【專題研討】姚懷新教授縱論品質工程 抗離析攤鋪與大厚度壓實

姚懷新教授縱論品質工程

抗離析攤鋪與大厚度壓實

文 / 本刊記者 王剛

        9月6日，交通運輸部管理干部學院聯(lián)合《交通建設與管理》雜志舉辦的“交通運輸行業(yè) BIM 技術應用培訓班暨技術創(chuàng)新助力品質工程新疆研討會”在新疆烏魯木齊舉行。長安大學姚懷新教授在研討會上暢談了品質工程中抗離析攤鋪與大厚度壓實的工藝。姚懷新教授現(xiàn)為長安大學工程機械學院教授,筑路機械研究所所長，在抗離析攤鋪與大厚度壓實領域具有非常深厚的研究和實踐經(jīng)驗，主持了多項抗離析攤鋪機設計與工法創(chuàng)新，是國內(nèi)該領域頂級的專家學者。

        提高公路施工質量和使用壽命是公路建設者追求的目標，這些年來公路建設行業(yè)做了很多研究探索實踐，比如在結構設計、材料設計、材料選用以及施工過程的管理和控制等等方面，包括車輛超載的管理，目的就是一個：提高我國公路的使用壽命。但實踐中并不盡如人意，設計壽命十幾年才需要大修的公路，往往是使用了四五年就需要進入大修周期。問題出在什么地方？ 

        姚懷新教授認為，攤鋪離析是造成公路使用壽命大幅縮短的關鍵因素。多年來在公路建設行業(yè)研究考察的姚懷新教授發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)很多高速公路，采用相同的設計，相同的材料，相同的施工管理，相同的車流量負荷，但是在施工時使用傳統(tǒng)攤鋪機往往兩三年或者三四年就出現(xiàn)了坑洞和修補，而抗離析攤鋪機攤鋪施工的公路，十年沒有一個坑洞，沒有大修。這種現(xiàn)象足以說明在施工過程中攤鋪質量的好壞是公路使用壽命的關鍵。

        姚懷新教授進一步解釋說，路面機械和通用的土石方工程機械大不相同。通用型的工程機械例如裝載機挖掘機等追求的工作效率和生產(chǎn)力，而路面機械首先要追求并保證的是施工作業(yè)質量。例如攤鋪機，首先要保證攤鋪不離析、平整度等作業(yè)質量。在路面機械各個門類中又有所不同，瀝青拌合站和壓路機這類的設備通過結構和參數(shù)等控制，就可以解決了施工作業(yè)質量的問題，而攤鋪機恰恰沒有這些結構和參數(shù)的強制性要求，沒有人提出攤鋪機必須保證哪些參數(shù)，必須具備什么樣的結構，就能夠保證攤鋪的瀝青或者水穩(wěn)層不離析。盡管公路施工提出了最終的驗收指標，但這些都不是設備的過程保證指標，傳統(tǒng)的攤鋪機在這個問題恰恰是追求了效率，而疏忽了質量，把攤鋪機等同于沒有作業(yè)質量要求的通用型工程機械，造成了攤鋪離析的大問題。

        是否可以通過改變傳統(tǒng)攤鋪機的結構，并且通過保證攤鋪過程中的參數(shù)，來保證攤鋪質量不離析呢？姚懷新教授通過多年的研究和實踐證明，這個思路是可行的。攤鋪機必須要具備三種結構或者參數(shù)來確保攤鋪過程不離析。

        首先，要找到攤鋪機離析的根本原因。在瀝青拌合站出口的物料經(jīng)過均勻的攪拌，但經(jīng)過了運輸環(huán)節(jié)和料車向攤鋪機傾斜倒料的環(huán)節(jié)，通常會出現(xiàn)大粒徑和小粒徑物料的不均勻分布，也就是說進入攤鋪機的物料已經(jīng)是不均勻的物料了。這也是為什么有的地方要求使用物料轉運車進行二次攪拌的原因。公路施工規(guī)范中為了防止這些離析，要求不能一次性攤鋪大寬度，要求使用雙機攤鋪等等來工藝來保證。但是又造成了片狀離析，溫度離析、并機接縫等等問題。

        現(xiàn)代的抗離析攤鋪機如何通過結構設計避免物料離析呢？就是在物料攤鋪之前，熨平板前面的螺旋布料機位置采用了封閉料槽的設計結構，前面用擋料板擋起來，形成高料位，將螺旋埋在物料下面，就形成了封閉式料倉的工作原理。

        這個過程實際上是模擬瀝青攪拌站的工作原理，在攤鋪前對物料又加了一道攪拌的工序，把物料傾瀉入攤鋪機前產(chǎn)生的離析問題解決了。第二，通過強制的擠壓攪拌，解決了離析問題，另外擠壓的時候預密實度也提高了，攤鋪水穩(wěn)層的時候，預密實度提高了以后，攤鋪的路面松鋪系數(shù)降低了，碾壓以后形成的平整度就提高了。有些人理解說，攤鋪機振動梁夯錘的振幅增大一些是不是能提高密實度？姚懷新教授認為夯錘的振幅和頻率的提高，對于水穩(wěn)層預密實度的提高并沒有實際作用。夯錘的振幅只有兩三個毫米，水穩(wěn)層厚度在40個公分左右的，兩三個毫米的下降量對40公分的高度上，并不能增加多少的預密實度，夯錘的兩三個毫米的壓實量，主要是針對瀝青攤鋪提高密實度，對于大厚度的水穩(wěn)層攤鋪來說并沒有實際作用。

        那水穩(wěn)層攤鋪如何提高密實度呢？姚懷新教授認為必須要依靠攤鋪機內(nèi)部結構將攤鋪料強制得擠實密實。如果內(nèi)部的預密實度不高，或者預密實度不均勻的話，即使表面再抹平，但是碾壓下去就暴露出問題，關鍵是松鋪系數(shù)太大了。

        也就是說提高大厚度水穩(wěn)層的預密實度，是保證水穩(wěn)層攤鋪平整度的條件。是要通過強制的擠壓，讓內(nèi)部密實。而不是夯錘，夯錘振幅偏小。具備這種作業(yè)原理的攤鋪機才可以稱作現(xiàn)代抗離析攤鋪機。 

        姚懷新教授認為，正是因為解決了離析問題，才可以突破傳統(tǒng)的工法，實現(xiàn)瀝青的大寬幅攤鋪，實現(xiàn)水穩(wěn)層上下兩層一起來攤鋪。 

        新工法的實現(xiàn)必須要有抗離析攤鋪機做保證，抗離析攤鋪機的特點就是二次強制攪拌，這是必須要達到的結構特點，沒有這個結構你根本稱不上抗離析攤鋪機。 

        在機器的功率配置上，姚懷新教授認為，現(xiàn)代的抗離析攤鋪機相比傳統(tǒng)攤鋪機，必須要在強制攪拌的功率，也就是螺旋的功率上大大增加，這是非常重要的第三點。 

        傳統(tǒng)攤鋪機螺旋的驅動功率是整機功率的三分之一，而抗離析強制攪拌攤鋪機，螺旋功率要占到整機功率的三分之二以上，比傳統(tǒng)攤 鋪機的螺旋攪拌功率大一倍。這是抗離析攤鋪機實現(xiàn)抗離析攤鋪作業(yè)的強制性要求。

        抗離析攤鋪機可以提高攤鋪速度，提高攤鋪厚度，提高生產(chǎn)率，這些都是在滿足作業(yè)質量的前提下實現(xiàn)的。還要滿足上料效率，要有一個寬松的上料裝置，在攤鋪機前方有快速伸縮的上料斗，模擬物料轉運車。

        姚懷新教授還介紹了抗離析攤鋪機大厚度施工工藝中產(chǎn)生的一些新的施工工法。例如瀝青層可以單機大寬度攤鋪，在實踐中證明最寬可以實現(xiàn)19米5車道單機攤鋪，在福建沿海的跨海大橋建設上都已經(jīng)實現(xiàn)了非常好的效果。

         此外，瀝青碎石層 20 公分左右的厚度，以前是分層攤鋪，容易離析，現(xiàn)在也可以實現(xiàn)單機攤鋪，16 米是一個非常好的攤鋪寬度。如果30公分的攤鋪厚度，12米是適合的寬度，如果非要攤鋪16米的話，往往供料能力無法達到，效率并不盡如人意。

        姚懷新教授還與大家分享了他對大厚度水穩(wěn)層施工工藝的研究成果。

        姚懷新教授認為，高速公路水穩(wěn)層設計從設計初衷上是要實現(xiàn)一個整體板塊的強度，把一個整體板塊分成兩層設計，其原因就是過去在設備和工藝上無法實現(xiàn)大厚度整體攤鋪壓實，是不得已而為之。

        但是從力學設計的角度來說，兩層水穩(wěn)層串聯(lián)的設計降低了承載能力，并且無法有效結合。如水穩(wěn)層實現(xiàn)整體結構，施工起來不僅是多快好省，效率高，還減少了后期養(yǎng)護的費用，更為關鍵的一點能節(jié)省上面層的瀝青，這就是水穩(wěn)層整體成型施工工藝。

        如果要實現(xiàn)整體成形的攤鋪工藝，不僅要有抗離析攤鋪機，在大幅度碾壓的時候，還要配置32噸以上的中型的壓路機，大噸位的膠輪壓路機和雙鋼鉤輪也是必要的。雙鋼輪壓路機的選用范圍很寬，12 噸以上的都沒有問題，膠輪壓路機要求30噸以上的，并且膠輪灑水的功能要非常好。

        姚懷新教授認為，有些地方施工工藝工藝不成功，反思這些問題，往往問題出在壓路機壓實過量了。開始的時候擔心壓實不夠，規(guī)定要三個來回的碾壓，再以三遍為基礎，考慮補壓或者減壓?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)三遍壓實太多了，可以兩遍作為壓實標準，簡單的目測方法是如果發(fā)現(xiàn)壓實表面的石子反彈，那說明表面松散，壓實過度?；蛘咴诟叱虦y量時，發(fā)現(xiàn)高程下降了，如果最后那一遍壓一次降了兩三個毫米的時候就不要再壓了，建議使用靜碾的方式來壓實。

        姚懷新教授舉例說，30 年前中國就沒有振動壓路機，就是使用大鋼輪壓路機靜碾。30 多噸以上的大鋼輪壓路機，靜碾也可以把下面壓實，那現(xiàn)在為什么不用靜碾呢？是因為效率太低，太慢。水泥有凝固時間，壓實不能拖時間太長。

        姚懷新教授總結道，壓實的過程就是排出土壤里面的氣體的過程，要有時間限制，前面可以快速振亞，最后一點壓實度千萬不能再振動壓，如果振動壓實過度，土壤酥散沒有水分，就永遠無法實現(xiàn)壓實。

        使用靜碾提高壓實度的時候，姚懷新教授不建議使用膠輪壓路機，30噸膠輪壓路機不能代替單鋼輪壓路機的靜碾。因為膠輪壓路機前后兩個輪子平均分配了 30 噸重量，兩個前后輪一樣重。而鋼輪壓路機總噸位一樣，鋼輪分配了三分之二的重量，比單輪的重量大，壓實力強。第二個膠輪壓路機表面揉搓，把表面的口都封上了，它不利于排氣，不利于壓實。

        在具體施工過程中，還有一個表面塌陷的問題。實際上這幾年壓實工藝里面還有改進的地方，總是從里面，中間向外壓，擔心把路肩給壓塌了。這實際是錯了，從里面向外壓的話像搟面一樣，外面是松散的，結果里面壓實了，力向外傳的時候把外面擠塌了。一上去就從邊上壓，用雙鋼輪壓路機壓，因為里面是松的，你垂直擠壓的時候，這力里面能釋放，外面有一個自然的坡度，自然的修直角。這樣壓以后，力向外面送的，釋放到里面去了，反而形成了一個天然的擋土墻，你再壓中間那就比較穩(wěn)定，這個工藝可能稍微好一些。為表面水如果散失了，特別是新疆一些地方風沙大，就很難壓實，因此膠輪補水很關鍵。

        最后，姚懷新教授提到，在大厚度碾壓的時候，膠輪的補水非常，因為表面水如果散失了，特別是新疆一些地方風沙大，就很難壓實，因此膠輪補水很關鍵。