寒冷地區(qū)瀝青混凝土路面機(jī)械化施工技術(shù)

朱玉璽，馮棟梁，傅重陽(yáng)，樊立志，段久波，謝小峰

（1.中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600；2.公路路面施工省技術(shù)創(chuàng)新中心，山西 晉中 030600；3.中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001）

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)里程的快速增長(zhǎng)，高速公路路面攤鋪施工的數(shù)量也在與日俱增。在高等級(jí)路面施工中，目前路面材料大多采用熱拌瀝青混凝土（HMA），其具有使用壽命長(zhǎng)、路用性能優(yōu)良、行車安全舒適性高和經(jīng)濟(jì)成本合理的突出優(yōu)點(diǎn)。

在熱拌瀝青混凝土生產(chǎn)時(shí)，需將瀝青和礦料加熱到較高溫度，加熱過(guò)程需要消耗大量能源，還會(huì)有大量粉塵及廢氣排出，對(duì)周圍環(huán)境和施工人員的身體健康造成極大影響。此外，在熱拌瀝青混凝土攤鋪過(guò)程中，由于瀝青是一種黏彈性材料，瀝青混凝土的各種體積參數(shù)及其性能受溫度影響較大，傳統(tǒng)熱拌瀝青混凝土在低溫環(huán)境下存在適應(yīng)性不足的問(wèn)題，具體體現(xiàn)在：一是熱拌瀝青混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中，若外界溫度過(guò)低，混合料運(yùn)輸車沒(méi)有良好的保溫系統(tǒng)，車輛邊緣瀝青混凝土降溫較快，瀝青混凝土易產(chǎn)生溫度離析，導(dǎo)致路面壓實(shí)不均勻，直接影響路面使用效果及壽命；二是在瀝青混凝土壓實(shí)過(guò)程中，若外部環(huán)境溫度過(guò)低，攤鋪后瀝青混凝土由于降溫速率較快，沒(méi)有足夠的時(shí)間供壓實(shí)機(jī)械將路面壓實(shí)，易造成路面空隙率大，引起路面早期病害，降低瀝青混凝土路面使用壽命。

1 工程概況

新疆若羌縣至民豐縣高速公路是加快“疆內(nèi)環(huán)起來(lái)、進(jìn)出疆快起來(lái)”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要工程，項(xiàng)目位于新疆阿爾金山及昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，主要為沖積平原和風(fēng)積沙漠地貌。路面結(jié)構(gòu)層采用5cm 中粒式瀝青混凝土（AC-16C）+7cm 粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）+33（30）cm4.5%水泥穩(wěn)定砂礫+20（15）cm 天然砂礫。下面層與基層間設(shè)道路石油瀝青同步碎石封層，瀝青混凝土路面的瀝青層之間噴灑粘層油。項(xiàng)目正式投入運(yùn)營(yíng)，對(duì)進(jìn)一步完善國(guó)家高速公路網(wǎng)，打造新疆“一帶一路”核心區(qū)、建設(shè)中巴經(jīng)濟(jì)走廊帶、帶動(dòng)南疆地區(qū)投資及發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

2 寒冷地區(qū)瀝青混凝土路面施工工藝流程

寒冷地區(qū)瀝青混凝土路面施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 寒冷地區(qū)瀝青混凝土路面施工工藝流程圖

3 瀝青混凝土路面施工操作要點(diǎn)

3.1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)集料的篩分結(jié)果計(jì)算分型值D，并對(duì)設(shè)計(jì)出的混合料試件進(jìn)行體積指標(biāo)和性能指標(biāo)預(yù)測(cè)，然后采用馬歇爾配合比設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果滿足需求，最終確定若民高速且末段USP 溫拌瀝青試驗(yàn)段下面層AC-25C 施工集料比為：（22～28）mm∶（11～22）mm∶（6～11）mm∶（3～6）mm∶（0～3）mm∶礦 粉=19∶22∶23∶11∶22∶3，油石比為3.9%，USP 溫拌劑摻量為4%。目標(biāo)配合比礦料篩分結(jié)果及礦料合成級(jí)配結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 目標(biāo)配合比礦料篩分結(jié)果及礦料合成級(jí)配結(jié)果

3.2 瀝青混合料拌和

USP 溫拌瀝青混凝土AC-25C 采用間歇式拌和設(shè)備集中廠拌，自卸車運(yùn)輸。按照配合比往瀝青罐添加4%瀝青總量的USP 添加劑，在110～130℃下強(qiáng)制攪拌60～90min，拌合好的瀝青在110～130℃下使用。USP 改性瀝青混合料拌和溫度見(jiàn)表2。

表2 USP改性瀝青混合料的拌和溫度

3.3 瀝青混合料運(yùn)輸

1）為減少混合料離析，裝料采用分層（3 層）多次“品”字型裝車工藝，同時(shí)加蓋篷布對(duì)裝料完成車輛進(jìn)行保溫。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)運(yùn)輸車輛進(jìn)行改造，在車輛四周（前、后、左、右和底部）增加保溫板，其中為了提高保溫效果，車輛左右兩側(cè)保溫板進(jìn)行加厚處理。

3）在瀝青混合料頂部覆蓋加厚棉絮和隔熱防水雨篷，以減少溫度離析，并根據(jù)預(yù)測(cè)到場(chǎng)溫度，調(diào)整運(yùn)輸距離和運(yùn)輸速度，保證混合料的到場(chǎng)溫度滿足需求。

3.4 瀝青混合料攤鋪

1）對(duì)攤鋪機(jī)平衡梁進(jìn)行改造，增加非接觸式超聲波探頭，對(duì)路面攤鋪厚度進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)比前后數(shù)據(jù)，對(duì)攤鋪機(jī)油缸進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了攤鋪過(guò)程的實(shí)施監(jiān)控。同時(shí)通過(guò)控制厚度及平整度，使縱橫坡度符合設(shè)計(jì)要求，保證了瀝青混合料攤鋪質(zhì)量。

2）為防止攤鋪機(jī)熨平板卡入粒料將鋪面拉出條痕，在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)前，安排專人對(duì)熨平板進(jìn)行檢查，確保拼接緊密，無(wú)縫隙，同時(shí)在攤鋪?zhàn)鳂I(yè)開(kāi)始1h 前對(duì)熨平板進(jìn)行加熱，使其溫度不低于110℃。

3.5 瀝青混合料碾壓

根據(jù)環(huán)境因素，預(yù)測(cè)有效壓實(shí)時(shí)間，并對(duì)碾壓工藝進(jìn)行合理調(diào)整與組織。混合料攤鋪后根據(jù)攤鋪長(zhǎng)度進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，壓實(shí)的原則為“緊跟、慢壓、高頻、低幅”，從低一側(cè)往高一側(cè)進(jìn)行碾壓。壓實(shí)應(yīng)分3 個(gè)碾壓段進(jìn)行，即初壓、復(fù)壓、終壓。

3.6 接縫處理

下面層橫向接縫采用平接縫，在施工結(jié)束尚未冷卻前完成，施工時(shí)用3m 直尺在橫斷面方向5 個(gè)平均位置（平整度超過(guò)3mm 的部分切去）檢測(cè)定出接縫位置，保證平整度和厚度，之后用鎬鑿平，經(jīng)清理、干燥后涂刷粘層瀝青。

3.7 檢測(cè)驗(yàn)收

碾壓完成后，根據(jù)公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)頻率和方法，對(duì)瀝青面層進(jìn)行全線自檢，檢測(cè)其壓實(shí)度、平整度、縱斷面高程、厚度、寬度、橫坡、路表滲水系數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)，符合規(guī)范要求后進(jìn)行下一道工序。

3.8 開(kāi)放交通

待檢測(cè)完畢，各項(xiàng)指標(biāo)合格并待表層溫度冷卻至50℃以下后方能有序開(kāi)放交通，對(duì)于特殊位置，需進(jìn)行設(shè)置明顯的交通標(biāo)識(shí)。

4 瀝青混凝土路面施工工藝創(chuàng)新成果

1）基于巖石破碎的分形特征，提出了基于礦料分布分形特征的溫拌瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，得出寒冷地區(qū)溫拌瀝青混合料最優(yōu)配合比，保證了混合料性能，降低了混合料在拌和過(guò)程中的能源消耗和碳排放，與熱拌瀝青相比節(jié)約能源50%以上，減碳效果顯著。

2）研究應(yīng)用了瀝青混合料的施工過(guò)程溫度控制技術(shù)及配套運(yùn)輸裝置，采用熱傳導(dǎo)規(guī)律對(duì)新疆寒冷地區(qū)溫拌瀝青混合料運(yùn)輸和攤鋪過(guò)程中的降溫規(guī)律進(jìn)行研究，有效控制了從運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)攤鋪各階段溫拌瀝青混合料溫度，減少了瀝青混合料運(yùn)輸和攤鋪過(guò)程中的溫度離析。

3）研究應(yīng)用了寒冷地區(qū)溫拌瀝青混合料施工過(guò)程有效壓實(shí)時(shí)間控制技術(shù)，采用ANSYS 對(duì)影響瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程中溫度變化因素進(jìn)行分析，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)影響因素的主次進(jìn)行排序，最后基于模糊數(shù)學(xué)得到寒冷地區(qū)溫拌瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間（37～40min 之間），保證了瀝青混合料路面壓實(shí)度。

4）基于北斗定位、激光引導(dǎo)技術(shù)，提出了冷地區(qū)瀝青路面基層智能化攤鋪壓實(shí)技術(shù)，全套設(shè)備搭載了RTK 載波相位差分定位系統(tǒng)，通過(guò)接收衛(wèi)星觀測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)據(jù)，有效解決了傳統(tǒng)方法在高程放樣中和攤鋪機(jī)自動(dòng)找平攤鋪中易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層厚度不均、平整度起伏較大等問(wèn)題，減少了人為因素對(duì)路面平整度的影響，改善了水泥穩(wěn)定碎石底基層、基層的平整度。

5 結(jié)語(yǔ)

以“低碳化、智能化”為施工理念，針對(duì)傳統(tǒng)熱拌瀝青混凝土拌和溫度高，攤鋪及壓實(shí)過(guò)程中的降溫速率難以控制，傳統(tǒng)攤鋪及壓實(shí)過(guò)程中缺乏動(dòng)態(tài)質(zhì)量控制等施工問(wèn)題，開(kāi)展了寒冷地區(qū)溫拌瀝青混凝土路面智能化施工技術(shù)研究，形成了基于瀝青混合料礦料分形分布特征的礦料集配方法、瀝青混合料的施工過(guò)程溫度控制技術(shù)及配套運(yùn)輸裝置、寒冷地區(qū)溫拌瀝青混合料施工過(guò)程有效壓實(shí)時(shí)間控制技術(shù)，解決了傳統(tǒng)瀝青混凝土高能耗、高污染及施工方法效率低、質(zhì)量難控制的等問(wèn)題，提高了瀝青混合料攤鋪及施工效率。該技術(shù)已在新疆若羌縣至民豐縣高速公路路面施工中成功進(jìn)行應(yīng)用，各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求，最大化減少對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成的影響，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。