【专题研讨】姚怀新教授纵论品质工程 抗离析摊铺与大厚度压实

姚怀新教授纵论品质工程

抗离析摊铺与大厚度压实

文 / 本刊记者 王刚

        9月6日，交通运输部管理干部学院联合《交通建设与管理》杂志举办的“交通运输行业 BIM 技术应用培训班暨技术创新助力品质工程新疆研讨会”在新疆乌鲁木齐举行。长安大学姚怀新教授在研讨会上畅谈了品质工程中抗离析摊铺与大厚度压实的工艺。姚怀新教授现为长安大学工程机械学院教授,筑路机械研究所所长，在抗离析摊铺与大厚度压实领域具有非常深厚的研究和实践经验，主持了多项抗离析摊铺机设计与工法创新，是国内该领域顶级的专家学者。

        提高公路施工质量和使用寿命是公路建设者追求的目标，这些年来公路建设行业做了很多研究探索实践，比如在结构设计、材料设计、材料选用以及施工过程的管理和控制等等方面，包括车辆超载的管理，目的就是一个：提高我国公路的使用寿命。但实践中并不尽如人意，设计寿命十几年才需要大修的公路，往往是使用了四五年就需要进入大修周期。问题出在什么地方？ 

        姚怀新教授认为，摊铺离析是造成公路使用寿命大幅缩短的关键因素。多年来在公路建设行业研究考察的姚怀新教授发现，国内很多高速公路，采用相同的设计，相同的材料，相同的施工管理，相同的车流量负荷，但是在施工时使用传统摊铺机往往两三年或者三四年就出现了坑洞和修补，而抗离析摊铺机摊铺施工的公路，十年没有一个坑洞，没有大修。这种现象足以说明在施工过程中摊铺质量的好坏是公路使用寿命的关键。

        姚怀新教授进一步解释说，路面机械和通用的土石方工程机械大不相同。通用型的工程机械例如装载机挖掘机等追求的工作效率和生产力，而路面机械首先要追求并保证的是施工作业质量。例如摊铺机，首先要保证摊铺不离析、平整度等作业质量。在路面机械各个门类中又有所不同，沥青拌合站和压路机这类的设备通过结构和参数等控制，就可以解决了施工作业质量的问题，而摊铺机恰恰没有这些结构和参数的强制性要求，没有人提出摊铺机必须保证哪些参数，必须具备什么样的结构，就能够保证摊铺的沥青或者水稳层不离析。尽管公路施工提出了最终的验收指标，但这些都不是设备的过程保证指标，传统的摊铺机在这个问题恰恰是追求了效率，而疏忽了质量，把摊铺机等同于没有作业质量要求的通用型工程机械，造成了摊铺离析的大问题。

        是否可以通过改变传统摊铺机的结构，并且通过保证摊铺过程中的参数，来保证摊铺质量不离析呢？姚怀新教授通过多年的研究和实践证明，这个思路是可行的。摊铺机必须要具备三种结构或者参数来确保摊铺过程不离析。

        首先，要找到摊铺机离析的根本原因。在沥青拌合站出口的物料经过均匀的搅拌，但经过了运输环节和料车向摊铺机倾斜倒料的环节，通常会出现大粒径和小粒径物料的不均匀分布，也就是说进入摊铺机的物料已经是不均匀的物料了。这也是为什么有的地方要求使用物料转运车进行二次搅拌的原因。公路施工规范中为了防止这些离析，要求不能一次性摊铺大宽度，要求使用双机摊铺等等来工艺来保证。但是又造成了片状离析，温度离析、并机接缝等等问题。

        现代的抗离析摊铺机如何通过结构设计避免物料离析呢？就是在物料摊铺之前，熨平板前面的螺旋布料机位置采用了封闭料槽的设计结构，前面用挡料板挡起来，形成高料位，将螺旋埋在物料下面，就形成了封闭式料仓的工作原理。

        这个过程实际上是模拟沥青搅拌站的工作原理，在摊铺前对物料又加了一道搅拌的工序，把物料倾泻入摊铺机前产生的离析问题解决了。第二，通过强制的挤压搅拌，解决了离析问题，另外挤压的时候预密实度也提高了，摊铺水稳层的时候，预密实度提高了以后，摊铺的路面松铺系数降低了，碾压以后形成的平整度就提高了。有些人理解说，摊铺机振动梁夯锤的振幅增大一些是不是能提高密实度？姚怀新教授认为夯锤的振幅和频率的提高，对于水稳层预密实度的提高并没有实际作用。夯锤的振幅只有两三个毫米，水稳层厚度在40个公分左右的，两三个毫米的下降量对40公分的高度上，并不能增加多少的预密实度，夯锤的两三个毫米的压实量，主要是针对沥青摊铺提高密实度，对于大厚度的水稳层摊铺来说并没有实际作用。

        那水稳层摊铺如何提高密实度呢？姚怀新教授认为必须要依靠摊铺机内部结构将摊铺料强制得挤实密实。如果内部的预密实度不高，或者预密实度不均匀的话，即使表面再抹平，但是碾压下去就暴露出问题，关键是松铺系数太大了。

        也就是说提高大厚度水稳层的预密实度，是保证水稳层摊铺平整度的条件。是要通过强制的挤压，让内部密实。而不是夯锤，夯锤振幅偏小。具备这种作业原理的摊铺机才可以称作现代抗离析摊铺机。 

        姚怀新教授认为，正是因为解决了离析问题，才可以突破传统的工法，实现沥青的大宽幅摊铺，实现水稳层上下两层一起来摊铺。 

        新工法的实现必须要有抗离析摊铺机做保证，抗离析摊铺机的特点就是二次强制搅拌，这是必须要达到的结构特点，没有这个结构你根本称不上抗离析摊铺机。 

        在机器的功率配置上，姚怀新教授认为，现代的抗离析摊铺机相比传统摊铺机，必须要在强制搅拌的功率，也就是螺旋的功率上大大增加，这是非常重要的第三点。 

        传统摊铺机螺旋的驱动功率是整机功率的三分之一，而抗离析强制搅拌摊铺机，螺旋功率要占到整机功率的三分之二以上，比传统摊 铺机的螺旋搅拌功率大一倍。这是抗离析摊铺机实现抗离析摊铺作业的强制性要求。

        抗离析摊铺机可以提高摊铺速度，提高摊铺厚度，提高生产率，这些都是在满足作业质量的前提下实现的。还要满足上料效率，要有一个宽松的上料装置，在摊铺机前方有快速伸缩的上料斗，模拟物料转运车。

        姚怀新教授还介绍了抗离析摊铺机大厚度施工工艺中产生的一些新的施工工法。例如沥青层可以单机大宽度摊铺，在实践中证明最宽可以实现19米5车道单机摊铺，在福建沿海的跨海大桥建设上都已经实现了非常好的效果。

         此外，沥青碎石层 20 公分左右的厚度，以前是分层摊铺，容易离析，现在也可以实现单机摊铺，16 米是一个非常好的摊铺宽度。如果30公分的摊铺厚度，12米是适合的宽度，如果非要摊铺16米的话，往往供料能力无法达到，效率并不尽如人意。

        姚怀新教授还与大家分享了他对大厚度水稳层施工工艺的研究成果。

        姚怀新教授认为，高速公路水稳层设计从设计初衷上是要实现一个整体板块的强度，把一个整体板块分成两层设计，其原因就是过去在设备和工艺上无法实现大厚度整体摊铺压实，是不得已而为之。

        但是从力学设计的角度来说，两层水稳层串联的设计降低了承载能力，并且无法有效结合。如水稳层实现整体结构，施工起来不仅是多快好省，效率高，还减少了后期养护的费用，更为关键的一点能节省上面层的沥青，这就是水稳层整体成型施工工艺。

        如果要实现整体成形的摊铺工艺，不仅要有抗离析摊铺机，在大幅度碾压的时候，还要配置32吨以上的中型的压路机，大吨位的胶轮压路机和双钢钩轮也是必要的。双钢轮压路机的选用范围很宽，12 吨以上的都没有问题，胶轮压路机要求30吨以上的，并且胶轮洒水的功能要非常好。

        姚怀新教授认为，有些地方施工工艺工艺不成功，反思这些问题，往往问题出在压路机压实过量了。开始的时候担心压实不够，规定要三个来回的碾压，再以三遍为基础，考虑补压或者减压。现在发现三遍压实太多了，可以两遍作为压实标准，简单的目测方法是如果发现压实表面的石子反弹，那说明表面松散，压实过度。或者在高程测量时，发现高程下降了，如果最后那一遍压一次降了两三个毫米的时候就不要再压了，建议使用静碾的方式来压实。

        姚怀新教授举例说，30 年前中国就没有振动压路机，就是使用大钢轮压路机静碾。30 多吨以上的大钢轮压路机，静碾也可以把下面压实，那现在为什么不用静碾呢？是因为效率太低，太慢。水泥有凝固时间，压实不能拖时间太长。

        姚怀新教授总结道，压实的过程就是排出土壤里面的气体的过程，要有时间限制，前面可以快速振亚，最后一点压实度千万不能再振动压，如果振动压实过度，土壤酥散没有水分，就永远无法实现压实。

        使用静碾提高压实度的时候，姚怀新教授不建议使用胶轮压路机，30吨胶轮压路机不能代替单钢轮压路机的静碾。因为胶轮压路机前后两个轮子平均分配了 30 吨重量，两个前后轮一样重。而钢轮压路机总吨位一样，钢轮分配了三分之二的重量，比单轮的重量大，压实力强。第二个胶轮压路机表面揉搓，把表面的口都封上了，它不利于排气，不利于压实。

        在具体施工过程中，还有一个表面塌陷的问题。实际上这几年压实工艺里面还有改进的地方，总是从里面，中间向外压，担心把路肩给压塌了。这实际是错了，从里面向外压的话像擀面一样，外面是松散的，结果里面压实了，力向外传的时候把外面挤塌了。一上去就从边上压，用双钢轮压路机压，因为里面是松的，你垂直挤压的时候，这力里面能释放，外面有一个自然的坡度，自然的修直角。这样压以后，力向外面送的，释放到里面去了，反而形成了一个天然的挡土墙，你再压中间那就比较稳定，这个工艺可能稍微好一些。为表面水如果散失了，特别是新疆一些地方风沙大，就很难压实，因此胶轮补水很关键。

        最后，姚怀新教授提到，在大厚度碾压的时候，胶轮的补水非常，因为表面水如果散失了，特别是新疆一些地方风沙大，就很难压实，因此胶轮补水很关键。