1第一章 绪论

第一章绪论

1.1选题的工程背景

近年来，随着我国经济的迅速发展，国家对公路建设的投资越来越大，特别是高速公路建设的投资，每年投资上千亿元，高速公路发展非常迅速。2004年中国高速公路里程新增4400公里，高速公路通车里程超过3.4万公里，居世界各国高速公路通车里程第二位；2005年底，我国高速公路里程达到4.1万公里，继续保持世界第二的位置。根据交通部最新公布的《国家高速公路网规划》，从2005年起到2030年，国家将斥资2万亿元，新建5.1万公里的高速公路，使我国高速公路的里程达到8.5万公里。对于高速公路如此大的投入何如此快的发展速度，保证工程质量、提高施工效率，减少因过早破坏而导致的浪费，就显得尤为重要。与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、噪声小、养护简便等优点，因而得到广泛应用。据初步统计，在我国已建成的高等级公路中，沥青混凝土路面已经占到了75%以上。

随着我国高速公路的发展，我国的公路施工技术已经路面质量已经有了较大提高，但是由于我国高速公路建设起步较晚，施工经验较少、施工法规不够科学合理、施工水平参差不齐，加上我国人口众多，交通量迅猛增长以及重型车比例增加（尤其是违法超重车辆现象存在依然严重），沥青路面在设计寿命（一般指建成通车到第一次大修的年限）内甚至是营运初期就开始出现一些早期破坏，如裂缝、车辙、松散、剥落等。

沥青路面病害发生的原因是多方面的，其中包括路面设计不合理、施工质量水平不高、施工机械技术落后、养护管理不到位、交通量大、重车多，超载现象严重、水对路面结构的破坏、气候影响等因素。而其中一个最重要的原因就是施工质量存在问题。影响施工质量的因素也较多，但最关键的因素就是沥青混合料的离析问题和压实度问题。

由于我国幅员辽阔，高等级公路的规划里程和在建里程数量庞大，而建设资金并不是很充足，因此我国的公路施工企业对于在满足公路施工技术规范和质量要求的前提下，对于提高施工效率和降低施工成本有着更高的需求，这是我国公路建设与国外发达国家所面对问题的不同之处，是我国的国情所决定的。这也就决定了我国筑路机械行业和公路建设行业的专家学者的研究方向和研究热点。

目前，解决提高施工效率、降低施工成本这一问题的重要途径之一就是采用大厚度、

大宽幅抗离析摊铺技术。目前这一技术的研究还不够成熟。

1.2课题来源及研究的目的和意义

本论文结合江西省交通厅重点项目《大厚度、大宽幅抗离析摊铺应用技术》，采用大宽度、大厚度稳定土基层和大宽度沥青面层抗离析一次成型摊铺技术，深入理论研究、机械设计制造和试验研究，解决大宽度摊铺的骨料离析和稳定土分层摊铺的稳定土层结构强度减弱问题以及温度离析，达到提高摊铺生产效率，改善路面结构强度，延长路面使用寿命等目的。此课题是一个庞大的系统工程，我仅研究其中的一个子课题——大厚度、大宽度抗离析摊铺关键技术理论研究。研究的目的和意义有二：

其一为大厚度、大宽幅摊铺机械及相关配套机械的设计制造提供理论支持。

其二为推进我国公路建设施工工艺不断改进提供理论基础，公路施工技术规范的革新与调整提供参考。

目前，我国筑路机械制造行业虽然在普通摊铺机的研发和生产已经初具规模，在部分领域也已经达到国际领先水平，但在大厚度、大宽幅抗离析摊铺机械的研发和生产还处于初期阶段，尤其是在国外在这一方面也是处于技术空白的条件下，我们就必须依靠自主研发，才能生产出满足国内需要的合格机械产品。现阶段，国内只有陕西中大机械集团生产出了大厚度、大宽幅抗离析多功能摊铺机（DT1300、DT1400、DT1600等），不过这也是初期产品，需要改进和完善的地方还很多。

一种新的摊铺机械就需要一套新的摊铺工艺，也就必须提供一个新的施工技术规范来约束和检验它的施工质量，而目前国家的公路施工技术规范在许多地方还不够科学和合理，有的地方还处于空白。

现行的“公路沥青路面施工技术规范”（JTGF40-2004，2005-01-01实施）中规定[5]：铺筑高速公路、一级公路沥青混合料时，一台摊铺机的铺筑宽度不宜超过6m（双车道）～7.5m（3车道以上），通常宜采用两台或更多台数的摊铺机前后错开10～20m，呈梯队方式同步摊铺，两幅之间应有30～60mm左右宽度的搭接，并躲开车道轮迹带，上下层的搭接位置宜错开200mm以上（见JTGF40-2004第5.6.2条）。

对上述条款在相应的规范条文说明中指出：“一些高速公路采用全幅摊铺作为提高平整度的重要措施，盲目追求平整度成了施工中的一个通病，造成了不良后果。宽幅摊铺机是应我国要求专门生产的，在欧美、日本一般不用，且对铺筑宽度有所限制，如日本通常限制为7m；欧洲一般是6m，不超过9m；美国基本上是一个车道的宽度，即3.5～

4m。”

接着指出：“采用全幅摊铺能提高平整度的说法也是一种误解。全幅摊铺的缺点主要有螺旋布料器运送混合料距离过长，不可避免地会造成粗、细料的离析，越往边上温度下降越多，导致温度不均和压实度不一样。”

又指出：“摊铺机的重量和马力是一定的，摊铺宽度越大，平均振捣力越小，铺筑后的初始压实度越小。摊铺机接长部分只是悬挂在摊铺机上，没有与中间部分相同的振捣装置，表面上看起来很平整，实际上压实程度不一样反而影响横向平整度。两台摊铺机的接缝很容易调整得一点都看不出来，相反宽幅摊铺机的摊铺面倒经常可见有不少的纵向离析印痕存在。”[6]

上述规定是否与现阶段的技术发展相适应呢？其解释的原因是否真实可靠？是否就没有克服和解决的办法？这都需要我们进行研究。

从上述摊铺规范中可以深切感受到，这一规定的核心是为了防止摊铺料在宽度方向的离析和保证摊铺面上均匀的压实度。这一规定是基于当时摊铺机的普遍水平而制定的，同时也暗示了摊铺机械存在的不足和发展方向。

特别是沥青摊铺规范条文说明，分析了宽幅摊铺机在我国的发展和使用的过程及结果，对前些年通行的宽幅摊铺及摊铺机存在的性能及结构缺陷也暴露无遗。当然这些条文也为我们研究开发大宽幅大厚度摊铺机指出了必须解决的问题。

我国筑路机械界的权威孙祖望教授就说：“国内制定道路施工规范时，有一点是非常值得商榷的，就是没有想到要邀请机械设备方面的专家来参与制订和修改施工规范的讨论。现代化的公路施工是一种大规模、流水作业式的机械化施工方式，如何合理地、正确地选择和使用机械，对施工的质量、效率和成本都有很大关系。因此适当听取机械方面专家的意见对提高施工规范的科学性和先进性显然是有好处的。希望今后有关部门在修订施工规范时能考虑上述意见。”

1.3本课题的国内外研究现状

鉴于离析问题对沥青路面的使用性能影响十分大，国内外对沥青路面离析的研究非常重视，已经陆续开展了许多防止和减少离析的相关研究，并在施工机械设计制造、摊铺工艺和材料配合比设计及生产工艺等很多方面上进行了改进和创新。1997年，美国沥青路面协会（NAPA）对沥青路面离析的原因进行了分析，并提出了一些减少离析的措施。2000年，美国国家交通研究委员会（TRB）开展了国家联合公路研究项目“热扮沥

青混合料路面的离析（NCHRP 411）”，重点研究了沥青面层离析的检测方法。我国很多专家学者也对这一问题展开了讨论和研究，但现行的沥青路面技术规范中缺乏有关离析问题的技术标准。有关沥青混合料的离析的文献主要包括：离析的定义，离析的原因，离析的类型，离析的检测。 [12]

关于大厚度、大宽幅抗离析摊铺机械和施工工艺的研究，目前在学术领域得研究和讨论已经比较充分，但还处于理论研究和试制阶段，在机械生产和工程实践中还没有有步骤地展开。目前国家公路建设规范中允许在实际工程中使用的还只限于9m以下的摊铺机，国内已形成可批量生产制造履带式和轮胎式、铺宽为3—9m的多品种系列摊铺机产品,适应不同工况的需求。国产摊铺机虽然起步比较晚，但通过技术引进和技术改造，国产摊铺机部分产品的技术水平、质量和使用性能已基本达到或接近国际先进水平。目前，国内只有陕西中大机械集团公司等少数机械生产厂家在生产大厚度、大宽幅抗离析沥青的混凝土摊铺机，并且已经生产出了功能实现的前期产品。虽然部分产品已经在施工过程投入使用，但主要还处于试验阶段，尚未得到国家公路施工技术规范的法律认可。但是科研仍在继续进行，学术领域已经有了较大的突破。希望能够解决目前市场上现有摊铺机存在的不足，满足我国公路建设实体在公路施工大宽幅摊铺方向发展，这与国外（高速公路发达国家）不同，主要是适应国内公路建设和国情需要。

对于是否应该采用大宽幅摊铺，国内专家学者有两种声音。

一种是反对大宽幅摊铺，建议采用传统的双（多）机并行施工，他们认为这样更能减少离析保证施工质量。例如杨枫、张洋的《浅谈单机宽幅作业法和并机梯形施工法对沥青混合料离析的影响》，通过近几年来高等级公路沥青混凝土路面施工的具体实践和两类不同施工方法对沥青混合料施工离析的影响以及对运营后路面使用状况综合对比分析, 阐述了不同的施工工艺、设备配备对沥青混凝土路面质量的影响。分析了不同施工法对沥青混合料离析的影响，他们通过一组检测数据得分析，认为：单机宽幅摊铺作业导致沥青混合料施工离析严重, 不仅影响了路面的使用性能, 也促使路面产生早期破坏, 耐久性明显降低。双机并机梯形联合施工法可以有效地降低沥青混合料的施工离析, 虽然在具体施工过程中仍然存在着无法避免的施工离析现象, 但所有取样点的集料通过率均在规范级配范围之内,是符合质量要求的。[18]

持此观点的还有杨文明工程师，他认为：“摊铺机摊铺宽度越长, 混合料的离析越严重。现在许多高速公路为了提高平整度而采取全幅摊铺的方式, 是造成混合料离析的重要原因之一。在国外,摊铺机的摊铺宽度一般都有所限制,如日本通常限制摊铺宽度

7m，单向双车道高速公路包括硬路肩均采用两台摊铺机铺筑,并要求采用双振动方式。在美国摊铺宽度基本上只有一个车道的宽度,即3.5 m—4.0 m。摊铺机全幅摊铺,由于摊铺宽度大,螺旋布料器运送混合料距离过长,不可避免地会造成粗细集料的离析。在空中反复转动混合料在螺旋布料器运送过程中,温度下降严重,边上与中间的温度是不一样的,温度不均是导致压实度不一样的原因,也是造成局部损坏的原因所在。摊铺机的重量和马力是一定的, 摊铺宽度越大,平均到混合料层上的压力、振捣力越小、混合料的铺筑初始压实度越小。在窄幅摊铺时,经过双振捣方式的摊铺碾压,可以达到90% 以上的初始压实度,甚至于达到初压后的压实程度,由于压实紧密、混合料铺筑后的温度下降慢, 可以采用较重型的压路机靠近摊铺机碾压, 使压实度进一步提高。而宽幅摊铺的初始压实度小,重型压路机不可能做到紧跟摊铺机碾压，轻型压路机初压反而容易产生推拥, 严重影响平整度, 混合料降温也快，压实度也受到影响。所以宽幅摊铺非但不能提高平整度，反而影响平整度和压实度。宽幅摊铺机在加长部分是没有振捣装置的, 表面上看起来很平整, 实际上边缘部分与中间部分的压实程度是不一样的, 边缘压下去多, 实际上是不平整的。”

彭余华在他的博士论文《沥青混合料离析特征判别与控制方法的研究》写到：“我国在20世纪80年代末期开始修筑高速公路，当时由于国内路面机械制造力t薄弱，关键设备主要依赖进口。20世纪90年代，我国规定摊铺机宽度9m以上的沥青摊铺机采运行进口.我国高速公路单向路面宽度一般都大于10.5m，因此很多施工企业都要求进口摊铺宽度大于12m的沥青摊铺机.为了减少纵向施工接缝，方便施工，有的施工企业就用一台沥青摊铺机一次摊铺10.5m以上宽度的沥青面层。试验表明，这样大宽度的摊铺机摊铺后的路面左、右两侧大于4.75mm的粗骨料含量很高，而路面中部部分含量较低，大都超出规定的级配范围，结果导致路面两侧混合料粗，空隙率大，渗水现象严重;路面中部骨料偏细，抗滑能力偏低，热稳定性下降。国外工业发达国家对于骨料粒径大于11 mm的路面摊铺宽度有严格的限制，日本为5.5~6m，欧洲为6~9m，美国为3.5~3.75m。我国高速公路面层骨料最大粒径均大于l1mm，摊铺宽度大于10.5m显然很不合适.解决的办法是减少摊铺宽度，用两台甚至3台摊铺机，前后错开，成梯队平行摊铺，以减少混合料离析，确保路面质量。

另一种声音是提倡使用大厚度、大宽幅摊铺，建议国家的施工技术规范应该调整。例如长安大学的姚怀新教授在他的《高等级公路摊铺工艺和摊铺机技术发展方向讨论》中提出，采用经过改进螺旋分料器结构与运动学参数，以大功率、大宽度、高生产率、

抗离析、高密实度的新型摊铺机进行单机宽幅大厚度摊铺，作者认为是最有前途的摊铺工艺和摊铺机技术发展方向。并分析了他这一结论的理由，还提出了克服大宽幅摊铺克服离析的一些途径。应用当前的最新技术来改造和武装新型的大宽幅摊铺机，可以较好地克服上述反对者提出的理由。

不管是反对的声音还是支持的声音，他们都有一个共同的特点，那就是要控制离析、提高路面质量。现阶段的大厚度、大宽幅抗离析摊铺机的使用效果已经初步证明了其合理性和适应性。

采用大宽幅沥青混凝土和大厚度、大宽幅水泥稳定土摊铺后，要解决的另一个重要问题就是材料的压实度了。如果在压实方面不作相应改进，还按照以前的压实理论和压实标准，必然难以达到路面建设的基本标准和要求。因此就需要针对大厚度、大宽度这一特点研究其压实特性，研究静力、揉搓、振动、夯实和冲击等这些压实形式对材料的作用机理，同时也要研究温度、载荷作用振频和作用时间等因素对大厚度、大宽幅沥青混合料压实效果的影响。由于“大厚度”主要体现在水泥稳定土的摊铺上，对于这种一次成型的超后摊铺层，也给我们的水泥稳定土压实机械提出了挑战。

国内外对于常规摊铺沥青混合料和稳定土的压实理论的研究比较成熟，而对于大厚度、大宽幅摊铺的压实理论研究还不是很充分。那么我们就要从沥青混凝土和水泥稳定土的材料性质出发，结合压实机械的工作原理，通过分析现有路面压实的工程实例和试验数据，提出新的压实理论，或者对原有理论作出理论延伸和扩充。

现代沥青混凝土摊铺机一般是多功能的，既可以摊铺沥青混凝土，也可以经过简单的调整安装进行稳定土的摊铺。这种大厚度、大宽幅抗离析摊铺机当然也应具有这一功能，尤其是在大厚度水泥稳定土一次性成型摊铺方面具有优秀的表现。因此，解决大厚度（400~500mm）稳定土基层的压实问题也就摆在了我们的目前。现阶段，人们对这一问题的研究还比较少，也不够深入。荀家正的《超厚水泥稳定土基层铺筑施工工艺及质量控制》一文，探讨了这一问题。他提出高等级公路路面基层大多采用水泥稳定土基层, 厚度大于30 cm , 按照规范要求应进行分层铺筑。通过改进施工设备、优化施工工艺, 一层铺筑较分层铺筑节约了施工成本, 提高了施工工效, 大大改善了基层的整体强度,具有很大的推广运用价值。通过实践表明, 超厚水泥稳定土基层1 层铺筑, 铺筑成本较分层铺筑可节约一半, 施工工效可提高一倍,若在全国推广运用, 具有很大的经济效益; 由于一次铺筑成型, 与分层铺筑相比, 大大提高了基层的整体强度, 克服了分层铺筑的工艺缺陷, 还可为今后充实“规范”的内容提供参考依据。