本實用新型屬于模擬瀝青路面碾壓施工成型工況的
技術領域：
，具體是一種瀝青混合料標準試件模擬施工態(tài)碾壓成型設備。
背景技術：
：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，近年來高等級公路交通組成發(fā)生了重大變化，大流量、重軸載交通己成為高速公路的主要運輸形式，也成為控制路面結構及材料設計的關鍵因素，在此大環(huán)境下瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象十分嚴重，調(diào)查表明我國高等級公路瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象主要為車轍、泛油、松散及水損害，與此相關的研究表明，就混合料自身而言，產(chǎn)生這些早期破壞現(xiàn)象的主要原因為:⑴車轍:發(fā)生早期車轍損壞的瀝青路面普遍存在的問題是瀝青用量偏大，混合料密度偏低。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)生車轍的輪跡帶上瀝青路面芯樣密度顯著高于馬歇爾試件密度，表明在行車荷載的作用下瀝青混合料再壓密是形成車轍的主要原因之一。⑵泛油:早期損壞中的泛油現(xiàn)象發(fā)生在輪跡帶上，從試驗統(tǒng)計結果看，泛油現(xiàn)象嚴重的路段，其表面層瀝青含量明顯偏大。發(fā)生車轍的路段常常伴隨有泛油現(xiàn)象，所以，車轍與泛油的成因大部分相同。⑶松散:在水和高速行車的綜合作用下，面層底部的瀝青膜從集料表面剝落，使面層底部集料間喪失粘結而發(fā)生松散，這種結構層內(nèi)部的松散稱為松散現(xiàn)象。就混合料本身而言，造成松散的主要原因是空隙率過大及瀝青與集料粘結力相對不足。⑷水損壞:造成水損壞的水侵入途徑主要是透過結構完整的瀝青面層，并滯留于瀝青面層之中，在荷載及化學作用下導致瀝青膜從集料表面脫落，瀝青混合料設計密度小，空隙率大，以及施工壓實度不夠等是造成水損壞的主要原因，另外因級配不良導致的離析也是造成水損壞的主要原因之一。綜上所述，就混合料自身而言，當前瀝青路面早期損壞的主要原因可總結為瀝青用量過大、混合料密度偏低、壓實度低、現(xiàn)場空隙率大及級配不良等。施工管理水平參差不齊固然是產(chǎn)生這些問題的重要原因之一，但當全國不同施工管理水平下鋪筑的瀝青路面頻繁出現(xiàn)同一種破壞現(xiàn)象時，我們就不得不從根源上重新審視通用的瀝青混合料設計方法是否與這些破壞現(xiàn)象有關。事實證明，目前瀝青混合料設計方法確有很多方面需要改進。⑴室內(nèi)成型方式與現(xiàn)場碾壓方式不匹配眾所周知，室內(nèi)試驗要準確、有效地預測與控制現(xiàn)場施工質(zhì)量，應滿足兩個最基本的條件，首先要求試件成型方式能夠最大限度地模擬施工工況，使室內(nèi)成果與面層實際應用效果有可比性；其次要求各種性能評價指標切實反映面層在其服務環(huán)境下的服務質(zhì)量。如今現(xiàn)場大量使用振動壓路機及輪胎壓路機，而室內(nèi)成型方式卻采用馬歇爾擊實方法。由此衍生出一系列問題:馬歇爾擊實密度作為現(xiàn)場壓實度的控制指標是否合適；混合料分別在擊實與揉搓作用下其力學特性或許不同，那么用何種成型方式制作的試件，其指標控制現(xiàn)場質(zhì)量更有效；用馬歇爾方法進行室內(nèi)研究所優(yōu)化的配合比(包括級配、油石比、密度等)在現(xiàn)場壓實條件下路用性能是否最優(yōu)。我國規(guī)范規(guī)定瀝青混合料配合比設計采用馬歇爾配合比設計方法。但在試件成型方面，馬歇爾方法錘擊次數(shù)與路面成型時的壓實功能沒有內(nèi)在聯(lián)系，馬歇爾擊錘的沖擊力與車輛車輪接地壓強存在巨大差異，馬歇爾試模對瀝青混合料的約束條件也與實際路面材料的受力條件不同，馬歇爾的沖擊壓實方法不利于集料的定向重排，因此用馬歇爾擊實方式成型的試件各種指標控制現(xiàn)場質(zhì)量存在隱患。⑵以體積參數(shù)為控制指標難以實現(xiàn)設計意圖及協(xié)調(diào)各種矛盾對于連續(xù)密級配瀝青混合料，規(guī)范規(guī)定擊實功為雙面擊實75次，并主要以體積參數(shù)(空隙率、間隙率、飽和度等)作為控制指標確定最佳瀝青用量。如果利用這種經(jīng)驗加體積參數(shù)分析方法作為瀝青混合料配合比設計的手段，那么其成立的前提條件是，用于計算以孔隙率為代表的諸體積參數(shù)的相關試驗方法必須科學、合理。并且，體積參數(shù)與路用性能之間應存在良好的相關性。但一方面現(xiàn)行試驗規(guī)程規(guī)定的試驗方法難以使瀝青混合料體積參數(shù)計算結果精確(即使相對精確也不可能)，另一方面，大量的研究表明，體積參數(shù)與混合料路用性能之間不存在廣泛的相關性，也就是說，滿足了馬歇爾體積參數(shù)的瀝青混合料未必有好的路用性能。另外，我國高速公路表面層大多使用抗滑表層，作為抗滑表層必須兼顧高溫、抗滑與密實，而馬歇爾方法難以平衡這幾方面的矛盾。為達到抗滑目的，抗滑表層瀝青混合料粗集料含量較高，由于采用馬歇爾擊實成型且擊實功固定，導致瀝青混合料密度較低，即礦料間隙率較大，而為滿足體積參數(shù)要求(VV,VMA,VFA等)必然需較大的瀝青用量，致使設計的瀝青混合料鋪筑的面層在交通荷載作用下極易追密產(chǎn)生車轍及泛油等早期破壞現(xiàn)象，結果有可能什么目的也未達到。⑶壓實標準偏低壓實度達到較高標準對瀝青混合料高溫抗車轍能力、抗水破壞能力及抗疲勞能力均有顯著改善。由于馬歇爾擊實成型方式與現(xiàn)場碾壓方式不匹配，造成混合料的密度較低。用它控制施工往往造成路面的密度偏小，空隙率過高，由此導致的后果是混合料未被充分壓實，在交通荷載作用下很快產(chǎn)生由于抗剪強度小及追密而出現(xiàn)車轍。對瀝青路面的調(diào)查檢驗表明，大多數(shù)路面使用一段時期后，混合料的密度會大于原設計密度從而不可避免地產(chǎn)生壓密性車轍。壓實度標準的適當提高目前有堅實的物質(zhì)基礎，與幾十年前的壓實施工機械相比，如今的施工壓實設備在性能及壓實功能上有質(zhì)的飛躍。而目前仍沿用馬歇爾試件密度的壓實度控制標準，因此有理由認為用性能大幅度提高的壓實設備應該鋪筑出壓實度更高的、質(zhì)量更好的瀝青面層。但如室內(nèi)成型條件不加改變，還沿用馬歇爾方法，只能導致現(xiàn)今的筑路機械修筑出與以前相差無幾的瀝青路面，更嚴重的是，室內(nèi)試驗標準已嚴重阻礙了科技進步及生產(chǎn)的發(fā)展，使得承包商對使用新工藝、新設備沒有積極性至此，似乎窺見了解決問題的門徑。首先需要尋求可以最大限度地模擬瀝青路面碾壓成型工況的試件成型設備；再是依據(jù)對瀝青混合料這類散體材料一般科學原理的理解建立起試件成型條件與道(公)路用瀝青混合料主要性能之間的內(nèi)在聯(lián)系并形成一種實用的瀝青混合料配合比優(yōu)化設計方法。國內(nèi)外目前對瀝青混合料配合比設計方法可分為三種：馬歇爾擊實法、SUPERPAVE旋轉壓實法以及GTM旋轉剪切壓實法。國內(nèi)配合比設計方法研究成果主要體現(xiàn)在JTGF40-2004對馬歇爾配合比設計方法、標準的修訂。對于連續(xù)密級配瀝青混合料，規(guī)范給出了很寬的級配范圍，可以使設計單位和工程建設單位根據(jù)不同道路等級、不同交通狀況、不同氣候環(huán)境等選擇工程級配范圍。在擊實次數(shù)75次條件下，對中輕交通和重載交通的空隙率、間隙率、飽和度等指標進行了調(diào)整。更嚴格地規(guī)定了體積參數(shù)的計算方法等。馬歇爾試驗方法(Marshalltests)是影響最為深遠，應用最為廣泛的瀝青混合料配合比設計方法，曾經(jīng)是世界各國通用的設計方法。馬歇爾設計方法屬于體積設計方法，它的最初實用新型是借用土工試驗中通過擊實方法尋找最大密度確定最佳含水量的思想來確定瀝青混合料中的最佳瀝青用量。馬歇爾設計方法對混合料的密度、空隙率、礦料間隙率等指標有明確的要求?？墒菄鴥?nèi)外研究成果均表明，這些指標與路用性能指標有較大的差距。⑴馬歇爾擊實成型試件的方式與路面施工碾壓工況不匹配，混合料試件密度偏低。⑵以VMA、VFA、VV等體積參數(shù)作為控制指標不合理，往往使得瀝青用量偏高，在重交通條件下很容易出現(xiàn)泛油、車轍等病害。國內(nèi)江蘇交通科學研究院1995年引進Superpave技術，不少省市和地區(qū)修建了Superpave試驗路和實體工程。但國內(nèi)目前大部分研究工作還是停留在重復國外同行的類似研究中，而對其更深層次的研究和開發(fā)還很有限。Superpave技術發(fā)源于美國，對該技術的應用與研究還在不斷深入。新的研究計劃正在醞釀之中。如美國聯(lián)邦公路局FHWA和特納公路研究中心TFHRC聯(lián)合開展的SIMAP研究項目，認為目前的設計論理和方法中經(jīng)驗性的指標和參數(shù)還占有相當大的比重。如在Superpave方法中采用旋轉壓實成型，通過成型試件的體積特性與規(guī)范進行比較，在滿足規(guī)范要求的前提下進行相應的簡單剪切SST和間接拉伸試驗，將得到的試驗結果應用于力學或半經(jīng)驗力學模型，進行路用性能預估。由于設計方法中關于級配、棱角性、紋理和體積特性等相關信息是單獨從先前的經(jīng)驗得到的，而且這樣的解決思路試驗工作量很大，并且不一定能夠得到好的效果。因此SIMAP解決問題的思路是將鏡像技術應用于分析瀝青混合料試件的內(nèi)部結構。總體而論，SUPERPAVE方法仍然是體積設計法，與其它方法的主要不同之處在于：①考慮了交通量水平。②以旋轉壓實方式成型試件，且壓實功能因交通量水平、氣溫而變。③以性能指標選取瀝青膠結料。④把空隙率作為試件乃至混合料設計的控制性指標。⑤對礦料級配提出了“控制點”和“禁區(qū)”的概念。通過深入比較我們可以得知：⑴SUPERPAVE對級配曲線“控制點”和“禁區(qū)”的規(guī)定，并沒有完善的理論依據(jù)和經(jīng)驗依據(jù)，落在其設計范圍內(nèi)的級配并不一定就是路用性能最好的，也不能排除超出級配規(guī)定范圍的級配就一定是路用性能差的。⑵與GTM的成型方法相比，它在成型試件時，只進行了體積參數(shù)的計算，并未進行力學指標的測量與推算，SUPERPAVE成型方法的前提是試件的空隙率與路用性能密切相關，此前提是否完全正確現(xiàn)在下結論還為時尚早。SUPERPAVE認為成型試件至材料的使用末期時空隙率應該大于2％，從GTM的成型實踐來看，很有可能混合料的空隙率在達到2％之前就已經(jīng)發(fā)生了塑性破壞，當瀝青用量較大時尤其如此。因此用SUPERPAVE設計的瀝青混合料時有較大可能發(fā)生早期車轍病害(美國西部環(huán)道[WestTrack]實驗場按SUPERPAVE設計的瀝青混合料修筑的路面發(fā)生的早期車轍也證實了這種擔心不是多余的)。另外從瀝青混合料的強度機理分析可知，空隙率小于2％并不是混合料破壞的內(nèi)因，而真正的原因是混合料綜合強度過小。⑶SUPERPAVE方法中混合料性能試驗的模型能否真實反映路用狀況仍需研究和考察。⑷雖對試件的設計空隙率(4％)和最小礦料間隙率作了嚴格規(guī)定，但未考慮基礎性試驗的精度或可信度對空隙率的影響，確定理論最大密度的方法不合理，致使計算出試件的體積參數(shù)不可信。GTM(GyratoryTestingMachine)旋轉試驗機是美國工程兵團(U.S.ArmyCorpsofEngineers)在60年代首先以推理的方法實用新型的路面材料試驗機，后來美國空軍為解決重型轟炸機跑道容易破損的問題，又專門組織人員對GTM進行了研究開發(fā)，形成了用于機場道面的瀝青混合料設計方法。GTM把混合料成型壓實實驗機、力學剪切實驗機和車輛模擬機合并成為了一臺實驗機，一旦試件成型完畢，即可得到混合料的設計密度和瀝青用量，所以GTM具有設計周期短、設計成本較低的特點。GTM采用了和應力有關的推理方法進行混合料的力學分析和設計，克服了馬歇爾等經(jīng)驗方法的不足。GTM方法可較真實地模擬實際路面材料的受力狀況以及預測材料到服務期限末的應變力學性質(zhì)，從而避免了路面的早期破壞。GTM成型試件的原理最大限度地模擬了路面碾壓成型階段混合料所受到的碾壓、搓揉作用，還可根據(jù)路面所承受的輪胎接地壓強設定垂直壓力，也可以變化對試件的揉搓旋轉角度。但是該設備屬于進口產(chǎn)品，造價很高，機械結構相當復雜，維修保養(yǎng)不方便，目前還很難推廣使用。技術實現(xiàn)要素：本實用新型針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供了一種瀝青混合料標準試件模擬施工態(tài)碾壓成型設備，該設備可以最大限度地模擬路面碾壓成型階段混合料所受到的碾壓、搓揉作用，制作出符合行業(yè)標準、地方標準的瀝青混合料標準試件。本實用新型的具體技術路線是：一種瀝青混合料標準試件模擬施工態(tài)碾壓成型設備，其特征在于所述設備包括一個模盤、一個用于碾壓瀝青混合料的碾壓輪、一個提供碾壓輪下壓力的碾壓輪壓力控制裝置、一個計算碾壓輪往復次數(shù)的碾壓輪次數(shù)控制裝置，一個機械傳動控制裝置和一個檢測裝置；所述機械傳動控制裝置包含一個設于模盤下方的振動盤，以及提供振動盤上下振動動力的電機。優(yōu)化地，所述碾壓輪壓力控制裝置包含一個用于提供碾壓輪下壓力的液壓組件，以及一個控制碾壓輪水平往復運動的三相異步電動機。優(yōu)化地，所述碾壓輪次數(shù)控制裝置包含設于模盤邊緣處的光電發(fā)射器，以及一個計數(shù)器。優(yōu)化地，所述檢測裝置包含密度傳感器和溫度傳感器。更進一步地，所述碾壓輪次數(shù)控制裝置包含一個與液壓缸連接的壓力傳感器。更進一步地，所述三相異步電動機帶動減速機運動，轉盤通過減速機上的鏈輪組件帶動碾壓輪實現(xiàn)往復運動。優(yōu)化地，所述液壓組件包括一個壓力伸縮桿，一個與壓力伸縮桿頂接的油缸，油缸上部設置行程開關，油缸連接油管，油管中包含串聯(lián)的一個單向閥、溢流閥組和一個換向閥，所述溢流閥組包含兩個并聯(lián)的溢流閥。一種瀝青混合料標準試件模擬施工態(tài)碾壓成型方法，其特征在于所述方法包括以下步驟：鋪料，將瀝青混合料投入模箱，構成標準試件；碾壓，碾壓輪在經(jīng)受下壓力的條件下進行水平往復運動，同時模箱上下振動；脫模檢測。優(yōu)化地，所述方法包括以下步驟：鋪料，將預熱的模箱從烘箱中取出，將攪拌好的全部瀝青混合料一次性裝入模箱中，用預熱的擊實錘由邊至中轉圈裝入模箱中，碾壓，預熱后的碾壓輪在經(jīng)受下壓力的條件下進行水平往復運動，同時模箱上下振動；脫模檢測，壓實后的試件冷卻至室溫后脫模檢測。更進一步地，所述方法包括以下步驟：鋪料：將預熱的模箱從烘箱中取出，在模箱底面及側面鋪一張裁好的普通紙，使底面及側面均被紙隔離；將攪拌好的全部瀝青混合料一次性裝入模箱中，中部略高于四周，用預熱的擊實錘由邊至中轉圈夯實一遍，整平成凸圓弧形。待溫度達到規(guī)程要求的壓實溫度時，在表面鋪一張裁好的普通紙，將模箱放入振動盤上。碾壓：預熱后的碾壓輪在經(jīng)受下壓力的條件下進行水平往復運動，同時模箱上下振動；脫模檢測，壓實后的試件冷卻至室溫后脫模檢測。附圖說明圖1為瀝青混合料碾壓過程示意圖。圖2為瀝青混合料壓力控制原理圖。圖3為碾壓輪動力控制示意圖。圖4為本實用新型瀝青混合料標準試件碾壓成型設備技術路線圖。圖5為本實用新型三相異步電機接線圖。圖6為本實用新型數(shù)字式光電計數(shù)器的原理圖。其中，1、碾壓輪2、模箱3、振動盤4、壓力伸縮桿5、單向閥6、行程開關7、溢流閥A8、溢流閥B9、油缸10、換向閥11、減速機12、第一電機13、轉盤14、鏈輪組件。具體實施方式瀝青混合料標準試件碾壓成型設備，最大限度地模擬了路面碾壓成型階段混合料所受到的碾壓、搓揉作用，還可根據(jù)路面所承受的輪胎接地壓強設定垂直壓力，也可以變化對試件的揉搓旋轉角度，同時考慮到現(xiàn)有的技術標準，模箱的下表面增加了一個振動頻率可變、振幅可調(diào)的振動盤。如圖1，試件上表面的中心高于四周2－5cm，碾壓輪1在壓力F的作用下水平移動，實現(xiàn)碾壓動作。模箱2內(nèi)瀝青混合料在振動盤3作用下，受到上下不斷地的振動，此時模箱2沒有水平運動，碾壓輪1直接碾壓瀝青混合料，不會碰撞模箱2邊緣，更加符合道路施工中的碾壓過程。對于碾壓輪1壓力的控制，主要采用高性能、高精度壓力傳感器，通過液壓系統(tǒng)對碾壓輪施加垂直方向的壓力，該壓力可通過顯示屏人工輸入壓力值。如圖2，為該液壓系統(tǒng)的原理圖。壓力伸縮桿4與油缸9相連，油缸9由行程開關6來控制啟閉，其中，油缸9與油路系統(tǒng)相連。油路系統(tǒng)包括與油缸9上部連接的單向閥5，單向閥5一端連接一組并聯(lián)的溢流閥(溢流閥A7和溢流閥B8)，溢流閥A7和溢流閥B8的另一端與換向閥10連接。換向閥10的末端連接油缸9底部。單向閥5的頭部和換向閥10的尾部同時連接一根空接管。對于碾壓輪往復運動的控制，主要采用三相異步電動機，對碾壓輪進行精確控制，使其實現(xiàn)對瀝青試件的往復碾壓運動，并且在磨具的邊緣裝有限位裝置，避免碾壓輪碾壓到模具邊緣。如圖3，為碾壓輪動力控制示意圖，第一電機12帶動減速機11運動，轉盤13通過鏈輪組件14帶動碾壓輪1實現(xiàn)往復運動。本實用新型的技術路線如圖4所示。本實用新型中的關鍵技術包括：碾壓輪壓力控制系統(tǒng)、碾壓輪碾壓次數(shù)控制系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)的設計以及試件相關參數(shù)的檢測系統(tǒng)等幾個方面。⑴碾壓輪壓力控制系統(tǒng)通過控制三相異步電動機的正反轉來控制液壓缸的上下位移，從而對碾壓輪施加相應的壓力，壓力的大小可以根據(jù)液壓缸位移大小和壓力傳感器顯示壓力來確定。三相異步電機接線圖如圖5所示。⑵碾壓輪碾壓次數(shù)控制系統(tǒng)當碾壓輪在模箱上往復碾壓試件時，在模具的邊緣處裝有光電裝置，只要碾壓輪運動到兩端極限位置就會遮擋住光電發(fā)射器，此時計數(shù)器就會加1，并在顯示器上顯示往復運動的次數(shù)，而且往復運動的次數(shù)也可以認為的事先設置。碾壓次數(shù)與瀝青試件的密度有著很大的相關性，所以必須對碾壓次數(shù)進行精確的控制。通過車輛的俯仰角可以描繪車輛運行的軌跡。如圖6所示，為控制碾壓輪次數(shù)的數(shù)字式光電計數(shù)器的原理圖。本實用新型可提高路面結構物耐久性；通過對與實際壓實設備高度一致的瀝青混合料標準試件碾壓成型設備的應用，可以大幅度提高瀝青路面耐久性，降低維護與重建費用；減少瀝青等材料的使用率；通過合理提高壓實密度，可以降低對瀝青、纖維等高價格材料的使用量，直接降低了工程造價，經(jīng)濟效益顯著。表一技術優(yōu)勢對比表振動輪碾法馬歇爾擊實法輪碾法旋轉壓實法特點振動壓實沖擊壓實靜壓壓實搓揉壓實工況匹配性匹配不匹配不匹配匹配適用性各種材料堅硬石料不適應各種材料各種材料操作便易性易易易易成本適中低適中高本實用新型中，現(xiàn)場碾壓壓路機應遵循“高頻、低幅”的要求，結合目前現(xiàn)場使用各種壓路機的實際參數(shù)情況，成型機設計頻率在0-60赫茲，振幅在0-1毫米之間。實際使用時根據(jù)現(xiàn)場設配配備情況，調(diào)整成型機相應頻率、振幅。當前第1頁1 2 3