高速公路工程环氧沥青智能洒布机的应用

李 刚

（江西省交通工程集团有限公司,江西 南昌 330038）

0 引言

环氧沥青材料既非沥青，也非环氧树脂，而是在组份确定及相态设计基础上，经过化学反应而生成的多组份网络状三维立体结构热固性新型材料。在使用过程中必须按照设计比将其A组份和B组份均匀混合，经过短时间的反应生成固化物，这种固化结构可耐300 ℃的高温。这种环氧沥青材料是当前公认的综合性能最理想的桥面防水材料之一，而这种材料产生之初，国内外用于环氧沥青防水黏结层喷洒的施工设备几乎全为手工单喷嘴设计，A、B组份设计配比的控制、黏结层厚度及洒布均匀度均无法保证，严重阻碍了环氧沥青材料在我国公路桥梁施工领域的推广应用。而在环氧沥青智能洒布车应用的过程中，主要面临A、B组份反应材料配合比例、运行速度和洒布量同步匹配、洒布宽度和洒布量匹配、喷嘴及管道堵塞、加热系统设计、智能化控制等问题。为此，该文结合工程实例，对环氧沥青智能洒布车在高速公路施工中的应用展开分析探讨，同时较好解决环氧沥青智能洒布车在应用过程中所面临的问题。

1 环氧沥青智能洒布机工作原理

1.1 设备构造

环氧沥青智能洒布机主要包括箱体支架、树脂（A组份）储罐、沥青（B组份）储罐、柴油清洗系统、加热系统、发电机组、沥青输送及混合喷洒系统、电气及气路控制系统等，结构详见图1。其中箱体支架为焊接而成的长×宽×高为8.2 m×2.2 m×1.87 m的集装箱形结构，喷洒杆及柴油清洗系统固定在机架外部，其余部件均固定在机架结构内部；A组份和B组份储罐设置在机架中部，整个机架全部固定在汽车底盘，整体布置结构紧凑，养护方便，便于操作。A组份、B组份储罐主要由箱体、隔热层、外罩、过油管、阀门、加热管、温度测量计、液位浮标、固定架等部分组成。动力系统主要由1部20 kW的发电机组构成，并为A组份、B组份储罐、柴油清洗泵、循环泵、电气控制系统等提供所需动力。柴油清洗系统主要清洗A组份、B组份混合后的管道部分和喷嘴，防止混合料发生化学反应后在管道和喷嘴内凝固，影响施工效果。加热系统主要通过循环泵将炉体内由燃烧机加热后的导热油输送至A组份、B组份储罐、输料管道、输料泵、喷洒杆等处，对相应部位进行加热，并事先在控制系统设定导热油控制温度和加热时间。树脂循环输送系统主要包括NCB型输送泵、齿轮流量计、气动阀门等部件，在混合料喷洒前A组份通过输送泵进行内循环，并保持温度均衡，开始喷洒后由气动阀门自由切换，使物料进入混合喷洒系统，齿轮流量计将相关信息传递至微机系统，并由微机系统进行泵速调整，实现A组份和B组份准确配比，达到设定的洒布宽度和喷洒量。

图1 环氧沥青智能洒布机（车）

1.2 工作原理

按规范制备好环氧树脂混合液和沥青混合液后分别装入A组份、B组份储罐内，通过循环系统并按照设计流量、比例及压力输送至混料装置内，充分混合后再输送至喷洒装置，通过雾化喷头喷射在待摊铺路面，形成一层均匀的环氧沥青黏结层[1]。环氧沥青智能洒布机综合了单料沥青洒布机和手动洒布车的结构优势，并结合环氧沥青材料的独特性能和施工工艺要求，增置1套清洗系统、1套双料混合系统和1套物料储存加热系统，2套物料系统在单元智能化技术的控制下协同动作，保证两种物料充分混合及喷洒过程的同步完成。

1.3 单元智能化技术

该技术兼具信息收集、储存及传输，故障诊断及系统维护等功能。环氧沥青智能洒布机包含材料加热、温度检测、气路控制、循环输送等系统，功能复杂，故单元智能化技术主要解决以下问题：

（1）通过1个PLC、2个变频调速器及其余辅助模块操控混合喷洒系统、物料循环系统、气路控制系统，保证环氧沥青材料自动化洒布，并通过编程器编辑相应程序以满足物料配比和工艺流程方面的要求。

（2）环氧沥青材料配比及洒布量设定好后必须保持恒定，由智能洒布机控制系统结合洒布宽度、行进速度等的变化实时调节输送泵转动速度，避免洒布量和材料配比随洒布宽度和行进速度的改变而改变；通过单元智能化技术，将该公路工程环氧沥青洒布量计量系统精度控制在±2%范围内。该技术主要将智能洒布车行进速度以及椭圆齿轮流量计所测得的实际流量等运行数据输入微处理控制器，并将参数实际值和预定值进行对比，通过输出信号控制输送泵排量，保证洒布量稳定。

（3）人机交互界面提供数据设定和显示功能，即使在强振、高温条件下也能保证运行的可靠性和控制精度。

（4）环氧沥青智能洒布机在树脂箱、导热油箱和沥青箱内设置3个温度控制点，其中树脂箱温度必须控制在100 ℃以下，如果达到该温度水平，在单元智能化技术的控制下设备将自动停止树脂箱中循环加热，并调节至热油加热循环阀门，待导热油和沥青箱体同时达到设定温度后方停止运行。

2 环氧沥青智能洒布机的应用

某新建高速公路预计交通量较大，为避免部分路段路面结构层在较大交通量的反复碾压下发生破损等病害，决定进行环氧沥青铺装罩面。该次施工起讫桩号K410+200～K411+400的一个标段，路段长1 200 m，在沥青混凝土面层上喷洒环氧沥青黏结层，为提升工效，保证施工质量，决定使用环氧沥青智能洒布机。

2.1 机械选用及改进

该高速公路环氧沥青洒布主要采用智能洒布机，设备技术参数详见表1。为保证环氧沥青洒布施工过程连续供料，还应配备环氧沥青施工补给车，省去智能洒布机回程加料时间，确保工序无缝衔接。该公路工程所用环氧沥青施工补给车性能参数见表2。

表1 环氧沥青智能洒布机技术参数

表2 环氧沥青施工补给车性能参数

当前，用于环氧沥青黏结层洒布的机械大多采用电加热保温方式，且树脂储罐和环氧沥青储罐容量偏小，无法喷洒长度600 m以上的路面，喷洒施工过程中还存在严重的环境污染问题。考虑到该高速公路工程施工量较大，如果采用储量较小的储罐，则洒布面积小，会降低喷洒速度，洒布机需要中途返回拌和站加料，再加上清洗、接顺等工序，非常耗时。为此进行了环氧沥青储罐和树脂储罐的改进处理，改进后的A组份、B组份储罐可满足长1 200 m、宽4.0 m路面的一次性喷洒，能满足当天洒布、当天铺筑完成的工程目标，施工损耗也大大降低，工效提升。同时，A组份、B组份储罐还加装了搅拌装置（见图2），能保证A组份、B组份加热更加均匀，防止材料局部过热而影响路用性能。

图2 储罐搅拌装置

2.2 洒布比例和洒布量控制

每m2环氧沥青洒布量=（泵排量/泵转速）/（洒布宽度*洒布机行进速度），考虑到环氧沥青洒布机是通过两个泵按设计比混合后再喷洒，所以洒布量的确定过程较为复杂[2]。一般先假设洒布机行进速度为5 km/h，A组份：B组份为1∶2，环氧沥青喷洒量0.8 kg/m2，洒布宽度3.0 m，则洒布机行进1 s的洒布面积为5 m2，该面积上所洒布的环氧沥青量为4 kg，结合A组份、B组份设计配比，则该面积上所需A组份、B组份分别为1.34 kg和2.67 kg。根据各泵1 s的排出量计算A组份、B组份流量，并以此为设定流量。

事实上，A组份、B组份进入混合器混合后会产生背压，导致两个泵按照设计转速所排出的混合物料比理论值小，为此，该工程环氧沥青智能洒布机增加了物料流量计反馈功能，若实际流量＜设计流量，流量计反馈、变频器PLC调节，泵转速会随之增大，使实际流量增大至设计流量；相反，若实际流量＜设计流量，则流量计反馈、变频器PLC调节，泵转速会随之减小，实际流量降低至设定流量。

2.3 喷头改进

为提升洒布效率，避免人工喷洒造成的污染，必须提前遮盖，并在洒布机边缘以及和铺装层接触的结构物表面增设塑料薄膜等覆盖材料。该工程环氧沥青智能洒布机有4个喷头，间距可调整，喷洒幅度范围在2.5～5.5 m，且喷头处安装有防护罩，能有效避免对周围设施及环境的污染。

2.4 加热系统合理配置

该工程所使用环氧沥青智能洒布机属于按比例同时完成双组份反应材料的混合喷洒设备，并能根据施工工艺要求达到稳定可靠状态。所采用的双组份反应材料在低温时流动性不良，随着温度升高至设计温度，发生化学反应后形成固化物[3]，所以，机械加热系统是决定反应材料加热性能的关键。

原储罐加热系统主要按照储罐外层缠绕中温伴热带并通电的加热方案，电能消耗大，供热量小，且材料加热过程升温缓慢，影响施工进度；电加热零部件故障也是频繁发生。改用导热油加热后升温快速，且加热均匀，能连续进行A组份和B组份加热升温，整个过程由计算机智能控制。在机构设计方面，尽可能缩短混合器之后的管路长度，并为喷洒杆设定中心加热方式，为其余管路设定外置加热方式，弯头部位不设立导热油加热，仅增设5 mm厚岩棉保护层，确保双组份反应材料流动性的同时，延缓形成固化物的化学反应速度。改进后的加热系统见图3。

3 应用效果

该高速公路铺装长度1 200 m，面积4.06×104m2，铺装层采用双层环氧沥青混凝土结构，上下面层厚度分别为2.5 cm和3.0 cm，上下面层之间施工环氧黏结层。施工结束后环氧沥青智能洒布机施工效果检测结果表明，A组份、B组份比例控制准确，具体包括总量检验和实验室检测。

（1）总量检测。A组份、B组份装好后过磅验重，待环氧沥青洒布结束后再次过磅验重，进行实际使用量的计算；防水黏结层和黏结层环氧沥青洒布量分别为0.68±0.05 L/m2和0.45±0.05 L/m2，据此进行理论洒布量的计算，偏差未超出控制范围，A组份、B组份总量符合设计要求。

（2）实验室检测。按照A组份∶B组份=1∶4.45的比例制备标准试件，并按照相关规范检测其抗拉强度和断裂延伸率[4]，以此为标准数据。喷洒施工过程中在喷洒作业面通过容器随机接黏结料，混合后成型试件，并根据规范要求进行试件断裂延伸率和抗拉强度等的检测，进行其合格性的判断。根据判断，试验结果和标准试件十分接近，表明A组份、B组份比例较为准确。

结合类似工程施工经验，若不使用环氧沥青智能洒布机，黏结料喷洒施工平均耗时5～6 h/条，再加上预加热及中途加料等操作，黏结料施工时间平均为10 h/条，所以环氧沥青混合料摊铺过程只能转天安排，黏结层洒布后的摊铺施工必须在48 h内完成，对施工组织安排要求较高。而使用环氧沥青智能洒布机后，黏结料喷洒施工耗时仅需1.5～2.0 h/条，预热和加料时间考虑进去后，共需要4 h/条，能实现当天洒布、当天摊铺，工效显著提升。与此同时，环氧沥青智能洒布机使用后人工使用量从过去的15人左右降至6人，劳动量显著下降，且施工环境明显改善。

4 结论

环氧沥青智能洒布机在该高速公路工程中的成功应用表明，该机械能进行A组份、B组份组份掺配比例的智能控制和及时调整，出现较大偏差时能自动停机，具有手动操作和自动操作两种模式，计算机系统根据车底盘所安装的测速传感器进行速度监测，并通过变频器进行泵转数控制，还能根据路面宽度进行喷洒范围的自动调节，性能稳定；并具有喷洒速度快、机械效率高，喷洒均匀，节约人工，洒布量及温度可控，环境污染少等性能优势，当前喷洒当天施工，经济效益、环境效益和社会效益十分显著。