大功率摊铺机对高等级路面施工中离析的控制

大功率摊铺机对高等级路面施工中离析的控制

吴云华1, 王有刚2

( 1. 安徽省港航勘测设计院; 2. 安徽芜湖鸠江经济开发区建设局)

摘 要: 离析是影响沥青路面使用寿命的关键因素之一, 通过分析沥青混凝土离析产生的原因, 结合高速公路大功率摊铺机运用的实践, 提出了防止沥青混凝土末端离析的具体解决方案及控制措施。

关键词: 沥青混凝土; 大功率摊铺机; 离析; 控制

中图分类号: U4161 217 文献标识码: C 文章编号: 1008- 3383( 2009) 04- 0007- 02

黄塔(桃)高速公路是国家高速公路网中北京至台北和杭州至瑞丽高速公路的重要组成部分, 位于皖、浙、赣三省交界处, 本项目安徽段是安徽省第一条交通部典型示范工程。工程的路面单幅宽度15 m, 结构设计为4 cm SMA- 13 沥青混凝土上面层, 6 cm SUP- 20沥青混凝土中面层, 8 cm SUP- 25沥青混凝土下面层。由于采用SUP- 25沥青混凝土增加了对离析的控制难度, 在做试验段的时候出现了局部以及条带的离析, 后来通过对摊铺机的调整以及施工工艺的改进, 有效地控制和减少了离析, 达到了理想的效果。

1 离析产生的原因及分类

1. 1 离析产生的原因

( 1)原材料及级配组成离析。

施工中石料多种供应的情况非常普遍, 因而尺寸规格极不均匀, 虽然都能符合集料规范要求, 但对同一规格的质量百分率的稳定性重视不够。例如: 粗粒料和细粒料所占的比重增加了, 而混合料组成中粒径相差越悬殊, 使大、小颗粒运动趋向两极化, 显然会大大增加离析的可能性。

( 2)垂直运输和坡面滚动离析。

材料垂直运输时, 一般是垂直跌落和顺斜料槽下滑斜向跌落到地面, 这时粒料会因撞击地面、板、壁等产生弹跳和落地后的滚动。由于大集料质量大、冲击力也大、反弹的距离

也远, 而且近似粒径的弹射角往往也较相近, 这样就促成了大集料往一处聚集, 造成离析。材料垂直运动静止后, 不可避免会成为堆状, 出现坡面产生滚动离析。

( 3)平面移动离析。

施工过程中, 混合料少不了平面输送、移动, 由于大颗粒易于裸露在表层, 故容易受到工具的触动力而被移动, 往往大粒径集料容易被刮到一起, 造成离析。

( 4) 摊铺形成的离析。

摊铺机底部的刮板输送器必需正常获得供料和运输, 以保证后面螺旋输送器得到均衡的供料, 规范同时要求开铺后最好不要停机, 但实际难以做到, 因供料及启动和停止摊铺

速度的不均匀, 会造成振动密实的不均衡也会造成离析。

( 5) 混合料温度离析。

温度离析是指沥青混合料中各部分温度出现明显差异而造成的离析。沥青混合料的温度越高, 包裹在集料周围的沥青的粘结力越小, 所以温度高的沥青混合料在装入摊铺机料斗、输料器送料至熨平板前和螺旋输料器将沥青混合料送到熨平板两端的过程中滚动较快。反之, 沥青混合料的温度越低, 包裹在集料周围的沥青的粘结力越大, 沥青混合料在摊铺机输送过程中滚动较慢, 甚至部分表层料降温结块。正是由于存在这种温度的差异, 使得不同部位沥青面层的孔隙率和密实度均不相同。

1. 2 离析的分类

( 1) 级配离析。

级配离析即集料在粗集料区域内过分集中或在细集料区域内过分集中, 更科学地说就是现场的粒料配比超过了级配允许的范围。粗集料的离析往往很容易被发现, 而细集料的离析却往往被忽视。原材料控制不严, 加工规格差异, 集料变异较大; 施工工艺和操作水平不当, 停机待料、梯形摊铺速度不稳定, 搭接宽度控制不当等均能产生级配离析。

( 2)混合料温度离析。

混合料中不同部位温度出现明显差异而形成的离析。温度离析是个严重问题, 但并不应该是非常复杂难以克服的问题,关键在于控制好从拌和机出料口到装、运、卸、摊铺、碾压全过程中的保温措施, 特别是运输过程中的保温, 热料装车后要立即做好保温覆盖, 运输途中不得漏风损失热量, 免得表层料降温结块。

2 沥青施工末端离析的机械控制措施

从近几年施工的沥青路面来看, 拌和设备、摊铺机质量的好坏已成为控制沥青路面离析的主要因素, 而摊铺离析更是目前路面施工中最容易出现也是最难控制的。

摊铺机物料的输送和分布由刮板输送和螺旋分料器两个环节完成, 刮板是一种平移式分层输料装置, 对物料不会产生重新搅拌混合作用, 因而对前几道工序产生的物料物理和温度离析不能起改善作用。对摊铺机自身而言, 改善离析和提高摊铺平整度, 主要通过螺旋分料器的结构设计以及改变运动学参数来实现。

级配混合料中的内摩擦力作用以及物料与输料螺旋之间的外摩擦力作用影响着螺旋输料和二次搅拌的效果。合理的摊铺机螺旋分料器应具有良好的搅拌物料的能力, 使前期工序产生的物料离析得到有效改善, 同时满足摊铺宽度上不同部位所需物料量, 使平整度得到保证。这是螺旋分料器设计的最终要求, 也是摊铺机提高性能的合理途径。对大多数小功率摊铺机来说物料的内、外摩擦力作用造成大粒料容易被送往螺旋两外侧, 摊铺宽度增大则离析加重。主要原因在于其螺旋工作参数设定存在缺陷, 在此强调物料输料高度位于螺旋中心上方叶片直径2 /3 处为宜。如果螺旋料位较低, 需要较高的工作转速才能满足输料量( 高达100 r /m in左右, 甚至更高)要求, 在高速抛撒、快速推移运动中, 不同粒径物料再次离析。这种思想的实质是沿用了传统的螺旋设计理论, 即螺旋的主要功能是均匀输料和布料, 而未能赋予螺旋二次搅拌以改善前期工序产生的物理和温度离析的功能。因此, 对摊铺机的改进也能起到很好的控制离析的效果。下面结合有黄塔(桃)高速公路中选用的中大DT1600型摊铺机(功率269 kW, 最大摊铺幅宽16 m, 最大摊铺厚度500 mm ) 来说明大功率摊铺机对末端离析的控制作用。

2. 1 防止横向离析

( 1)物料满埋螺旋工作。

这是增大输料能力, 降低螺旋转速, 增加二次搅拌作用,避免横向离析的关键, 也是一种新理念。提高刮板和螺旋料位传感器料位控制点, 是实现这一理念的外部形式, 其内在实质是加大螺旋的驱动转矩, 并改变驱动器方案。改变摊铺机采用高速轴向柱塞马达加减速机的传动方案, 直接采用低速径向柱塞大扭矩马达驱动, 并且将摊铺机700 m l/ r左右的马达等效排量增加到1 300 m l/ r, 转矩和功率与ABG - 423相比增加了1 倍。物料满埋螺旋降低转速到80 ~ 90 r /m in以下, 有效防止大颗粒物料随输送距离增大而加剧的横向离析。同时由于螺旋埋于物料底部而增加二次搅拌效果, 改善前期工序产生的温度与物理离析。

低速大扭矩马达除可满足物料满埋螺旋需要更大驱动转矩的要求外, 还具有起动效率高、带载起动能力强、起动平稳的优点, 可以避免高速马达加减速机由于起动效率低, 在频繁间断工况下产生的起动冲击现象, 减小了物料的冲击推扬离析。物料满埋螺旋除增大输料量并增加螺旋驱动能力外, 还为大厚度一次成型摊铺基础材料提供了可能性。

( 2)采用变径螺旋设计。

摊铺机的螺旋分料器是一种半开放式的结构, 与通常的封闭式螺旋输料器将物料全部输送情况不同的是, 它在分输料过程中一边卸料一边输料, 最终将物料均匀地送于熨平板的整个幅宽上。因此, 不同位置的螺旋应有不同的输料能力, 这要求螺旋分料器应有适应这一性能要求的不同升角或直径。变升角设计有制造困难、互换性差且搅拌不均的缺陷, DT 1600采用变径螺旋设计, 螺旋自内向外直径逐渐减小, 整体断面包络线呈梯形, 考虑到制造的方便, 可以近似为几种间断的直径结构。这样在分料工作中, 可以达到全部螺旋满埋物料工作且搅拌强度一致的效果, 除了有效防止横向离析外, 还可保证不同宽度位置上摊铺物料的密实度、平整度一致。

( 3)增加整机功率匹配。

摊铺机在摊铺作业中主要的功率消耗在螺旋驱动。特别当物料满埋螺旋、大宽度摊铺沥青混合料时, 物料摩擦阻力矩增加, 驱动螺旋会消耗整机功率的50% ~ 60%, 加之刮板、熨平板由于增加宽度相应增加了功率消耗。发动机功率要裕量配置, 避免发动机因各种超载产生掉速现象。发动机掉速会影响摊铺机的正常工作秩序, 是产生离析、影响平整度的主要因素, 也是摊铺机的通病。

2. 2 防治竖向离析

竖向离析指摊铺横向断面上, 下部大粒料多而上部大粒料少的上下离析现象。竖向离析的原因是螺旋料槽上部大粒料沿开口处向下滚落, 这一现象发生在螺旋前挡板离地间隙调节偏大且料槽中缺料的工况下, 以及螺旋外端料槽前方的卸荷口处。由于大粒料沿着螺旋前挡板的间隙和卸荷口处向下滚落, 结果造成大粒料沉落于摊铺下层。

大功率摊铺机采用物料满埋螺旋设计, 避免了料槽因缺料在螺旋与前挡板之间产生的粒料滚落斜坡。在前挡板下方加装了上下高度可调的前导板, 根据摊铺厚度和材料不同适当调节离地间隙, 同时前导板下部采用弹性橡胶板结构,可以将离地间隙调为最小且利用弹性板的外张效果减小螺旋的输料阻力。对螺旋外端处的卸荷口, 同样采用弹性橡胶板的悬臂式结构, 既防止大粒料向下滚落, 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畅顶起熨平板影响平整度的现象。

2. 3 防止纵向离析

纵向离析指摊铺层上出现的沿行车方向的条形离析带,主要产生于左右螺旋的中缝处, 各自螺旋的过渡支撑处和双机并幅摊铺的接缝处。

采用单机大宽幅摊铺, 不存在双机并机产生的300~600 mm 的接缝。由于螺旋驱动链轮箱的空间干涉, 使左右螺旋在中缝处断开一定距离, 这一断裂处的物料得不到螺旋挤压和搅拌, 而仅依靠物料的自然流动来充填, 摊铺后密实度很低且级配不匀, 形成一明显的条形离析带。在该断开处的左右螺旋上各加装一组角度可调的反向螺旋叶片, 根据摊铺厚度和材料的变化来调节叶片数量和角度, 使中缝处物料充填密实均匀。

螺旋支撑处的离析带主要是由于支撑处螺旋输料不畅,破坏了物料沿螺旋在宽度方向上输送的均匀连续性, 影响了该处的密实度和级配所致。加大螺旋料槽前后方向的宽度,减小支撑处的结构尺寸, 并使支撑结构呈圆弧过渡面, 在支撑处的螺旋上加装圆周角100°以上的过渡叶片, 可有效解决物料在支撑处的阻滞状况。

加大料槽前后尺寸、增加料槽中物料的搅拌体积和空间, 也是提高二次搅拌作用, 改善温度和横向离析的措施。

物料满埋螺旋工作也相对减小了支撑处的阻滞影响。为了保证物料满埋螺旋, 在施工过程中还要对螺旋叶片进行调整, 特别是大小叶片的组合, 在支撑处换成小直径叶片, 使物料在支撑处堆积, 避免因缺料而产生纵向条带离析。

经过以上的调整, 摊铺机的摊铺质量得到了保证, 取得了满意的效果。

3 结 语

离析是造成路面坑槽、车辙、渗水等早期破坏的质量隐患, 相对于平整度等指标而言, 离析对路面质量的影响更为严重。有数据统计显示, 路面的破坏有50% 以上是由于离析所引起的。所以采取各种措施控制和减少混合料的离析是保证高速公路路面质量的关键。随着社会的发展, 一些先进的施工设备不断的出现也为高速公路的施工质量的提高提供了有力的保证, 中大DT 1600型大功率沥青摊铺机在黄塔(桃) 高速公路中的应用, 取得了防止沥青混凝土末端离析的机械控制的实际经验, 得到了良好的效果。

参考文献:

[ 1] 吕伟民1 沥青混合料设计原理与方法1

[ 2] 舒翔, 姚怀新1 沥青混凝土路面摊铺

2009年 第4期(总第182期) 黑龙江交通科技HE ILONGJIANG J IAOTONG KEJI No. 4, 2009

(Sum No. 182)