水穩(wěn)層表面雜質(zhì)快速清除的重要性及其施工工藝的改進(jìn)

魏 闊

（山西省朔州高速公路有限責(zé)任公司，山西 大同 037034）

0 引言

瀝青混凝土道路的面層（通常分為下面層和上面層）材料均攤鋪在作為承重層的水泥穩(wěn)定基層上。作為下面基層的封閉層（亦為與車輛荷載直接接觸的磨耗層），面層攤鋪材料與下部基層的良好結(jié)合是高等級瀝青路面施工質(zhì)量的重要評價(jià)指標(biāo)之一。上下鋪層互相結(jié)合質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到下述問題：

a）道路承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

b）道路完工通車后早期病害的出現(xiàn)時(shí)間及其頻率的高低。

c）道路正常使用及其服務(wù)周期（使用壽命）的長短等。

自20世紀(jì)80年代以來，我國二級以上的高等級道路大量鋪筑，特別是90年代初期開始，以高速公路為代表的高質(zhì)量道路通車?yán)锍讨鹉晏岣摺榱吮ＷC施工質(zhì)量，道路設(shè)計(jì)、施工和工程管理部門和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)在工程實(shí)踐中進(jìn)行科研攻關(guān)，突破了一系列技術(shù)瓶頸，推進(jìn)了我國相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。但長期以來，傳統(tǒng)道路工程施工工藝對面層攤鋪材料與下部水穩(wěn)基層的良好黏結(jié)重視不夠，使得高等級道路的施工和正常服務(wù)質(zhì)量受到一定影響。

1 問題的提出

眾所周知，高等級道路的施工工序見圖1：

圖1 高等級道路的施工工序

由圖1工序可以看到，水穩(wěn)基層鋪筑完成后，必須進(jìn)入養(yǎng)生階段。而只有經(jīng)過一定時(shí)間的養(yǎng)生，水泥穩(wěn)定基礎(chǔ)才能達(dá)到一定的強(qiáng)度，繼而才能在其上部加鋪瀝青混凝土（或水泥混凝土）面層。由于水穩(wěn)基層鋪筑時(shí)的工程施工質(zhì)量及養(yǎng)生期間的各種環(huán)境的影響（包括施工車輛的碾壓及各種自然光候的影響等因素），養(yǎng)生期間水穩(wěn)基層表面會出現(xiàn)很多雜質(zhì)。這些雜質(zhì)有些是懸浮于面層上的松散物料，還有一些黏結(jié)在面層上的水泥混合物質(zhì)。這些雜質(zhì)在水穩(wěn)基層表面的存在狀態(tài)極不穩(wěn)定。在此情況下，如果在其上部直接攤鋪面層材料，將會產(chǎn)生下述問題：

a）較多的水穩(wěn)層表面雜質(zhì)與路面材料的混合會改變面層材料的油石配比和礦料級配，進(jìn)而影響路面應(yīng)有的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

b）由于基層和面層之間存在狀態(tài)不穩(wěn)定的雜質(zhì)夾層，使得道路面層與水穩(wěn)基層之間難以實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合，它們之間存在互相滑移的趨勢。顯然，當(dāng)?shù)缆飞喜渴艿捷^大的荷載時(shí)，面層會因受到一定的剪力而變形，甚至出現(xiàn)面層局部斷裂（即縱向和橫向裂紋）[1]。

c）水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的組成多種多樣，尤其在多山區(qū)的丘陵地帶，很多雜質(zhì)是由硬質(zhì)煤炭顆粒和石料塊莖組成，由于它們具有一定的硬度（以花崗巖、玄武巖等高硬石料表現(xiàn)更甚），當(dāng)施工車輛碾壓時(shí)，它們會容易地嵌入水穩(wěn)基層而對其強(qiáng)度造成局部破壞。

有鑒于此，水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的存在不僅會影響道路的承載強(qiáng)度，同時(shí)也是道路建成通車后各種早期道路病害形成的重要原因之一。為了消除水穩(wěn)層表面雜質(zhì)對道路的有害影響，在水泥穩(wěn)定基層鋪筑后對表面雜質(zhì)進(jìn)行徹底清除是十分必要的。

2 傳統(tǒng)清除工藝方法的利弊分析

自20世紀(jì)80年代中期我國開始大規(guī)模修建高等級道路以來，水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的存在及其對道路施工和整體質(zhì)量的影響就開始引起相關(guān)科研和施工部門的關(guān)注[2]。為了清除水穩(wěn)層表面雜質(zhì)，公路建設(shè)科研和施工單位嘗試和采用了很多清除方法，并動(dòng)用了不少專用施工和養(yǎng)護(hù)設(shè)備來完成。如以人工清掃或采用道路養(yǎng)護(hù)工程中常用的普通道路清掃設(shè)備（純掃或吸掃式）來完成水穩(wěn)層表面雜質(zhì)的清除。在某些水資源豐富的地區(qū)，也嘗試采用具有一定壓力（0.5～0.8 MPa）的水對表面雜質(zhì)進(jìn)行沖擊清除。這些方法和專用設(shè)備在實(shí)體工程應(yīng)用中取得了一定的實(shí)效，但這些方法存在的下述問題也是較為明顯的：

a）純掃或吸掃工藝對路面的作用是柔性掃刷（刷絲為直徑0.5～1.0 mm的尼龍或橡塑材料），而壓力水對路面的作用與掃刷相同，都是一種施力較小的柔性接觸作用，它對應(yīng)自身比重較小的輕體物質(zhì)，如各種植物莖葉和人類生活丟棄物能夠進(jìn)行較為徹底的清除，但水穩(wěn)層表面的雜質(zhì)亦包含很多在施工時(shí)和施工初期（水穩(wěn)材料尚未硬化時(shí)）黏結(jié)（卻不穩(wěn)定）在水穩(wěn)層表面的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)采用掃、吸或水沖洗的方法大多難以奏效。

b）水穩(wěn)層表面較瀝青混凝土表面更為粗糙，這就使得在材料養(yǎng)生期間會有很多重量較輕但粒徑很小（小于等于20目）的粉狀灰塵陷在其中而難以清除。筆者在參與山西大運(yùn)高速公路大同至朔州路段的水泥穩(wěn)定土基層施工時(shí)，為了解決水穩(wěn)層表面的雜質(zhì)清除問題，曾在施工現(xiàn)場采用以吸掃式多功能掃路機(jī)進(jìn)行清除作業(yè)，后經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)對輕質(zhì)粉塵的清除效率不足45%。

c）實(shí)體工程證明，采用水力清洗可對水穩(wěn)表面的輕質(zhì)粉塵的清除較為徹底。但水力清洗的實(shí)際效果取決于水必須具有較高的壓力并水量足夠。較高的壓力可以由相應(yīng)的設(shè)備提供，但道路施工往往遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)，使得水源來源相當(dāng)困難。另外，水力清洗后必然會有一定數(shù)量的水留存在水穩(wěn)層表面，這就需要一定的蒸發(fā)過程，才能開始道路上面層的鋪筑，而水分蒸發(fā)過程的快慢與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度關(guān)系頗大。筆者曾在大運(yùn)高速朔州段進(jìn)行過此類試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示水穩(wěn)表面積水的蒸發(fā)時(shí)間在雜質(zhì)清除作業(yè)完成后尚1～2.5 h才能完成，這對道路面層鋪筑工程的遲滯影響是顯而易見的。

有鑒于上述分析和工程實(shí)踐，以現(xiàn)有工藝和傳統(tǒng)方法對水穩(wěn)表面的雜質(zhì)清掃很難達(dá)到工程要求，而雜物清除不凈必然成為道路修建、服務(wù)壽命和建成通車后的質(zhì)量（包括行車安全）隱患。

3 以液壓動(dòng)力鋼絲滾刷輔以壓力風(fēng)排工藝進(jìn)行路面表層雜質(zhì)的快速清除

隨著道路修建等級的提高，高等級路面水穩(wěn)層表層雜質(zhì)的高質(zhì)量快速清除已成為工程急需解決的迫切問題。為了解決上述問題，山西省交通系統(tǒng)和相關(guān)工程單位立項(xiàng)研發(fā)了以液壓動(dòng)力鋼絲滾刷輔以壓力風(fēng)排為主要技術(shù)特征的專用機(jī)械—SC-2400型路面表層雜質(zhì)快速清除設(shè)備。其主要傳動(dòng)路線和施工工序見圖2所示。

圖2 SC-2400型路面表層雜質(zhì)快速清除設(shè)備傳動(dòng)路線和施工工序

SC-2400的底盤為牽引作業(yè)型，整機(jī)工作原理為液壓動(dòng)力鋼絲滾刷強(qiáng)制切除、風(fēng)壓吹送作業(yè)。可由功率20 kW以上的自行式車輛牽引作業(yè)，在自己獨(dú)立車架上裝設(shè)由柴油機(jī)、工程裝置液壓系統(tǒng)、動(dòng)力鋼絲滾刷、風(fēng)力吹送系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)等組成[3]。主要技術(shù)參數(shù)為：

a）輸入功率 75 kW/2 000 r·min-1；

b）作業(yè)寬度 2 400 mm；

c）作業(yè)速度 /最大轉(zhuǎn)移速度 5～8 km·h-1/60 km·h-1；

d）吹除風(fēng)口風(fēng)壓 0.3～0.6 MPa；

e）表層雜質(zhì)清除率 大于等于96%；

f）自重 1 800 kg。

SC-2400具有2 400 mm的有效作業(yè)寬度，由于設(shè)備為移動(dòng)式作業(yè)，其配置的動(dòng)力裝置和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量和風(fēng)壓有限，因此在較長的吹送過程（作業(yè)寬度）中，風(fēng)力和風(fēng)壓必然會因作用長度的延長而逐步衰減。

圖3 前后多級接力式多風(fēng)道雜質(zhì)吹除原理示意

為了保證較好的作業(yè)效果，SC-2400設(shè)計(jì)了前后交錯(cuò)接力式二級風(fēng)道完成表面雜質(zhì)的強(qiáng)力吹除。其基本原理是把吹送風(fēng)道設(shè)計(jì)為2個(gè)（需要時(shí)亦可設(shè)計(jì)為n個(gè)）。如圖3所示，第一風(fēng)道和第二（或第n）風(fēng)道由于均為從空壓機(jī)出口直接連接，因此具有相同的風(fēng)壓。即：

式中：P為空壓機(jī)出口的風(fēng)壓；k為自空壓機(jī)出口到風(fēng)道的入口的壓力效率系數(shù)（計(jì)算時(shí)可取0.5～0.7）；Δ、δ和ε分別是第一風(fēng)道、第二風(fēng)道和第n風(fēng)道的入口風(fēng)壓。這就使得各個(gè)風(fēng)道的入口風(fēng)壓基本為一常數(shù)，從而使因吹送長度的延長而逐步衰減的風(fēng)壓得到有效的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)各風(fēng)道的同風(fēng)壓接力吹除，達(dá)到良好的作業(yè)效果。

4 總結(jié)

與現(xiàn)有工藝和傳統(tǒng)方法相較，采用液壓動(dòng)力鋼絲滾刷強(qiáng)制切除和風(fēng)壓吹送作業(yè)是SC-2400的主要技術(shù)特征。顯然，前者可對黏結(jié)在水穩(wěn)表面的具有一定粒徑的雜質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制切除，而后者可較為徹底地將各種表面雜質(zhì)（包括輕質(zhì)粉塵）吹送至路面之外。二者的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)對水穩(wěn)表面雜質(zhì)的徹底清除。目前，這種新工藝及其專用設(shè)備已在山西忻臺二級路的實(shí)體工程中得到成功的應(yīng)用，收到了良好的作業(yè)效果。

我國高速公路突破10萬km

從2014年全國交通運(yùn)輸工作會議獲悉，2013年預(yù)計(jì)我國全年新建高速公路8 260 km，我國高速公路總里程突破10萬km。

2012年全國高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)9.6萬km，已經(jīng)超越了美國的9.2萬km，居世界第一。

到“十二五”末，按照我國高速公路建設(shè)目標(biāo)，總規(guī)模約8.5萬km的“7918”國家高速路網(wǎng)將基本建成。屆時(shí)加上地方的高速公路，我國高速公路總里程將達(dá)到12萬km左右。