53-普通沥青路面施工中存在的问题不足及改进措施

'普通沥青路面施工中存在的问题不足及改进措施第六工程公司滨海公司王建勇[摘要]传统的沥青混凝土施工工艺导致初始平整度低，沥青混凝土不均匀，混合料集料离析和温度离析大，沥青面层间粘接不能形成嵌锁，造成层间不连续，压实度低等现象导致路面产生破坏，缩短了使用寿命，采用新的设计理念、新的施工机械、新的施工工艺是可以大幅度提高路面质量和使用寿命的。[关键词]沥青混凝土；施工工艺；离析；改进措施引言笔者近几年先后参加了青银高速和岭南高速等多条高速的路面施工，其间青银高速采用了柔性基层和大厚度摊铺新工艺，岭南高速采用了沥青转运车。通过对近几年施工的高速公路沥青路面施工工艺和新的施工机械进行了分析比较。影响沥青路面质量的因素很多，有设计方面的和施工方面的；设计方面主要是分层太多，大部分高速公路路面结构为三层结构或四层结构，施工中虽然采取了封层、粘层等措施，路面层间连接仍是薄弱环节，路面施工往往在通车前，各分项工程交叉施工无法避免，层间污染严重，分层施工后层间连接不能形成连续嵌锁，造成路面层间滑动。施工方面主要是施工机械和工艺落后，或机械不配套，现就传统的沥青路面施工中存在的问题和不足进行分析，并提出防治或改进措施。1沥青混凝土路面设计与施工的不配套1.1我国沥青混凝土路面设计以弯沉为设计指标，应用多层弹性理论用计算方法确定路面厚度，并对层底拉应力验算。这一路面设计理论体系与世界发达国家的路面设计相比是很先进的，但是这里有一个前提假设是“层间接触条件为完全连续体系”而实际施工路面按三层或四层施工，施工中虽然采取了封层、粘层等措施，路面层间连接仍是薄弱环节，路面施工往往在通车前，各分项工程交叉施工无法避免，层间污染严重，突出问题是分层施工后层间粘结不紧密，造成路面层间不连续，路面开裂后水进入空隙，行车时的动水压力和静水压力使沥青与石料剥落，出现路面松散、坑槽。8 分层施工的第二个问题是由于摊铺层太薄，温度散失快，摊铺时容易出现温度离析，碾压达不到规定的压实度。沥青混凝土路面摊铺时出现温度离析是非常可怕的，一旦出现温度离析，无论采用胶轮压路机或是钢轮压路机，仍然难于压实，造成路面早期破坏。第三，分层施工周期长，施工设备成本高，又浪费粘层油，增加道路的总体成本。1.2减少摊铺层数可有效克服上述问题，但是减少摊铺层数，必然增大摊铺厚度，由于受机械水平的限制，《公路沥青路面施工技术规范》JTGE40-2004规定“沥青混凝土路面的压实层最大厚度不宜大于100mm”。近几年，路面施工机械发展很快，路面压实机械吨位已提高到14-15t，同时压路机的整体性能也有提高，将沥青混凝土路面压实层厚提高到12-15cm是可行的。在石黄和青银高速铺筑的大粒径混凝土已经证明了这种方法的可行性。在石黄高速时我们将中、下两层11cm厚采用大粒径沥青混凝土进行了一次摊铺，在青银高速时我们一次摊铺的柔性基层沥青混合料厚达17cm,大粒径混凝土一次摊铺厚度为14cm，选用目前通用的压实机械，通过增加四遍碾压遍数，可以达到12-15cm的沥青层设计厚度的施工要求；如果对现有的压实机械用配重的的方法使钢轮达到15t，胶轮达到34t，比正常碾压增加两遍碾压遍数，可达到规定的压实度（马歇尔密度或GTM密度的98%以上）。1.3选用特殊的双层摊铺机。该摊铺机实际是两台摊铺机合二为一，可同时摊铺两种不同的混合料，一种混合料由常规的自卸车供料；另一种混合料由沥青混凝土转运车供料。使用该机械可同时摊铺中、下面层，也可同时摊铺中、上面层混合料，无需改变原路面设计方案。缺点是摊铺费用较高，一台这种摊铺机价格接近千万，施工单位承受不起，须业主补贴或业主购买。2传统沥青路面施工中存在的问题及不足2.1影响沥青路面的主要因素高速公路沥青路面的使用性能要求主要是抗滑性能好和平整度好。而平整度是车辆高速行驶时是否安全和舒适的重要影响因素，它的好坏直接影响路面的使用寿命、养护费用、车辆损耗和油耗的多少。因此，必须重视路面的平整度。路面平整度不光是与面层的施工质量有关，还直接受到基层、底基层和路基各层平整度的逐级影响。路面平整度包含以下两个方面的意思，一是初始平整度；二是不平整度增加速度。沥青面层的平整度受以下众多因素的影响：混合料的最大粒径，沥青混合料的拌合均匀性，粗细颗粒离析现象，混合料的温度差异，摊铺现场各个工序的管理等等。上述这些因素中，有的直接影响面层的初始平整度（如混合料的最大粒径、摊铺现场的各个工序管理等），有的影响开放交通后面层不平整度增加的速度（如沥青混合料的拌合均匀性，粗细颗粒离析现象，混合料的温度差异等）。2.1.1初始平整度对路面质量的影响8 卡车在纵向细小不平的表面行驶，双轴跳动产生的冲击力都将超过静轴载的两倍，它将加速路面破坏。而如果路面平整度较好，肯定会延长道路使用寿命，能使平均路面养护费用显著减少，并节约在路上行驶的各种车辆的维修费用。所以，建设初始平整度高的路面有巨大的经济效益。我国目前所建高速公路的平整度的标准差只能达到约0.55mm，刚接近国际中等水平，亟待提高。2.1.2沥青混凝土不均匀对路面的影响路面开放后，面层被破坏（不平整度增加）的表现很多，主要有路面沉陷、裂缝、网裂、坑洞、唧浆、松散、辙槽、用包、泛油等，造成这些破坏的原因有很多，如软土地基继续沉陷、路基压实度不够或不均匀、基层质量差、水破坏、温度变化、材料特性等，而究其根本愿因，沥青混凝土不均匀、集料离析和温度离析是最严重的问题。沥青混凝土不均匀会产生空气率增加、局部承重薄弱处、抗拉应变薄弱处、路面冷收缩系数不均匀等后果，造成路面透水性加大、水破坏严重、局部严重辙槽、横向裂缝多等路面损坏，空气率大还容易使空气进入结构中，使沥青容易氧化变脆，从而导致沥青混凝土容易产生裂缝和松散，直接影响路面的使用寿命。其他如局部泛油、新铺沥青路面的构造深度忽粗忽细（影响路面的防滑性能），以及路面初始平整度水平不高和不平整度发展得快等等，都与沥青混凝土的不均匀性有关。2.1.3沥青混合料离析对路面的影响集料离析使沥青混凝土不均匀，它将导致面层沥青混凝土的空气率增加，引起透水性增大，造成极其恶劣的水破坏。这种现象在我国非常严重和普遍。自由水进入沥青面层后，滞留在表面层、中面层、下面层和基层顶面等位置，在大量快速行车的作用下，一次一次产生很大的动水压力（孔隙水压力）使沥青剥落，局部混凝土变松散，形成一个个孤立的水破坏的坑洞、网裂、形变和唧浆，某处产生网裂和形变后，降水就更容易透入，并产生恶性循环，最终导致路面破坏。水破坏来得快、性质最为严重，是路基路面的大敌，只要自由水侵入并滞留在沥青混凝土的孔隙中，不管是传统的纯沥青混凝土，还是改性沥青或加抗剥落剂的SMA，在大量行车作用下，都会产生沥青剥落和水破坏。冰冻地区冬春的冰融循环作用下，路面会破坏的更快。水破坏在水泥混凝土路面上也很普遍。2.1.4沥青混合料温度降低对路面质量的影响众所周知，沥青和沥青混合料的形状对温度非常敏感。DON·布洛克有试验结果表明：相同压实条件下，空气率随压实温度降低而不断增大，例如，对于热拌沥青混合料（最大粒径9.5mm）压实温度为149℃时，空气率为6.8%，压实温度为93℃时，空气率为9.3%。平均温度每下降22.4℃，空气率增加1%。对改性沥青高性能路面混合料（最大粒径12.5mm），压实温度为171℃时，空气率为7.4%，压实温度为127℃时，空气率为9.65%，平均温度每下降8 19.6℃，空气率增加1%。低于某一终压温度（国外有论文指出应为90℃，我国施工规范提出为70℃，偏低。实际上，终压温度越高越有利），继续碾压，除将沥青膜磨去外，不会进一步提高压实度和降低空气率。故沥青混合料的温度保持十分重要，特别是表面层的混合料，引起料层铺的薄，温度下降特别快。2.1.5沥青混合料温度离析对路面质量的影响除温度下降外，沥青混合料温度差异（或称温度离析）也会影响路面质量。因为摊铺层上温度低的地方会导致路面密度的不均匀，后者将会导致空气率大和不平整。其次，由于温度低的地方空隙率大，水容易透入混合料，在冬季水易冻结并使路面破坏，产生坑洞。此现象和粗集料集中产生的坑洞破坏很相似，但是，在此情况下不是颗粒离析，其根源是温度离析。2.2问题及不足要保证沥青面层达到预期的平整度，除先从基层的平整度抓起之外，沥青混合料的摊铺工艺至关重要。现行沥青路面施工技术规范中提出“必须缓慢、均匀、连续不间断的摊铺，摊铺过程中不得随意变换速度或中途停顿”，是确保路面平整度的核心和关键所在，必须不折不扣的执行。传统的沥青路面摊铺工艺施工是：a卸料：装有沥青混合料的卡车在摊铺机的顶推下边卸料边前进，同时自卸卡车后门完全打开浆料卸至摊铺机上的受料斗中；b输料：摊铺机通过刮板输送带将沥青混合料输送至后部的布料室，；c布料：根据路面厚度调整好螺旋布料器位置，并将料横向布满至整个熨平板的长度；d振捣正平：摊铺机向前行驶（较慢），带动振捣装置和熨平板将摊铺的料层不断捣实整平。以上传统摊铺施工工艺存在以下严重不足：2.2.1运料卡车对摊铺机的撞击无法避免运料卡车在卸料过程中，与摊铺机正确的接触方式和驶离方式是：运料车后车轮倒至距摊铺机推辊30cm左右处停车，迅速换入空档，停止使用制动器，等待摊铺机接近，平稳地顶推料车前进。料车卸料要均匀平稳，不要把车厢尾部插入料斗的混合料内，更不要把料卸在地面上，当料车驶离摊铺机而不致有料撒落地面上时，料车应立即驶离摊铺机，以使下一部料车能够迅速到位。但为保持摊铺机的不停料和供料均匀，故要求料车与料车的衔接要非常及时迅速，这使得即使经过事先培训，技术熟练的驾驶员也难于做到卡车不与摊铺机相撞击。卡车与摊铺机撞击后，必定会引起熨平板产生跳动，导致路面不平（产生凹凸）。另一方面，如果卡车将料撒落在地面，一旦被摊铺机的履带板碾压上，也必然会引起熨平板偏离设定高度、倾斜或摊铺机的自动找平装置产生误动作，破坏摊铺层的平整度。8 2.2.2摊铺机“连续作业”工作性无法保证摊铺机“连续作业”地作业是摊铺的基本工作原则，直接影响摊铺路面的平整度。传统施工工艺易出现“摊铺阻力不断变化”“料位高度变化”和“停机待料”，从而导致“连续摊铺”无法实现。下面从熨平装置的工作原理进行分析。摊铺机的熨平装置是通过牵引臂的牵引点与机架铰接的，在工作过程中，作用在牵引臂后端的提升油缸处于浮动状态，使熨平装置悬浮在摊铺面上，其底座（具有15′-40′的微小仰角）将整个振捣熨平设备的重量传于摊铺层，并在其上面被拖着向前移动，熨平板受到的外力有牵引力、重力、摊铺阻力（水平和垂直方向均有）、料堆推移阻力，只要这些外力的大小和作用位置不变，熨平板的位置就保持不变，摊铺厚度就是一常值，路面就平整（设路面下层也是平整的）。但传统的摊铺工艺无法保证熨平板所受外力的大小和位置在施工过程中保持不变。首先，当摊铺机推辊接触运料卡车后轮和卡车驶离挂档时，都会对摊铺机产生撞击，引起摊铺速度和摊铺阻力频繁波动。其次，顶推力随卡车不断卸料和卡车卸料时不平稳要产生变化，因而摊铺阻力也产生变化，第三，混合料组成的不均匀性和温度不均匀（粘度的变化），会引起混合料内部以及混合料与熨平板之间的摩擦力和粘性力的变化，从而导致摊铺阻力和熨平板高度位置发生变化。第四，卡车卸料不平稳，两辆料车的衔接不迅速都会造成混合料供给量和分料量的变化，从而导致熨平板前方料堆大小和料位高度发生变化，引起料堆推移阻力及其作用点高度的波动。第五，由于摊铺机容量小，运料车速度不一致和故障等原因，传统的施工工艺易导致摊铺机的停机待料，增加横向接茬，严重影响摊铺路面的平整度。停机后重新加料时，熨平板前的料堆阻力就会超过原有水平，并使熨平板上升到一个新的高度，需要大约12m长才能达到原来的稳定状态。其结果是产生一个跳动，接着是一个长的降坡，尤其是停机时间长，混合料温度低于100℃时，路面将形成台阶，且料温下降，不易压实，路面结合处粘结力差。同时，摊铺速度变化时，单位面积的沥青混合料受到的振捣和振动次数也随之变化，这势必导致路面的初始密实度的不同，压实后路面平整度因而较差。2.2.3对集料的离析无法改善，甚至还会加大，从而无法保证沥青混合料的均匀性。8 沥青混合料发生离析时，粗集料和细集料分别集中于摊铺层的某些位置，是造成沥青混凝土不均匀的重要原因，是降低路面使用性能和使用寿命的顽症。集料离析现象在沥青混合料的堆放、热拌生产、卡车撞料和卸料、摊铺过程中经常发生，而要消除集料离析对路面施工质量的影响，关键是改善和消除摊铺时的集料离析。运料卡车在装料过程和运输颠簸中不可避免地将产生集料离析，大骨料滚向车厢前部、后部和两侧。但传统工艺中，运料卡车是直接把料倒入摊铺机的受料斗中，不但已产生的集料离析没有改善，混合料在卸料过程中还将因滑滚产生新的离析。现有的摊铺机受料斗的两侧易堆积过多的材料，且多为粗集料，当中部的料堆因不断输送而消失时，两侧的粗料向内滚落，产生离析。按传统施工工艺，在摊铺机受料斗两侧剩余的粗料被输送前，立即倒入另一辆卡车的料，但因卡车后部先卸下的料也是在装料和运输颠簸中离析出来的粗料，所以集料离析不但没有改善，反而更严重了。上面指出，直接用卡车供料易出现供料不及时，甚至断料，这些会造成布料室中混合料不足，形成“料谷”、“料坡”，细料将直接落在地面上，而粗料被分布到两侧。从以上分析可以看出，传统的施工工艺无法改善摊铺时的离析，从而无法保证沥青混合料的均匀性。2.2.4沥青混合料的热量损失和温度差异大（温度离析）用传统施工工艺摊铺时，为保证摊铺时不停机待料，一般要等摊铺机前停有3-4辆车时，才开始摊铺施工，这使混合料在摊铺机前的等待时间很长（1小时以上）。而且，国内的沥青面层施工单位往往没有专用的车厢有隔温措施的运料车辆，顶部也常无覆盖保温措施，有时虽备有覆盖篷布，也是不完整、偏小或未正确使用。经常是运料车刚到现场，驾驶员不管其前方已有5-6辆车停车待料，立即将篷布卷起，让混合料暴露在空气中，热量损失加快，这种现象往往无人过问。除热量损失外，运料车上还有很大的温度差别。在产生热量损失的车厢周边、顶部和底部，冷混合料有较大百分率，但由于沥青混合料导热系数小，热量从混合料中心部分向周边的传导缓慢，导致混合料之间产生很大的温度差别。有试验结果显示，一辆运料卡车停放二个多小时后，运料车两侧的混合料温度为80℃，顶部的为95℃，中心的为150℃。如果将这种温度离析大的料直接倒入摊铺机中进行摊铺，必然使摊铺层上产生许多压实性差、粘结力差、空气率高的冷地点，导致路面提早破损。运料车将混合料卸在摊铺机受料斗中时，一般车厢两侧和顶面的低温料被卸在受料斗的两侧，但同时，受料斗两侧的料又往往是最后被摊铺，因而造成温度差异更大。2.3采用沥青混合料转运车可有效改善以上现象，对沥青路面铺筑工艺带来了如下革命性的改进：2.3.1消除了运料卡车对摊铺机的碰撞，提高了摊铺路面质量使用沥青混合料转运车后，运料车不再将料直接倒入摊铺机受料斗，而是先倒入转运车，自然运料卡车不会再对摊铺机产生碰撞。转运车具有与摊铺机保持恒速、恒距离的功能，再加上其特有的悬臂输料系统，保证了运料车也不会与摊铺机发生接触。2.3.2能有效保证摊铺机“连续”作业8 传统方式的摊铺机作业过程中，摊铺机附着（顶推）重量是一个连续减料的过程，因此滑转率是一个变量，从而使得实际作业速度非恒定。通过转运车的使用，可使摊铺机料仓的贮料维持一个变化不大或基本不变的量，而且平稳、均匀的加料，从而是附着的重量不变或变化微小，实现真正意义上的恒速摊铺，进一步提高摊铺作业的均匀性。沥青混合料转运车一般都拥有25t以上的贮料能力，能良好地避免因运料车速度不一致和故障等原因造成的停机待料现象，保证路面的连续摊铺。2.3.3有效改善了沥青混合料在摊铺时存在的温度离析和材料离析对沥青混合料温度离析和材料的离析的改善，是运料车对沥青路面施工工艺革命的重大贡献。运料卡车将已产生集料离析和温度离析的沥青混合料倒入沥青混合料转运车，因转运车采用了变径变节距的螺旋搅拌技术，可以根据集料离析和温度离析材料在贮料仓中的分布规律，从不同位置取相应的料进行均匀的二次拌和，然后再将物料通过悬臂输料系统，平稳地送至摊铺机受料斗内，有效改善和解决了摊铺时沥青混合料集料离析和温度离析严重的问题。同样是前面提到的那车料（运料车两侧的混合料温度为80℃，顶部的为95℃，中心的为150℃），用沥青转运车再次拌和后，混合料卸出的温度为140℃，最后铺成的路面密度均匀且平整度好。沥青转运车具有严密的保温隔热措施，并带有辅助加热功能，能最大限度地避免热量损失。我们在岭南高速使用沥青转运车，在沥青摊铺机的受料斗上再放置一个经过改良的料斗，以解决原受料斗两侧易堆积过多粗集料、冷粒料、且不易往后输送的问题。从根本上解决了摊铺机本身因频繁“收斗”而产生的离析。采用三一重工生产的沥青混合料转运车在岭南高速进行了现场比较演示，对比检测结果显示：（1）利用红外传感器每分钟对摊铺机刚摊铺好的路面不同位置的料温进行测量，不使用沥青混合料转运车时，料温差异达到38℃，而使用转运车后路面最高温度与最低温度的偏差为15℃；（2）没有采用转运车的摊铺面其离析带、局部离析点清晰可见，最大的级配极差为20.12%，而使用转运车施工时，动态的沥青混合料颗粒均匀，摊铺的表面非常均匀，没有颗粒离析的痕迹，最大的级配偏差为6.68%，同时构造深度的均匀性提高了3.95倍，渗透系数的均匀性提高了17.52倍。在美国等沥青混合料转运车使用较早的国家，因其对转运车新施工工艺的运用已经很熟练，再加上发达国家的转运车、摊铺机等成套设备的质量也高，目前，他们采用转运车新工艺摊铺时，路面混合料的温度差别已可以控制在5℃之内，温度离析基本消失。2.3.4提高了施工速度，减少了卡车数量8 使用转运车后，不必由摊铺机提供自卸车和混合料的行进动力，可以提高摊铺机的过负荷能力，保证摊铺机连续工作，还能提高摊铺机的作业速度，提高摊铺效率，从而改善了摊铺机的动力性、经济性、作业稳定性和作业效率。转运车巨大的贮料仓，可贮存足够的混合料，不仅避免了停机待料现象的发生，还使运料卡车在卸料时不必再排长队，减少了运料卡车的数量。2.3.5最重要的是提高了作业质量和路面的使用性能，延长了路面使用寿命，大大节约了路面的养护和长期维修费用。参考文献[1]沙庆林.高速公路早期破坏现象与预防[2]沈金安，李福普，陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策8'