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大宽度大厚度摊铺基层混合料课题施工工艺组织设计

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2020年4月19日
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大宽度大厚度摊铺基层混合料
课题施工工艺组织设计

长安大学筑路机械研究所
陕西中大机械集团有限责任公司

一、分层铺筑的缺陷及与大厚度一次性摊铺的对比
当前在大宽度、大厚度道路水稳基层施工中，按工艺规范的传统方法是：双机并幅分两层摊铺。然而实践证明，这种施工方法除了生产率低，施工麻烦，成本高外，主要还会产生一些不可避免的质量隐患。双机并幅摊铺存在的主要问题是：两机接缝处存在着高度方向上的物料离析问题，当摊铺含有大粒料的稳定材料或沥青下面层时尤为严重。另外，在未配套物料转运车情况下，摊铺机不可避免地产生工作中断，由于料斗两侧壁的残余物料均为大粒料，当料斗内收时集中到一起在摊铺层上形成片状离析。双机并幅摊铺的另一个问题是施工麻烦，成本增加，平整度控制要求增加。当前多数的宽幅摊铺机是机器厂商采用速成的办法将大型（9m）摊铺机螺旋和熨平板接长为12m，而整机参数不变。这样在宽幅摊铺时，由于功率不足，只能将螺旋位置提高，物料半埋螺旋以省功率，半埋螺旋引起的输料能力下降只有靠提高螺旋转速来补偿，其结果因高速旋转而降低螺旋的二次搅拌作用，特别是通断工作时急加、减速抛扬物料产生上下层离析和宽度方向上离析。以上分析说明，摊铺存在的主要问题是材料离析造成质量问题。
分层铺筑本身也违背道路设计本意，原来受力层为设计的整体板块，分层摊铺变成了二个薄层分别受力，影响了基层的整体强度，特别是分层不合理、上层压实厚度往往薄于最小压实厚度10cm的要求时，往往是上层独挑重担，在处治路面早期损坏的病害过程中，上薄层过早产生龟裂，在车辆荷载的重复作用下，形成碎块，雨后冒浆，使路面早期损坏。
并
并
机
分
层
摊
铺
存
在
的
问
题

(1)层间含水量不同很难结成一体。

(2)层间污染造成二层很难结成一体。

(3)下层光面，二层大料滚落造成两层结合不紧密。

(4)二层如密实度不同或摊铺间隔时间长，膨胀系数不
同易造成裂纹。

(5)并机接缝处竖向离析，接缝搭接第二次摊铺，振捣
塞料形成高程凸显。

图1 并机分层摊铺结合不好而被铲掉的水稳层
图2 水稳大厚度大宽度摊铺与并机分层摊铺芯样比较

中大摊铺机整体板块结构 并机分层摊铺接缝裂纹
大厚度水稳基层的施工工艺之因此要分层铺筑，主要是因为从前的压实设备的激振力小，影响深度有限，超厚水稳基层一层铺筑时，不能保证基层底部的压实度。另外传统摊铺机最大摊铺厚度为30cm左右，而且随着摊铺厚度增大材料离析加剧，不能满足大厚度一次成型摊铺的需要。但随着中国科学技术的发展，筑路机械也有了很大的发展，特别是重型压路机和铺筑厚度可达50cm、宽度可达16m的摊铺机的问世，使我们探索超厚水泥稳定土基层一层铺筑的施工工艺成为可能。因此，提出探索用重型压路机碾压，将大厚度(厚度为21～40cm)的水泥稳定土基层1层铺筑碾压成型的新工艺。
为了解决这一当前中国尚未得到解决的重要难题，需探索一种新的施工工艺，使大宽度、大厚度水稳基层不再双机并幅、分层铺筑，从而克服其弊端，从源头上避免路面损坏。大厚度、大宽度水稳基层抗离析一次成型施工工艺正是这样一种方法。它有如下优点：（1）整体板块，工艺简单，不要分层养生，节约成本。（2）单机摊铺，抗离析，生产率高，平整度好，节约一个机器、一组人员。因此关键是需要一个能符合要求的摊铺机器和压实设备。
本项目正是结合大宽度、大厚度水稳基层抗离析一次成型摊铺工艺研究展开，主要研究经过对施工工艺的改进和设备的改进等来解决大厚度、大宽度水稳基层摊铺问题，使水稳基层均匀性、密实度、平整度等各项指标能满足规范要求。另外，为了提高大厚度大宽度一次成型摊铺的生产率，还需要增加辅助伸缩料斗或物料转运车来改进上料速度。这种施工工艺的推广应用及发展有积极的意义，具有很高的社会效益和经济效益。

二、解决大厚度一次性摊铺采用的技术改进
1、理论研究基础
水稳层离析分类及形成原因研究
（1）横向离析（见图3）
横向离析产生的主要原因来自于螺旋布料机构高速旋转时产生的抛扬，这种离心力的作用造成大粒径物料容易被送往两边，摊铺越宽离析越严重，摊铺越宽，两边的物料径粒越大的情况。
现有摊铺机在宽幅摊铺时，集料最多只能埋在螺旋叶片三分之二处，工作时一般是半埋螺旋，只有螺旋高速旋转才能满足大量输料的要求。

图3 横向离析
（2）竖向离析（见图4）
竖向离析的原因是螺旋料槽上部大粒料沿开口处向下滚落，这一现象发生在螺旋前挡板离地间隙调节偏大且料槽中缺料的工况下，以及螺旋外端料槽前方的卸荷口处，由于大粒料沿着螺旋前挡板的间隙和卸荷口处向下滚落，结果造成大粒料滚落于摊铺下层。

图4 竖向离析
（3）纵向离析（见图5）
纵向（并机接缝处）离析形成的原因
并机接缝处的竖向离析带，贯穿于中缝始终，由于大粒径粒料在两摊铺机的卸荷口联接处自上而下滚落所致。下层粗粒料，上层细粒料，是典型的纵向—竖向离析。

图5 纵向离析
（4）片状离析（见图6）
半埋螺旋叶片或输料槽缺料状况下，运输装卸、收斗等前道工序形成的离析集料得不到二次搅拌所致。

图6 片状离析
2、应用研究基础
（1）水稳层大厚度大宽度一次性摊铺（见图7）

图7 云南嵩待高速水稳层大厚度大宽度（12.5m）摊铺

单机宽幅大厚度一次成型摊铺，克服并机分层摊铺形成的板块分离弊端。克服并机分层摊铺接缝处离析造成的纵向裂纹弊端。

图8 江西景婺黄（常）高速CP2标水稳层超厚度530mm大宽度12m一次性摊铺

一次性摊铺碾压成型，基层将形成一个整体的板块结构，相对于两次分次摊铺来说，其抗拉伸，抗冲击强度能够提高80%以上，能够有效地避免和推迟早期路面的下沉，车辙形凹陷、分裂脱落、坑洞等常见病的产生。对于提高公路路面质量，延长公路寿命有很大的意义。
（2）大厚度大宽度一次成型摊铺效果评价
l 改进各种离析，效果显著。
l 大厚度摊铺无分层，整体板块结构性好。
l 大宽度摊铺无并机接缝离析，避免了纵向裂缝。
l 单机一次找平，无过渡搭接，密实度均匀，平整度提高。
单机摊铺，生产率高，配套设备少，费用低，经济效益好。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准，公路路面基层施工技术规范，JTJ343— ，北京，人民交通出版社， .6
[2] 荀家正，超厚水泥稳定土基层铺筑施工工艺及质量控制，公路， .4
[3] 凌建明等，水泥—石灰土水稳性的实验研究，同济大学学报， .6
[4] 姚怀新等，高等级公路摊铺工艺与摊铺机技术发展方向讨论，建筑机械技术与管理， .8
[5] 中大DT1600多功能摊铺机使用说明书
[6] 中大YZ32T振动压路机使用说明书
[7] 中大摊铺离析课题攻关资料汇集
三、研究内容、解决的关键问题，采取的研究方法、技术路线，及本项目的创新之处

研究内容：大宽度、大厚度水稳基层抗离析一次成型摊铺工艺推广应用
研究方法：采用中大DT1400（DT1600）摊铺机和YZ32振动压路机进行水稳基层施工
设备改进方法
离析解决方法
1. 防止横向离析
满埋螺旋低速输料。加大螺旋直径（由大到小阶梯排列）、加大输料槽宽度（670mm）、加大输料槽高度（增加输料厚度），满埋螺旋大量输料，降低了螺旋布料转速，避免螺旋高速旋转抛扬造成的横向离析。满埋螺旋输料，实现集料的二次搅拌，有效地改进了前道工序（装卸、收斗等）形成的集料离析。
DT1400（DT1600）改变流行摊铺机采用高速轴向柱塞马达加减速机的传动方案，直接采用低速径向柱塞大扭矩马达驱动，而且将流行摊铺机700ml/r左右的马达等效排量增加到1300ml/r，转矩和功率增加了一倍。物料满埋螺旋降低转速到80r/min～90r/min以下，有效防止大颗粒物料随输送距离增大而运动加剧的横向离析，同时由于螺旋埋于物料底部而增加二次搅拌效果，改进前期工序产生的温度与物理离析。
低速大扭矩液压马达除可满足物料满埋螺旋需要更大驱动扭矩的要求外，还由于这种马达具有起动效率高，带载启动能力强，启动平稳的优点，能够避免高速马达加减速机由于起动效率低，在频繁间断工况下产生的冲击起动现象，减少了物料的冲击推扬离析。
物料满埋螺旋工作。这是增大输料能力，降低螺旋转速，增加二次搅拌作用，避免横向离析的关键，也是一种新理念。提高刮板和螺旋料位传感器料位控制点，是实现这一理念的外部形式，其内在实质是：需加大螺旋的驱动转矩，并改变驱动方案。
2. 防止竖向离析
DT1400（DT1600）型摊铺机采用物料满埋螺旋设计，避免了料槽因缺料在螺旋与前挡板之间产生的粒料滚落斜坡；在前挡板下方加装了上下高度可调的前挡板，根据摊铺厚度和材料不同适当调节离地间隙，同时前挡板下部采用弹性橡胶板结构，能够将离地间隙调为最小且利用弹性板的外张效果减小螺旋的输料阻力。
对螺旋外端处的卸荷口，采用弹性橡胶板的悬臂式结构，既防止大粒料向下滚落，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畅顶起熨平板影响平整度的现象。
3. 防止纵向离析
DT1400（DT1600）在链轮箱左右（中缝处）根据需要各加装一组角度可调的反向螺旋叶片，根据摊铺厚度和材料的变化来调节反向叶片数量和角度，使大小粒料能均匀向螺旋链轮箱下方填充，保持摊铺层中缝处混合料均匀、充分、密实，以避免纵向带状离析。
减小螺旋支撑（螺旋吊挂）横截面尺寸、加装过渡叶片，加宽料槽，以减少集料在螺旋输送过程中形成的阻滞、堆尖及填塞不实的现象。
4. 防止片状离析
增大摊铺机料斗，减少收斗造成大粒径物料集中产生的局部片状离析。
摊铺过程的平稳性
摊铺机是一种以作业质量为优先指标的作业机械，其作业质量指标分为摊铺机均匀性（物料不离析）、密实度（保证碾压后的平整度）、平整度，而要实现这一质量指标，要求摊铺过程机器工况稳定。
DT1400（DT1600）刮板料位比例控制，减少了由于通断控制频繁开关推拥形成的物料滚落离析。还能提高摊铺的平稳性，改进平整度。
提高经济效益
单机摊铺配套设备和施工人员减少，工艺简便，经济效益明显。

技术设备：陕西中大机械集团生产的DT1400（DT1600）型多功能摊铺机和YZ32全液压振动压路机
DT1400（DT1600）型多功能摊铺机主要特点：
l 多功能
Ü 摊铺沥青混合料和稳定土多种材料
l 改进离析
Ü 进口大扭矩液压马达直接驱动大直径螺旋，带载启动能力强，二次搅拌充分，输送物料即时均匀。
Ü 物料满埋螺旋输送，提高输料能力，降低螺旋工作转速，减少高速抛扬现象。
Ü 物料满埋输送，大小物料均匀输送，改进高度及宽度方向上离析现象。
Ü 螺旋前方导料板高度可调，根据需要上下调节可有效防止大粒料沿导料板下沿滚落于地面，改进高度方向离析。
Ü 加大螺旋料槽宽度，增大螺旋支撑点空间，畅通物料输送通道，改进横向离析和纵向带状离析。
Ü 增加螺旋反向叶片数量，提高搅拌能力，改进中缝处离析。
l 高平整度、高密实度
Ü 降低摊铺档最高行驶速度，使机器在大宽度、大厚度摊铺时变量液压泵排量增大，容积效率提高，减少摊铺机因负荷变化引起的速度误差，提高摊铺平整度。
Ü 提高螺旋链轮箱高度，避免在摊铺大厚度作业时链轮箱底部与摊铺面干涉，提高路面中缝处平整度。
Ü 主熨平板的拼接方式为整板结构，避免摊铺中缝拉毛现象。
Ü 物料满埋螺旋，料槽中物料量变化误差小，摊铺密实均匀平整，保证碾压后的平整度。
Ü 标准配置非接触式多组多探头自动调平智能控制系统。
Ü 输料分料系统比例控制供料均匀。
Ü 振捣频率相对摊铺速度自动比例控制。在每个摊铺作业循环的启动和停机过程中，熨平板的高度和工作角保持不变，提高了平整度和密实度的均匀程度。
Ü 调频变幅双振捣装置。根据不同的摊铺材料和对摊铺层密实度的要求，可理想的设定振捣。
Ü 宽敞的料槽和全埋螺旋叶片连续输料，向熨平板前沿塞料充分，增强了熨平板对摊铺层的预压实效果，从而提高了密实度。
l 采用高性能进口元件并进行裕量匹配，提高整机性能与可靠性
Ü 采用依维柯原装进口220kW、电喷、共轨原理电子调速发动机，可满足满埋螺旋大功率输料、大厚度、大宽度摊铺稳定土的动力需要，并可有效避免大吨位料车撞击、刹车等的影响，使摊铺机工作更平稳、更可靠并更省油。
Ü 进口力士乐液压行走系统并降额匹配，保证机器工作可靠，提高行驶稳定性。
Ü 进口SAI大扭矩液压马达直接驱动螺旋，带载启动能力强，变速迅速，工作可靠，提高抗离析和平整度。
Ü 电磁阀、调速阀、速度控制器、超声波料位器、非接触式自动调平控制器系统、集中润滑系统、主要轴承、皮带、密封件、电器元件均为进口配套，充分保证整机性能及可靠性。
l 提高操作、保养的方便与舒适性
Ü 螺旋、刮板、熨平装置摩擦副采用进口集中强制压力润滑，工作可靠，保养方便。
Ü 整机重心位置合理，转场运输中无须另加配重。
Ü 发动机采用三点支撑（异于常见的四点支撑），维修方便，在不平地面行驶时车架变形不影响发动机。
Ü 螺旋叶片采用耐磨合金材料，耐磨性、韧性增加，寿命长。
Ü 熨平装置采用大调节量调节机构，充分满足稳定土摊铺时厚度变化量大的调节需要，有效解决一机多用的控制调节问题。
主要技术参数
熨平装置形式一
机械加宽式
振捣方式一
调频变幅双振捣
摊铺宽度3～14m
（3～16m）
摊铺厚度500mm
摊铺速度14.3m/min
行走速度2.35km/h
运输尺寸（长×宽×高）7025×3070×（3580）mm
整机重量38t
控制方式一
闭环数字控制
振捣方式一
调频振动
生产率1200t/h
平整度
σ≤1.2mm（摊铺沥青混凝土）σ≤3mm（摊铺稳定土）
密实度
≥88％（摊铺沥青混凝土）≥85％（摊铺稳定土）
发动机
IVECO F2BEO687A
额定功率
220kW
（DT1400）
269kW
（DT1600）
额定转速
2200r/min

YZ32全液压振动压路机
性能及主要特点
l 超重吨位 超大激振力 压实效果好 功效高 使用范围广
Ü 最大总作用力达81吨，铺层厚度400mm，压实仅需6遍。
Ü 双频双振幅振动系统适应各种压实工况。
l 使用寿命长 可靠性高
Ü 发动机、液压泵、马达、减速机及振动轮轴承均选用国际知名品牌产品，使用寿命长，可靠性高。
l 操作方便 驾驶舒适
Ü 行走、转向及振动三大系统均采用液压传动，操作省力、方便，驾驶室采用人机系统工程设计，长时间驾驶舒适，视野开阔，不易疲劳。
l 行驶平稳
Ü 行走系统前后轮采用三个独立液压马达驱动，无机械冲击，往复作业换向平稳，驱动力大。
l 离地间隙高 经过性 机动性好
Ü 最小离地间隙达500mm，经过性好，转弯半径小，机动灵活，适应于狭长工地作业。
l 振动轴轴承润滑设计先进 轴承使用寿命长 润滑油不易渗漏
l 声光预警系统能在早期发现故障隐患 确保机器安全
主要技术参数
发动机
IVECO（原装进口）
CURSOR8（电喷）
工作质量 3 kg
最小离地间隙500mm
爬坡能力40％
前轮载荷 21000kg
振动频率28/33hz
最小转弯半径7000mm
额定功率220kW
后轮载荷 11000kg
振幅 1.8/1.1mm
摆动角度±12°
额定转速2200r/min
静线载荷 940N/cm
激振力 590/450kN
转向角度±30°
发动机重量 776kg
振动轮宽度2130mm
直径 1700mm
最大总作用力800kN

燃油箱容量350L
怠速 600r/min
轴距 3270mm
行驶速度
Ⅰ档0—6km/h
Ⅱ档0—8km/h
外形尺寸（长×宽×高）6596×2410×3100mm

五、应用实例
云南鸡石高速一次性铺筑水稳层
云南嵩待（山西路桥一公司）水稳层400mm厚11.5m宽单机一次性摊铺
云南安楚高速2、5、6标段水稳层大厚度大宽度摊铺
云南思小高速2、4标段分别采用水稳层420mm厚11.25m、12.5m宽单机一次性摊铺
云南砚平高速（云南路桥五公司）水稳层大厚度大宽度摊铺
广东粤赣高速27（L4）标水稳层500mm厚12.5m宽单机一次性摊铺
（广东粤赣高速27标采用大宽度、大厚度一次性摊铺，施工时混合料松铺系数采用1.30，松铺厚度50cm，局部松铺厚度52cm，摊铺宽度12.16m，压实厚38cm。施工时间为 1月—— 12月，经广东省交通厅质检站验收，一次性合格率100%，并被列为广东省交通厅科技项目）
江西景婺黄（常）高速公路CP2标水稳层超厚度530mm大宽度12m一次性摊铺
山西晋侯高速公路路面LM3标大宽度、大厚度一次性摊铺（晋侯高速公路路面LM3标， 10月开工， 完工，摊铺宽度为11.36米，压实厚度32cm，经检测及钻孔取芯，各项指标均符合要求。）
上述工程采用DT1400摊铺机和YZ32振动压路机进行水稳基层施工，其均匀性、密实度、平整度等都达到满意的效果。

采用中大DT1400（DT1600）摊铺机和YZ32振动压路机进行水泥稳定土基层施工，其均匀性（物料不离析）、密实度（保证碾压后的平整度）、平整度满足要求。
该机型取得了成功，并在 CCTV新闻进行了报道：抗离析大宽度、大厚度摊铺课题的攻关成果在云南思小高速建功立业。 在科技示范路粤赣高速公路粤境段，该机型又进行了应用，其中，“大功率宽幅沥青摊铺机半幅沥青面层摊铺的实验成功及推广应用”被列为19条科技创新技术的头条。
另外，在云南嵩待高速、江西景婺黄（常）高速、内蒙古呼集高速18标、云南红河州鸡街至蒙自高速、云南昆明至石林高速，都进行了大厚度一次性摊铺碾压，到处都有中大机械集团多功能摊铺机的身影。