宜春原油投资协会

沥青双层摊铺设备及施工特点

天津金路德交通科技有限公司2018-11-10 19:57:37

引言

 

沥青路面的双层摊铺,在国外也叫“热对热”摊铺,国内称为“双层一体摊铺”。这种沥青路面摊铺技术,最早由一位德国教授在1993年申请专利。德国戴纳派克公司和德国福格勒公司分别研制出具有双层摊铺施工工艺的沥青摊铺设备。中国于2007年引进一套沥青路面双层摊铺设备,在承平二级公路和张石、石黄高速公路的大修工程,西商、西三等新修高速公路、浏醴高速公路18标段的试验路段的沥青面层摊铺施工,完成了近100km路段的施工作业,效果令人满意,引起了全国各地公路建设施工人员的极大关注。2011年,双层沥青摊铺工艺技术获得了中国公路学会科技进步三等奖。沥青路面双层摊铺由于能节省材料和减少人员的投入,是值得推广的一项施工工艺。

 

双层摊铺的技术特点

 

从传统的沥青路面摊铺与双层一体摊铺沥青路面结构对比可以看到,传统沥青路面是分层摊铺,逐层压实,并在两层之间喷洒一层粘层油。该技术的缺点是:磨耗层降温快,影响压实质量;层间易受外界环境污染;喷洒粘层油,增加成本;施工时间长,设备利用低。与传统的沥青摊铺工艺相比,双层一体摊铺技术具有更多优势。

 

互锁效应

 

双层摊铺由于在摊铺时粘结层与磨耗层是热对热衔接,层与层之间在碾压时没有明显的分界,磨耗层与与粘结层的嵌挤效果较好,2种不同配合比的沥青混合料在结合面混为一体,层与层之间咬合更结实。

 

提高路面质量

 

双层摊铺技术优化了路面结构,减少了磨耗层的厚度,增加了粘结层(中间层)沥青混合料的厚度,提高了沥青路面抗车辙能力,沥青路面的使用寿命也相应得到延长。由于磨耗曾与粘结层是热对接,降温较慢,改善了传统沥青摊铺由于磨耗层薄而降温快的缺陷,并可以得到适合磨耗层碾压的温度时间,以便更合理地安排碾压工艺,使压实密度更佳。张石高速公路二期有一段路面采用沥青路面双层摊铺工艺作为试验段,试验段的磨耗层采用了2种厚度,分别是3cm和2.5cm。

 

摊铺后初始压实采用灌砂法,在熨平板后进行检测,压实度分别为:中面层89.5%、磨耗层80.5%;终压后的压实度分别为:磨耗层99%、中面层98%,平整度为0.49~0.79mm,纹理深度大于0.6mm,符合路面验收标准。

 

美国国家沥青混凝土技术中心在位于阿拉巴马州的椭圆型试验场中的N13段采用双层摊铺技术铺筑。历时2年半进行车辙试验、路面平整度试验、纹理深度试验等,结果均符合美国国家标准要求。

 

降低成本且缩短施工周期

 

不需要喷洒粘层油,减少沥青1%~2%的油石比;磨耗层可以更薄。由于是一体摊铺,可以增加粘结层的厚度,减少磨耗层的厚度,不同的磨耗层配合比可以减少1.5~2.5cm,从而减少成本较高的磨耗层材料。由于路面抗车辙能力的提高,还减少了道路养护成本。

 

粘结层与磨耗层一体摊铺,降低了摊铺和压实遍数,节约了施工时间,提高了设备使用率。在道路大修工程里,可减少道路的封闭时间,降低对道路由于施工造成的交通影响。

 

双层摊铺的设备

 

双层摊铺机的工作形式有2种,一种是1台摊铺机和1台沥青混合料转运设备实现双层摊铺;另一种是2台摊铺机和1台沥青混合料转运设备实现双层摊铺。目前只有德国的福格勒、戴纳派克制造沥青双层摊铺设备,戴纳派克采用1台摊铺机2个熨平板加1台沥青混合料转运设备实现双层摊铺;福格勒沥采用是2台摊铺机加1台沥青混合料转运设备实现沥青混合料双层摊铺,称为顺序摊铺。

 

戴纳派克沥青双层摊铺机

 

戴纳派克双层摊铺机是在1台摊铺机的基础上,采用叠加1个磨耗层摊铺模块,改进控制系统,进而实现沥青混合料双层摊铺的设备。

 

戴纳派克双层摊铺的施工流程:由1台戴纳派克双层摊铺机和1台沥青混合料转运车组成车组。在施工作业时,沥青混合料转运车分别将不同的2种料运送到双层摊铺机的1号料斗和2号料斗;2套独立的螺旋送料器将2种不同的沥青混合料输送到前后2套熨平板上,最后经过碾压形成双层摊铺沥青路面。

 

福格勒沥青混合料双层摊铺机

 

福格勒公司称双层摊铺是顺序摊铺,是由2台沥青摊铺机(1台粘结层摊铺机、1台磨耗层摊铺机)和1台沥青混合料转运车组成。粘结层摊铺机还有另一功能,就是为磨耗层摊铺机转运沥青料。

 

福格勒摊铺的施工作业流程:由沥青混合料转运车将前面的粘结层摊铺机的2个料斗装满;再由粘结层摊铺机的转运功能将磨耗层的沥青料转运到后面的磨耗层沥青摊铺机,2台摊铺机按先后顺序开始摊铺碾压,形成双层摊铺沥青路面。

 

沥青双层摊铺施工特点分析

 

目前沥青双层摊铺工艺技术在中国虽然有100多km的试验路段,但还没有大面积的推广和使用。这是由于沥青路面双层摊铺施工对后场(沥青拌和站)的设备配置和生产组织(运输及卸料安排)要求比较高,要有配套产量的2台以上的沥青拌和站。

 

施工成本

 

材料成本。双层摊铺可以节约价格昂贵的磨耗层沥青材料,如果磨耗层是SmA沥青混合料,以减少1cmSmA沥青磨耗层增加1cm普通沥青粘结层为例(粘结层和磨耗层为7+3):每立方普通Ac-20I中颗粒为831元,每立方SmS-13的价格为1463元,每吨乳化沥青油为4075元;当采用双层摊铺且磨耗层为SmA时,材料成本每平方米比单层摊铺节约9.08元。

 

施工机械和人员成本。由于目前市政道路还没有双层摊铺的实例,本文引用长安大学王选仓教授在2011年摊铺1km路面研究分析的数据,这个数据是基于戴纳派克双层摊铺设备计算的(一套2台设备)。如果采用福格勒双层摊铺机(一套3台设备),机械和人工费用估计会有偏差。普通摊铺的路面机械费用为4.38元·m-2(包含燃料油),人工费为12.11元·m-2;双层摊铺的路面机械费为5.12元·m-2(包含燃料油),人工费为8.41元·m-2。

 

在不考虑机械费用的情况下,双层一体摊铺人工费每立方可节省3.119元。双层摊铺技术施工由于2种物料一起摊铺,施工时间减少了一半。采用双层摊铺技术施工可以缩短高速公路面层施工工期,降低摊铺设备和压实设备的台班租赁费用。综合考虑节省费用较高的上面层沥青混合料,同时节省上面层和中面层之间起粘结作用的粘层油,以及缩短铺筑时间等因素,经过计算可知,施工面积大于300 000m2,双向4车道14km、双向6车道11km、双向8车道9km施工时,双层摊铺费用与普通摊铺费用基本持平(以上未考虑采用双层摊铺提高层间粘结效果70%,且缩短施工周期一半等因素)。

 

施工周期

 

双层一体摊铺相对单层摊铺能缩短组织施工的时间,算上摊铺前的准备时间,如清扫路面、喷洒乳化沥青等,双层摊铺比单层摊铺减少了一半施工时间。对于需要封闭路面来进行大修的工程来说,单层摊铺后一般要24h后才能组织上面一层的摊铺,所以,双层摊铺可以大大缩短施工周期,减少封路时间,提高了社会效益。

 

配套设施

 

沥青双层摊铺在对不同配合比的粘结层和磨耗层摊铺施工时,需要有2台以上不同产量的沥青拌和站配套,而且前后场配合要密切;2种不同的沥青混合料用量计算要准确;现场指挥卡车卸料和摊铺操作员要密切关注和配合,做好装载不同沥青混合料的卡车的标识,避免卡车卸错料导致浪费和阻碍施工。

 

双层摊铺的平整度控制

 

要求在笔者单位承接的广东省科研课题《双层排水降噪沥青路面成套应用技术研究》中,通过试验得出:当下面层出现5mm凹陷时,传统工艺摊铺反映到面层的凹陷为2.6mm,而双层摊铺工艺反映到面层的凹陷为3.1mm。因此要求双层沥青摊铺作业时,道路的平整度控制应从路基开始,各层平整度控制宜提高一级标准进行,平整度控制要求如下。

 

(1)严格控制下承层平整度,按高一级路面施工标准进行平整度检查验收。(2)摊铺机摊铺时,必须保持缓慢、匀速、连续,并采取有效措施以保持摊铺机的重心稳定。(3)根据现场情况协调拌和站的生产,做到生产效率和经济性优化协调,保证双层摊铺的过程连续稳定性。(4)制定合理的压实方案,严格按照标准的碾压工艺来控制碾压过程。终压结束时沥青混合料不应低于110℃,并尽可能在较高的温度下结束终压。(5)由于同时摊铺上、中面层,所以沥青层厚度增加到10cm时,混合料冷却速度大大延缓。最佳冷却时间可延长30~90min,为充分压实提供了更宽裕的时间,这样不仅可以提高约3%的压实度,还能获得更好的平整度。

 

由于市政道路路口比较多,同时分布有排水、通讯、电缆等井口,目前的可调式井盖在技术上很难实现双层摊铺,所以,市政道路还不具备双层摊铺的条件。新建的省道、国道、一二级公路及高速、快速道路,以及这些道路的大修工程,一般没有井盖,工地能够连续施工,非常适合双层摊铺工艺的施工。

 

设备型号及工作原理

 

目前能够实现双层摊铺的设备有戴纳派克沥青摊铺机和福格勒的顺序摊铺机。戴纳派克的沥青摊铺设备是由1台摊铺机和1台沥青混合料转运设备组成,福格勒是由2台摊铺机和1台沥青转运设备组成。

 

福格勒摊铺设备是用2台摊铺机完成双层摊铺的,即磨耗层与粘结层是分别用2台摊铺机先后完成(这也是福格勒称为顺序摊铺的原因)。该施工工艺优点是在粘结层摊铺完的时候,为了避免磨耗层摊铺机对粘结层的破坏,专门设计了振动压实梁对粘结层做初始压实,压实密度可达到95%以上。普通13t振动压路机碾压即可满足双层摊铺路面的压实度要求,不需要大吨位的胶轮压路机辅助。同时,2台摊铺机还可以当普通沥青摊铺机使用。其缺点是如果粘结层摊铺机的压实梁出现压力偏差时,磨耗层摊铺时会破坏粘结层,且经过2次的中转,增大了沥青混合料离析的风险,影响施工质量。

 

戴纳派克摊铺设备是在1台摊铺机的平台上,增加1套熨平板来实现双层沥青摊铺。该工艺优点是像普通单层摊铺一样,1台设备即可满足,操作上要比福格勒双层摊铺设备简单;缺点是摊铺机体积较大,运输不方便,如果当普通单层摊铺机用,功率偏大,浪费资源。

 

从设备的管理和维护保养角度考虑,戴纳派克的双层摊铺设备相对福格勒顺序摊铺设备少了1台中转混合型摊铺机,减少了操作人员和维修保养的设备数量,也减少一次中转沥青,减少了施工配合失误和沥青混合料离析的几率。而从摊铺工艺上看,两者均可满足双层摊铺要求,但戴纳派克工作原理更合理。

 

设备投入成本

 

使用双层摊铺的优点是节约价格较高的磨耗层沥青材料,同时提高层间粘结效果。但按照目前高速公路双机联铺的施工工艺,投入2套双层摊铺设备才能在施工周期和机械人工成本上有优势(采用一套双层摊铺设备施工要处理纵接缝,增加人员和机械成本)。在设备投入、价格差异、节约材料、成本持平摊铺面积等方面。

 

对比没有考虑增加拌和站的投入,也没有考虑双层摊铺使用单机摊铺时的纵缝处理成本,只考虑节约的材料价格与设备投入的差异。双层摊铺的设备(全新设备按双套设备联铺配置)在约251万m2以上的摊铺面积,也就是双向4车道118km、双向6车道92km、双向8车道76km时,节约的材料成本才能与单层摊铺设备的投入差额持平。

 

在全新设备按单套设备联铺配置约80万m2以上的摊铺面积,即双向4车道38km、双向6车道30km、双向8车道25km时,双层摊铺的设备节约的材料成本与单层摊铺设备的差额持平;但人工、机械、施工期限等相对单层的双机联铺形式没有优势,还要多出处理纵接缝的成本。

 

从上面分析可得出,双层摊铺的设备虽然能缩短施工周期,但由于前期投入太高,如果后续没有双层摊铺的工程,对施工单位来说成本是一个严峻的经济问题。

 

结 语

 

目前全国的高速路建设飞跃发展,仅广东省在5年内计划新建高速公路将超过3000km,每年有600km左右的高速路在建。如果全国每年有十分之一适合沥青双层摊铺条件的新修和大修省国道、高速公路采用双层摊铺,不仅仅能缩短公路的建设和维修周期,还将节省很多沥青路面原材料。当大面积推广双层摊铺后,双层摊铺机械的使用和维护费用也会由于设备的拥有量大而降低,进一步降低双层摊铺的机械设备费用。双层沥青路面摊铺是“热对热”的摊铺工艺,能够提高沥青路面的质量,还能缩短施工工期,节约施工材料及人员的投入,是一种非常值得推广的沥青路面施工工艺。