【專題研討】姚懷新教授縱論品質(zhì)工程 抗離析攤鋪與大厚度壓實

姚懷新教授縱論品質(zhì)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(yùn)輸部管理干部學(xué)院聯(lián)合《交通建設(shè)與管理》雜志舉辦的“交通運(yùn)輸行業(yè) BIM 技術(shù)應(yīng)用培訓(xùn)班暨技術(shù)創(chuàng)新助力品質(zhì)工程新疆研討會”在新疆烏魯木齊舉行。長安大學(xué)姚懷新教授在研討會上暢談了品質(zhì)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(xué)工程機(jī)械學(xué)院教授,筑路機(jī)械研究所所長，在抗離析攤鋪與大厚度壓實領(lǐng)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(jī)設(shè)計與工法創(chuàng)新，是國內(nèi)該領(lǐng)域頂級的專家學(xué)者。

        提高公路施工質(zhì)量和使用壽命是公路建設(shè)者追求的目標(biāo)，這些年來公路建設(shè)行業(yè)做了很多研究探索實踐，比如在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)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(shè)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(jìn)入大修周期。問題出在什么地方？ 

        姚懷新教授認(rèn)為，攤鋪離析是造成公路使用壽命大幅縮短的關(guān)鍵因素。多年來在公路建設(shè)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(shè)計，相同的材料，相同的施工管理，相同的車流量負(fù)荷，但是在施工時使用傳統(tǒng)攤鋪機(jī)往往兩三年或者三四年就出現(xiàn)了坑洞和修補(bǔ)，而抗離析攤鋪機(jī)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(zhì)量的好壞是公路使用壽命的關(guān)鍵。

        姚懷新教授進(jìn)一步解釋說，路面機(jī)械和通用的土石方工程機(jī)械大不相同。通用型的工程機(jī)械例如裝載機(jī)挖掘機(jī)等追求的工作效率和生產(chǎn)力，而路面機(jī)械首先要追求并保證的是施工作業(yè)質(zhì)量。例如攤鋪機(jī)，首先要保證攤鋪不離析、平整度等作業(yè)質(zhì)量。在路面機(jī)械各個門類中又有所不同，瀝青拌合站和壓路機(jī)這類的設(shè)備通過結(jié)構(gòu)和參數(shù)等控制，就可以解決了施工作業(yè)質(zhì)量的問題，而攤鋪機(jī)恰恰沒有這些結(jié)構(gòu)和參數(shù)的強(qiáng)制性要求，沒有人提出攤鋪機(jī)必須保證哪些參數(shù)，必須具備什么樣的結(jié)構(gòu)，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(biāo)，但這些都不是設(shè)備的過程保證指標(biāo)，傳統(tǒng)的攤鋪機(jī)在這個問題恰恰是追求了效率，而疏忽了質(zhì)量，把攤鋪機(jī)等同于沒有作業(yè)質(zhì)量要求的通用型工程機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)，并且通過保證攤鋪過程中的參數(shù)，來保證攤鋪質(zhì)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(jī)必須要具備三種結(jié)構(gòu)或者參數(shù)來確保攤鋪過程不離析。

        首先，要找到攤鋪機(jī)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(yùn)輸環(huán)節(jié)和料車向攤鋪機(jī)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(jìn)入攤鋪機(jī)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(zhuǎn)運(yùn)車進(jìn)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(jī)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(jī)接縫等等問題。

        現(xiàn)代的抗離析攤鋪機(jī)如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)位置采用了封閉料槽的設(shè)計結(jié)構(gòu)，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(jī)前產(chǎn)生的離析問題解決了。第二，通過強(qiáng)制的擠壓攪拌，解決了離析問題，另外擠壓的時候預(yù)密實度也提高了，攤鋪水穩(wěn)層的時候，預(yù)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(jī)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(rèn)為夯錘的振幅和頻率的提高，對于水穩(wěn)層預(yù)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(yù)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(rèn)為必須要依靠攤鋪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)將攤鋪料強(qiáng)制得擠實密實。如果內(nèi)部的預(yù)密實度不高，或者預(yù)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(guān)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(yù)密實度，是保證水穩(wěn)層攤鋪平整度的條件。是要通過強(qiáng)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(jī)才可以稱作現(xiàn)代抗離析攤鋪機(jī)。 

        姚懷新教授認(rèn)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(jī)做保證，抗離析攤鋪機(jī)的特點就是二次強(qiáng)制攪拌，這是必須要達(dá)到的結(jié)構(gòu)特點，沒有這個結(jié)構(gòu)你根本稱不上抗離析攤鋪機(jī)。 

        在機(jī)器的功率配置上，姚懷新教授認(rèn)為，現(xiàn)代的抗離析攤鋪機(jī)相比傳統(tǒng)攤鋪機(jī)，必須要在強(qiáng)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(jī)螺旋的驅(qū)動功率是整機(jī)功率的三分之一，而抗離析強(qiáng)制攪拌攤鋪機(jī)，螺旋功率要占到整機(jī)功率的三分之二以上，比傳統(tǒng)攤 鋪機(jī)的螺旋攪拌功率大一倍。這是抗離析攤鋪機(jī)實現(xiàn)抗離析攤鋪作業(yè)的強(qiáng)制性要求。

        抗離析攤鋪機(jī)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(zhì)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(jī)前方有快速伸縮的上料斗，模擬物料轉(zhuǎn)運(yùn)車。

        姚懷新教授還介紹了抗離析攤鋪機(jī)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(jī)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(jī)攤鋪，在福建沿海的跨海大橋建設(shè)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(jī)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(dá)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(rèn)為，高速公路水穩(wěn)層設(shè)計從設(shè)計初衷上是要實現(xiàn)一個整體板塊的強(qiáng)度，把一個整體板塊分成兩層設(shè)計，其原因就是過去在設(shè)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(xué)設(shè)計的角度來說，兩層水穩(wěn)層串聯(lián)的設(shè)計降低了承載能力，并且無法有效結(jié)合。如水穩(wěn)層實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)，施工起來不僅是多快好省，效率高，還減少了后期養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用，更為關(guān)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(jī)，在大幅度碾壓的時候，還要配置32噸以上的中型的壓路機(jī)，大噸位的膠輪壓路機(jī)和雙鋼鉤輪也是必要的。雙鋼輪壓路機(jī)的選用范圍很寬，12 噸以上的都沒有問題，膠輪壓路機(jī)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(rèn)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(jī)壓實過量了。開始的時候擔(dān)心壓實不夠，規(guī)定要三個來回的碾壓，再以三遍為基礎(chǔ)，考慮補(bǔ)壓或者減壓。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)三遍壓實太多了，可以兩遍作為壓實標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)，就是使用大鋼輪壓路機(jī)靜碾。30 多噸以上的大鋼輪壓路機(jī)，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(jié)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(yuǎn)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(jī)，30噸膠輪壓路機(jī)不能代替單鋼輪壓路機(jī)的靜碾。因為膠輪壓路機(jī)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(jī)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(qiáng)。第二個膠輪壓路機(jī)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?yán)锩孢€有改進(jìn)的地方，總是從里面，中間向外壓，擔(dān)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(jié)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(jī)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(fēng)沙大，就很難壓實，因此膠輪補(bǔ)水很關(guān)鍵。

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