碾壓工藝對(duì)瀝青路面構(gòu)造的磨損作用研究

賴(lài)智欽，陳搏

(1.保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510620； 2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院)

瀝青路面的碾壓工序是保證路面結(jié)構(gòu)路用性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，壓實(shí)度不足，會(huì)致使瀝青混合料密實(shí)度欠缺，空隙率偏大，容易產(chǎn)生后期渠化交通下的車(chē)轍和水損害。瀝青混合料壓實(shí)度增加1%，可以有效提高承載能力10%～15%，壓實(shí)質(zhì)量的重要性對(duì)延長(zhǎng)道路使用壽命極其關(guān)鍵。當(dāng)前碾壓設(shè)備的更新?lián)Q代十分迅速，市場(chǎng)上的大噸位、高頻率壓路機(jī)的研發(fā)顯著改善了瀝青路面的壓實(shí)效果。近年來(lái)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，碾壓工藝對(duì)路表構(gòu)造的磨損破壞也成為了一個(gè)不容忽視的工程問(wèn)題。一般壓實(shí)度過(guò)大，容易導(dǎo)致路面集料棱角破碎，但是個(gè)別路段鉆芯的壓實(shí)度并未超過(guò)100%，亦出現(xiàn)大面積的“白斑”現(xiàn)象。新鋪路面的早期棱角磨損，直接降低路面抗滑耐久性能，對(duì)于交通安全產(chǎn)生非常不利的影響。如何均衡瀝青路面的壓實(shí)度和表面抗滑功能，實(shí)現(xiàn)瀝青路面碾壓工藝的優(yōu)化，是解決道路磨耗層施工質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵。該文通過(guò)高速公路上面層施工，進(jìn)行不同碾壓模式下的路面壓實(shí)效果分析，并基于數(shù)字圖像處理技術(shù)開(kāi)展碾壓機(jī)械和溫度對(duì)構(gòu)造磨損作用的影響，兼顧壓實(shí)度和抗滑功能提出合理的碾壓工藝，以期為磨耗層施工提供碾壓技術(shù)指導(dǎo)。

1 瀝青混合料的壓實(shí)機(jī)理

瀝青混合料的壓實(shí)為松散的可塑狀態(tài)到具有較高模量的黏彈固態(tài)過(guò)程，通過(guò)壓路機(jī)的豎向作用力克服熱拌瀝青混合料顆粒間的黏聚力和剪應(yīng)力，使之重新排列至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)成型的關(guān)鍵在于發(fā)揮混合料中自由瀝青的潤(rùn)滑作用，可以有效降低克服粗集料間嵌鎖力所需的壓實(shí)功?；旌狭蟽?nèi)部的集料顆粒在碾壓過(guò)程中發(fā)生空間平移與旋轉(zhuǎn)，直至集料顆粒的內(nèi)力(集料間摩阻力與瀝青黏聚力)與外力(機(jī)械碾壓作用)達(dá)到新的平衡。碾壓機(jī)械主要包括雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)和輪胎(膠輪)壓路機(jī)。振動(dòng)壓路機(jī)通過(guò)調(diào)整振動(dòng)軸的偏心塊與振動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)不同振頻與振幅下的豎向激振力，并以壓力波的形式傳向受壓結(jié)構(gòu)層深部，達(dá)到較好的豎向壓實(shí)效果。輪胎壓路機(jī)主要依靠設(shè)備自重下輪胎滾動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的作用力，包括垂直方向的設(shè)備重力，以及輪胎縱向與側(cè)向變形產(chǎn)生的水平向作用力，水平與垂直方向作用力交聯(lián)形成搓揉作用，使得混合料粗顆粒發(fā)生豎向穩(wěn)固，以及細(xì)集料、膠漿的水平向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更好的填充密實(shí)效果。此外，輪胎的搓揉作用還能夠?qū)⑾聦佣嘤嗟臑r青膠漿泵吸到表層，改善表層的封水效果，同時(shí)消除鋼輪碾壓過(guò)程中的局部推移產(chǎn)生的微裂紋。瀝青路面壓實(shí)主要受混合料材料組成、壓實(shí)設(shè)備、施工溫度、碾壓機(jī)具組合等因素的影響，國(guó)內(nèi)外科研工作者基于壓實(shí)度與路用性能方面做了大量研究，但是關(guān)于碾壓工藝對(duì)路表功能的分析涉及較少。

2 依托工程概況

2.1 工程情況

依托項(xiàng)目為廣東省某高速公路新建項(xiàng)目(雙向四車(chē)道)，上面層為4.5 cm GAC-16C結(jié)構(gòu)。膠結(jié)料使用殼牌SBS改性瀝青(PG 76-22)，粗集料采用輝綠巖碎石(主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1)，細(xì)集料采用0～3 mm石灰?guī)r機(jī)制砂，填料采用石灰?guī)r細(xì)磨礦粉，等質(zhì)量置換摻加1.0%的P.O.42.5級(jí)緩凝水泥作為抗剝落材料。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)

瀝青面層混合料采用4000型拌和樓進(jìn)行拌和；采用兩臺(tái)2100-3L攤鋪機(jī)組成梯隊(duì)并機(jī)攤鋪；采用3臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)(11～13 t)及3臺(tái)重型膠輪壓路機(jī)(26～30 t)進(jìn)行碾壓作業(yè)。

2.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

為了提高瀝青面層的高溫穩(wěn)定性與抗水損能力，采用廣東省改進(jìn)型骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)降低2.36～4.75 mm檔集料含量，減少對(duì)粗集料骨架的干涉效應(yīng)。按泰波指數(shù)n=0.5設(shè)計(jì)0.075～2.36 mm細(xì)集料，以4.0%～6.0%作為設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率，瀝青飽和度(VFA)為65%～75%，有利于形成密水結(jié)構(gòu)，提升抗水損能力與高溫穩(wěn)定性，混合料級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 GAC-16C混合料級(jí)配

2.3 施工過(guò)程的溫度離析控制

為了實(shí)時(shí)控制不同施工現(xiàn)場(chǎng)的瀝青混合料施工溫度，采用FLIR手持式E8紅外熱像儀進(jìn)行大范圍的溫度監(jiān)控。由于不同溫度的物體表面會(huì)向外輻射紅外線，熱成像儀能夠把輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，顯示為溫度場(chǎng)圖像。該設(shè)備具有全景拍攝功能，有效溫度范圍為-20～+250 ℃，熱靈敏度為0.06 ℃，紅外圖像分辨率為320×240像素。采用紅外成像儀對(duì)施工過(guò)程各階段的混合料溫度均勻性進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

3 路面壓實(shí)度測(cè)試與分析

3.1 改性瀝青混合料碾壓溫度

瀝青路面施工溫度主要根據(jù)瀝青黏溫曲線確定，規(guī)范規(guī)定以(0.28±0.03)Pa·s為最佳壓實(shí)黏度，根據(jù)瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程，該項(xiàng)目測(cè)定SBS改性瀝青的不同溫度對(duì)應(yīng)布氏黏度結(jié)果如表3所示。根據(jù)推薦黏度值，可推算該項(xiàng)目瀝青混合料最佳壓實(shí)溫度大于195 ℃，明顯偏高，可見(jiàn)采用布氏黏度試驗(yàn)方法確定的改性瀝青施工溫度與實(shí)際工程不符。根據(jù)文獻(xiàn)[10]關(guān)于SBS改性瀝青混合料有效壓實(shí)溫度研究，適合初壓的溫度區(qū)間為150～170 ℃，復(fù)壓溫度為105～150 ℃，終壓前溫度不應(yīng)低于105 ℃。實(shí)際施工過(guò)程中，瀝青混合料表層的溫度與內(nèi)部溫度存在差異，表面混合料暴露在開(kāi)放環(huán)境中，與大氣共同產(chǎn)生快速熱交換，其溫度下降較快，致使現(xiàn)場(chǎng)的溫度離析嚴(yán)重，給工程施工質(zhì)量帶來(lái)一系列的問(wèn)題。

表3 SBS改性瀝青黏度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 碾壓模式的影響

規(guī)范中關(guān)于碾壓環(huán)節(jié)未作明確的碾壓遍數(shù)要求，建議使用壓實(shí)工藝控制來(lái)替代壓實(shí)遍數(shù)。為了更加清晰了解不同碾壓工藝對(duì)瀝青混凝土的壓實(shí)影響，該項(xiàng)目分別設(shè)計(jì)3種碾壓方案，見(jiàn)表4。雙鋼輪壓路機(jī)具有靜力碾壓和振動(dòng)壓實(shí)功能，復(fù)壓時(shí)通過(guò)振動(dòng)輪的高頻振動(dòng)檔位(63～67 Hz)，振幅調(diào)整為低振幅(0.3～0.5 mm)。為了防止碾壓過(guò)程的黏輪問(wèn)題，鋼輪采用小水量霧狀噴灑，膠輪采用植物油與水的混合物(比例1∶2)作為隔離劑。

3種方案的碾壓遍數(shù)相同，差別在于復(fù)壓過(guò)程的膠輪與雙鋼輪排序：方案A采用膠輪與雙鋼輪交替碾壓模式；方案B為“膠輪3遍+鋼輪振壓2遍”；方案C為“鋼輪振壓2遍+膠輪3遍”。3種方案的初壓均為雙鋼輪前靜后振1遍，終壓使用鋼輪靜壓1遍收光。

表4 碾壓方案設(shè)計(jì)

采用PQI380無(wú)核密度儀檢測(cè)不同碾壓遍數(shù)的密度值，以最大理論密度值作為標(biāo)準(zhǔn)密度，換算為壓實(shí)度指標(biāo)。從壓實(shí)度結(jié)果來(lái)看(圖1)，初壓前后的瀝青路面壓實(shí)度差異不大，而經(jīng)過(guò)不同復(fù)壓工藝，最終壓實(shí)度以方案B最大(95.2%)、方案A次之(94.9%)，方案C最小(94.4%)。

圖1 不同碾壓模式下的壓實(shí)度變化

根據(jù)壓實(shí)度曲線變化特征，復(fù)壓階段的前2遍壓實(shí)度變化較大，提取復(fù)壓前2遍的壓實(shí)度與溫度數(shù)據(jù)(表5)。方案A和方案B復(fù)壓第1遍均采用膠輪，方案C采用鋼輪振壓，壓實(shí)度增加幅度為1.8%～2.2%，較為接近。而經(jīng)過(guò)雙鋼輪碾壓的路表溫度下降較快，體現(xiàn)在方案C第1遍與第2遍碾壓后溫差為19.8 ℃，而方案A與方案B膠輪碾壓后溫度下降幅度分別為16.3 ℃和14.9 ℃，溫度下降主要與碾壓設(shè)備輪的防黏材料有關(guān)，清水的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于植物油，因而鋼輪上的水比膠輪上的油更容易散熱，該規(guī)律與第2、3遍溫度下降規(guī)律一致。復(fù)壓過(guò)程使用2遍膠輪碾壓的方案B壓實(shí)度最大，相應(yīng)的溫度損失最低；而方案A次之(1遍膠輪加1遍鋼輪)；方案C壓實(shí)度最小，溫度損失最大(2遍鋼輪)。究其原因：① 輪胎壓路機(jī)通過(guò)高溫下的搓揉，混合料粗集料平移與旋轉(zhuǎn)重分布，細(xì)集料擠壓填充，壓實(shí)度增長(zhǎng)更快；而鋼輪振動(dòng)穩(wěn)壓之后，粗集料之間快速嵌擠達(dá)到一個(gè)較高的內(nèi)摩阻力穩(wěn)定狀態(tài)；② 膠輪的涂油防黏措施對(duì)路表溫度影響比鋼輪的灑水措施更小，同時(shí)膠輪的搓揉作用可以把內(nèi)部瀝青膠漿揉壓上來(lái)，一定程度上可以減緩表層溫度下降。

表5 不同碾壓遍數(shù)的壓實(shí)度與溫度

3.3 壓實(shí)度變化規(guī)律表征

不同碾壓模式的瀝青路面壓實(shí)規(guī)律相似：高溫碾壓初期的壓實(shí)度增加迅速，隨著碾壓遍數(shù)增加，路面壓實(shí)度趨向平緩增長(zhǎng)至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。文獻(xiàn)[12]嘗試使用冪指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸，但其經(jīng)驗(yàn)公式中各參數(shù)的物理意義不夠清晰。相較之下，壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系與對(duì)數(shù)函數(shù)變化較類(lèi)似，故該研究采用對(duì)數(shù)模型進(jìn)行擬合回歸，見(jiàn)表6。不同碾壓方案下的壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)呈現(xiàn)良好的對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到0.95以上。因此，壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系可使用Y=alnX+b的對(duì)數(shù)模型描述，其中a為壓實(shí)度增長(zhǎng)變化率，b為初壓后、復(fù)壓前的初始?jí)簩?shí)度，模型物理意義明確，具有良好的表征意義。

表6 不同碾壓組合的對(duì)數(shù)回歸模型

4 基于數(shù)字圖像技術(shù)的路表構(gòu)造磨損評(píng)價(jià)

過(guò)去的諸多研究主要從原材料、混合料級(jí)配方面開(kāi)展路面抗滑能力研究，在碾壓環(huán)節(jié)的研究較少。尤其是施工過(guò)程中的碾壓工藝對(duì)路表構(gòu)造的磨損，只有較主觀的目測(cè)判定，構(gòu)造深度等宏觀指標(biāo)難以準(zhǔn)確反映。道路抗滑性能與其表面的紋理密切相關(guān)，路表構(gòu)造的磨損是道路抗滑性能衰減的必經(jīng)過(guò)程，因而，碾壓過(guò)程產(chǎn)生的構(gòu)造磨損問(wèn)題將直接影響道路后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程的抗滑耐久性。宋永朝、張爭(zhēng)奇等基于數(shù)字圖像處理技術(shù)計(jì)算二值化圖像的下凹區(qū)域數(shù)量與面積、平均寬度等特征指標(biāo)，以此表征路表構(gòu)造分布狀態(tài)和集料離析程度，取得了良好的應(yīng)用效果。新建瀝青路面構(gòu)造在瀝青膜的裹覆下，通常為較深的黑色。而路表構(gòu)造出現(xiàn)磨損的位置，由于集料的復(fù)雜礦物組成致使其顏色較淺，為灰白色調(diào)。磨損區(qū)域與背景區(qū)域具有明顯的顏色差異，可為數(shù)字圖像技術(shù)提供良好的灰度特性依據(jù)。

4.1 數(shù)字圖像的基本原理

數(shù)字圖像技術(shù)基本原理為通過(guò)光學(xué)元件將采集的圖像信息轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字矩陣信息，通過(guò)軟件的識(shí)別可以提取為二維矩陣數(shù)據(jù)。使用CCD相機(jī)采集瀝青路面的平面構(gòu)造圖像，通過(guò)將數(shù)字圖像進(jìn)行像素值量化，可以獲得路面構(gòu)造像素分布矩陣。

4.2 圖像采集與分析

為減少圖像采集過(guò)程的信息誤差，需要按照規(guī)范的方法進(jìn)行操作。數(shù)字圖像采集前需將道路清掃干凈，尤其是構(gòu)造破損產(chǎn)生石粉覆蓋的地方。圖像采集過(guò)程中，須避免陽(yáng)光直射，同時(shí)，拍攝鏡頭應(yīng)保持與路面平行，拍攝距離固定為50 cm左右，采集的圖像如圖2(a)所示。由于光照強(qiáng)度的不均勻、瀝青膜的反光現(xiàn)象，給路表構(gòu)造磨損特征辨識(shí)帶來(lái)一定困難。因此，須對(duì)路面圖像進(jìn)行濾波去噪、圖像增強(qiáng)和灰度處理等，然后進(jìn)行二值化處理，提取目標(biāo)特征。二值化方法較多，確定特征閾值是關(guān)鍵，目前OTSU法(最大類(lèi)間方差法)為較有效的方法。根究磨損位置灰度值比背景灰度值大的特點(diǎn)，通過(guò)OTSU法計(jì)算灰度閾值，進(jìn)行磨損特征與背景圖像的分割，來(lái)獲取磨損信息，如圖2(b)所示，白色小區(qū)域代表瀝青路面被磨損的構(gòu)造。

提取二值化圖像的白色區(qū)域形態(tài)特征，通過(guò)Matlab編寫(xiě)程序統(tǒng)計(jì)圖像的非零像素?cái)?shù)量，進(jìn)而可以得到磨損區(qū)域累計(jì)面積的比例，可定義為磨損率(w)。

圖2 圖像處理過(guò)程

(1)

式中：Si為第i個(gè)磨損位置的面積(mm2)；S0為圖像對(duì)應(yīng)的路表總面積(mm2)；Nw為二值圖像中的非零像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；N0為二值圖像的像素總數(shù)。

4.3 測(cè)試與分析

對(duì)每一種碾壓成型路段選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)為攤鋪機(jī)中部非離析帶位置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔約為30 m，以保證樣本的代表性。圖像采集區(qū)域面積約為400 mm×300 mm，相應(yīng)的圖片分辨率為2 016×1 512，即一個(gè)像素點(diǎn)的區(qū)域尺寸為0.2 mm×0.2 mm。經(jīng)過(guò)圖像灰度處理與二值化計(jì)算，統(tǒng)計(jì)各碾壓方案路段各測(cè)點(diǎn)的磨損結(jié)果，見(jiàn)表7。3種碾壓方案路段，方案C的路表構(gòu)造磨損率最小，基本可視為棱角完好的構(gòu)造；方案B的構(gòu)造磨損率最嚴(yán)重，基本為10%以上；方案A路段的構(gòu)造磨損率為1%～5%。

表7 數(shù)字圖像法計(jì)算結(jié)果

結(jié)合碾壓設(shè)備的壓實(shí)機(jī)理，振動(dòng)壓路機(jī)通過(guò)振動(dòng)頻率與振幅參數(shù)的調(diào)節(jié)可以獲得較大的豎向激振力，對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生周期性沖擊作用。混合料在高溫時(shí)呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，大部分沖擊能量被吸收轉(zhuǎn)變?yōu)榭朔旌狭项w粒內(nèi)嵌摩阻力和瀝青黏度所做的功。而隨著表層溫度下降混合料勁度模量提高，瀝青混凝土表面形成一層相對(duì)較硬的薄殼結(jié)構(gòu)，此時(shí)路面達(dá)到較平整密實(shí)的狀態(tài)，鋼輪的有效接觸面積大大減少，采用鋼輪振壓容易導(dǎo)致表層構(gòu)造棱角被碾壓破碎，形成“白斑”現(xiàn)象。

進(jìn)一步分析雙鋼輪振動(dòng)碾壓時(shí)的混合料溫度對(duì)構(gòu)造磨損的影響，根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)的最后一遍鋼輪振動(dòng)碾壓前的溫度和磨損率繪制變化曲線圖，如圖3所示。

圖3 鋼輪碾壓溫度與路表構(gòu)造磨損率的關(guān)系

由圖3可知：隨著路表溫度的下降，鋼輪振動(dòng)碾壓對(duì)路表構(gòu)造磨損率呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，鋼輪碾壓溫度與路表構(gòu)造磨損率之間為良好的半拋物線關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)為0.947。該項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)表明：當(dāng)路面溫度低于105 ℃時(shí)，使用鋼輪振壓將導(dǎo)致10%以上的構(gòu)造磨損率，說(shuō)明該溫度下的振動(dòng)壓實(shí)功大部分不能被混合料吸收；當(dāng)路面溫度為110～120 ℃時(shí)，路表構(gòu)造磨損率為1%～5%；當(dāng)路面溫度高于120 ℃，鋼輪振壓對(duì)路面構(gòu)造磨損較小(小于1%)，此時(shí)鋼輪的振動(dòng)壓實(shí)能量可以大部分被混合料吸收，壓實(shí)效果較好。因此，復(fù)壓過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格控制雙鋼輪振動(dòng)碾壓的路面溫度，避免低溫時(shí)振動(dòng)沖擊能量對(duì)頂部構(gòu)造的破壞。

5 結(jié)論

(1) 相同碾壓遍數(shù)下，優(yōu)先采用膠輪碾壓可以獲得更大的混合料壓實(shí)度，主要與輪胎的搓揉作用、防黏輪物質(zhì)的傳熱系數(shù)有關(guān)。

(2) 隨著復(fù)壓過(guò)程碾壓遍數(shù)增加，路面壓實(shí)度趨向平緩增長(zhǎng)至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)可以使用對(duì)數(shù)模型表征，擬合相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.95以上，模型參數(shù)具有明確的物理意義。

(3) 使用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)碾壓成型道路表面構(gòu)造進(jìn)行分析，提出棱角磨損率評(píng)價(jià)不同碾壓工藝對(duì)路面構(gòu)造的破壞程度；隨著鋼輪振動(dòng)碾壓溫度的下降，路表構(gòu)造磨損率顯著增加。建議在保證瀝青路面壓實(shí)度所需遍數(shù)的前提下，避免低溫時(shí)振動(dòng)沖擊能量對(duì)頂部構(gòu)造的破壞。

(4) 依托項(xiàng)目標(biāo)段的工程實(shí)際，主要針對(duì)碾壓模式對(duì)路表構(gòu)造的磨損作用開(kāi)展了試驗(yàn)研究，后續(xù)將持續(xù)開(kāi)展不同原材料、碾壓厚度等影響因素的相關(guān)研究。