水穩(wěn)層表面雜質快速清除的重要性及其施工工藝的改進

魏 闊

（山西省朔州高速公路有限責任公司，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合是高等級瀝青路面施工質量的重要評價指標之一。上下鋪層互相結合質量的優(yōu)劣直接關系到下述問題：

a）道路承載能力是否達到設計指標。

b）道路完工通車后早期病害的出現時間及其頻率的高低。

c）道路正常使用及其服務周期（使用壽命）的長短等。

自20世紀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量道路通車里程逐年提高。為了保證施工質量，道路設計、施工和工程管理部門和相關科研機構在工程實踐中進行科研攻關，突破了一系列技術瓶頸，推進了我國相關領域的技術進步。但長期以來，傳統道路工程施工工藝對面層攤鋪材料與下部水穩(wěn)基層的良好黏結重視不夠，使得高等級道路的施工和正常服務質量受到一定影響。

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，必須進入養(yǎng)生階段。而只有經過一定時間的養(yǎng)生，水泥穩(wěn)定基礎才能達到一定的強度，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)基層鋪筑時的工程施工質量及養(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)基層表面會出現很多雜質。這些雜質有些是懸浮于面層上的松散物料，還有一些黏結在面層上的水泥混合物質。這些雜質在水穩(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，將會產生下述問題：

a）較多的水穩(wěn)層表面雜質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，進而影響路面應有的設計強度。

b）由于基層和面層之間存在狀態(tài)不穩(wěn)定的雜質夾層，使得道路面層與水穩(wěn)基層之間難以實現良好結合，它們之間存在互相滑移的趨勢。顯然，當道路上部受到較大的荷載時，面層會因受到一定的剪力而變形，甚至出現面層局部斷裂（即縱向和橫向裂紋）[1]。

c）水穩(wěn)層表面雜質的組成多種多樣，尤其在多山區(qū)的丘陵地帶，很多雜質是由硬質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更甚），當施工車輛碾壓時，它們會容易地嵌入水穩(wěn)基層而對其強度造成局部破壞。

有鑒于此，水穩(wěn)層表面雜質的存在不僅會影響道路的承載強度，同時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)層表面雜質對道路的有害影響，在水泥穩(wěn)定基層鋪筑后對表面雜質進行徹底清除是十分必要的。

2 傳統清除工藝方法的利弊分析

自20世紀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)層表面雜質的存在及其對道路施工和整體質量的影響就開始引起相關科研和施工部門的關注[2]。為了清除水穩(wěn)層表面雜質，公路建設科研和施工單位嘗試和采用了很多清除方法，并動用了不少專用施工和養(yǎng)護設備來完成。如以人工清掃或采用道路養(yǎng)護工程中常用的普通道路清掃設備（純掃或吸掃式）來完成水穩(wěn)層表面雜質的清除。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）的水對表面雜質進行沖擊清除。這些方法和專用設備在實體工程應用中取得了一定的實效，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，它對應自身比重較小的輕體物質，如各種植物莖葉和人類生活丟棄物能夠進行較為徹底的清除，但水穩(wěn)層表面的雜質亦包含很多在施工時和施工初期（水穩(wěn)材料尚未硬化時）黏結（卻不穩(wěn)定）在水穩(wěn)層表面的雜質，這些雜質采用掃、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高速公路大同至朔州路段的水泥穩(wěn)定土基層施工時，為了解決水穩(wěn)層表面的雜質清除問題，曾在施工現場采用以吸掃式多功能掃路機進行清除作業(yè)，后經試驗統計發(fā)現對輕質粉塵的清除效率不足45%。

c）實體工程證明，采用水力清洗可對水穩(wěn)表面的輕質粉塵的清除較為徹底。但水力清洗的實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的設備提供，但道路施工往往遠離村鎮(zhèn)，使得水源來源相當困難。另外，水力清洗后必然會有一定數量的水留存在水穩(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)過程的快慢與當時的環(huán)境溫度關系頗大。筆者曾在大運高速朔州段進行過此類試驗和統計，結果顯示水穩(wěn)表面積水的蒸發(fā)時間在雜質清除作業(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踐，以現有工藝和傳統方法對水穩(wěn)表面的雜質清掃很難達到工程要求，而雜物清除不凈必然成為道路修建、服務壽命和建成通車后的質量（包括行車安全）隱患。

3 以液壓動力鋼絲滾刷輔以壓力風排工藝進行路面表層雜質的快速清除

隨著道路修建等級的提高，高等級路面水穩(wěn)層表層雜質的高質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，山西省交通系統和相關工程單位立項研發(fā)了以液壓動力鋼絲滾刷輔以壓力風排為主要技術特征的專用機械—SC-2400型路面表層雜質快速清除設備。其主要傳動路線和施工工序見圖2所示。

圖2 SC-2400型路面表層雜質快速清除設備傳動路線和施工工序

SC-2400的底盤為牽引作業(yè)型，整機工作原理為液壓動力鋼絲滾刷強制切除、風壓吹送作業(yè)。可由功率20 kW以上的自行式車輛牽引作業(yè)，在自己獨立車架上裝設由柴油機、工程裝置液壓系統、動力鋼絲滾刷、風力吹送系統及其控制系統等組成[3]。主要技術參數為：

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 /最大轉移速度 5～8 km·h-1/60 km·h-1；

d）吹除風口風壓 0.3～0.6 MPa；

e）表層雜質清除率 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，由于設備為移動式作業(yè)，其配置的動力裝置和風機產生的風量和風壓有限，因此在較長的吹送過程（作業(yè)寬度）中，風力和風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道雜質吹除原理示意

為了保證較好的作業(yè)效果，SC-2400設計了前后交錯接力式二級風道完成表面雜質的強力吹除。其基本原理是把吹送風道設計為2個（需要時亦可設計為n個）。如圖3所示，第一風道和第二（或第n）風道由于均為從空壓機出口直接連接，因此具有相同的風壓。即：

式中：P為空壓機出口的風壓；k為自空壓機出口到風道的入口的壓力效率系數（計算時可取0.5～0.7）；Δ、δ和ε分別是第一風道、第二風道和第n風道的入口風壓。這就使得各個風道的入口風壓基本為一常數，從而使因吹送長度的延長而逐步衰減的風壓得到有效的補償，實現各風道的同風壓接力吹除，達到良好的作業(yè)效果。

4 總結

與現有工藝和傳統方法相較，采用液壓動力鋼絲滾刷強制切除和風壓吹送作業(yè)是SC-2400的主要技術特征。顯然，前者可對黏結在水穩(wěn)表面的具有一定粒徑的雜質進行強制切除，而后者可較為徹底地將各種表面雜質（包括輕質粉塵）吹送至路面之外。二者的結合能夠實現對水穩(wěn)表面雜質的徹底清除。目前，這種新工藝及其專用設備已在山西忻臺二級路的實體工程中得到成功的應用，收到了良好的作業(yè)效果。

我國高速公路突破10萬km

從2014年全國交通運輸工作會議獲悉，2013年預計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里程已達9.6萬km，已經超越了美國的9.2萬km，居世界第一。

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