高速公路工程環(huán)氧瀝青智能灑布機的應用

李 剛

（江西省交通工程集團有限公司,江西 南昌 330038）

0 引言

環(huán)氧瀝青材料既非瀝青，也非環(huán)氧樹脂，而是在組份確定及相態(tài)設計基礎上，經(jīng)過化學反應而生成的多組份網(wǎng)絡狀三維立體結構熱固性新型材料。在使用過程中必須按照設計比將其A組份和B組份均勻混合，經(jīng)過短時間的反應生成固化物，這種固化結構可耐300 ℃的高溫。這種環(huán)氧瀝青材料是當前公認的綜合性能最理想的橋面防水材料之一，而這種材料產(chǎn)生之初，國內(nèi)外用于環(huán)氧瀝青防水黏結層噴灑的施工設備幾乎全為手工單噴嘴設計，A、B組份設計配比的控制、黏結層厚度及灑布均勻度均無法保證，嚴重阻礙了環(huán)氧瀝青材料在我國公路橋梁施工領域的推廣應用。而在環(huán)氧瀝青智能灑布車應用的過程中，主要面臨A、B組份反應材料配合比例、運行速度和灑布量同步匹配、灑布寬度和灑布量匹配、噴嘴及管道堵塞、加熱系統(tǒng)設計、智能化控制等問題。為此，該文結合工程實例，對環(huán)氧瀝青智能灑布車在高速公路施工中的應用展開分析探討，同時較好解決環(huán)氧瀝青智能灑布車在應用過程中所面臨的問題。

1 環(huán)氧瀝青智能灑布機工作原理

1.1 設備構造

環(huán)氧瀝青智能灑布機主要包括箱體支架、樹脂（A組份）儲罐、瀝青（B組份）儲罐、柴油清洗系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、發(fā)電機組、瀝青輸送及混合噴灑系統(tǒng)、電氣及氣路控制系統(tǒng)等，結構詳見圖1。其中箱體支架為焊接而成的長×寬×高為8.2 m×2.2 m×1.87 m的集裝箱形結構，噴灑桿及柴油清洗系統(tǒng)固定在機架外部，其余部件均固定在機架結構內(nèi)部；A組份和B組份儲罐設置在機架中部，整個機架全部固定在汽車底盤，整體布置結構緊湊，養(yǎng)護方便，便于操作。A組份、B組份儲罐主要由箱體、隔熱層、外罩、過油管、閥門、加熱管、溫度測量計、液位浮標、固定架等部分組成。動力系統(tǒng)主要由1部20 kW的發(fā)電機組構成，并為A組份、B組份儲罐、柴油清洗泵、循環(huán)泵、電氣控制系統(tǒng)等提供所需動力。柴油清洗系統(tǒng)主要清洗A組份、B組份混合后的管道部分和噴嘴，防止混合料發(fā)生化學反應后在管道和噴嘴內(nèi)凝固，影響施工效果。加熱系統(tǒng)主要通過循環(huán)泵將爐體內(nèi)由燃燒機加熱后的導熱油輸送至A組份、B組份儲罐、輸料管道、輸料泵、噴灑桿等處，對相應部位進行加熱，并事先在控制系統(tǒng)設定導熱油控制溫度和加熱時間。樹脂循環(huán)輸送系統(tǒng)主要包括NCB型輸送泵、齒輪流量計、氣動閥門等部件，在混合料噴灑前A組份通過輸送泵進行內(nèi)循環(huán)，并保持溫度均衡，開始噴灑后由氣動閥門自由切換，使物料進入混合噴灑系統(tǒng)，齒輪流量計將相關信息傳遞至微機系統(tǒng)，并由微機系統(tǒng)進行泵速調(diào)整，實現(xiàn)A組份和B組份準確配比，達到設定的灑布寬度和噴灑量。

圖1 環(huán)氧瀝青智能灑布機（車）

1.2 工作原理

按規(guī)范制備好環(huán)氧樹脂混合液和瀝青混合液后分別裝入A組份、B組份儲罐內(nèi)，通過循環(huán)系統(tǒng)并按照設計流量、比例及壓力輸送至混料裝置內(nèi)，充分混合后再輸送至噴灑裝置，通過霧化噴頭噴射在待攤鋪路面，形成一層均勻的環(huán)氧瀝青黏結層[1]。環(huán)氧瀝青智能灑布機綜合了單料瀝青灑布機和手動灑布車的結構優(yōu)勢，并結合環(huán)氧瀝青材料的獨特性能和施工工藝要求，增置1套清洗系統(tǒng)、1套雙料混合系統(tǒng)和1套物料儲存加熱系統(tǒng)，2套物料系統(tǒng)在單元智能化技術的控制下協(xié)同動作，保證兩種物料充分混合及噴灑過程的同步完成。

1.3 單元智能化技術

該技術兼具信息收集、儲存及傳輸，故障診斷及系統(tǒng)維護等功能。環(huán)氧瀝青智能灑布機包含材料加熱、溫度檢測、氣路控制、循環(huán)輸送等系統(tǒng)，功能復雜，故單元智能化技術主要解決以下問題：

（1）通過1個PLC、2個變頻調(diào)速器及其余輔助模塊操控混合噴灑系統(tǒng)、物料循環(huán)系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)，保證環(huán)氧瀝青材料自動化灑布，并通過編程器編輯相應程序以滿足物料配比和工藝流程方面的要求。

（2）環(huán)氧瀝青材料配比及灑布量設定好后必須保持恒定，由智能灑布機控制系統(tǒng)結合灑布寬度、行進速度等的變化實時調(diào)節(jié)輸送泵轉動速度，避免灑布量和材料配比隨灑布寬度和行進速度的改變而改變；通過單元智能化技術，將該公路工程環(huán)氧瀝青灑布量計量系統(tǒng)精度控制在±2%范圍內(nèi)。該技術主要將智能灑布車行進速度以及橢圓齒輪流量計所測得的實際流量等運行數(shù)據(jù)輸入微處理控制器，并將參數(shù)實際值和預定值進行對比，通過輸出信號控制輸送泵排量，保證灑布量穩(wěn)定。

（3）人機交互界面提供數(shù)據(jù)設定和顯示功能，即使在強振、高溫條件下也能保證運行的可靠性和控制精度。

（4）環(huán)氧瀝青智能灑布機在樹脂箱、導熱油箱和瀝青箱內(nèi)設置3個溫度控制點，其中樹脂箱溫度必須控制在100 ℃以下，如果達到該溫度水平，在單元智能化技術的控制下設備將自動停止樹脂箱中循環(huán)加熱，并調(diào)節(jié)至熱油加熱循環(huán)閥門，待導熱油和瀝青箱體同時達到設定溫度后方停止運行。

2 環(huán)氧瀝青智能灑布機的應用

某新建高速公路預計交通量較大，為避免部分路段路面結構層在較大交通量的反復碾壓下發(fā)生破損等病害，決定進行環(huán)氧瀝青鋪裝罩面。該次施工起訖樁號K410+200～K411+400的一個標段，路段長1 200 m，在瀝青混凝土面層上噴灑環(huán)氧瀝青黏結層，為提升工效，保證施工質(zhì)量，決定使用環(huán)氧瀝青智能灑布機。

2.1 機械選用及改進

該高速公路環(huán)氧瀝青灑布主要采用智能灑布機，設備技術參數(shù)詳見表1。為保證環(huán)氧瀝青灑布施工過程連續(xù)供料，還應配備環(huán)氧瀝青施工補給車，省去智能灑布機回程加料時間，確保工序無縫銜接。該公路工程所用環(huán)氧瀝青施工補給車性能參數(shù)見表2。

表1 環(huán)氧瀝青智能灑布機技術參數(shù)

表2 環(huán)氧瀝青施工補給車性能參數(shù)

當前，用于環(huán)氧瀝青黏結層灑布的機械大多采用電加熱保溫方式，且樹脂儲罐和環(huán)氧瀝青儲罐容量偏小，無法噴灑長度600 m以上的路面，噴灑施工過程中還存在嚴重的環(huán)境污染問題。考慮到該高速公路工程施工量較大，如果采用儲量較小的儲罐，則灑布面積小，會降低噴灑速度，灑布機需要中途返回拌和站加料，再加上清洗、接順等工序，非常耗時。為此進行了環(huán)氧瀝青儲罐和樹脂儲罐的改進處理，改進后的A組份、B組份儲罐可滿足長1 200 m、寬4.0 m路面的一次性噴灑，能滿足當天灑布、當天鋪筑完成的工程目標，施工損耗也大大降低，工效提升。同時，A組份、B組份儲罐還加裝了攪拌裝置（見圖2），能保證A組份、B組份加熱更加均勻，防止材料局部過熱而影響路用性能。

圖2 儲罐攪拌裝置

2.2 灑布比例和灑布量控制

每m2環(huán)氧瀝青灑布量=（泵排量/泵轉速）/（灑布寬度*灑布機行進速度），考慮到環(huán)氧瀝青灑布機是通過兩個泵按設計比混合后再噴灑，所以灑布量的確定過程較為復雜[2]。一般先假設灑布機行進速度為5 km/h，A組份：B組份為1∶2，環(huán)氧瀝青噴灑量0.8 kg/m2，灑布寬度3.0 m，則灑布機行進1 s的灑布面積為5 m2，該面積上所灑布的環(huán)氧瀝青量為4 kg，結合A組份、B組份設計配比，則該面積上所需A組份、B組份分別為1.34 kg和2.67 kg。根據(jù)各泵1 s的排出量計算A組份、B組份流量，并以此為設定流量。

事實上，A組份、B組份進入混合器混合后會產(chǎn)生背壓，導致兩個泵按照設計轉速所排出的混合物料比理論值小，為此，該工程環(huán)氧瀝青智能灑布機增加了物料流量計反饋功能，若實際流量＜設計流量，流量計反饋、變頻器PLC調(diào)節(jié)，泵轉速會隨之增大，使實際流量增大至設計流量；相反，若實際流量＜設計流量，則流量計反饋、變頻器PLC調(diào)節(jié)，泵轉速會隨之減小，實際流量降低至設定流量。

2.3 噴頭改進

為提升灑布效率，避免人工噴灑造成的污染，必須提前遮蓋，并在灑布機邊緣以及和鋪裝層接觸的結構物表面增設塑料薄膜等覆蓋材料。該工程環(huán)氧瀝青智能灑布機有4個噴頭，間距可調(diào)整，噴灑幅度范圍在2.5～5.5 m，且噴頭處安裝有防護罩，能有效避免對周圍設施及環(huán)境的污染。

2.4 加熱系統(tǒng)合理配置

該工程所使用環(huán)氧瀝青智能灑布機屬于按比例同時完成雙組份反應材料的混合噴灑設備，并能根據(jù)施工工藝要求達到穩(wěn)定可靠狀態(tài)。所采用的雙組份反應材料在低溫時流動性不良，隨著溫度升高至設計溫度，發(fā)生化學反應后形成固化物[3]，所以，機械加熱系統(tǒng)是決定反應材料加熱性能的關鍵。

原儲罐加熱系統(tǒng)主要按照儲罐外層纏繞中溫伴熱帶并通電的加熱方案，電能消耗大，供熱量小，且材料加熱過程升溫緩慢，影響施工進度；電加熱零部件故障也是頻繁發(fā)生。改用導熱油加熱后升溫快速，且加熱均勻，能連續(xù)進行A組份和B組份加熱升溫，整個過程由計算機智能控制。在機構設計方面，盡可能縮短混合器之后的管路長度，并為噴灑桿設定中心加熱方式，為其余管路設定外置加熱方式，彎頭部位不設立導熱油加熱，僅增設5 mm厚巖棉保護層，確保雙組份反應材料流動性的同時，延緩形成固化物的化學反應速度。改進后的加熱系統(tǒng)見圖3。

3 應用效果

該高速公路鋪裝長度1 200 m，面積4.06×104m2，鋪裝層采用雙層環(huán)氧瀝青混凝土結構，上下面層厚度分別為2.5 cm和3.0 cm，上下面層之間施工環(huán)氧黏結層。施工結束后環(huán)氧瀝青智能灑布機施工效果檢測結果表明，A組份、B組份比例控制準確，具體包括總量檢驗和實驗室檢測。

（1）總量檢測。A組份、B組份裝好后過磅驗重，待環(huán)氧瀝青灑布結束后再次過磅驗重，進行實際使用量的計算；防水黏結層和黏結層環(huán)氧瀝青灑布量分別為0.68±0.05 L/m2和0.45±0.05 L/m2，據(jù)此進行理論灑布量的計算，偏差未超出控制范圍，A組份、B組份總量符合設計要求。

（2）實驗室檢測。按照A組份∶B組份=1∶4.45的比例制備標準試件，并按照相關規(guī)范檢測其抗拉強度和斷裂延伸率[4]，以此為標準數(shù)據(jù)。噴灑施工過程中在噴灑作業(yè)面通過容器隨機接黏結料，混合后成型試件，并根據(jù)規(guī)范要求進行試件斷裂延伸率和抗拉強度等的檢測，進行其合格性的判斷。根據(jù)判斷，試驗結果和標準試件十分接近，表明A組份、B組份比例較為準確。

結合類似工程施工經(jīng)驗，若不使用環(huán)氧瀝青智能灑布機，黏結料噴灑施工平均耗時5～6 h/條，再加上預加熱及中途加料等操作，黏結料施工時間平均為10 h/條，所以環(huán)氧瀝青混合料攤鋪過程只能轉天安排，黏結層灑布后的攤鋪施工必須在48 h內(nèi)完成，對施工組織安排要求較高。而使用環(huán)氧瀝青智能灑布機后，黏結料噴灑施工耗時僅需1.5～2.0 h/條，預熱和加料時間考慮進去后，共需要4 h/條，能實現(xiàn)當天灑布、當天攤鋪，工效顯著提升。與此同時，環(huán)氧瀝青智能灑布機使用后人工使用量從過去的15人左右降至6人，勞動量顯著下降，且施工環(huán)境明顯改善。

4 結論

環(huán)氧瀝青智能灑布機在該高速公路工程中的成功應用表明，該機械能進行A組份、B組份組份摻配比例的智能控制和及時調(diào)整，出現(xiàn)較大偏差時能自動停機，具有手動操作和自動操作兩種模式，計算機系統(tǒng)根據(jù)車底盤所安裝的測速傳感器進行速度監(jiān)測，并通過變頻器進行泵轉數(shù)控制，還能根據(jù)路面寬度進行噴灑范圍的自動調(diào)節(jié)，性能穩(wěn)定；并具有噴灑速度快、機械效率高，噴灑均勻，節(jié)約人工，灑布量及溫度可控，環(huán)境污染少等性能優(yōu)勢，當前噴灑當天施工，經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益十分顯著。