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高速公路瀝青路面的機械化養護

我國的高速公路白20世紀80年代開始建設以來,從無到有,得到了迅速的發展。所謂高速公路,即為目前公路等級最高的道路形式,亦是典型的高等級道路。雖然路面形式多種多樣,但基于瀝青路面具有施工容易、快速開放交通、行車舒適、平整度好及修建成本較低、養護工程易于施工等特點,所以我國目前的高等級路面以瀝青路面為主。瀝青路面在長期的使用過程中,由于車輛的反復作用及氣候的長年影響,必然會出現多種多樣的損壞。同時,由于某些地區(如山西、內蒙)等煤炭外運地區雕以避免的車輛超載運行及某些公路修建質量的不盡如人意,難以達到設計要求等原因,更加快了道路病害的產生。另外,對于半剛性的瀝青路面來說,由于行車碾壓密實度和半剛性基層材料強度隨路齡增長而變化,其強度和剛度在使用初期(1~2年)呈增長趨勢,表現在整體回彈彎沉的降低。此后,由于路面材料的逐漸疲勞,其強度和剛度逐年降低。

  由于以上原因,高等級瀝青路面的各種病害,如坑槽、擁包及松散為代表的損壞會不斷出現。若不及時修補恢復,高等級公路路面的服務質量會大大下降。同時,小的局部損壞會因時間的延長而擴大,甚至影響到路面基層,進而大幅提升路面修補工程的難度和成本。與普通瀝青路面相比較,高速公路的養護作業有自己的特點。

  預防性:

  預防性養護可以延緩由交通和環境載荷的作用而引起的路面性能的惡化,延長路面的使用壽命。

  復原性:

  復原性是指經過養護維修后的路面應該完全恢復路面原有的使用性能,亦即其平整度、摩擦性能、承載能力、噪聲等使用性能應滿足高速公路快速、安全、舒適的基本要求,而不能因養護維修作業而有所下降。

  補強性:

  高速公路的養護維修作業還往往帶有彌補原有路面強度不足的要求,這就是所謂的補強作用。補強不僅是增強原有路面的薄弱環節,而且還常常處于對延長路面的壽命以及滿足日益增長的交通流量的考慮。原有路面的設計交通流量由于國民經濟的迅速增長而很快被突破,這種情況是常有的事,有時在設計路面時為了減少初期投資而有意識地減弱路面的強度,這是因為高速公路建成使用的初期交通量一般不會太大,但會隨著時間而增加,交通量增加到一定程度時,再在原有路面上加鋪第二層罩面。

  由于上述特點,高速公路的日常養護機械設計、配置及使用工藝應根據這些特點作為基本依據。特別是上述的養護作業,由于高速公路車流量大、速度快,且封閉交通的特點,養護作業必須作到“三快”,即快速進入、快速作業和快速轉移。同時,高速公路有線長(路線長)點少(養護基地少)的特點。顯然養護機械的配置可分為路上作業機械和為路上作業機械供料的料場設備兩個主要部分。

  料場機械配置

  料場是為完成日常養護的路上作業機械供料的基地,它包括集料篩分儲存、瀝青儲存加熱裝置和烘干攪拌設備等部分。

  集料篩分儲存

  高等級瀝青路面是由不同粒徑的骨料和石粉,配以瀝青混合而成。因此,料場應有4~5種骨科及粉料的篩分裝置及儲存場地。這個場地及其設備應有防雨措施,否則過高的含水量將會大大增加烘干時的燃料耗用量。

  瀝青儲存加熱裝置

  眾所周知,我們目前使用的瀝青大多為普通石油瀝青,常溫下是固態。因此,只有加熱至使用溫度才能使用。目前,我國的高速公路絕大多數采用改性瀝青鋪筑,料場的瀝青應采用改性瀝青。但改性瀝青在儲存及運輸過程中易于離析(基質瀝青及改性劑),因此,筆者認為,高速公路的養護料場應有中小型改性瀝青制作設備(其產量應與自己的使用量相匹配)隨用隨做。另外,作為典型的高分子材料,瀝青在高溫(工作溫度)狀態下長期保存易于老化,所以瀝青的儲存裝置應采用大罐低溫儲存(≤1OO℃ )和小罐出料(16O~17O℃ )用于作業的配置,而改性瀝青最好作到隨做隨用。這種配置和工藝將會盡可能避免瀝青的老化及改性瀝青離析現象的出現。

  烘干攪拌設備

  高速公路的瀝青混和料制作設備與常規攪拌裝置相似,但必須采用強制間歇攪拌裝置和較高計量精度的瀝青計量系統,以保持。生產的瀝青混和料(瀝青混凝土材料)符合高速公路的常規指標。烘干攪拌設備的作業效率與日常養護工程所需材料應相匹配,而機器的生產量顯然與本單位養護的路面長度、寬度、公路等級及道路通車年限有關。同時道路承擔的運輸載荷、車流量及道路所在的自然條件(山區、坡度及線性)都有直接的關系。經大量調查統計的資料分析,可提出如下概算公式作為烘干拌和設備生產量選取的估算參考。

  當公路通車n年時,整條公路修補所需材料(混和料)總量M 為:

  M=L△(n-1)^1.5 ashq

  式中:M—— 通車九年時,當年所需 混和料總量,t

  |L—— 養護里程,km

  △— — 公路修筑質量及線形綜合系數,一般可取1.2~2.0.山區較大坡度的重載高速公路,可取大值,反之相反

  n——通車年數,取正整數

  a——通車第2年時,每千米的損壞處數

  s——每處損壞的面積,可取平均值,m2

  h——面層厚度,m

  q—— 瀝青混凝土材料比重,t/m3

  由上式可以看出,隨著公路通車年限延長,道路損壞會越來越嚴重,所需要的瀝青混和料會逐年增多。烘干攪拌設備產量的選擇應根據自己單位的實際情況及養護理念綜合考慮。

  路上作業機械

  高速公路瀝青路面養護工程的路上作業機械一般包括多功能養護車(以下簡稱養護車)及其附屬設備(主要是材料保障和運輸設備)。通常意義上的養護車應完成損壞路面的破碎、瀝青混和料制作或儲運、路面壓實和瀝青(基質瀝青或乳化瀝青)存儲、加熱及噴灑等基本功能。有些養護車還具有路面加熱、舊料回收再利用及小型銑刨功能。但基于高速公路的諸多特點,筆者認為目前高速公路的路面養護的某些現行做法值得商榷。

  路面材料

  目前,很多高速公路養護中采用的普通(非改性)瀝青混和料用多特點,筆者認為目前高速公路的路面養護的某些現行做法值得商榷。

  路面材料目前,很多高速公路養護中采用的普通(非改性)瀝青混和料用于坑槽及其他病害鏟挖后的充填,但整個路面大多采用的是改性瀝青(ABS、SBR、PE等),所以使新補路面的強度明顯弱于周圍路面,其結果往往使修補路面很快又出現損壞。

  路面加熱修補路面加熱修補可以使原有路面材料再生利用,其優點是不言而喻的。但目前養護車采用的加熱機理大多為可見光、混合加熱(紅外與可見光)等。在野外環境下,加熱溫度不易掌握,而加熱基體表面溫度往往高于1000 ℃以上,所以加熱時路面瀝青材料易于老化。而原路面病害部分的材料本已出現問題,同時再與新料混合后更難以掌握其油石配比及強度指標,所以經加熱修補后的修補部分易于損壞是必然的。

  保溫料箱材料的加熱養護車裝載足量的符合要求的瀝青混和料用于填充病害坑槽是十分必要的,但目前不少工程單位采用常溫混和料充入料箱進行加熱后使用的工藝就值得研究了。眾所周知,瀝青混和料的各種組分材料均為不良熱導體,其加熱過程大多是熱傳導在起作用,在較大的加熱深度和料量前提下,其加熱周期較長(一般達8h以上),加熱死角的存在亦使加熱均勻度差。因此,其加熱過程出現的老化問題難以避免。有時,若將每次用不完的混和料下次再用,更加加劇了其老化程度。用這樣的材料修補面層,其表面強度難以保證。

  就地制作混和料目前,不少的養護車上配置了小型烘干拌和設備作為流動基地制作混和料。這種簡易型的設備對油石比的控制極難掌握,而大多采用的滾筒跌落式攪拌機無法制作高質量的瀝青混凝土。這類設備用于高速公路養護工程顯然無法保證作業質量。更有甚者,筆者曾在某高速公路的養護現場中見到以柴油燃燒為加熱方式的滾筒式烘干機用于瀝青混和料的現場烘干再用。當約1 300 ℃以上的可見光火焰與滾筒中的混和料接觸時,在極短的時間內便可將混合料中的瀝青老化,其瀝青質和其他輕質油分會變成結碳形式存在。從理論上講,這種材料是不可再用的。

  上述現象的存在大大影響了高速公路的養護質量,只有采取對應措施才能改變這種狀況。我們認為,采用機動性好,具有一定乘坐條件的多功能養護車用于高速公路的快速養護是正確的。這種養護車應具備舊路破碎、保溫料箱、高溫瀝青儲存及噴灑、小型壓實機具及相應的控制系統組成。亦可配裝紅外輻射路面加熱裝置,但應根據道路老化情況慎重使用。但在機具配置和養護作業工藝上應作如下改進。一是采用車載保溫型混和料箱,但加熱方式應采用溫度較低(≤200 ℃)的導熱油系統并輔以較好的保溫措施。加入的混和料應是剛拌和的新的熱料,且每次加料應以當班用量為佳,盡量減少使用(加熱)次數。二是混和料應采用改性瀝青混和料。這些料應在高速公路養護單位設立的中小型料場制作,嚴格掌握骨料組分和油石配比。料場的單次生產量應以當次車載量為準,即隨生產隨使用,盡量減少積壓。三是由于改性瀝青在儲存和運輸時易于離析,故改性瀝青設備及生產應與烘干拌和設備協同作業。四是壓實機具應采用振動壓路滾,其壓實激振力應大于12kN,從而保證壓實密實度,因板式振動器單位壓實力較小而不宜采用。

  本文基于目前我國高速公路養護工程情況及現實需要而撰,很多見解是筆者長期從事該項工作的經驗總結而來。隨著我國高速公路的快速發展及公路修建養護工程的技術進步,將會為高速公路的養護技術、施工工藝及專用設備性能賦予新的內容。


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