姚懷新教授縱論品質(zhì)工程 抗離析攤鋪與大厚度壓實

        9月6 日，交通運輸部管理干部學(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)工程機械學(xué)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(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，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(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(zhì)量的好壞是公路使用壽命的關(guān)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(zhì)量。例如攤鋪機，首先要保證攤鋪不離析、平整度等作業(yè)質(zhì)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(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，而攤鋪機恰恰沒有這些結(jié)構(gòu)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(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，但這些都不是設(shè)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(zhì)量，把攤鋪機等同于沒有作業(yè)質(zhì)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(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(zhuǎn)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?，F(xiàn)代的抗離析攤鋪機如何通過結(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(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(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?姚懷新教授認為必須要依靠攤鋪機內(nèi)部結(jié)構(gòu)將攤鋪料強制得擠實密實。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(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。

　　 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(qū)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(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，在攤鋪機前方有快速伸縮的上料斗，模擬物料轉(zhuǎn)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(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(shè)計從設(shè)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(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)護的費用，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，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(chǔ)，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。或者在高程測量時，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(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(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。

　　 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(guān)鍵。