瀝青混凝土路面攤鋪離析控制
2006-04-30 00:00
摘要：通過對(duì)離析的分類和產(chǎn)生的原因分析，從大功率的攤鋪機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理及結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面入手，提出了防止橫向離析、豎向離析和縱向離析的具體解決方案及控制措施，達(dá)到減少路面材料離析的目的。
關(guān)鍵詞：瀝青混凝土路面；離析；控制
Segr egation Control of Asphalt Pavement
SHU Xiang, YAO Huai-xin
(1.Guangdong Yue-gan Highway Co. Ltd., Heyuan 517000, Guangdong, China；
2. School of Engineering Machinery, Chang $an University, Xi$an 710064, China)
Abstract: Through analysis of asphalt segregation，introduction of kinematics principle，and structure of heavy duty paver, the solutions and control schemes are presented to reduce the segregation.
Key words: asphalt pavement; segregation; control
1 離析的分類和產(chǎn)生的原因
混凝土離析是指骨料和瀝青在瀝青混合料中分布得不均勻［1］。按離析外觀形式分有條狀離析和塊狀離析，按分布形式分有橫向離析、縱向離析和豎向離析，按形成的形式分有規(guī)則離析和不規(guī)則離析。
產(chǎn)生離析的原因主要有：原材料控制不嚴(yán)，變異大［2］；施工工藝和操作水平不當(dāng)，這主要是指停機(jī)待料、梯形攤鋪速度差，搭接寬度控制不當(dāng)，過快收斗以及不及時(shí)碾壓等。不規(guī)則離析，往往是施工工藝問題，而規(guī)則離析，大多是由于攤鋪機(jī)的性能所決定的。
從近幾年施工的瀝青路面來看，拌和設(shè)備、攤鋪機(jī)質(zhì)量的好壞已成為瀝青路面離析的主要原因。如某些拌和設(shè)備的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)嚴(yán)重不準(zhǔn)，逐盤打印差異大。攤鋪離析更是目前路面施工中最容易也是最難控制的，為此國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)試圖從攤鋪機(jī)著手改造更新(見表1)。
表1 粵贛高速公路主要大功率攤鋪機(jī)參數(shù)
目前攤鋪機(jī)物料的輸送和分布由刮板輸送和螺旋分料器2個(gè)環(huán)節(jié)完成，刮板是一種平移式分層輸料裝置，對(duì)物料不會(huì)產(chǎn)生重新攪拌混合作用，因而對(duì)前幾道工序產(chǎn)生的物料物理和溫度離析不能起改善作用。為此，近幾年來興起在攤鋪機(jī)前加置物料轉(zhuǎn)運(yùn)車的工藝嘗試，通過其保溫、加熱、攪拌等作用使溫度和物理離析得到有效改善。當(dāng)然，物料轉(zhuǎn)運(yùn)車還有連續(xù)喂料、不間斷攤鋪及防止運(yùn)料車撞擊攤鋪機(jī)等作用，可以提高生產(chǎn)率和攤鋪平整度等指標(biāo)。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)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)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。這是螺旋分料器設(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，對(duì)大多數(shù)小功率攤鋪機(jī)來說物料的內(nèi)、外摩擦力作用造成大粒料容易被送往螺旋兩外側(cè)，攤鋪寬度增大則離析加重。主要原因在于其螺旋工作參數(shù)設(shè)定存在缺陷，在此強(qiáng)調(diào)物料輸料高度位于螺旋中心上方葉片直徑2/3處為宜［3］。如果螺旋料位較低，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，在高速拋撒、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，即螺旋的主要功能是均勻輸料和布料，而未能賦予螺旋二次攪拌以改善前期工序產(chǎn)生的物理和溫度離析的功能。在對(duì)高等級(jí)公路路基、路面質(zhì)量要求提高以適應(yīng)現(xiàn)代重載大流量運(yùn)輸要求的今天，這一功能甚至更加重要。
2 控制措施
針對(duì)離析形成的機(jī)理，大功率攤鋪機(jī)(功率160kW以上，最大攤鋪幅寬16m，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)。從而改善離析，改善雙機(jī)并幅攤鋪接縫離析。
(1) 防止橫向離析。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)。通過這些措施使螺旋真正實(shí)現(xiàn)攪拌和均勻輸料復(fù)合功能，并避免頻繁間斷起動(dòng)工作造成物料攤鋪離析。
1) 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：需加大螺旋的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并改變驅(qū)動(dòng)器方案。改變攤鋪機(jī)流行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?gòu)较蛑笈ぞ伛R達(dá)驅(qū)動(dòng)，并且將攤鋪機(jī)700mL/r左右的馬達(dá)等效排量增加到1300 mL/r，轉(zhuǎn)矩和功率與ABG- 423相比增加了1倍。物料滿埋螺旋降低轉(zhuǎn)速到80～90r/min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，由于具有起動(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)生的起動(dòng)沖擊現(xiàn)象，減小了物料的沖擊推揚(yáng)離析。物料滿埋螺旋，除增大輸料量并增加螺旋驅(qū)動(dòng)能力外還為大厚度一次成型攤鋪基礎(chǔ)材料提供了可能性。
2) 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，DT1400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、平整度一致。
3) 增加整機(jī)功率匹配。攤鋪機(jī)在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)中主要的功率消耗在螺旋驅(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相應(yīng)增加了功率消耗。發(fā)動(dòng)機(jī)功率要裕量配置，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，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)的正常工作秩序，是產(chǎn)生離析、影響平整度的主要因素，也是攤鋪機(jī)的通病。電噴柴油機(jī)可使這一通病得到改善，電噴柴油機(jī)具有良好的動(dòng)力性能和控制特性，且符合嚴(yán)格的污染排放和噪聲標(biāo)準(zhǔn)。
(2) 防治豎向離析。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。
(3) 防止縱向離析?？v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)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，形成一明顯的條形離析帶。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。
螺旋支撐處的離析帶主要是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)配所致。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，可有效解決物料在支撐處的阻滯狀況。
加大料槽前后尺寸、增加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。
大功率攤鋪機(jī)2005年在廣東粵贛高速25標(biāo)、26標(biāo)、27標(biāo)、29標(biāo)、30標(biāo)公路進(jìn)行單機(jī)大寬幅(11.5 m)瀝青下面層、中面層、上面層攤鋪。在離析程度和平整度方面，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)等離析測(cè)試法檢測(cè)，均得到滿意的效果。
3 結(jié)語(yǔ)
(1) 離析是造成路面坑槽、車轍、滲水等早期破壞的質(zhì)量隱患。相對(duì)于平整度而言，離析對(duì)路面質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重，應(yīng)將離析指標(biāo)作為現(xiàn)代攤鋪機(jī)的首要技術(shù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。
(2) 攤鋪機(jī)離析分為橫向離析、豎向離析和縱向離析以及局部片狀離析，局部片狀離析由攤鋪機(jī)前道工序的混合料供給不勻造成。攤鋪機(jī)的離析防治主要針對(duì)橫向、豎向和縱向離析來進(jìn)行。
(3) 大功率攤鋪機(jī)采取的一系列離析防治措施是有效的，為現(xiàn)代攤鋪機(jī)設(shè)計(jì)提供了一種方法和思路。
(4) 單機(jī)大寬幅攤鋪面層可提高整體平整度，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)率。
參考文獻(xiàn)：
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