水稳层表面杂质快速清除的重要性及其施工工艺的改进

魏 阔

（山西省朔州高速公路有限责任公司，山西 大同 037034）

0 引言

沥青混凝土道路的面层（通常分为下面层和上面层）材料均摊铺在作为承重层的水泥稳定基层上。作为下面基层的封闭层（亦为与车辆荷载直接接触的磨耗层），面层摊铺材料与下部基层的良好结合是高等级沥青路面施工质量的重要评价指标之一。上下铺层互相结合质量的优劣直接关系到下述问题：

a）道路承载能力是否达到设计指标。

b）道路完工通车后早期病害的出现时间及其频率的高低。

c）道路正常使用及其服务周期（使用寿命）的长短等。

自20世纪80年代以来，我国二级以上的高等级道路大量铺筑，特别是90年代初期开始，以高速公路为代表的高质量道路通车里程逐年提高。为了保证施工质量，道路设计、施工和工程管理部门和相关科研机构在工程实践中进行科研攻关，突破了一系列技术瓶颈，推进了我国相关领域的技术进步。但长期以来，传统道路工程施工工艺对面层摊铺材料与下部水稳基层的良好黏结重视不够，使得高等级道路的施工和正常服务质量受到一定影响。

1 问题的提出

众所周知，高等级道路的施工工序见图1：

图1 高等级道路的施工工序

由图1工序可以看到，水稳基层铺筑完成后，必须进入养生阶段。而只有经过一定时间的养生，水泥稳定基础才能达到一定的强度，继而才能在其上部加铺沥青混凝土（或水泥混凝土）面层。由于水稳基层铺筑时的工程施工质量及养生期间的各种环境的影响（包括施工车辆的碾压及各种自然光候的影响等因素），养生期间水稳基层表面会出现很多杂质。这些杂质有些是悬浮于面层上的松散物料，还有一些黏结在面层上的水泥混合物质。这些杂质在水稳基层表面的存在状态极不稳定。在此情况下，如果在其上部直接摊铺面层材料，将会产生下述问题：

a）较多的水稳层表面杂质与路面材料的混合会改变面层材料的油石配比和矿料级配，进而影响路面应有的设计强度。

b）由于基层和面层之间存在状态不稳定的杂质夹层，使得道路面层与水稳基层之间难以实现良好结合，它们之间存在互相滑移的趋势。显然，当道路上部受到较大的荷载时，面层会因受到一定的剪力而变形，甚至出现面层局部断裂（即纵向和横向裂纹）[1]。

c）水稳层表面杂质的组成多种多样，尤其在多山区的丘陵地带，很多杂质是由硬质煤炭颗粒和石料块茎组成，由于它们具有一定的硬度（以花岗岩、玄武岩等高硬石料表现更甚），当施工车辆碾压时，它们会容易地嵌入水稳基层而对其强度造成局部破坏。

有鉴于此，水稳层表面杂质的存在不仅会影响道路的承载强度，同时也是道路建成通车后各种早期道路病害形成的重要原因之一。为了消除水稳层表面杂质对道路的有害影响，在水泥稳定基层铺筑后对表面杂质进行彻底清除是十分必要的。

2 传统清除工艺方法的利弊分析

自20世纪80年代中期我国开始大规模修建高等级道路以来，水稳层表面杂质的存在及其对道路施工和整体质量的影响就开始引起相关科研和施工部门的关注[2]。为了清除水稳层表面杂质，公路建设科研和施工单位尝试和采用了很多清除方法，并动用了不少专用施工和养护设备来完成。如以人工清扫或采用道路养护工程中常用的普通道路清扫设备（纯扫或吸扫式）来完成水稳层表面杂质的清除。在某些水资源丰富的地区，也尝试采用具有一定压力（0.5～0.8 MPa）的水对表面杂质进行冲击清除。这些方法和专用设备在实体工程应用中取得了一定的实效，但这些方法存在的下述问题也是较为明显的：

a）纯扫或吸扫工艺对路面的作用是柔性扫刷（刷丝为直径0.5～1.0 mm的尼龙或橡塑材料），而压力水对路面的作用与扫刷相同，都是一种施力较小的柔性接触作用，它对应自身比重较小的轻体物质，如各种植物茎叶和人类生活丢弃物能够进行较为彻底的清除，但水稳层表面的杂质亦包含很多在施工时和施工初期（水稳材料尚未硬化时）黏结（却不稳定）在水稳层表面的杂质，这些杂质采用扫、吸或水冲洗的方法大多难以奏效。

b）水稳层表面较沥青混凝土表面更为粗糙，这就使得在材料养生期间会有很多重量较轻但粒径很小（小于等于20目）的粉状灰尘陷在其中而难以清除。笔者在参与山西大运高速公路大同至朔州路段的水泥稳定土基层施工时，为了解决水稳层表面的杂质清除问题，曾在施工现场采用以吸扫式多功能扫路机进行清除作业，后经试验统计发现对轻质粉尘的清除效率不足45%。

c）实体工程证明，采用水力清洗可对水稳表面的轻质粉尘的清除较为彻底。但水力清洗的实际效果取决于水必须具有较高的压力并水量足够。较高的压力可以由相应的设备提供，但道路施工往往远离村镇，使得水源来源相当困难。另外，水力清洗后必然会有一定数量的水留存在水稳层表面，这就需要一定的蒸发过程，才能开始道路上面层的铺筑，而水分蒸发过程的快慢与当时的环境温度关系颇大。笔者曾在大运高速朔州段进行过此类试验和统计，结果显示水稳表面积水的蒸发时间在杂质清除作业完成后尚1～2.5 h才能完成，这对道路面层铺筑工程的迟滞影响是显而易见的。

有鉴于上述分析和工程实践，以现有工艺和传统方法对水稳表面的杂质清扫很难达到工程要求，而杂物清除不净必然成为道路修建、服务寿命和建成通车后的质量（包括行车安全）隐患。

3 以液压动力钢丝滚刷辅以压力风排工艺进行路面表层杂质的快速清除

随着道路修建等级的提高，高等级路面水稳层表层杂质的高质量快速清除已成为工程急需解决的迫切问题。为了解决上述问题，山西省交通系统和相关工程单位立项研发了以液压动力钢丝滚刷辅以压力风排为主要技术特征的专用机械—SC-2400型路面表层杂质快速清除设备。其主要传动路线和施工工序见图2所示。

图2 SC-2400型路面表层杂质快速清除设备传动路线和施工工序

SC-2400的底盘为牵引作业型，整机工作原理为液压动力钢丝滚刷强制切除、风压吹送作业。可由功率20 kW以上的自行式车辆牵引作业，在自己独立车架上装设由柴油机、工程装置液压系统、动力钢丝滚刷、风力吹送系统及其控制系统等组成[3]。主要技术参数为：

a）输入功率 75 kW/2 000 r·min-1；

b）作业宽度 2 400 mm；

c）作业速度 /最大转移速度 5～8 km·h-1/60 km·h-1；

d）吹除风口风压 0.3～0.6 MPa；

e）表层杂质清除率 大于等于96%；

f）自重 1 800 kg。

SC-2400具有2 400 mm的有效作业宽度，由于设备为移动式作业，其配置的动力装置和风机产生的风量和风压有限，因此在较长的吹送过程（作业宽度）中，风力和风压必然会因作用长度的延长而逐步衰减。

图3 前后多级接力式多风道杂质吹除原理示意

为了保证较好的作业效果，SC-2400设计了前后交错接力式二级风道完成表面杂质的强力吹除。其基本原理是把吹送风道设计为2个（需要时亦可设计为n个）。如图3所示，第一风道和第二（或第n）风道由于均为从空压机出口直接连接，因此具有相同的风压。即：

式中：P为空压机出口的风压；k为自空压机出口到风道的入口的压力效率系数（计算时可取0.5～0.7）；Δ、δ和ε分别是第一风道、第二风道和第n风道的入口风压。这就使得各个风道的入口风压基本为一常数，从而使因吹送长度的延长而逐步衰减的风压得到有效的补偿，实现各风道的同风压接力吹除，达到良好的作业效果。

4 总结

与现有工艺和传统方法相较，采用液压动力钢丝滚刷强制切除和风压吹送作业是SC-2400的主要技术特征。显然，前者可对黏结在水稳表面的具有一定粒径的杂质进行强制切除，而后者可较为彻底地将各种表面杂质（包括轻质粉尘）吹送至路面之外。二者的结合能够实现对水稳表面杂质的彻底清除。目前，这种新工艺及其专用设备已在山西忻台二级路的实体工程中得到成功的应用，收到了良好的作业效果。

我国高速公路突破10万km

从2014年全国交通运输工作会议获悉，2013年预计我国全年新建高速公路8 260 km，我国高速公路总里程突破10万km。

2012年全国高速公路通车里程已达9.6万km，已经超越了美国的9.2万km，居世界第一。

到“十二五”末，按照我国高速公路建设目标，总规模约8.5万km的“7918”国家高速路网将基本建成。届时加上地方的高速公路，我国高速公路总里程将达到12万km左右。