瀝青混凝土路面大功率攤鋪機(jī)施工離析控制
通過分析瀝青混凝土路面的施工過程， 提出了不規(guī)則離析和規(guī)則離析的概念， 指出不規(guī)則離析是施工工藝造成的， 規(guī)則離析是由攤鋪機(jī)的性能決定的。通過分析攤鋪機(jī)的機(jī)械原理， 指出了常規(guī)攤鋪機(jī)在抗離析方面的缺陷， 說明了大型攤鋪機(jī)為控制離析在原理上進(jìn)行的改進(jìn)。根據(jù)粵贛高速公路應(yīng)用大型攤鋪機(jī)施工的瀝青混凝土路面的檢測(cè)資料， 說明了應(yīng)用大型改進(jìn)型攤鋪機(jī)進(jìn)行瀝青混凝土路面攤鋪時(shí)控制離析的可行性， 同時(shí)進(jìn)行了單、雙機(jī)攤鋪工藝的經(jīng)濟(jì)性比較。......
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關(guān)鍵詞： 瀝青混凝土路面； 離析； 控制
瀝青混凝土路面施工離析， 使瀝青混合料偏離最佳設(shè)計(jì)配合比， 其力學(xué)性能和使用性能發(fā)生很大變化， 以至于使路面薄弱點(diǎn)產(chǎn)生早期破壞， 從而誘發(fā)路面大面積損壞。路面早期破壞很多時(shí)候是因?yàn)槁访娌牧想x析而造成的， 例如： 路槽、車轍、結(jié)構(gòu)松散、泛油。而離析是施工中最難控制的現(xiàn)象， 它與材料、施工工藝， 尤其是施工設(shè)備密切相關(guān)。解決路面離析問題， 是很多路面工程師、機(jī)械工程師共同的希望，有必要全方位、系統(tǒng)地進(jìn)行研究和分析。
理論上大功率攤鋪機(jī)在原理和性能上具備控制離析的條件， 但是在國內(nèi)還缺乏實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)， 更沒有被相關(guān)規(guī)范和質(zhì)量監(jiān)督部門認(rèn)可。目前的《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中， 對(duì)離析又恰恰缺乏量化指標(biāo)， 路面施工質(zhì)量關(guān)鍵的評(píng)定指標(biāo)， 往往是靠肉眼來判斷， 難免存在不精確問題。
進(jìn)一步改進(jìn)大功率攤鋪機(jī)， 從性能方面進(jìn)行優(yōu)化和實(shí)用化是解決離析問題的努力方向， 同時(shí)， 需要通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用建立完善的配套控制工藝。另外， 建立路面離析程度的量化標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的簡單適用的檢測(cè)方法， 也是控制路面離析需要做的工作。
1 瀝青混凝土面層離析的分類和成因
瀝青混凝土離析按外觀形式分為條狀離析和塊狀離析， 有橫向離析、縱向離析和豎向離析， 有規(guī)則離析和不規(guī)則離析。產(chǎn)生離析的原因很多， 例如地產(chǎn)材料控制不嚴(yán)， 變異大， 受石場(chǎng)加工能力不穩(wěn)定影響； 外購材料的變化， 受場(chǎng)地堆料方式、堆料過高影響等。施工工藝和操作方式不當(dāng)將產(chǎn)生嚴(yán)重的離析，停機(jī)待料、梯形攤鋪速度差， 搭接寬度控制不當(dāng)， 過快收斗和不及時(shí)碾壓等均屬于不合理工藝。不規(guī)則離析， 往往是施工工藝造成的， 而規(guī)則離析， 大多是由于攤鋪機(jī)的性能所決定的。
從近幾年瀝青混凝土路面施工的過程看， 拌和樓和攤鋪機(jī)質(zhì)量的好壞為瀝青混凝土路面離析的主要原因。攤鋪離析目前在路面施工中是最難控制的，為此國內(nèi)外均試圖從攤鋪機(jī)的改造入手， 目前國外機(jī)型主要有Super 21002C （Vogle） ， ingerso ll2randABG 525， 國內(nèi)也有同類產(chǎn)品， 陜西中大公司研制了DT 1400 型大功率攤鋪機(jī)， 這些改進(jìn)型設(shè)備為解決路面攤鋪離析和提高平整度提供了可能。
2 攤鋪機(jī)械控制離析原理
2．1 攤鋪機(jī)械的缺陷
目前的攤鋪機(jī)原理， 對(duì)物料的輸送和分布由通過刮板輸送和螺旋分料器兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。刮板是一種平移式分層輸料裝置， 對(duì)物料不會(huì)產(chǎn)生新的攪拌混合作用， 因而對(duì)前幾道工序產(chǎn)生的物料物理和溫度離析不能改善。為此， 近幾年來興起在攤鋪機(jī)前加置物料轉(zhuǎn)運(yùn)車的工藝進(jìn)行嘗試， 通過其保溫、加熱、攪拌等作用使混合料溫度和物理離析得到有效改善。對(duì)攤鋪機(jī)自身而言， 改善離析和提高攤鋪平整度的作用， 主要通過螺旋分料器的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
級(jí)配混合料（包括基礎(chǔ)和面層） 中的內(nèi)摩擦力作用以及物料與輸料螺旋之間的外摩擦力作用影響著螺旋的輸料和二次攪拌（拌和機(jī)為一次攪拌） 的效果， 合理的攤鋪機(jī)螺旋分料器應(yīng)具有良好的攪拌物料的能力， 使前期工序產(chǎn)生的物料離析得到有效改善， 同時(shí)滿足攤鋪寬度上不同部位所需物料量， 使平整度得到保證的綜合功能。這就是螺旋分料器設(shè)計(jì)的最終要求， 也是攤鋪機(jī)提高性能的合理途徑。
目前， 多數(shù)小功率攤鋪機(jī)的實(shí)際情況是， 物料的內(nèi)、外摩擦力作用造成大粒料容易被送往螺旋分料器兩側(cè)， 攤鋪寬度增大則離析加重。主要原因在于，其螺旋分料器工作參數(shù)設(shè)定存在缺陷， 強(qiáng)調(diào)物料輸料高度位于螺旋分料器中心上方葉片直徑2/3 處為宜， 由于螺旋分料器內(nèi)料位較低， 需要較高的工作轉(zhuǎn)速才能滿足輸料量（高達(dá)100 r/min 左右， 甚至更高） 要求， 在調(diào)整拋撒、快速推移運(yùn)動(dòng)中， 不同粒徑物料再次離析。這種思想的實(shí)質(zhì)是沿用了傳統(tǒng)的螺旋設(shè)計(jì)理論， 即螺旋分料器的主要功能是均勻輸料和布料， 而未能賦予螺旋分料器二次攪拌功能以改善前期工序產(chǎn)生的物理和溫度離析。
2．2 大功率攤鋪機(jī)離析控制機(jī)理
大功率攤鋪機(jī)（功率160 kW 以上， 最大攤鋪寬度16 m ， 最大攤鋪厚度500 mm ） 的設(shè)計(jì)理論就是，通過具有二次攪拌以改善離析與均勻輸料和布料綜合功能的抗離析、大生產(chǎn)率螺旋裝置設(shè)計(jì)， 輔以整機(jī)與螺旋驅(qū)動(dòng)大功率配置， 實(shí)現(xiàn)單機(jī)大寬幅、大厚度、抗離析一次成型攤鋪?zhàn)鳂I(yè)， 改善離析， 改善雙機(jī)并幅攤鋪接縫離析。其主要特點(diǎn)為： 增大螺旋輸料能力，降低螺旋驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速， 增加螺旋二次攪拌功能， 減小螺旋起動(dòng)工作的沖擊和加速度使之平穩(wěn)緩慢起動(dòng)。
?。?） 物料滿埋螺旋工作。
這是增大輸料能力， 降低螺旋轉(zhuǎn)速， 增加二次攪拌作用， 避免橫向離析的關(guān)鍵， 也是一種新理念。提高刮板和螺旋料位傳感器料位控制點(diǎn)， 是實(shí)現(xiàn)這一理念的外部形式， 其內(nèi)在實(shí)質(zhì)是： 加大螺旋的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 并改變驅(qū)動(dòng)器方案。改變常規(guī)攤鋪機(jī)采用高速軸向柱塞馬達(dá)加減速機(jī)的傳動(dòng)方案， 直接采用低速徑向柱塞大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)， 并且將常規(guī)攤鋪機(jī)700 m l/r左右的馬達(dá)等效排量增加到1 300 m l/r， 轉(zhuǎn)矩和功率與ABG- 423 相比增加了一倍。物料滿埋螺旋將轉(zhuǎn)速降低到80～ 90 r/m in或以下， 有效防止大顆粒物料隨輸送距離增大而運(yùn)動(dòng)加劇的橫向離析， 同時(shí)由于螺旋埋于物料底部而增加二次攪拌效果， 改善前期工序產(chǎn)生的溫度與物理離析。
低速大扭矩馬達(dá)除可滿足物料滿埋螺旋需要更大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求外， 還由于這種馬達(dá)具有起動(dòng)效率高， 帶載起動(dòng)能力強(qiáng)， 起動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)， 可以避免高速馬達(dá)加減速機(jī)由于起動(dòng)效率低， 在頻繁間斷工況下產(chǎn)生的沖擊起動(dòng)現(xiàn)象， 減小了物料的沖擊推揚(yáng)離析。物料滿埋螺旋， 增大輸料量并增加螺旋驅(qū)動(dòng)能力還為大厚度一次成型攤鋪基礎(chǔ)材料提供了可能性。
?。?） 采用變徑螺旋設(shè)計(jì)。
攤鋪機(jī)的螺旋分料器是一種半開放式的結(jié)構(gòu)，與通常的封閉式螺旋輸料器將物料全部輸送情況不同的是， 它在分輸料過程中一邊卸料一邊輸料， 最終將物料均勻地布送于熨平板的整個(gè)幅寬上。因此， 不同位置的螺旋應(yīng)有不同的輸料能力， 這要求螺旋分料器應(yīng)有適應(yīng)這一性能要求的不同升角或直徑。變升角設(shè)計(jì)有制造困難、互換性差、且攪拌不均的缺陷，DT 1400 采用變徑螺旋設(shè)計(jì)， 螺旋自內(nèi)向外直徑逐漸減小， 整體斷面包絡(luò)線呈梯形， 考慮到制造的方便， 可以近似為幾種間斷的直徑結(jié)構(gòu)。這樣在分料工作中， 可以達(dá)到全部螺旋滿埋物料工作且攪拌強(qiáng)度一致的效果， 除了有效防止橫向離析外， 還可保證不同寬度位置上攤鋪物料的密實(shí)度一致、平整度一致。
?。?） 增加整機(jī)功率匹配。
攤鋪機(jī)在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中， 主要的功率消耗于螺旋驅(qū)動(dòng)， 特別當(dāng)物料滿埋螺旋， 大寬度攤鋪基礎(chǔ)材料時(shí)， 物料摩擦阻力矩增加， 驅(qū)動(dòng)螺旋會(huì)消耗整機(jī)功率的50%～ 60% ， 加之刮板、熨平板由于增加寬度而相應(yīng)增加了功率消耗。發(fā)動(dòng)機(jī)功率裕量配置， 避免發(fā)動(dòng)機(jī)因各種超載產(chǎn)生掉速現(xiàn)象， 這種超載頻繁地發(fā)生于螺旋起動(dòng)、刮板發(fā)卡、料車倒撞等工況下， 是攤鋪機(jī)的特有工況。發(fā)動(dòng)機(jī)掉速會(huì)影響攤鋪機(jī)的正常工作， 是產(chǎn)生離析、影響平整度的不良因素， 也是普通攤鋪機(jī)的通病。電噴柴油機(jī)符合嚴(yán)格的污染排放和噪聲標(biāo)準(zhǔn)， 也具有良好的動(dòng)力性能和控制特性， 易于實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動(dòng)化。
?。?） 防止豎向離析。
豎向離析指攤鋪橫向斷面上， 下部大粒料多而上部大粒料少的上下離析現(xiàn)象。豎向離析的原因是螺旋料槽上部大粒料沿開口處向下滾落， 這一現(xiàn)象發(fā)生在螺旋前擋板離地間隙調(diào)節(jié)偏大且料槽中缺料的工況下， 以及螺旋外端料槽前方的卸荷口處， 由于大粒料沿著螺旋前擋板的間隙和卸荷口處向下滾落， 結(jié)果造成大粒料沉落于攤鋪下層。
大功率攤鋪機(jī)采用物料滿埋螺旋設(shè)計(jì)， 避免了料槽因缺料在螺旋與前擋板之間產(chǎn)生的粒料滾落斜坡； 在前擋板下方加裝了上下高度可調(diào)的前導(dǎo)板， 根據(jù)攤鋪厚度和材料不同適當(dāng)調(diào)節(jié)離地間隙， 同時(shí)前導(dǎo)板下部采用彈性橡膠板結(jié)構(gòu)， 可以將離地間隙調(diào)為最小且利用彈性板的外張效果減小螺旋的輸料阻力； 對(duì)螺旋外端處的卸荷口， 同樣采用彈性橡膠板的懸臂式結(jié)構(gòu)， 既防止大粒料向下滾落， 又起到防止螺旋卡死而卸荷的作用， 也避免了因螺旋卸料不暢頂起熨平板影響平整度的現(xiàn)象。
?。?） 防止縱向離析。
縱向離析指攤鋪層上出現(xiàn)的沿行車方向的條形離析帶， 主要產(chǎn)生于左右螺旋的中縫處， 各自螺旋的過渡支撐處和雙機(jī)并幅攤鋪的接縫處。采用單機(jī)大寬幅攤鋪， 不存在雙機(jī)并機(jī)攤鋪時(shí)產(chǎn)生的300～600 mm 的接縫。
由于螺旋驅(qū)動(dòng)鏈輪箱的空間干涉， 使左右螺旋在中縫處斷開一定距離， 這一斷裂處的物料得不到螺旋強(qiáng)制擠壓和攪拌， 而僅依靠物料的自然流動(dòng)來充填， 攤鋪后密實(shí)度很低且級(jí)配不勻， 形成一條明顯的條形離析帶。
改進(jìn)型攤鋪機(jī)在該斷開處的左右螺旋上各加裝一組角度可調(diào)的反向螺旋葉片， 根據(jù)攤鋪厚度和材料的變化來調(diào)節(jié)葉片數(shù)量和角度， 使中縫處物料充填密實(shí)且均勻。
螺旋支撐處的離板帶， 主要由于支撐處螺旋輸料不暢， 破壞了物料沿螺旋在寬度方向上輸送的均勻連續(xù)性， 影響了該處的密實(shí)度和級(jí)配。
改進(jìn)型攤鋪機(jī)采用加大螺旋料槽前后方向的寬度， 減小支撐處的結(jié)構(gòu)尺寸， 并使支撐結(jié)構(gòu)呈圓弧過渡面， 在支撐處的螺旋上加裝圓周角100°以上的過渡葉片等措施， 有效解決了物料在支撐處的阻滯狀況。
加大料槽前后尺寸， 增加了料槽中物料的攪拌體積和空間， 也是提高二次攪拌作用， 改善溫度和橫向離析的措施。物料滿埋螺旋工作也相對(duì)減小了支撐處的阻滯影響。
3 粵贛高速公路瀝青混凝土路面攤鋪離析控制試驗(yàn)
粵贛高速公路瀝青混凝土路面攤鋪使用的機(jī)械及其技術(shù)參數(shù)列入表1， 25 標(biāo)、26 標(biāo)、27 標(biāo)、29 標(biāo)， 于2005 年9 月～ 10 月間進(jìn)行了攤鋪試驗(yàn)， 大功率攤鋪機(jī)單幅寬11．5 m ， 分別進(jìn)行了瀝青混凝土下面層、中面層、上面層攤鋪試驗(yàn)， 通過用無核密度儀、激光構(gòu)造紋理儀、砂鋪法和滲水系數(shù)方法檢測(cè)離析情況。
 粵贛高速公路路面25 標(biāo)使用的設(shè)備是陜西中大公司生產(chǎn)的DT 1400 型攤鋪機(jī)， 圖1 為K18+ 330～ 630 段中面層試驗(yàn)段的檢測(cè)結(jié)果， （a） 為無核密度儀的檢測(cè)結(jié)果， （b） 為激光構(gòu)造紋理儀的檢測(cè)結(jié)果。示意圖表明， 大功率寬幅攤鋪機(jī)的離析控制取得了理想的效果。
表2、3 為粵贛高速公路路面施工過程的檢測(cè)數(shù)據(jù)， 中面層完成后分別采用無核密度儀檢測(cè)面層密度， 用激光構(gòu)造紋理儀檢測(cè)表面構(gòu)造深度， 分別反映深層和表面的離析情況。
表2 為離析無核密度檢測(cè)結(jié)果表， 檢測(cè)長度30 m ， 寬度11 m ， 劃分單元341 個(gè)， 屬于輕微、無離析單元占99．12% ， 嚴(yán)重離析單元不到1%。表3 為中面層離析激光構(gòu)造紋理檢測(cè)成果， 檢測(cè)長度290 m ， 寬度11 m ， 劃分單元330 個(gè)， 屬于輕微、無離析單元占93．33% ， 嚴(yán)重離析單元不到7%。
   4 成本比較
成本比較以完成1 km 路面面層（上、中、下） 攤鋪為標(biāo)準(zhǔn)， 機(jī)械班組的基本參數(shù)列入表4， 成本組成情況如表5。施工過程的機(jī)械效率由拌和樓的效率控制， 無論是雙機(jī)作業(yè)還是單機(jī)作業(yè)， 攤鋪速度按照相同的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。上、中、下3 層分3 次施工， 雙機(jī)工作施工成本是單機(jī)作業(yè)的3 倍。成本比較結(jié)果， 單機(jī)全幅攤鋪的成本只為雙機(jī)拼幅攤鋪成本的55．7%?？梢?， 由于上述攤鋪機(jī)均具有全幅攤鋪的潛力， 使用單機(jī)全幅攤鋪方式可以充分發(fā)揮機(jī)械的效率， 在不降低施工質(zhì)量的前提下大大節(jié)約了造價(jià)。
 5 結(jié)論
?。?） 粵贛高速公路路面攤鋪試驗(yàn)成果表明， 采用大功率寬幅攤鋪機(jī)一次性完成單幅路面攤鋪， 可以達(dá)到很高的抗離析水平， 較傳統(tǒng)攤鋪方法有明顯改進(jìn)， 大功率攤鋪機(jī)采取的一系列離析防治措施是有效的， 結(jié)構(gòu)是簡單可靠的， 為現(xiàn)代攤鋪機(jī)設(shè)計(jì)提供了一種方法和思路。
?。?） 由于大功率攤鋪機(jī)自重大、行駛平穩(wěn)， 單機(jī)寬幅攤鋪面層可以提高路面整體平整度， 通過中鐵十二局和廣東冠粵公司2 家單位的施工路段比較，在惠河高速公路使用雙機(jī)攤鋪， 在粵贛高速公路使用單機(jī)攤鋪， 材料級(jí)配相同， 路面平整度檢測(cè)結(jié)果均方差分別為， 惠河高速公路0．43、0．47， 粵贛高速公路0．57。
（3） 減少雙機(jī)并機(jī)接縫離析和螺旋支撐處離析，提高生產(chǎn)效率， 大大降低施工成本， 直接成本減少約40%。
（4） 規(guī)則離析大多是由于攤鋪機(jī)的性能所決定的， 必須通過改進(jìn)施工機(jī)具性能來解決。豎向離析過去未受重視或無解決方案， 本試驗(yàn)對(duì)攤鋪機(jī)的擋板進(jìn)行了改進(jìn)， 增加彈性擋板后， 表面的細(xì)集料明顯減少， 構(gòu)造深度變大， 檢測(cè)得到的摩擦系數(shù)變大， 較好地解決了豎向離析。
（5） 攤鋪機(jī)局部片狀離析是由攤鋪機(jī)前道工序的混合料供給不勻等多種原因造成的， 不是攤鋪機(jī)本身能夠控制的， 相關(guān)配套工藝的控制水平也是至關(guān)重要的。
?。?） 無核密度儀、激光構(gòu)造紋理儀檢測(cè)方法， 操作簡單快捷， 為離析控制水平提供了量化指標(biāo)， 為評(píng)價(jià)路面的施工質(zhì)量建立了數(shù)字概念， 具備可操作性。 |
| 原作者： 舒 翔 姚懷新 孫圣杰 邱子敬 李國維 |
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