.211.6Ⅳ21.832.010.8Ⅴ21.231.0数据整理后得到表3.7：表3.7数据特征值项目ⅠⅡⅢⅣⅤ各测量区均值/mm1.52.11.31.81.0总体均值/mm1.5平整度标准差/mm0.5由表3.7可知，各测量区平整度最大间隙均值与总体均值都能满足指标要求（2.2mm），按公式3.7，转换成平整度标准差也能满足指标要求（0.55mm），验证摊铺平整度指标赋值的合理性与适用性。37 长安大学硕士学位论文3.6本章小结（1）通过对沥青摊铺机作业装置的研究，分析摊铺平整度、密实度对成型路面质量的影响以及拉线基准、摊铺速度等因素对摊铺质量的影响，提出相应的控制指标，建立沥青摊铺设备作业质量指标体系。（2）通过试验研究，验证了摊铺平整度指标的合理性与适用性。38 长安大学硕士学位论文第四章沥青路面压实设备作业质量指标研究沥青路面压实设备是利用设备自身重量与动态载荷（振动、振荡与搓揉等），对被压材料进行反复加载，克服各种材料、空气以及水分等之间复杂的粘结力和摩擦力，使材料颗粒产生位移，重新组合和相互嵌挤，增加混合料的密实度，使路面具有足够的强[38]度、平整度以及耐久性。4.1沥青路面压实设备类型压实设备类型极具多样性，在沥青路面施工中，主要采用钢轮静作用压路机、双钢轮振动压路机、振荡压路机和轮胎压路机，因此，本文先针对这四种典型的压路机的工作原理进行分析，探讨不同类型压路机的施工特性与施工场合，将初压、复压和终压三个阶段采用合理的设备类型提出来作为技术指标。然后根据碾压作业对路面质量的影响因素，建立作业质量指标体系。4.2沥青路面用压路机结构与工作原理分析4.2.1钢轮静作用压路机钢轮静作用压路机是压路机最初的形式，其工作原理是利用设备自身重量通过钢制光轮对被压材料重复加载，使混合料达到足够的承载能力与良好的路面平整度。由于对材料的作用力完全来自设备自身重量，因此，设备自重较大，重型静力压路机自重可达20t左右。钢轮静作用压路机在沥青路面施工中通常使用在初压阶段，使摊铺层具有一定的承载能力，方便后续碾压施工。近年来由于振动压路机的快速发展和施工单位为减少设备投资，初压时将振动压路机关闭振动进行碾压。因此，钢轮静作用压路机逐渐被振动、振荡压路机取代。4.2.2轮胎压路机轮胎压路机是利用自身重量通过专用橡胶轮胎对材料进行碾压、搓揉等反复加载，增加混合料的密实度与平整度。轮胎压路机的专用轮胎在前、后轴上交错布置，防止在碾压过程中路面出现车辙、波浪而影响平整度。39 长安大学硕士学位论文图4.1轮胎压路机在压实过程中，压路机的轮胎在自身重力、驱动力以及由于受到力的作用时产生变形的情况下，使轮胎压路机同时具有竖直和水平方向的作用力。竖直方向上的作用力有设备自身重量提供，作用在由一定级配组成的沥青混合料上，产生剪切力，当剪切力超过混合料的剪切强度时，不同粒径的材料颗粒将发生相对滑动，小颗粒和沥青结合料填充较大颗粒之间的空隙，使混合料更加密实，形成一定的强度。水平作用力的来源有两方面，一方面是由充气轮胎在竖直方向上的载荷作用下发生变形产生的，这种力主要作用在压路机行驶方向的垂线上。胶轮上某块区域随着开始接触混合料到逐渐离开混合料，逐渐变形后逐渐恢复，对材料的作用力方向开始向外，然后向内。另一方面是由于压路机驱动力使胶轮转动时产生的，主动轮对混合料的作用力与压路机行驶方向相反，从动轮的作用力与行驶方向相同。这两方面的水平作用力使轮胎产生类似“搓揉作用”而达[45]到很好的压实效果。相对于钢轮压路机，轮胎压路机具有很多优点。例如，钢轮压路机在压实过程中，会因钢轮与粗骨料的点接触而产生“过桥”现象，造成空隙率过大或压实不均匀。相反，[8]轮胎压路机的胶轮采用悬挂方式，如图4.2所示。其特点是每个轮胎在垂直方向上都可以产生较大的相对位移，从而有效地解决了钢轮“过桥”问题。40 长安大学硕士学位论文121—摆动机构；2—轮胎图4.2机械摆式悬挂同时，钢轮压路机在压实过程中对混合料有向前推移的作用，压实表面易产生裂缝，这对压实极为不利，尤其在混合料温降过快的情况下，混合料结块，在施工现场能明显看到整片混合料向前推移的现象，反复压实仍无法增加密实度。轮胎压路机主动轮对混合料的作用力方向与行驶方向相反，对混合料没有前推移的作用力，给混合料施加很大的垂直作用力，避免了裂缝的产生。另外，用于路面两侧的最后压实，轮胎压路机能有效地达到铺层的密实度与平整度，减少对路缘石的破坏。但与振动压路机相比，轮胎压[46]路机的压实深度小，如图4.3所示，由图中曲线可知，随着深度的增加轮胎压路机的压实作用力急剧减小，当深度大于轮胎宽度的1.5倍时作用力已十分微弱，压实效率较低。因此，轮胎压路机应使用在复压阶段的后期与终压阶段。P—轮胎单位载荷D—轮胎宽度图4.3轮胎压路机的压实力与压实深度的关系4.2.3振动压路机与振荡压路机振动与振荡压路机都是利用激振装置带动碾压轮振动工作，压实作用力由自身重力与激振力两方面组成，在沥青路面压实过程中，主要用于复压阶段。但是，它们的工作原理略有不同，施工人员易混淆这两种设备的工作特性，在制定碾压工艺时，没有充分[47，48]利用设备独有的压实性能。本文通过对这两类压路机振动（振荡）轮结构、压实机41 长安大学硕士学位论文理分析和试验研究，探讨振动与振荡压实的特性及工作场合，为合理使用设备提供依据。（1）振动压路机振动压路机，见图4.4，利用设备自身重力与激振力对路面进行压实作业，振动压实理论认为，在振动作用下，材料颗粒之间的摩擦阻力大幅下降，对压实作业极为有利。工程实践表明，振动压路机综合静载与动载的双重压实特性，压实效率高，压实质量好。激振装置的安装既提高了钢轮压路机的压实效率，又降低了金属材料的使用量，节约能源，因此，振动压路机已成为沥青路面施工以及路基施工中必不可少的重要压实设备。图4.4振动压路机1）振动轮工作原理[45]振动压路机的振动轮结构（如图4.5），钢轮内部装有激振轴，激振轴上安装有偏心块，当开启振动时，激振轴与偏心块在液压马达驱动下高速转动。偏心块高速转动受到离心力，该离心力为钢轮振动提供激振力。213ωtF0Fy1-钢轮2-激振轴3-偏心块格式图4.5振动压路机振动轮结构振动轮在竖直方向上所受的激振力见式4.1：FFsint（4.1）y042 长安大学硕士学位论文式中：F—振动轮竖直方向上所受的激振力；yF—钢轮受到的激振力；0—偏心块转动的角速度。根据物理学知识，物体转动时受到的离心力与物体转速的平方成正比，与物体质量和运动半径成正比，即：2F0me（4.2）式中：F—偏心块受到的离心力，（F与F是一对相互作用力）；000M—偏心块质量；e—偏心块的偏心距；—偏心块转动的角速度。由式（1）、（2）可知，振动轮所受的激振力是沿圆周方向高速变化的力，激振力沿振动轮做圆周振动，因此碾压轮对材料的作用是周期性的冲击载荷，这种振动冲击作用使被压材料由静止状态进入振动状态，颗粒之间的摩擦阻力大幅下降，为颗粒的相互滑动创造了十分有利的条件，使材料颗粒之间相互嵌挤、填充，达到密实状态。振动压路机具有自身重力和振动力的双重作用，使压实力度大，压实效率高。工程实践表明，由振动轮输出的能量波沿路面深度方向衰减小，具有很好的厚层压实特性。因此，振动压路机应使用在复压阶段，使路面密实度迅速增加，保证碾压质量。（2）振荡压路机振荡压路机的振荡轮基本结构有两类，分别以德国HAMM为代表的三轴式结构和[49~50]以日本酒井为代表的双轴联动式结构。1）三轴式振荡轮结构及压实原理如图4.6所示，三轴式振荡轮中间轴为主动轴，由液压马达驱动，上下轴为从动轴，两从动轴上装有偏心块，被主动轴带动以相同的方向和速度转动，相位差相差。43 长安大学硕士学位论文4F11ωtRM122R3F21-钢轮2-从动轴3-偏心块4-主动轴图4.6三轴式振荡轮基本结构设两偏心块的质量都为m，角速度都为，偏心距都为e，则两偏心块产生的激振2力FFme。122令Fme，为了便于分析建立垂直坐标系，两偏心块引起的激振力在坐标轴上0的投影分别为F，F，F，F。则有：1x1y2x2yFFcost（4.3）1x0FFsint（4.4）1y0FFcos(t180)（4.5）2x0FFsin(t180)（4.6）2y0FFF（4.7）x1x2xFFF（4.8）y1y2y力偶矩M2RF（或M2RF）（4.9）121x122x将式（4.3）、（4.5）代入式（4.7），式（4.4）、（4.6）代入式（4.8），得到式（4.10）：F0，F0（4.10）xy44 长安大学硕士学位论文将式（4.3）代入式（4.9），得到式（4.11）：M2Rcost（4.11）12由式（4.10）、（4.11）可知，在转动时，两个偏心块产生的激振力垂直方向的分力相互抵消，水平方向上的分力产生一个交替变化的力偶矩M，该力偶矩使碾压轮产生12水平振荡作用。由于振荡压路机碾压轮没有垂直方向上的振动作用力（只存在着自重产生的静作用力），只有水平振荡作用，这种振荡作用在碾压过程中不会使碾压轮跳离地面，还可以对材料产生“搓揉”效果。因此，振荡压路机对被压材料具有振动与搓揉两种作用的压实特性。2）双轴联动式振荡轮结构与工作原理如图4.7所示，液压马达通过锥齿轮带动一根垂直于碾压轮轴线的回转轴转动，该回转轴通过齿轮与另外一根回转轴联动。每根回转轴两端都安装有偏心块，同一根轴上的两个偏心块转动的相位差。对偏心块a、c所在的回转轴进行受力分析，得式（4.12）。图4.7双轴联动式振荡轮结构FaxF0costFFsintaz0（4.12）FFcos(t180)cx0FFsin（t180)cz0对式4.12进行推导，得式（13）.Fx0Fz0（4.13）MlFcostac10Mac2lF0sint由式（4.13）可知，回转轴在转动时所产生的激振力在X轴和Z轴方向上的分力相45 长安大学硕士学位论文互抵消，但由于同方向的分力不共线，因此X轴方向上的分力在xy面内形成交替变化的力偶矩M，Z轴方向上的分力在xz面内形成力偶矩M。ac1ac2同理，偏心块b、d所在的回转轴产生的激振力在X、Z轴上的分力也相互抵消。但因为两轴同步转动，分力在xy面内形成的力偶矩M与M方向相反，相互抵消，bd1ac1因此碾压轮在xy面内没有扭转作用，防止路面推移、拥包。分力在xz面内形成的力偶矩M与M方向相同，它们叠加成一个交替变化的力偶矩，该力偶矩使碾压轮作水bd2ac2平振荡而实现振荡压实。振荡压路机以水平方向振荡为主，综合振动与“搓揉”作用，压实均匀，不易将石料压碎，不易将表面振松。振荡压路机能量波衰减很快，压实深度浅，对环境的影响小。因此，振荡压路机应适用于薄层、桥面、市区道路等场合代替振动压路机施工。4.3压实设备作业质量指标研究压实是沥青路面工程中设备施工的最后一道工序，因此，压实质量直接影响成型路面的使用性能。沥青路面压实质量的常见评价指标有两个，即平整度与压实度。本文通过对压实质量的主要影响因素—压实速度、碾压遍数以及碾压段长度进行研究分析，确定合理的设备施工参数与动态检测标准，最后建立压实设备作业质量指标体系。4.3.1压实设备作业质量的影响因素分析沥青路面压实度指标受众多因素的影响，本文在假定混合料的搅拌、运输以及摊铺各环节都满足质量要求的条件下，从设备角度分析压实作业过程中各因素对压实度的影响。（1）碾压速度的参数选择确定沥青路面碾压速度要同时考虑压实度和生产率两方面内容，碾压速度过低，压路机跟不上摊铺机的节奏，使摊铺和压实作业工序中断，既影响了施工进度，又难以保证压实度指标；碾压速度过高，会钢轮对材料的推移作用加剧、引起横向裂纹和波浪等现象，造成路面不平整和压实不均匀。施工现场如图4.8。46 长安大学硕士学位论文图4.8压实作业现场初压时，由于混合料温度高，沥青结合料粘度低，流动趋势大，过快的速度容易引起混合料的推移。规范推荐碾压速度为2~3km/h。复压时通常采用振动压路机，过快的碾压速度会使压实效率下降。为施工中合理选择碾压速度参数，本文对振动压路机压实过程进行研究，建立其数学模型。研究资料显示，振动轮与被压材料接触时，轮上某点对材料连续激振至少三次使材[51]料由静止状态进入振动状态，如图4.9，轮上A点到C点的弧长为l；OA与OC的夹角为；一次碾压沉陷量为h。则得到式（4.14）~（4.16）：oθRBACh图4.9振动轮压实模型47 长安大学硕士学位论文3lv（4.14）flR（4.15）22R(Rh)sin（4.16）R由于h，因此足够小，则有式（4.17）：sintan（4.17）式（4.15）、（4.16）与式（4.17）可得式（4.18）：2l2Rhh（4.18）2结合式（4.18）与式（4.14），去掉高次项h，并将速度单位转换成km/h，可得式（4.19）：v1.2f2Rh（4.19）式中：v—碾压速度，km/h；f—振动频率，1/s。R—钢轮半径，m；h—碾压沉降量，m。由式（4.19）可以看出，碾压速度与振动器频率、钢轮直径、压实沉降量都有关。假设钢轮半径为0.8m，一次碾压沉降量为0.004m，振动频率为40~45Hz，则碾压速度为4.0~4.5km/h，因此建议振动压路机碾压速度为4km/h左右。复压后期采用轮胎压路机，速度应与此相仿或稍高至4.5km/h。终压的目的是对路面进行修光，消除微裂纹，采用轮胎牙轮机或关闭振动的振动压路机。适当提高碾压速度，有利于提高碾压效率，可参考规范要求。（2）碾压遍数的确定在沥青路面压实过程中，若碾压遍数不够，则压实不足，路面强度没达到设计要求，通车后容易造成路面的早期破坏，如车辙、水损坏等，大幅缩短路面的使用寿命，是国家建设事业蒙受经济损失。若碾压遍数太多，短时间内集中重复载荷会造成路面推移、龟裂，严重的会压碎粗料，破坏级配。为确定沥青路面合适的碾压遍数，在内蒙某施工单位进行现场试验，如图4.10。试48 长安大学硕士学位论文验段为沥青路面上面层，混合料类型为SMA-13，集料为石灰岩材料，沥青为SBS改性沥青，油石比为5.94%，设计厚度为4cm，碾压设备资料见表4.1。图4.10试验现场表4.1碾压设备资料压路机型号激振力/kN名义振幅/mm振动频率/Hz戴纳派克cc624HF166/1060.8/0.351/67试验方案：在松铺层上选择一个合适的测量点，做好标记，压路机碾压一遍，在该点用无核密度仪测量一次压实度，每次测量读取五个压实度数据以减小试验误差，记录数据。试验数据如表4.2，根据试验数据得到试验结果，如图4.10：表4.2试验数据碾压遍数压实度/%平均值/%085.183.685.084.785.084.7191.091.391.090.990.891.1292.492.193.192.792.392.5393.093.692.893.393.593.2495.095.595.193.693.794.7595.794.594.493.894.094.549 长安大学硕士学位论文96.094.092.0/%90.0压实度88.086.084.00123456碾压遍数图4.11压实度与碾压遍数的关系由图4.11可知，开始时随着碾压遍数的增加，压实度迅速增加，当碾压遍数达到4次之后，压实度变化很小。因此，采用振动压路机对沥青路面压实施工，初压可将振动关闭，静压1~2遍使混合料具有初步的承载能力，然后振动碾压3~4遍基本上才能达到压实度要求，考虑到材料对压实遍数的影响，要求振动压实应不少于3遍，终压需要静压2~3遍，消除轮迹就可完成压实。（3）压实段长度的确定压实段长度的选择在一定程度上也能影响压实质量，压实段过长，混合料温度散失严重，不利于压实。压实段过短，压路机相互拥挤且跟不上摊铺机的步伐，另一方面，振动压路机激振器的开启与关闭要达到稳定状态需一定时间，在此期间压实功不稳定。[52]易造成压实离析。一般情况下，振动压路机激振器的开启与关闭需要6s左右时间，若要求压路机稳定压实时间占一个工作循环的80%，振动压路机压实速度为3~5km/h，则压实段长度选择25~40m为宜。4.3.2确定压实过程中对施工质量的动态检测标准（1）平整度的检测控制路面平整度路面使用性能的一项重要评价指标，它影响行车的舒适性乃至驾驶的安全性。路面不平整在影响行车舒适性的同时降低了车速，增加油耗，加速了车辆机械结构的磨损。另外，车辆对路面的冲击也会增强，减少了路面的使用年限。因此，从综合角度分析，提高路面的平整度会产生非常大的经济效益。压路机的压实作业对成型路面平整度的影响可以分为三类：第一类是因路面平整度50 长安大学硕士学位论文的传递特性，下承层的不平整以相似规律传递到路面上来，在下承层已铺筑完毕的的情况下，这是必然结果，无法通过有效的方法改善平整度。第二类是设备的参数以及压实工艺不合理，前者包括速度、频率、振幅等，后者指压路机选型、组合方式等。第三类是设备操作人员不够熟练，不合理的操作方式造成碾压表面拥包、凹陷、裂纹等。压路机的碾压轮在转动时对被压材料有水平作用力，对主动轮来说，其对材料的水平作用力与压路机行驶方向相反，对被动轮来说，其对材料的水平作用力与行驶方向相同，因此，被动轮在碾压过程中对材料的推移作用很大，高温沥青混合料铺层的承载能力较小，易发生层间滑动，所以通常应首先采用主动轮对沥青材料进行碾压。本文根据规范中对成型路面平整度的要求，根据公式（3.7），将平整度标准差转换成最大间隙，见表4.3，以便于在碾压过程中，采用3m直尺定期对碾压表面进行动态检测，发现问题时能及时改变碾压工艺或碾压遍数进行补救。表4.3平整度最大间隙要求指标单位要求上面层3.6平整度最大间隙中面层mm4.5下面层5.4（2）压实度的检测控制在公路施工过程中，使用压路机对沥青混合料松铺层进行碾压是提高路面压实度最直接、最有效的方式。沥青路面的压实度指标直接影响到路面耐久性，压实度不足会弱化路面抗拉、抗压与抗剪等多个力学指标，造成坑槽、车辙、水损害等路面的早期破坏。本文建议在施工过程中，安排人员采用无核密度仪，定期对碾压表面进行无损动态检测，发现压实度不足问题时，及时增加碾压遍数进行补救。压实度指标参考规范要求，见表4.4。表4.4压实度指标要求指标单位要求压实度SMA≥最大理论密度的94%%（无损动态检测）其他混合料≥最大理论密度的93%51 长安大学硕士学位论文4.4建立沥青路面压实设备作业指标体系本文对几种沥青路面施工常用压路机的工作原理进行研究，提出各压实阶段设备的选择原则，并确定了压实速度、压实遍数、压实度长度以及平整度与压实度的动态检测标准。最后建立一个较为完善的沥青路面压实作业质量指标体系，见表4.5，以期实现过程控制的目标。表4.5沥青路面压实作业质量指标指标单位质量要求或允许偏差推荐速度2-3静作用压路机或振动压路km/h初压最大速度4机（关闭振动）碾压遍数1推荐速度4.0~4.5振动压路机km/h最大速度4.5（振荡压路机）碾压遍数≥3复压推荐速度4.0~4.5km/h轮胎压路机最大速度4.5碾压遍数2~3静作用压路机或振动压路推荐速度km/h3~6终压机（关闭振动）碾压遍数2~3压实段长度m25~40压实度SMA≥最大理论密度的94%%（无损动态检测）其他混合料≥最大理论密度的93%上面层3.6平整度最大间隙中面层mm4.5下面层5.44.5路面下承层平整度传递规律与平整度指标试验验证由平整度传递特性可知，路面下承层的平整度能以相似规律呈现在上层路面上，只52 长安大学硕士学位论文是不平整的程度会有所缓解。本次研究拟通过现场验证这种传递规律，阐明路面施工中，各层施工都应重视平整度指标，同时检验指标的适用性。试验路段如图4.12。起点路绿路绿路段化段化段一带二带三终点图4.12平整度试验现场示意图试验现场选用正在铺筑的某高速路服务区的三条纵向路段，每条路长约150m，使用八轮仪测量各路段中面层和对应的上面层的平整度。测量前使用扫把将路面的泥土、碎石等清除干净，试验现场如图4.13。测量时用人工均匀拖动八轮仪，选择距车辆分道线80-100cm处车轮碾压位置沿道路纵向测量，每50m输出一次测量结果。每条路段测量两次求平均，以减小误差。测得数据如下，见表4.6，统计分析见表4.7，曲线图见图4.14。图4.13试验现场53 长安大学硕士学位论文表4.6平整度试验数据八轮仪输中面层σ/mm上面层σ/mm路段出点第一组第二组第一组第二组10.880.950.540.35路21.241.010.601.27段31.311.121.110.84140.650.980.530.5350.950.980.620.7561.020.850.480.56路70.771.030.600.43段81.141.240.690.70291.120.830.420.60101.000.840.460.68110.830.670.380.72路121.280.870.911.00段131.211.260.830.933140.990.550.510.64151.060.550.460.71表4.7统计特征值位置平均值/mm最大间隙/mm第一组0.923.68中面层第二组1.034.12上面层第一组0.612.44第二组0.712.841.4）中面层1.2mm上面层1（σ0.80.60.40.2平整度标准差00246810121416八轮仪输出点图4.14中上面层平整度对应关系图54 长安大学硕士学位论文根据图4.14中的曲线可知，两条曲线走势大致相同表明，中面层的不平整能通过压实作用传递到上面层上，并且不平整程度有所缓解，验证了下承层施工时平整度的重要性。利用公式（3.7）将平整度标准差转换为最大间隙，可得中面层平整度均值的最大间隙为3.68~4.12mm时，上面层为2.44~2.84mm，都达到设计指标值（指标要求分别为中面层4.5，上面层），验证了所规定指标的合理性与实用性。4.6本章小结（1）对沥青路面常用压实设备进行研究，通过对压路机的压实原理进行分析，探讨不同压路机在各压实阶段的适用性。（2）通过对压实速度、压实遍数及碾压段长度对压实质量的影响分析，提出相应的参数选择指标以及质量检测指标，建立压实设备作业质量指标体系。（3）通过试验研究验证下承层平整度的传递规律，表明路面施工中应重视每一个结构层平整度控制，同时验证了各结构面层平整度检测指标的适用性。55 长安大学硕士学位论文第五章沥青路面关键施工技术研究5.1搅拌站沥青减量秤配料误差研究第二章中曾提及搅拌站各材料在动态计量过程中，因“飞料”、“冲击”等作用严重配料准确性，这种误差往往比秤的静态计量误差高出一个数量级，是配料过程中引起误差的主要原因。本文通过对沥青减量秤的配料误差进行研究分析，提出相应的误差修正方法。沥青的计量装置有两种结构：增量秤与减量秤。增量秤在沥青计量过程中存在的误差是常见的“飞料”误差与冲击误差。目前普遍采用负反馈的方法对误差进行修正。即根据上次配料误差，计算机自动调整沥青的输送时间来修正配料误差。减量秤在计量时，沥青经进油管输送至称量桶，称量桶内设有吸油管，当进行计量时，沥青经吸油管被沥青喷射泵运输至搅拌缸。计算机首先记录称量桶内沥青的质量，当沥青被吸出时，称量桶内沥青质量逐渐下降，计算机通过计算差值来实现沥青用量的计量，当这个差值等于设定值时，停止泵油，完成计量。减量秤方便调整沥青用量，而且不存在“飞料”与“冲击”误差。但是由于吸油管以及导热油管一直处于沥青液面以下，受到液体的浮力作用，因此秤体受到相互作用力，在称量过程中，沥青液面逐渐下降，秤体所受的相互作用力不断变化会影响到称量结果。这种误差影响非常具有隐蔽性和不确定性，若能得到这种影响的规律性，用合适的方法对误差进行修正，对混合料质量稳定性很有意义。（1）对沥青减量秤浮力影响的分析研究沥青秤感应到的力来自两方面：一是沥青自身的重力，二是由浮力产生的作用力。因此，控制室计算机显示沥青用量可由式（5.1）所示：ff12M(m)(m)（5.1）12gg式中：M沥青用量计算机显示值，kg；m计量前称量桶内沥青质量，kg；1m计量后称量桶内沥青质量，kg；256 长安大学硕士学位论文f计量前管体所受浮力的大小，N；1f计量后管体所受浮力的大小，N。2在计量过程中，液面逐渐下降，由阿基米德原理可知，管体浸入沥青内的体积逐渐减小，所受到的浮力逐渐减小，即ff。由式（5.1）易知，计算机显示的计量值是21实际沥青用量与浮力变化量的当量质量之和，因此，减量秤会使混合料的油石比小于显示值。根据减量秤内部结构，如图5.1，由上述可知，误差来源于管体所受浮力的变化，因此，需要分两种情况进行（假定计量前液面一定在吸油管变截面a-a以上）：3124h1a-ah2h3b-b561—吸油管；2，5—导热油管；3—进油管；4—计量筒；6—秤体图5.1减量秤示意图1）在计量完毕后，称量筒内沥青液面仍处于吸油管变截面a-a以上设液面下降了h，根据阿基米德原理易知，沥青的实际用量与计算机显示值可用式1（5.2）、（5.3）计算：m(ss)h（5.2）011Mmsh（5.3）11式中：M—计算机显示沥青质量；m—实际沥青质量；—沥青密度；57 长安大学硕士学位论文s—称量筒截面积；0s—管体截面a-a处的面积。1由式（5.2）、（5.3）可得式（5.4）：ss01mM（5.4）s0由式（5.4）可知，沥青减量秤在计量过程中浮力的影响仅与计量装置的结构参数有关，即与沥青称量筒和吸油管截面积有关，而与待计量的材料的特性无关。对某确定的减量秤，其沥青称量筒和油管截面积可看做常数，因此，沥青用量的计算机显示值与实ss01际值具有线性关系，可用一个常数对误差进行修正，不妨设，则：s0mM（5.5）式中：M—计算机显示沥青质量；m—实际沥青质量；—浮力影响系数。综上所述，在生产前对沥青减量秤进行标定主要是需测定浮力影响系数。由于高温沥青会危及人身安全，使操作难度增大。因此，在测定过程中可以用水代替沥青，这样一来既不影响参数的测定结果，又解决了高温沥青潜在的一系列问题。试验测定方法如下：a.沥青计量系统正常运行（确保液面始终在吸油管变截面以上），记录计量时计算机的显示值。b.将水卸入容器中称量其实际质量。c.将显示值作为自变量，实际值作为因变量，对所测数据进行线性拟合，该直线的斜率即为浮力影响系数。2）计量结束后，称量筒内沥青液面在吸油管的某变截面处此时沥青的实际用量与计算机显示值可用式（5.6）、（5.7）计算：h2hms(hh)sh[r(rr)]dh（5.6）012111130h32h2hMmrh[r(rr)]dh（5.7）111130h358 长安大学硕士学位论文式中：s—称量筒截面积；0s—管体截面a-a处的面积；1r—管体截面a-a处的半径；1r—管体截面积b-b处的半径；3h液面在a-a截面上方下降的高度；1h液面在变截面处下降的高度；2h—管体变截面部分的总高度。3其他字母含义同上。式（5.6）、（5.7）积分后整理可得式（5.8）：21r1r323r1(r1r3)22rh[(）hhrh]112212m3hh331（5.8）Ms(hh)012由式（5.8）可知，此时浮力产生的影响具有非线性特征，因此不能用常量对计量误差进行修正。但是，在计量过程中可以通过控制液面始终保持在变截面以上的方法消除这种非线性误差。（2）对标定方法的试验验证为验证上述标定方法的可行性，对某4000型搅拌设备的沥青减量秤进行标定，试验时用水代替沥青，测定浮力影响因素。试验数据如表5.1：表5.1试验数据项目显示值实际值浮力影响因素1003次试验的298.694.40.957均值3200.7191.50.954根据试验数据进行拟合，得到曲线如图5.2：59 长安大学硕士学位论文250200y=0.9541x+0.1092R²=1150实际值100500050100150200250显示值图5.2标定数据拟合曲线由拟合曲线可知，浮力影响系数可取0.954。利用该系数对误差进行修正，试验结果如下，见表5.2。表5.2试验数据显示值/kg计算值/kg实际值/kg误差/%000/10095.595.40.10200191.0190.80.10300286.5286.70.06结论：沥青减量秤的配料误差主要来源于称量筒内的吸油管与导热油管所受到的浮力变化，沥青用量的计算机显示值是沥青实际用量与浮力差的当量质量之和。在计量过程中可以控制筒内沥青液面始终在油管变截面以上，使显示值与实际值的关系存在线性特征，再通过试验获得浮力影响因素，以此对配料误差进行修正。减量秤采用文中所述的方法进行标定后，配料误差可以控制在0.10%以下。5.2沥青路面摊铺机作业共振频率的测定方法研究第三章中通过理论分析和试验研究，强调摊铺密实度对施工质量的重要性，提出针对确定的摊铺设备与沥青混合料，摊铺机作业共振频率的测定对施工质量具有很大的意义。鉴于此，本文在振动密实理论的基础上，提出了一种确定摊铺机作业共振频率的工60 长安大学硕士学位论文程方法，通过施工现场的足尺试验，验证了此方法的可操作性。根据共振理论知识，设备与材料组成的系统振动的最大振幅是在其共振频率处获得，此时压实效率最高，即在相同的摊铺速度下，摊铺密实度最大时对应的激振器频率就是系统的共振频率。因此，可以制定相关的实验方案，采用无核密度仪PQI301，如图5.3，通过检测不同频率下的摊铺密实度间接确定系统的共振频率。图5.3无核密度仪PQI301确定共振频率的技术方案如下：（1）使用振动频率监测仪对实验用摊铺机的显示频率进行标定。（2）在摊铺机不同的振动频率作业下，采用PQI进行摊铺密实度数据的采集。（3）进行数据处理，确定摊铺机作业共振频率。具体试验验证如下：步骤一：使用振动频率监测仪对试验用摊铺机的显示值进行标定由于目前使用的一些摊铺机操作面板上不直接显示激振器的振动频率，而是以百分比的形式表示。为了准确获得设备振动频率，试验前使用振动频率监测仪对摊铺机显示值进行标定。方法如下：（1）将振动频率监测仪的传感器安装在摊铺机熨平板激振器附近的箱体上，开动激振器，振动频率设置为10%。（2）打开仪器专用软件，待监测值稳定后记录数据。（3）间隔5%依次增大振动频率，记录每次调节后仪器的监测值。（4）以摊铺机显示值(百分比)为自变量，仪器的监测值（频率）为因变量，作出两者的关系曲线。本次试验选用福格勒super2100-2型沥青摊铺机，振动频率监测仪测量结果如下，见表5.3，图5.4：61 长安大学硕士学位论文表5.3设备显示值（百分比）与仪器监测值（频率）的对应关系显示值/%101520253035404550监测值/Hz8.91417.822.62731.636.140.6455045403530/Hz25频率2015y=0.8993x+0.0867R²=0.999810500102030405060百分比/%图5.4仪器监测值（频率）与设备显示值（百分比）的拟合曲线步骤二：进行不同频率下摊铺密实度数据采集试验开始前，记录待测混合料信息以及摊铺设备参数资料如下：混合料资料：混合料类型为AC-20，结构层厚度6cm。沥青混合料原材料采用石灰岩，细集料使用机制砂，沥青为70#改性沥青，30℃针入度66（0.1mm），软化点88.5℃，油石比4.5%。试验时设定摊铺宽度为7.5m，摊铺速度为2m/min。按设定方案进行实验，见表5.4，采集密实度数据。表5.4密实度采集方案实验时设备调节频率/Hz项目8.914.017.822.627.031.636.140.645.049.212点钟83.583.684.184.385.086.187.086.885.685.0各位置密实度4点钟82.983.584.184.585.086.087.086.885.885.1/%8点钟83.583.784.384.785.086.187.286.785.885.1（1）将激振器频率设置为10%（对应真实频率为8.9Hz），在刚摊铺（未经压路机62 长安大学硕士学位论文碾压）的混合料铺层上，选取均匀、平整的圆形测量点。（2）在同一个频率下选择一个测量点，每一个点测量三次，测量方法如图5.5，测量每个圆形测量点的12点钟、4点钟和8点钟位置的密实度，记录试验数据。（3）然后间隔5%依次增大激振器频率，用相同的方法测量不同频率下的摊铺层密实度，并记录数据，试验现场如图5.6。132图5.5试验时测量位置图5.6摊铺密实度数据采集步骤三：数据处理并确定摊铺机作业共振频率63 长安大学硕士学位论文（1）将各频率下所测密实度数据分别求均值，结果见表5.5。表5.5各频率下密实度均值实验时设备调节频率/Hz项目8.914.017.822.627.031.636.140.645.049.2密实度均值/%83.383.684.284.585.086.187.186.885.785.1（2）根据步骤二中所得摊铺机显示值与仪器监测值之间的关系，计算得到实验过程中摊铺机作业各振动频率值。（3）以振动频率为自变量，以摊铺密实度为因变量，拟合出两者之间的关系曲线，如图5.7所示。87.587.086.586.085.5/%85.084.5压实度84.083.5y=-0.0039x2+0.2993x+80.35383.082.582.00.010.020.030.040.050.060.0振动频率/Hz图5.7振动频率与压实度的关系根据图5.7中振动频率与压实度的函数关系式，取导数得混合料铺层密实度最大值处对应的振动频率为38.4Hz，即摊铺机作业共振频率为38.4Hz。5.3沥青路面常用压路机压实特性的对比试验研究5.3.1振动压路机与轮胎压路机的组合压实效果试验研究振动压路机与轮胎压路机的压实原理有所不同因而压实效果各异，目前在沥青面层复压阶段，采取两种压路机组合压实。施工单位对这两种压路机的压实特性理解不同，制定的碾压工艺也不相同，为了研究轮胎压路与振动压路机对沥青混合料的实际压实特性，制定高效的碾压工艺，在施工现场对不同组合的碾压方式进行了对比试验，试验采用的压路机型号及数量见表5.6，试验现场如图5.8。64 长安大学硕士学位论文图5.8施工现场图表5.6试验采用的压路机型号及数量压路机型号生产厂家型号吨位/t数量/台轮胎压路机徐工301302振动压路机悍马HD128132试验在沥青路面的中面层上进行，厚度6cm，混合料为AC-20，油石比为4.5%，级配曲线见图5.9，压实工艺试验方案见表5.7，试验结果见表5.8，图5.10。图5.9混合料的级配65 长安大学硕士学位论文表5.7压实方案第一阶段压实第二阶段压实项目压实温度/℃压路机类型碾压遍数压路机类型碾压遍数方案1振动压路机4轮胎压路机4120~155方案2轮胎压路机4振动压路机4120~155表5.8试验数据碾压遍数项目012345678振动压路机89.093.696.897.998.498.698.698.998.9压实度/%轮胎压路机89.091.691.892.092.895.297.598.098.010098）96%94方案192方案2压实度（90880123456789碾压遍数图5.10两种碾压方案压实效率对比压路机每压实一遍，采用无核密度仪对压实度进行一次检测，两种碾压方案的压实效果如图5.10所示。从压实结果可以看出：方案1先使用振动压路机，沥青路面压实度增长迅速，很快达到密实度要求，只需轮胎压路机碾压两遍提高表面密实度，且路面成型压实度比方案2高，利于沥青路面快速高效的压实，节约碾压时间。因此，建议复压时先采用振动压路机，快速增加压实度，再使用轮胎压路机完成表面压实，提高整体密实度和表面质量。5.3.2振动压路机与振荡压路机在沥青桥面施工的对比试验研究为了对比振动压路机与振荡压路机在沥青桥面施工的压实效果，采用江苏骏马66 长安大学硕士学位论文JMD809H振动、振荡压路机进行试验研究，其工作参数见表5.9。沥青混合料类型为AC-16，油石比为4.5%，铺层厚度4cm，试验结果见表5.10：表5.9压路机工作参数激振力压实宽度速度（矩）/kN参数工作质量/kg频率/Hz振幅/mm/mm/km/h（kNm)振动95/9240/460.75/0.35900017004.5振荡42400.72表5.10试验数据碾压遍数项目01234567振动压路机83.389.893.296.395.998.495.896.1压实度/%振荡压路机82.991.797.197.899.399.899.599.9根据表5.10，得到图5.11：105100/%95压实度90振动压实858002468碾压遍数图5.11振动压实、振荡压实对桥面沥青铺装试验结果试验结果分析：（1）由图中曲线可知，对于较薄的沥青桥面施工，振荡压路机压实效率要高于振67 长安大学硕士学位论文动压路机，能有效解决薄层沥青铺层散热快，允许碾压时间较短的问题。（2）由曲线可知，振动压路机碾压时，随着碾压遍数的增加，压实度波动较大，特别是碾压遍数超过5次后不再增加反而降低，这表明此时铺层表面的刚度已经很大，振动压路机强烈的压实力将路面颗粒振松或者使路面产生裂纹。振荡压实在压实过程中一直比较稳定，没有太大波动。随着混合料密实度增加，振荡能量转化为钢轮与路面的摩擦热量而散失了，未出现破坏矿料、表面开裂的现象。因此，振荡压路机适用于薄层，桥面沥青铺装，以及市区等对振动较为敏感的场合取代振动压路机施工。5.4本章小结（1）通过对沥青减量秤配料误差的理论研究，分析浮力的影响因素，提出一种特殊的修正方法，并对其进行试验验证。（2）根据振动密实理论，提出一种确定沥青摊铺机作业共振频率的工程方法，并对其可行性进行试验验证。（3）通过试验研究，探讨了振动压路机与轮胎压路机组合施工的合理性。对振动压路机与振荡压路机在桥面沥青铺装中压实效果进行对比试验研究，指出振荡压路机在桥面施工中的优越性。68 长安大学硕士学位论文结论1.主要结论本文在国内外沥青路面施工质量控制的相关研究成果和公路沥青路面施工技术规范等相关文献的基础上，依托甘肃、内蒙等多条高速公路的路面工程，对沥青路面施工设备的作业质量与关键施工技术进行了理论和试验研究，主要结论如下：（1）建立了沥青在集料与矿粉表面分布过程的数学模型，理论分析表明：搅拌过程中颗粒表面裹附的油膜厚度，除了与拌和时间有关外，还决定于颗粒的粒径比，颗粒大小相差越大，在相同的拌和时间内裹附的油膜厚度差别越大。从而得出矿粉在沥青加入后延迟喷入的合理的搅拌工艺。（2）根据温度控制、振动筛分、材料计量与搅拌工艺对施工质量的影响进行分析研究，建立拌和设备作业质量指标。并对某4000型搅拌设备进行数据采集，评价其作业质量，同时验证了动态计量准确度指标的适用性。（3）建立数学模型，对摊铺机弦线基准进行理论研究，提出合理的桩距与钢丝绳拉力的施工指标，并通过试验对指标进行了适用性验证。（4）根据调平基准、摊铺速度、摊铺平整度与摊铺密实度对施工质量的影响进行分析研究，建立摊铺设备作业质量指标。并通过试验研究验证了摊铺平整度指标的合理性与适用性，阐述摊铺平整度对成型路面平整度的重要性。（5）建立数学模型，对振动压路机与振荡压路机的压实原理进行分析，并通过试验探讨两种压路机的高效压实场合。（6）根据压实速度、压实遍数、压实段长度、平整度与压实度对施工质量的影响进行研究分析，建立压实设备作业质量指标。（7）对沥青减量秤配料误差的浮力影响因素进行了理论研究，提出一种误差修正方法，并对该方法的实用性进行了试验验证。（8）为提高沥青路面的摊铺密实度，提出了一种摊铺机作业共振频率的测量方法，并进行了现场操作，验证了此方法的可行性。（9）通过对轮胎压路机与振动压路机压实效果的对比试验研究，提出了两种压路机合理的组合施工工艺，优化设备配置。69 长安大学硕士学位论文（10）通过振动、振荡压力机在桥面沥青铺装对比试验研究，建议在桥面、薄层压实作业时采用振荡压路机代替振动压路机施工。2.存在的问题与进一步研究工作受到时间的限制以及个人水平的不足，需要今后进一步研究的内容有：（1）本课题涉及的内容较为繁杂，由于时间的限制，部分指标仍停留在理论分析的层面上，还需后续试验验证。（2）作为沥青路面工程的设备，石料破碎机和沥青混合料运输车的工作质量同样会影响到施工质量，石料破碎机决定集料的质量，运料车会影响到混合料的离析或施工温度，建立这两类设备的相关指标也很具有实际意义。70 长安大学硕士学位论文参考文献[1]李海滨.沥青路面工程质量过程控制指标体系的研究[D].西安:长安大学，2006[2]国家发改委.国家公路网规划（2013~2030）[z].2013，（8）:25[3]李晓明，史景宏.沥青路面施工质量与工艺控制技术[J].公路交通技术，2000，9:4-7[4]李艳.公路施工机械设备管理探讨[J].林业机械与木工机械设备，2006，14（2）:7[5]李之峰.加强公路施工机械设备管理方法新探[J].滁州职业技术学院学报，2003，18（1）：5[6]张宏春.公路机械化施工与管理[M].北京：人民交通出版社，2005[7]袁光权.沥青路面施工质量控制技术研究[D].重庆:重庆交通大学，2008[8]王睿.沥青混凝土路面机械化施工管理[D].西安:长安大学，2009[9]张新天，李荣军，罗晓辉.公路工程质量管理系统[J].中国水利水电出版社，2003[10]Bruce，A.Chadbourn，JamesA.Luoma.ConsiderationofHotMixAsphaltThermalPropertiesDuringCompaction[R].SymposiumonQualityManagementinasphaltPavementConstruction5December1995[11]李冰.沥青混凝土路面施工工艺及机群协同作业[D].西安:长安大学，2004[12]A.E.Hunter，G.D.Airey，andA.C.Collop.AggregateOrientationandSegregationinLaboratoryCompactedAsphaltSamples[J].inTRB，NationalResearchCouncil，WashingtonD.C.，2004.[13]WuJunxia,RomeroP.AnalysisofMultivariateModelstoEvaluateSegregationinHot-MixAsphaltPavements[J].TransportationResearchRecordTRB，NationalResearchCouncil，WashingtonD.C.，2004[14]孙鹏.基于关键指标的沥青路面施工质量控制体系研究[D]，天津:天津大学，2012[15]熊佳.沥青路面质量控制策略的分析研究[D].长沙:长沙理工大学，2010[16]华学礼.公路工程施工质量控制技术[M].北京：人民交通出版社，2007[17]任征，康敬东.公路机械化施工与管理[M].北京：人民交通出版社，2011[18]彦斌.浅析沥青拌和楼的管理及混合料质量的影响因素[J].中国高新技术企业，2009（8）：179-180[19]王鑫.间歇式沥青搅拌站烘干加热系统的研究[D].长沙:长沙理工大学，2012.71 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长安大学硕士学位论文攻读硕士学位期间取得的研究成果参与科研项目：[1]甘肃省交通运输厅科研项目路面施工设备与典型路用材料特性匹配指标体系项目编号：GLJK2013—02[2]中央高校基本科研业务费专项资金资助沥青路面离析的材料和设备机理与控制技术研究项目编号：2014G3252006[3]内蒙交通科技项目重载车场SMA施工关键技术研究项目编号：NJ—2014—25发表论文：赵丽，程永龙，张勇，刘洪海.热拌沥青混合料紧跟碾压技术研究[J].建设机械技术与管理.2015.2:78-80申请专利：刘洪海，张勇，汪学斌，张丙录，张志耕等.一种沥青路面摊铺机作业共振频率的测定方法.专利号：201510254666.474 长安大学硕士学位论文致谢时间如白驹过隙，两年的研究生求学生活即将结束，值此毕业论文完成之际，我谨向所有帮助我、支持我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。本论文是在导师刘洪海教授的悉心指导之下完成的。两年来，刘老师渊博的专业知识，诲人不倦的高尚师德，严谨的治学态度，勤奋的工作作风，平易近人的人格魅力对我影响深远。他教会我如何戒骄戒躁、脚踏实地、实事求是的面对所有问题与困难，无论在学术研究中还是在平时生活中。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血，在此我向刘老师表示深切的谢意与祝福!其次，我要感谢我的家人，正是他们的不懈支持让我能够顺利地完成学业。同时衷心感谢同门韩久剑、唐冬冬、徐中新、朱杰尧以及其他师兄弟，同学吴金林、李朋朋等在科研过程中对我的帮助与支持。最后，感谢学校为我提供良好的学习氛围，感谢在百忙之中抽出宝贵时间对本论文进行评审的老师们!75'