孫祖望長(zhǎng)安大學(xué)　工程機(jī)械學(xué)院，陜西　西安　710064

當(dāng)代路面與壓實(shí)機(jī)械發(fā)展的新趨勢(shì)

Trends in Development of Pavement and Compaction Machinery

孫祖望
長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064

自20世紀(jì)90年代至今的20余年是路面與壓實(shí)機(jī)械發(fā)展十分迅速的時(shí)期，在此期間出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備?？v觀路面與壓實(shí)機(jī)械這些年的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)推動(dòng)當(dāng)代路面與壓實(shí)機(jī)械技術(shù)進(jìn)步的基本動(dòng)力源于以下三方面：公路建設(shè)與更新改造的強(qiáng)大需求以及路面使用性能日益提高的技術(shù)要求，推動(dòng)著路面與壓實(shí)機(jī)械向著更好滿足路面新材料、新工藝、新技術(shù)的方向發(fā)展；可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、人與自然和諧協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，推動(dòng)著路面與壓實(shí)機(jī)械向資源節(jié)約、能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)以及資源的再生和利用的方向發(fā)展；現(xiàn)代高新科技的快速發(fā)展推動(dòng)著路面與壓實(shí)機(jī)械向信息化、智能化、無(wú)人化的方向發(fā)展。

本期特稿綜合闡述了近幾十年來(lái)路面與壓實(shí)行業(yè)新出現(xiàn)的路面技術(shù)、施工工藝、新材料以及路面施工設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

0　引言

研究當(dāng)代路面機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)，首先要研究當(dāng)代推動(dòng)世界路面壓實(shí)機(jī)械技術(shù)進(jìn)步的基本動(dòng)力。自上世紀(jì)90年代至今的20余年是路面與壓實(shí)機(jī)械發(fā)展十分迅速的時(shí)期，在此期間出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備?？v觀路面與壓實(shí)機(jī)械這20余年的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)當(dāng)代世界路面與壓實(shí)機(jī)械技術(shù)進(jìn)步的基本動(dòng)力來(lái)源于以下三方面。

（1）公路建設(shè)與更新改造的強(qiáng)大需求以及路面使用性能日益提高的技術(shù)要求，推動(dòng)著路面與壓實(shí)機(jī)械向著更滿足路面新材料、新工藝、新技術(shù)的方向發(fā)展。

（2）可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、人與自然和諧協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，推動(dòng)著路面與壓實(shí)機(jī)械向資源節(jié)約、能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)以及資源的再生和利用的方向發(fā)展。

（3）現(xiàn)代高新科技的快速發(fā)展推動(dòng)著路面與壓實(shí)機(jī)械向信息化、智能化、無(wú)人化的方向發(fā)展。

1　路面技術(shù)的新發(fā)展及其對(duì)路面與壓實(shí)機(jī)械發(fā)展的推動(dòng)作用

在21世紀(jì)前后的路面技術(shù)發(fā)展中，一個(gè)重要的新理念是將路面分成結(jié)構(gòu)性和功能性兩大部分。車輛行駛的交通載荷主要由路面的結(jié)構(gòu)性部分來(lái)承擔(dān)，它們應(yīng)具有必要的耐久性，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生損壞；路面的功能性部分則用來(lái)滿足車輛平穩(wěn)、安全行駛等功能性的要求，它們應(yīng)具有良好的平整度和抗滑性。在上述理念下出現(xiàn)了兩大類新的路面技術(shù)，即長(zhǎng)壽命路面技術(shù)和功能性路面技術(shù)。

1.1長(zhǎng)壽命路面及其對(duì)施工設(shè)備的新要求

長(zhǎng)壽命路面是一種設(shè)計(jì)和施工良好，至少在40～50年壽命內(nèi)能保持其結(jié)構(gòu)性部分不發(fā)生損壞的路面，而所需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修的只是其表面的功能性部分。

長(zhǎng)壽命路面的好處包括以下方面：雖然一次性的建造投資很高，卻可以大大降低路面整個(gè)壽命周期的費(fèi)用；由于最大限度地降低了瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)作業(yè)，從而減少了道路使用者的日常費(fèi)用；由于減少了路面壽命周期的資源消耗，從而降低了能源消耗、溫室氣體的排放和對(duì)環(huán)境的影響。

與壽命為15～20年的一般瀝青路面相比，長(zhǎng)壽命路面在結(jié)構(gòu)上有著以下一些特點(diǎn)：高質(zhì)量的表面磨耗層；具有很強(qiáng)抗車轍能力的聯(lián)結(jié)層；耐久的抗疲勞破壞的柔性基層；加強(qiáng)的路基和底基層。

長(zhǎng)壽命路面的磨耗層通常為30～75 mm高質(zhì)量的透水性或密實(shí)型的熱拌瀝青混合料，聯(lián)結(jié)層則為100～180 mm高性能的抗車轍混合料，基層通常采用75～100 mm高耐久性的抗疲勞材料（圖1）。長(zhǎng)壽命路面的這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將對(duì)瀝青路面的施工工藝和設(shè)備提出更高的要求。

長(zhǎng)壽命路面的瀝青層通常要厚達(dá)35～40 cm以上，對(duì)路基與基層的強(qiáng)度要求很高，因而對(duì)路基和路面的施工工藝和設(shè)備的效率和質(zhì)量有著更高的要求，這將推動(dòng)路面與壓實(shí)機(jī)械向著大型化、重型化的方向發(fā)展。長(zhǎng)壽命路面對(duì)原材料的質(zhì)量、混合料的均勻性、施工中的材料與溫度離析、壓實(shí)質(zhì)量和壓實(shí)度的均勻性都提出了更高的要求，這將要求瀝青拌和設(shè)備有更高的計(jì)量、控制精度和攪拌均勻性，要求混合料運(yùn)輸和攤鋪設(shè)備具有更高的抗離析能力，要求壓實(shí)設(shè)備能達(dá)到更高的壓實(shí)密度和均勻度。這些都將催生某些新的施工工藝和方法，并推動(dòng)路面與壓實(shí)機(jī)械向作業(yè)質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制和智能化的方向發(fā)展。長(zhǎng)壽命路面對(duì)結(jié)構(gòu)層抗車轍變形和抗疲勞破壞、抗反射裂縫更高的要求，常常需要采用一些特殊結(jié)構(gòu)的混合料，例如為提高抗車轍的能力常常采用高模量和嵌擠結(jié)構(gòu)的混合料，這將促使發(fā)展更加重型的壓實(shí)設(shè)備。歐洲為提高混合料抗疲勞破壞和抗反射裂縫的能力，常常采用澆筑瀝青來(lái)鋪筑瀝青基層，美國(guó)常常采用橡膠瀝青的應(yīng)力吸收層等結(jié)構(gòu)，這些都將促使發(fā)展某些特殊的路面施工設(shè)備。

圖1 長(zhǎng)壽命路面的典型結(jié)構(gòu)

1.2功能性路面及其施工性能

隨著人們對(duì)路面使用性能的要求愈來(lái)愈高，希望路面除了滿足行車的基本功能外，還能發(fā)揮更多的功能而成為多用途的路面。“功能性路面”一詞來(lái)源于日本，它是指除普通的行駛功能外，還具有某些特殊功能的路面。例如排水性路面、降噪路面、破冰路面、彩色景觀路面、彈性橡膠路面、阻燃路面等。在各種功能性路面中應(yīng)用最為廣泛的是多孔性排水路面（Porous Drainage Pavement）和安靜路面（Quiet Pavement）。

排水性路面是一種細(xì)料很少、具有很大空隙率的透水性路面，可以在雨天將路面的積水快速地排至邊溝。排水性路面的好處是可迅速將雨水排出路面，避免車輛在雨天行駛時(shí)出現(xiàn)“水漂”現(xiàn)象，抑制路表面的濺水與水霧的發(fā)生，減輕夜間行車的眩光現(xiàn)象，從而大大降低了交通事故的發(fā)生率。排水性路面的另一個(gè)重要功能是降低車輪在路面上的滾動(dòng)噪音。

安靜路面是指交通噪音低于70 dB的路面。瀝青安靜路面的結(jié)構(gòu)可分為兩大類，一類是在密實(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的，另一類是在空隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的。密實(shí)型安靜路面的降噪機(jī)理是建立在路面負(fù)紋理表面構(gòu)造基礎(chǔ)上的，負(fù)紋理的表面構(gòu)造大都采用近乎單粒徑的集料，由于凸出的陽(yáng)紋面積大而凹下的陰紋面積小，可降低車輪在路面上滾動(dòng)的摩擦噪音和泵氣噪音，如圖2所示。

圖2　表面構(gòu)造的正紋理和負(fù)紋理

具有負(fù)紋理表面構(gòu)造的安靜路面通常用于城鎮(zhèn)、住宅區(qū)、冬天容易積雪的道路上，主要的結(jié)構(gòu)形式有：?jiǎn)瘟降腘ovachip路面、單粒徑的MicroSurfacing和NovaSurfacing路面、單粒徑的Stone Mastic Asphalt路面（降噪SMA路面）。

空隙結(jié)構(gòu)的安靜路面是在排水性路面的基礎(chǔ)上形成的，排水性路面本身就具有良好的降低噪音的功能，為增強(qiáng)其降噪效果，又出現(xiàn)了雙層結(jié)構(gòu)的透水性路面（圖3）和橡膠瀝青透水性路面。雙層透水性路面的上層是由小粒徑集料組成的連通孔道，起著消音器的作用，因而可增強(qiáng)透水性路面的降噪效果。橡膠瀝青路面則由于其彈性路面的特性，同樣也可增強(qiáng)透水性路面的降噪效果。開級(jí)配的排水降噪型安靜路面通常用于高速、干線公路和市郊道路上，主要的結(jié)構(gòu)形式有：?jiǎn)螌雍碗p層的透水性路面；單層和雙層的橡膠瀝青透水性路面。

圖3　雙層結(jié)構(gòu)的透水性路面

圖4展示了6種降噪路面相對(duì)于常規(guī)SMA路面的降噪效果，從圖中可看到，雙層透水性路面的降噪效果明顯優(yōu)于其他類型的降噪路面，尤其以雙層結(jié)構(gòu)的橡膠瀝青透水性路面的降噪效果為最好。

大多數(shù)功能性路面在路面結(jié)構(gòu)上有一些共同的特點(diǎn)。

（1）多數(shù)功能性路面的結(jié)構(gòu)厚度都比較薄，通常屬于2.5～4 cm的薄層路面。

（2）許多功能性路面都要求采用高粘度的結(jié)合料來(lái)加強(qiáng)材料之間的粘結(jié)力，從而增強(qiáng)路面的耐久性和承載能力。

圖4　各種降噪路面相對(duì)于常規(guī)SMA路面降噪效果的比較

（3）不少功能性路面由于需要在混合料中添加某些特殊的材料，或由于特殊功能本身的需要，往往要求采用開級(jí)配或斷級(jí)配的混合料。在這些混合料中，粗集料起著骨架的支撐作用，通常要比密級(jí)配承受更大的載荷作用。

功能性路面的這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也給它帶來(lái)了一系列施工性能上的特殊問(wèn)題。使用高性能、高粘度的粘結(jié)材料，伴隨著混合料施工和易性的惡化，增加了混合料攤鋪與壓實(shí)的難度。粗集料多、高粘度、開級(jí)配（斷級(jí)配）的混合料屬于一種壓實(shí)性能較差的硬性混合料，通常要求施加更多的壓實(shí)功；但是鋪層薄、粗集料多的混合料吸收外部能量將其轉(zhuǎn)化為壓實(shí)功的能力又較差，多余的能量將轉(zhuǎn)化為使集料破碎的功，導(dǎo)致粗集料大量壓碎而嚴(yán)重破壞原有的級(jí)配特性。因此，一方面是需要更多的外部功使混合料得到充分壓實(shí)，而另一方面又不能使用高能量的壓實(shí)設(shè)備。薄層路面散熱快等不利的碾壓條件則加劇了混合料壓實(shí)性能差而施加的壓實(shí)能量又受到限制的矛盾。

功能性路面在施工性能上的不利條件對(duì)它的施工工藝和設(shè)備提出了一些新的要求和挑戰(zhàn)。在常規(guī)的設(shè)備條件下，功能性路面的施工只能依靠改變相應(yīng)的施工工藝來(lái)適應(yīng)其不利的施工條件，通常采取的措施有以下幾種。

（1）通過(guò)提高混合料的攪拌、攤鋪和碾壓溫度來(lái)降低粘結(jié)劑的粘度，通過(guò)限制混合料的運(yùn)輸距離和貯存時(shí)間來(lái)減少其熱量損失，從而改善高粘度混合料的施工和易性。

（2）關(guān)閉攤鋪機(jī)熨平板的夯實(shí)功能，降低熨平板的振動(dòng)能量，以防止壓碎集料，使空隙率發(fā)生變化。

（3）限制振動(dòng)壓路機(jī)和輪胎壓路機(jī)的使用，以避免破壞混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配和粘結(jié)材料的唧漿、上浮等質(zhì)量問(wèn)題。

（4）限制施工季節(jié)，避免在初春、深秋較冷的季節(jié)施工，以爭(zhēng)取較好的氣候條件。

采取上述一些措施雖然能緩解和改善功能性路面的施工條件，但是也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面的影響。在常規(guī)的設(shè)備條件下，功能性路面的施工通常會(huì)帶來(lái)更多的環(huán)境和施工質(zhì)量問(wèn)題。由于提高了施工溫度，將大大加劇攪拌設(shè)備溫室氣體的排放，增加能源的消耗，加劇煙霧和粉塵的排放。由于碾壓方面的困難，更加容易造成壓實(shí)不足或壓實(shí)過(guò)度等施工質(zhì)量問(wèn)題。

1.3薄層和超薄結(jié)構(gòu)路面在施工工藝和設(shè)備上的新發(fā)展

為更好地適應(yīng)功能性路面施工性能上的特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展了一系列更加適合于薄層和超薄結(jié)構(gòu)路面的施工工藝和設(shè)備，主要有：在攤鋪過(guò)程中同步灑布粘結(jié)材料的工藝及設(shè)備；超薄結(jié)構(gòu)粘結(jié)層（NovaChip）專用的攤鋪工藝及設(shè)備；微表粘結(jié)封層（NovaSurfacing）專用的封層工藝及設(shè)備；熱碰熱（Hot on Hot）的攤鋪與碾壓工藝及設(shè)備。

1.3.1在攤鋪過(guò)程中同步灑布粘結(jié)材料的工藝及設(shè)備

取消瀝青灑布車，在攤鋪機(jī)上安裝有乳化瀝青灑布設(shè)備，可避免粘層被污染的風(fēng)險(xiǎn)，有利于提高施工效率、降低施工成本。圖5是傳統(tǒng)工藝和新工藝的比較，圖6則是同步灑布攤鋪裝置的示意圖，圖7為V gele公司的super 1800-3 型粘層油同步灑布攤鋪機(jī)。

圖5　傳統(tǒng)工藝和同步灑布攤鋪工藝的比較

圖6　同步灑布攤鋪裝置

圖7　V?gele公司的super 1800-3 型粘層油同步灑布攤鋪機(jī)

1.3.2超薄結(jié)構(gòu)粘結(jié)層（NovaChip）專用的攤鋪工藝及設(shè)備

超薄結(jié)構(gòu)粘結(jié)層是在石屑封層的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與石屑封層相同的都是先在待鋪路面上灑一層粘結(jié)材料，不同的是敷設(shè)在其上的是經(jīng)瀝青拌和后的混合料，而且兩者是同步進(jìn)行的。圖8是NovaChip專用攤鋪設(shè)備的示意圖，圖9是其在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的情況。

1.3.3微表粘結(jié)封層（NovaSurfacing）專用的封層工藝及設(shè)備

NovaSurfacing是從微表封層（microSurfacing）的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，其思路與NovaChip類似，只是集料和瀝青的拌和與攤鋪由微表封層機(jī)來(lái)完成，設(shè)備及施工過(guò)程如圖10所示。

1.3.4熱碰熱（Hot on Hot）的攤鋪與碾壓工藝及設(shè)備

為了解決薄層和超薄結(jié)構(gòu)路面散熱快、壓實(shí)性能差、容易壓碎集料、施加壓實(shí)能量受限制等問(wèn)題，近些年來(lái)在攤鋪技術(shù)上提出了在熱鋪層上攤鋪熱鋪層的新概念（Ho t on Hot），以便利用下層材料的熱量來(lái)增大整個(gè)鋪層的熱容量，并借用下層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來(lái)增加面層抵抗車輪載荷的能力。為實(shí)現(xiàn)這一概念而開發(fā)了雙層同步攤鋪機(jī)和串聯(lián)式（inline）攤鋪列車。

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，熱碰熱（Hot on Hot）的攤鋪與碾壓新技術(shù)有著以下一些優(yōu)點(diǎn)： 由于減小了鋪層厚度，可以節(jié)省材料費(fèi)用； 顯著地延長(zhǎng)碾壓作業(yè)的時(shí)間，從而可以獲得高質(zhì)量的壓實(shí)； 減少氣候條件較差的影響，延長(zhǎng)施工的季節(jié)； 降低了拌和的溫度，因而可減少CO2的排放、節(jié)約能源和減少瀝青的煙霧；由于熱鋪層與熱鋪層直接接觸，沒(méi)有污染的影響，因而層間的粘結(jié)強(qiáng)度得以提高； 提高了整體鋪層的熱穩(wěn)定性和抵抗變形的能力； 顯著縮短攤鋪的時(shí)間，節(jié)約施工成本。

雙層同步攤鋪的新技術(shù)起源于日本，隨后傳到了歐洲，但各企業(yè)開發(fā)的雙層同步攤鋪機(jī)在技術(shù)上各有特點(diǎn)。

（1）日本新瀉鐵工所的雙混合料攤鋪機(jī)。圖11是新瀉的雙混合料攤鋪機(jī)，它的特點(diǎn)是用兩個(gè)料斗接受不同混合料，然后將它們送到上層和下層熨平板的前方進(jìn)行攤鋪。兩種混合料不僅可以上、下層重疊攤鋪，也可左右并列攤鋪成帶狀的鋪層，后者常用來(lái)攤鋪不同顏色的彩色瀝青路面。

圖8　NovaChip專用攤鋪設(shè)備

圖9　NovaChip攤鋪設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的情況

圖10　微表粘結(jié)封層專用的封層工藝及設(shè)備

（2）Dynapac的雙層攤鋪機(jī)。Dynapac的雙層攤鋪機(jī)由1臺(tái)基礎(chǔ)攤鋪機(jī)和1個(gè)磨耗層（上層）攤鋪模塊組成，如圖12所示。上層攤鋪模塊擁有自己的動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的材料輸送帶，將料斗中的磨耗層材料送至上層熨平板的前方?；A(chǔ)攤鋪機(jī)上安裝一個(gè)容量為45 t的料斗，通過(guò)主機(jī)的輸送帶將下層材料送至主機(jī)高密度熨平板的前方。上、下兩層的混合料分別由兩臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)車供給并卸入各自的料斗。

（3）V gele的串聯(lián)式（in-line）攤鋪列車。串聯(lián)式攤鋪列車由2臺(tái)攤鋪機(jī)和1臺(tái)材料轉(zhuǎn)運(yùn)車組成（圖13）。走在后方的是下層攤鋪機(jī)，為1臺(tái)由2100機(jī)型改型的專用攤鋪機(jī)Super 2100-2 IP。它的特點(diǎn)是帶有一個(gè)特制的高密實(shí)度熨平裝置，可以使下鋪層獲得很高的預(yù)壓密實(shí)度，并帶有一個(gè)特大的接料斗（40 t）。在下層攤鋪機(jī)上方安裝有專門的轉(zhuǎn)運(yùn)模塊，用來(lái)接收并轉(zhuǎn)運(yùn)上層攤鋪機(jī)所需攤鋪的混合料。材料轉(zhuǎn)運(yùn)車處在攤鋪列車的最后方，它負(fù)責(zé)輪流為2臺(tái)攤鋪機(jī)輸送不同的混合料。下層材料卸入主攤鋪機(jī)的料斗內(nèi)，上層攤鋪用的材料送入主攤鋪機(jī)上方轉(zhuǎn)運(yùn)模塊的受料斗內(nèi)，通過(guò)輸送帶，越過(guò)主攤鋪機(jī)，卸入上層攤鋪機(jī)的料斗內(nèi)。上層攤鋪機(jī)走在最前方，它是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型Super 1600-2或1800-2，用來(lái)攤鋪上層材料，所不同的是料斗的容量加大了（25 t），并包裝有隔熱材料，以減少混合料的熱量損失。此外，為了避免因履帶行走在熱鋪層上而粘附瀝青料，帶有專門的履帶噴水系統(tǒng)。

2　綠色道路建設(shè)對(duì)路面與壓實(shí)機(jī)械發(fā)展的推動(dòng)作用

“綠色道路”是可持續(xù)發(fā)展道路建設(shè)的一個(gè)形象化代名詞?？沙掷m(xù)發(fā)展的道路建設(shè)是可持續(xù)發(fā)展理念在道路建設(shè)中的運(yùn)用，它要求貫徹于從立項(xiàng)、設(shè)計(jì)到施工、養(yǎng)護(hù)整個(gè)道路建設(shè)和生命周期的全過(guò)程，而綠色施工與綠色養(yǎng)護(hù)則是“綠色道路”的重要組成部分。

綠色施工與綠色養(yǎng)護(hù)是指那些更加符合可持續(xù)發(fā)展理念，減少環(huán)境污染、節(jié)約資源與能源、廢料再生與再利用的施工與養(yǎng)護(hù)技術(shù)，以及適用于這些技術(shù)的材料、工藝和設(shè)備（綠色材料、綠色施工與養(yǎng)護(hù)工藝、綠色設(shè)備）。

圖11　新瀉的雙混合料攤鋪機(jī)

圖12　Dynapac的雙層攤鋪機(jī)

圖13　V?gele的串聯(lián)式攤鋪列車

圖14　高性能乳化瀝青

2.1綠色材料

在傳統(tǒng)的瀝青材料中，乳化瀝青是最符合綠色材料要求的，但常規(guī)的乳化瀝青與集料的粘附和裹覆性能很難與熱拌瀝青相比。因此，改善乳化瀝青與集料的粘結(jié)性能一直是發(fā)展綠色材料的重要方向。近些年來(lái)隨著表面化學(xué)的新進(jìn)展，出現(xiàn)了一系列新的表面活性劑，例如主動(dòng)粘附劑、溫拌劑、乳化劑等，大大改善了乳化瀝青的粘附性、粘聚性、流動(dòng)性、破乳時(shí)間的可控性，使瀝青結(jié)合料在冷態(tài)的條件下能更好地裹覆在集料上。圖14是20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)并獲得廣泛應(yīng)用的一些乳化瀝青新材料的例子。近些年來(lái)冷態(tài)施工粘結(jié)材料發(fā)展迅速，出現(xiàn)了溶劑型冷態(tài)施工改性瀝青、水性環(huán)氧瀝青、乳化橡膠瀝青等新材料。

綠色材料發(fā)展的另一個(gè)重要方向是廢舊材料的再生和再利用，其中最有推廣價(jià)值的是瀝青路面的回收材料和廢舊輪胎材料。

2.2綠色施工與養(yǎng)護(hù)工藝

在綠色施工與養(yǎng)護(hù)工藝方面主要有以下4個(gè)方面的技術(shù)：冷拌與溫拌技術(shù)、冷態(tài)的表面封層技術(shù)、冷態(tài)坑槽修補(bǔ)工藝和瀝青路面冷再生技術(shù)。

瀝青混合料的溫拌技術(shù)是從熱拌和冷拌的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，如圖15所示。圖16展示了熱拌、溫拌、半溫拌和冷拌的溫度范圍。

圖15　在熱拌和冷拌的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的溫拌技術(shù)

圖16　熱拌、溫拌、半溫拌和冷拌溫度的范圍

在各種溫拌技術(shù)中，泡沫瀝青溫拌技術(shù)是生產(chǎn)成本最低的一種，泡沫瀝青本身并不是新技術(shù)，但用于瀝青混合料還是近些年的事。目前已應(yīng)用的技術(shù)可分為三種：WAM Foam泡沫瀝青（圖17）、直接泡沫瀝青（圖18）、LEA泡沫瀝青（圖19）。泡沫瀝青溫拌技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展在于解決如何延長(zhǎng)泡沫生存期的問(wèn)題。

圖17　WAMFoam泡沫瀝青的工作原理

圖18　直接泡沫瀝青（直接將泡沫瀝青噴入拌缸，在集料外形成微泡沫的裹覆層）

在20世紀(jì)70～80年代，冷態(tài)的表面封層技術(shù)和冷態(tài)坑槽修補(bǔ)工藝隨著乳化瀝青和改性乳化瀝青的出現(xiàn)就已有了廣泛應(yīng)用。近些年來(lái)的發(fā)展主要體現(xiàn)在高性能乳化瀝青、乳化橡膠瀝青、高性能補(bǔ)坑料等新材料的發(fā)展上。

瀝青路面就地冷再生技術(shù)是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的相對(duì)較新的瀝青路面再生技術(shù)，它可分為全深度就地復(fù)拌技術(shù)（Full Depth In-Place Reclamation）和 就地冷再生技術(shù)（Cold In-Place Recycling）兩大類，前者用于路基翻修的場(chǎng)合，后者用于瀝青面層翻修的場(chǎng)合。

在各種再生技術(shù)中，就地冷再生技術(shù)在能耗和溫室氣體排放方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。圖20和圖21展示了各種再生技術(shù)的能耗和二氧化碳排放量的比較。

全深度就地復(fù)拌設(shè)備是從路拌設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，圖22是就地復(fù)拌設(shè)備的機(jī)型，圖23則是其現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的情況。

就地冷再生設(shè)備是從銑刨機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，跟隨在銑刨機(jī)后方對(duì)銑刨材料進(jìn)行破碎、篩分和計(jì)量、拌和的設(shè)備，形成列車式的機(jī)組。圖24和圖25分別是三列式和二列式的就地冷再生機(jī)組，進(jìn)一步的發(fā)展是將所有工序組合在一臺(tái)設(shè)備上形成聯(lián)合機(jī)組，如圖26所示。

圖20　各種再生技術(shù)能耗的比較

圖21　各種再生技術(shù)二氧化碳排放量的比較

3 現(xiàn)代高新技術(shù)與路面壓實(shí)機(jī)械的信息化、智能化、無(wú)人化

3.1瀝青路面施工技術(shù)的信息化、計(jì)算機(jī)輔助工程化和遠(yuǎn)程通訊化

將機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)和作業(yè)過(guò)程與施工管理結(jié)合起來(lái)，是現(xiàn)代機(jī)械化施工技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。在瀝青路面施工技術(shù)的信息化、計(jì)算機(jī)輔助工程化（CAE）和遠(yuǎn)程通訊化中，包含著兩方面的內(nèi)容：一是施工機(jī)械技術(shù)狀況的采集、監(jiān)測(cè)﹑報(bào)警、故障診斷、養(yǎng)護(hù)維修等運(yùn)轉(zhuǎn)工況的管理和遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)；二是機(jī)器施工作業(yè)參數(shù)的采集、處理、施工質(zhì)量的監(jiān)控等作業(yè)過(guò)程的質(zhì)量管理和遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)。

運(yùn)轉(zhuǎn)工況的信息管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)在技術(shù)上難度相對(duì)較小，因而發(fā)展也較快。目前歐洲一些路面機(jī)械的大品牌，如Wirtgen、Bomag、Dynapac 大都有自己的遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)。圖27展示了Dynapac開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及機(jī)器信息中心。從圖27中可看到，安裝在其上的數(shù)據(jù)采集器通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送給信息中心，而機(jī)器的地理位置則由PS系統(tǒng)傳輸?shù)叫畔⒅行牡慕邮仗炀€上。

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)和隨車計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，為滿足用戶（業(yè)主）的需求，人們開始嘗試進(jìn)一步將機(jī)器的自動(dòng)控制與施工作業(yè)的信息聯(lián)系起來(lái)，使信息技術(shù)（IT）在現(xiàn)代的道路施工中扮演愈來(lái)愈重要的角色，并隨之出現(xiàn)了一些新的技術(shù)概念和術(shù)語(yǔ)：建筑自動(dòng)化（Construction Automation）、機(jī)械控制與導(dǎo)航（Machine Control and Guidance）、數(shù)字化質(zhì)量保證（Digital Quality Assurance）、工地管理或支持系統(tǒng)（Worksite Management or Support Systems）等。在隨后的發(fā)展中，它們被歸納為一個(gè)更完整的概念“計(jì)算機(jī)集成道路施工”（Computer Integrated Road Construction，CIRC）。

圖22　就地復(fù)拌設(shè)備的機(jī)型

圖23　就地復(fù)拌設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)

圖24　三列式就地冷再生機(jī)組

圖25　二列式就地冷再生機(jī)組

CIRC的概念是在歐盟委員會(huì)支持的一項(xiàng)英國(guó)—?dú)W洲聯(lián)合基金研究項(xiàng)目“Brite-EuRamⅢ”中提出的，這一項(xiàng)目由5個(gè)國(guó)家的共7個(gè)研究單位和大學(xué)參與完成，為期3年（1997～1999年）。CIRC被定義為一種正在形成的交叉學(xué)科領(lǐng)域，它將傳統(tǒng)的道路施工與現(xiàn)代的信息技術(shù)、實(shí)時(shí)定位與機(jī)器控制結(jié)合在一起，以便自動(dòng)地記錄和捕捉道路的施工過(guò)程，并容許在線與道路的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較，其目的是以更加自覺(jué)的方式建造出更好的道路來(lái)。

按照上述定義，CIRC的研究領(lǐng)域包括了以下4個(gè)方面。

（1）PS技術(shù)在道路施工中的應(yīng)用。

（2）機(jī)器工作參數(shù)、技術(shù)狀況的采集、處理、與正常工況的對(duì)比、異常情況的診斷等機(jī)器工作狀態(tài)的管理。

（3）施工作業(yè)參數(shù)的采集、處理、與作業(yè)質(zhì)量要求的對(duì)比等作業(yè)過(guò)程的質(zhì)量管理。

（4）機(jī)器工作狀況和施工作業(yè)過(guò)程的遠(yuǎn)程管理。

在上述4個(gè)方面的研究方向中，發(fā)展相對(duì)較快的是PS技術(shù)的應(yīng)用、運(yùn)轉(zhuǎn)工況管理系統(tǒng)、對(duì)故障分析和診斷的遠(yuǎn)距離通訊服務(wù)。技術(shù)上難度最大、進(jìn)展相對(duì)較慢的是第三方面的工作，它包含了作業(yè)過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)，作業(yè)參數(shù)的采集與實(shí)時(shí)處理，作業(yè)質(zhì)量的過(guò)程控制。

圖26　所有工序組合在一臺(tái)設(shè)備上的就地冷再生機(jī)

圖27　Dynapac開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及機(jī)器信息中心

進(jìn)入21世紀(jì)后，CIRC發(fā)展了CIRPAV（計(jì)算機(jī)集成道路攤鋪）和 CIRCOM（計(jì)算機(jī)集成道路壓實(shí)）兩個(gè)子系統(tǒng)?，F(xiàn)在CIRPAV和CIRCOM都已有了概念型的樣機(jī)，并在某些工地上進(jìn)行了試驗(yàn)，但還只是初步的、有限的作業(yè)質(zhì)量的過(guò)程控制與管理。圖28是CIRPAV系統(tǒng)的工作示意圖，在圖中可看到攤鋪機(jī)熨平板鋪層的高程是由一高程定位系統(tǒng)控制的，它由地面部分和機(jī)載部分組成（圖28）。定位系統(tǒng)采集的鋪層高程信息傳輸至機(jī)載的處理單元，經(jīng)中心站發(fā)來(lái)的指令實(shí)時(shí)處理后，一方面對(duì)熨平板高程調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)節(jié)熨平板的仰角，另一方面將調(diào)節(jié)的結(jié)果發(fā)回中心站。如果采用多臺(tái)全站儀則可進(jìn)一步對(duì)鋪層的線型、縱坡、橫坡、高程、平整度進(jìn)行自動(dòng)控制，如圖29所示。

圖28　CIRPAV系統(tǒng)的工作原理

圖30則是CIRPAV在現(xiàn)場(chǎng)工作的情況，圖31是安裝在機(jī)器上的機(jī)載處理單元。

CIRPAV目前能實(shí)現(xiàn)的功能包括：記錄攤鋪機(jī)當(dāng)前的作業(yè)位置；按設(shè)計(jì)要求控制鋪層的線型、縱向高程、橫向坡度和平整度；采集和記錄已鋪表面的線型、縱向高程、橫向坡度和平整度。

CIRCOM的定位系統(tǒng)與CIRPAV是類似的，其另一項(xiàng)主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理鋪層的壓實(shí)度。圖32是CIRCOM的地面定位系統(tǒng)，圖33則是它的機(jī)載處理單元。

CIRCOM目前能實(shí)現(xiàn)的功能包括：記錄壓路機(jī)當(dāng)前的作業(yè)位置；告訴操作手已完成的碾壓遍數(shù)和正確的碾壓速度；按正確的碾壓速度與碾壓遍數(shù)來(lái)控制壓實(shí)過(guò)程，防止漏壓或過(guò)壓；采集和記錄鋪層的壓實(shí)密度；進(jìn)行多臺(tái)壓路機(jī)的協(xié)同控制，如圖34所示。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息管理系統(tǒng)（Site Information System，SIS）的發(fā)展是機(jī)械化施工技術(shù)在信息化﹑CAE和通訊化方向上近期可能取得進(jìn)展的主要目標(biāo)，作業(yè)過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真和輔助工程系統(tǒng)也將是作業(yè)管理系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)主要亮點(diǎn)。圖35是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息管理系統(tǒng)的一個(gè)邏輯模型，SIS安裝在機(jī)器上，通常由一個(gè)“辦公室”模塊和一個(gè)“現(xiàn)場(chǎng)”模塊組成，它們可分為以下4個(gè)子系統(tǒng)。

圖29　多臺(tái)全站儀協(xié)同工作

（1）作業(yè)執(zhí)行子系統(tǒng)（WE），用以操縱機(jī)器或工作裝置。

（2）操作管理子系統(tǒng)（AFO）是一個(gè)對(duì)操作指令進(jìn)行決策的模塊，它可以由操作手，也可不通過(guò)操作手來(lái)執(zhí)行。

（3）臨時(shí)貯存子系統(tǒng)（TDS），用來(lái)貯存在傳送給外部的永久性貯存和管理系統(tǒng)之前的臨時(shí)數(shù)據(jù)，它們對(duì)施工質(zhì)量的評(píng)估十分重要。

（4）數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合的中介系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)從現(xiàn)場(chǎng)獲取所需的數(shù)據(jù)，并按其他子系統(tǒng)的要求對(duì)它們進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)還負(fù)責(zé)根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

圖30　CIRPAV在現(xiàn)場(chǎng)工作的情況

圖31　安裝在機(jī)器上的機(jī)載處理單元

3.2攤鋪與壓實(shí)的智能化

CIRC第三方面的任務(wù)實(shí)質(zhì)上是施工作業(yè)的智能化問(wèn)題，智能壓實(shí)是智能化施工進(jìn)展最快、最有現(xiàn)實(shí)意義，也是推廣應(yīng)用最快的一個(gè)領(lǐng)域。CIRCOM已經(jīng)具備了一定的智能化壓實(shí)功能，但還處在初級(jí)的階段。更為高級(jí)的智能壓實(shí)是指使壓實(shí)進(jìn)程能類似人的大腦那樣對(duì)壓實(shí)作業(yè)的環(huán)境（被壓材料的性能、現(xiàn)場(chǎng)條件等）進(jìn)行一定的分析，自動(dòng)提供最佳控制的對(duì)策，并在實(shí)施的過(guò)程中判斷壓實(shí)效果，進(jìn)行必要的修正，從而使壓實(shí)作業(yè)始終在最佳狀況下進(jìn)行。機(jī)器將具有一定的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的智能，當(dāng)對(duì)某一材料進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)踐自動(dòng)對(duì)壓實(shí)作業(yè)的各項(xiàng)參數(shù)（頻率、振幅﹑碾壓速度和遍數(shù)）進(jìn)行調(diào)節(jié)，并判斷其壓實(shí)效果，從而使壓實(shí)作業(yè)始終在最佳的狀況下進(jìn)行。智能壓實(shí)的另一個(gè)目標(biāo)是使機(jī)器施加給被壓材料的能量在任何時(shí)刻都能最大限度地為被壓材料吸收，而轉(zhuǎn)化為壓實(shí)功，從而實(shí)現(xiàn)壓實(shí)過(guò)程的最佳控制。

圖32　CIRCOM的地面定位系統(tǒng)

在振動(dòng)壓路機(jī)上實(shí)現(xiàn)智能化壓實(shí)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)成熟：在實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的受控調(diào)節(jié)的三個(gè)主要參數(shù)振幅﹑頻率﹑碾壓速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)中，最困難的振幅調(diào)節(jié)已取得突破性進(jìn)展；振動(dòng)壓實(shí)的近周期和一次簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究成果，為實(shí)現(xiàn)壓實(shí)進(jìn)程受控地進(jìn)行提供了必要的理論支撐；智能壓實(shí)應(yīng)用技術(shù)的研究為智能壓實(shí)的推廣應(yīng)用提供了必要的技術(shù)支持。

圖33　安裝在壓路機(jī)上的機(jī)載處理單元

智能壓實(shí)應(yīng)用技術(shù)的最新進(jìn)展包括以下幾方面。

圖34　多臺(tái)壓路機(jī)的協(xié)同控制

（1）建立智能壓實(shí)測(cè)量指標(biāo)與傳統(tǒng)鋪層壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)（密度、CBR、PLT、DPI、FWD、LWD等）之間的相關(guān)關(guān)系和數(shù)學(xué)模型的研究。智能壓實(shí)的測(cè)量指標(biāo)直接反映的是路面的勁度，而且是路面的各個(gè)結(jié)構(gòu)層（路基、基層、面層）的綜合勁度，它與常規(guī)的鋪層壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)研究來(lái)確定。

圖35　現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息管理系統(tǒng)的邏輯模型

（2）不同品牌壓路機(jī)的智能壓實(shí)測(cè)量值之間相關(guān)關(guān)系和建立統(tǒng)一的智能壓實(shí)測(cè)量指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析模型的研究。

（3）智能壓實(shí)質(zhì)量控制和質(zhì)量保證的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的研究。

美國(guó)雖然在智能壓實(shí)設(shè)備的開發(fā)方面落后于歐洲和日本，但在智能壓實(shí)技術(shù)的推廣應(yīng)用方面卻發(fā)展迅速。近些年來(lái)，美國(guó)加強(qiáng)了智能壓實(shí)應(yīng)用技術(shù)的研究，在上述各方面的研究中投入了大量的資金和人力。2007年美國(guó)聯(lián)邦公路總局（FHWA）在交通運(yùn)輸聯(lián)合基金項(xiàng)目（TPF）中專門列入了 “加速實(shí)施路基土壤、粒料基層、瀝青路面材料智能壓實(shí)”的研究項(xiàng)目TPF-5（128），這一項(xiàng)目有喬治亞州、印地安那州等12個(gè)州的運(yùn)輸管理局參加。在美國(guó)聯(lián)邦政府和州規(guī)范中制訂有專門的智能壓實(shí)的章節(jié)已經(jīng)有18個(gè)。圖36是TPF-5(128)項(xiàng)目提出的振動(dòng)輪與路面、路基相互作用的動(dòng)力學(xué)模型。

目前已經(jīng)有了一些智能化壓實(shí)的初步嘗試，Bomag、Ammann、HAMM等公司都有了在土方或?yàn)r青壓實(shí)方面帶有自動(dòng)反饋控制（Auto-Feedback Control）的壓路機(jī)機(jī)型，但還只是簡(jiǎn)單地根據(jù)壓實(shí)度的增加而逐漸降低振幅和提高頻率，不能做到完全實(shí)時(shí)地按照與設(shè)計(jì)壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)的比較進(jìn)行控制。

圖36　振動(dòng)輪與路面路基相互作用的動(dòng)力學(xué)模型

3.3攤鋪與壓實(shí)的無(wú)人化

在斜坡、有塌方等危險(xiǎn)地段作業(yè)時(shí)，對(duì)機(jī)器實(shí)行沒(méi)有駕駛員的遠(yuǎn)距離操縱是目前已經(jīng)可以完全做到的事。更高層次的無(wú)人化是建立在智能化基礎(chǔ)上的遠(yuǎn)程控制。CIRC的進(jìn)一步發(fā)展是希望實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)與壓路機(jī)作業(yè)過(guò)程的聯(lián)機(jī)無(wú)人遠(yuǎn)程控制，圖37是瑞典H. Thurner 博士設(shè)想的未來(lái)瀝青路面攤鋪機(jī)與壓路機(jī)協(xié)同作業(yè)無(wú)人化、智能化、聯(lián)機(jī)遠(yuǎn)程控制的情景。顯然，要完全實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)還需假以時(shí)日。

圖37　攤鋪機(jī)與壓路機(jī)作業(yè)過(guò)程的聯(lián)機(jī)遠(yuǎn)程控制

4　結(jié)語(yǔ)

（1）新的路面與壓實(shí)技術(shù)仍將不斷涌現(xiàn)，更多的功能性路面和與之配套的新工藝、新材料、新設(shè)備會(huì)不斷面世。

（2）對(duì)于公路性能要求的不斷提高和新材料、新工藝的應(yīng)用是路面與壓實(shí)設(shè)備技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。

（3）控制技術(shù)、通信技術(shù)以及智能化技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展將推進(jìn)路面與壓實(shí)機(jī)械向著信息化、智能化、無(wú)人化的方向不斷進(jìn)步。