【封面人物】為公路病害把脈問診的姚懷新教授

        提起姚懷新教授，熟悉的人都說他是個(gè)神醫(yī)，諳熟傳統(tǒng)中醫(yī)，常常給朋友把脈問診，專治疑難雜癥。但其實(shí)他是長(zhǎng)安大學(xué)機(jī)械學(xué)院博士、教授、研究生導(dǎo)師，在工程機(jī)械液壓傳動(dòng)與控制、工程機(jī)械液壓牽引動(dòng)力學(xué)；筑路機(jī)械施工質(zhì)量控制技術(shù)等領(lǐng)域頗有建樹。撰寫論文60 余篇，主持編寫的《工程機(jī)械設(shè)計(jì)》、《工程車輛液壓動(dòng)力學(xué)》等著作在人民交通出版社出版。20 年來，發(fā)揮自己專業(yè)特長(zhǎng)，為根治公路建設(shè)病害，提高建設(shè)質(zhì)量把脈問診。

        改革開放以來，我國(guó)公路建設(shè)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，取得了巨大成就。然而在輝煌表象背后，公路使用壽命短，過早進(jìn)入大修周期的頑疾仍無法回避，造成行車速度驟減，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用驟增，道路運(yùn)行受阻，這些早期病害產(chǎn)生的主要原因之一是傳統(tǒng)設(shè)備、傳統(tǒng)施工工藝造成的路基不實(shí)及路面攤鋪離析。

        1997 年8 月，一批高級(jí)工程技術(shù)人員、學(xué)者、專家、教授走到一起，秉承“造最好的筑路設(shè)備，建最好的高速公路”的理念，以技術(shù)創(chuàng)新為主題，以路基強(qiáng)力壓實(shí)及路面抗離析為研究方向，在西安創(chuàng)辦了研制特種高端成套設(shè)備的企業(yè)——中大機(jī)械。他們執(zhí)念提升公路建設(shè)施工質(zhì)量，篤定解決瀝青粒料攤鋪離析難題，締造出一段公路建設(shè)行業(yè)破解離析難題的精彩傳奇。

        本期《封面人物》專訪姚懷新教授，聽他聊聊大寬度抗離析攤鋪的那些事兒。

    “在施工過程中攤鋪質(zhì)量的好壞是公路使用壽命的關(guān)鍵因素之一。”

        提高公路施工質(zhì)量和使用壽命是公路建設(shè)者追求的目標(biāo)，這些年來公路建設(shè)行業(yè)做了很多研究探索實(shí)踐，比如在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、材料選用以及施工過程的管理和控制等等方面，包括車輛超載的管理，目的就是一個(gè)：提高我國(guó)公路的使用壽命。但實(shí)踐中并不盡如人意，設(shè)計(jì)壽命十幾年才需要大修的公路，往往是使用了四五年就需要進(jìn)入大修周期。問題出在什么地方？

        精通醫(yī)理的姚懷新教授從不拘泥于事物表象，而是直觸病根，探尋本源，這也是他多年來將研究方向聚焦在公路攤鋪抗離析領(lǐng)域的成功所在。

        姚懷新教授認(rèn)為，攤鋪離析是造成公路使用壽命大幅縮短的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)很多高速公路，采用相同的設(shè)計(jì)，相同的材料，相同的施工管理，相同的車流量負(fù)荷，但是在施工時(shí)使用傳統(tǒng)攤鋪機(jī)往往幾年就出現(xiàn)了坑洞和修補(bǔ)，而抗離析攤鋪機(jī)攤鋪施工的公路，十年沒有大修。這種現(xiàn)象足以說明在施工過程中攤鋪質(zhì)量的好壞是公路使用壽命的關(guān)鍵因素之一。

        姚懷新教授進(jìn)一步解釋說，路面機(jī)械和通用的土石方工程機(jī)械大不相同。通用型的工程機(jī)械例如裝載機(jī)、挖掘機(jī)等追求的是工作效率和生產(chǎn)率，而路面機(jī)械首先要追求并保證的是施工作業(yè)質(zhì)量。例如攤鋪機(jī)，首先要保證攤鋪不離析、平整度等作業(yè)質(zhì)量。

        在路面機(jī)械各個(gè)門類中又有所不同，瀝青拌合站和壓路機(jī)這類設(shè)備通過結(jié)構(gòu)和參數(shù)等控制，就可以解決施工作業(yè)質(zhì)量的問題，而攤鋪機(jī)恰恰沒有這些結(jié)構(gòu)和參數(shù)的強(qiáng)制性要求，沒有人提出攤鋪機(jī)必須保證哪些參數(shù)，必須具備什么樣的結(jié)構(gòu)，就能夠保證攤鋪的瀝青或者水穩(wěn)層不離析。

在港珠澳大橋沉管隧道攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的DT2000

        盡管公路施工提出了最終的驗(yàn)收指標(biāo)，但這些都不是設(shè)備的過程保證指標(biāo)。姚懷新教授一針見血地指出，傳統(tǒng)的攤鋪機(jī)在這個(gè)問題上恰恰是追求了效率，而疏忽了質(zhì)量，把攤鋪機(jī)等同于沒有作業(yè)質(zhì)量要求的通用型工程機(jī)械，造成了攤鋪離析的大問題。

    由中大機(jī)械攤鋪完成的港珠澳大橋沉管隧道路面，實(shí)現(xiàn)了光潔如鏡均勻如織

        是否可以通過改變傳統(tǒng)攤鋪機(jī)的結(jié)構(gòu)，并且通過保證攤鋪過程中的參數(shù)，來保證攤鋪的粒料不離析呢？姚懷新教授通過多年的研究和實(shí)踐證明，這個(gè)思路是可行的。攤鋪機(jī)必須要具備三種結(jié)構(gòu)或者參數(shù)來確保攤鋪過程不離析。

        現(xiàn)代公路路面材料粒徑加大，攤鋪厚度加大，瀝青碎石可達(dá)到20cm，水穩(wěn)層更厚，材料在由攪拌站到熨平板攤鋪的過程中，離析環(huán)節(jié)增多（攪拌站卸料、料車卸料、攤鋪機(jī)收斗、螺旋布料、前擋料板下方漏料等等），僅靠2/3螺旋料位高度是不夠的。混合料滿埋螺旋也只能解決螺旋向兩側(cè)布料自身不離析的問題，而不能有效解決前道工序產(chǎn)生的離析，不能解決隨著攤鋪厚度增加前擋料板下方大料滾落的問題。公路施工規(guī)范中為了防止這些離析，要求不能一次性攤鋪大寬度，要求使用雙機(jī)攤鋪等工藝來保證，但是又造成了片狀離析，溫度離析、并機(jī)接縫等等問題。

泉州灣跨海大橋半幅19.5 米一次攤鋪完成

        圍繞攤鋪離析難題，姚懷新和中大機(jī)械科研團(tuán)隊(duì)不懈努力尋求有效和方便的解決方案，由此誕生了現(xiàn)代抗離析攤鋪機(jī)的核心理念：封閉式料倉(cāng)，混合料滿埋螺旋二次強(qiáng)制攪拌。姚懷新教授將抗離析核心理念以及實(shí)施效果歸結(jié)為以下三點(diǎn)：

        第一、前擋料板和兩端卸荷口加彈性擋板形成封閉式攪拌工作倉(cāng)，不使大料滾落產(chǎn)生豎向離析，也可以使螺旋在封閉式料倉(cāng)中強(qiáng)制擠壓攪拌，真正實(shí)現(xiàn)終端二次攪拌。

        第二、增加螺旋直徑、增大攪拌深度，混合料滿埋螺旋，提高二次攪拌能力，改善前道工藝離析。

        第三、增大料槽前后寬度和料位高度以增大料倉(cāng)儲(chǔ)料容量，使前道工序產(chǎn)生的離析材料與料倉(cāng)原有的合格材料相比，比例減小，通過螺旋二次攪拌而復(fù)原。

    “新工法的實(shí)現(xiàn)必須要有抗離析攤鋪機(jī)做保證，特點(diǎn)就是二次強(qiáng)制攪拌，沒有這個(gè)結(jié)構(gòu)就稱不上是抗離析攤鋪機(jī)。”

        姚懷新教授具體解釋說，在熨平板前面的螺旋布料機(jī)位置采用封閉料槽的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，形成高料位，將螺旋埋在混合料下面，這就是封閉式料倉(cāng)的工作原理。

        這個(gè)過程實(shí)際上是模擬瀝青攪拌站的工作原理，在攤鋪前對(duì)混合料又加了一道攪拌的工序，這就把混合料由自卸車傾瀉入攤鋪機(jī)前產(chǎn)生的離析問題解決了。

        通過強(qiáng)制的擠壓攪拌，不僅解決了離析問題，而且混合料預(yù)密實(shí)度也提高了。尤其是攤鋪水穩(wěn)層，提高密實(shí)度后，由此降低了路面松鋪系數(shù)，碾壓以后形成的平整度也由此提高。                           

        對(duì)于有觀點(diǎn)提到的通過增大攤鋪機(jī)振動(dòng)梁夯錘振幅來提高密實(shí)度，姚懷新教授認(rèn)為夯錘的振幅和頻率的提高，對(duì)于水穩(wěn)層預(yù)密實(shí)度的提高并沒有實(shí)際作用。夯錘的振幅只有兩三個(gè)毫米，水穩(wěn)層厚度在40 公分左右，兩三個(gè)毫米的下降量對(duì)40 公分的高度上，并不能增加多少的預(yù)密實(shí)度，夯錘的兩三個(gè)毫米的壓實(shí)量，主要是針對(duì)瀝青攤鋪提高密實(shí)度，對(duì)于大厚度的水穩(wěn)層攤鋪來說并沒有實(shí)際作用。

在陜西寶漢高速平漢段上攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的DT1900

        那么水穩(wěn)層攤鋪如何提高密實(shí)度呢？姚懷新教授提出必須要依靠攤鋪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)將攤鋪料強(qiáng)制密實(shí)。如果內(nèi)部的預(yù)密實(shí)度不高，或者預(yù)密實(shí)度不均勻的話，即使表面再抹平，但是碾壓下去就容易暴露出問題。也就是說提高大厚度水穩(wěn)層的預(yù)密實(shí)度，是保證水穩(wěn)層攤鋪平整度的條件。解決辦法是通過強(qiáng)制的擠壓，讓內(nèi)部均勻密實(shí)，而不是夯錘。具備這種作業(yè)原理的攤鋪機(jī)才可以稱作現(xiàn)代抗離析攤鋪機(jī)。

        姚懷新教授總結(jié)到，正是因?yàn)榻鉀Q了離析問題，才可以突破傳統(tǒng)的工法，實(shí)現(xiàn)瀝青的大寬幅攤鋪，實(shí)現(xiàn)水穩(wěn)層上下兩層一起攤鋪。新工法的實(shí)現(xiàn)必須要有抗離析攤鋪機(jī)做保證，抗離析攤鋪機(jī)的特點(diǎn)就是二次強(qiáng)制攪拌，這是必須要達(dá)到的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沒有這個(gè)結(jié)構(gòu)就稱不上是抗離析攤鋪機(jī)。

    “單純提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而不加大螺旋驅(qū)動(dòng)功率，根本無法實(shí)現(xiàn)抗離析攤鋪。”

        在機(jī)器的功率配置上，姚懷新教授指出，現(xiàn)代抗離析攤鋪機(jī)相比傳統(tǒng)攤鋪機(jī)，必須要在強(qiáng)制攪拌的功率，也就是螺旋的功率上大大增加。傳統(tǒng)攤鋪機(jī)螺旋的驅(qū)動(dòng)功率是整機(jī)功率的三分之一，而抗離析強(qiáng)制攪拌攤鋪機(jī)，螺旋功率要占到整機(jī)功率的三分之二以上，比傳統(tǒng)攤鋪機(jī)的螺旋攪拌功率大一倍，這是抗離析攤鋪機(jī)實(shí)現(xiàn)抗離析攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的強(qiáng)制性要求。

        近幾年市面上出現(xiàn)一些所謂的“抗離析攤鋪機(jī)”，僅僅是提高了整機(jī)功率，姚懷新教授毫不留情地批判到，單純提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而不加大螺旋驅(qū)動(dòng)功率，根本無法實(shí)現(xiàn)抗離析攤鋪?？闺x析攤鋪機(jī)可以提高攤鋪速度，提高攤鋪厚度，提高作業(yè)效率，而這些效果必須都是在滿足作業(yè)質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)。無法滿足作業(yè)質(zhì)量，單獨(dú)提到任何一項(xiàng)效果都是一種不負(fù)責(zé)任的浮夸。

        因此，姚懷新教授強(qiáng)烈建議將攤鋪機(jī)螺旋料位高度、封閉料倉(cāng)、驅(qū)動(dòng)功率等抗離析條件作為攤鋪機(jī)的技術(shù)條件和施工規(guī)范的約束條件。以此正本清源，抵制利用抗離析攤鋪的概念混淆視聽、浮夸營(yíng)銷的錯(cuò)誤行徑。

        黨的十九大報(bào)告明確指出，堅(jiān)持質(zhì)量第一、效益優(yōu)先，突出關(guān)鍵共性技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)創(chuàng)新，在質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革中推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展，為建設(shè)質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)等提供有力支撐。這些重要要求，從全局和戰(zhàn)略高度指明了公路水運(yùn)工程質(zhì)量提升的主要目標(biāo)和努力方向。

        在以往高等級(jí)公路的建設(shè)中，路面的底基層、基層和面層攤鋪，同一種集料本應(yīng)全寬全厚攤鋪，由于受攤鋪設(shè)備和壓實(shí)設(shè)備能力限制，水穩(wěn)層的分層并機(jī)攤鋪和瀝青層的并機(jī)攤鋪，是不得已而為之的辦法。如今，陜西中大機(jī)械抗離析攤鋪工藝設(shè)備已經(jīng)越來越成熟，經(jīng)過時(shí)間的驗(yàn)證，使用抗離析、大寬度、大厚度整體成型新工藝及其配套的特種成套高端設(shè)備建設(shè)的路面，很多都通車十年仍然無坑洞、補(bǔ)丁，使高速公路的使用壽命延長(zhǎng)了一倍以上，并且成功實(shí)現(xiàn)了20 米泉州灣跨海大橋的一次性抗離析攤鋪，得到越來越多公路建設(shè)者的青睞。在舉世矚目的港珠澳大橋島隧工程路面攤鋪建設(shè)中也立下赫赫戰(zhàn)功，被中央電視臺(tái)新聞聯(lián)播報(bào)道，代表中國(guó)自主研制的大國(guó)重器在伶仃洋上鋪出最美彩虹。

        20 年彈指一揮間，中國(guó)通車的高速公路已經(jīng)超過13 萬(wàn)公里，中大機(jī)械設(shè)備參建了其中的4 萬(wàn)多公里，獲得贊譽(yù)無數(shù)。面對(duì)成績(jī)，姚懷新教授始終保持著傳統(tǒng)老中醫(yī)的內(nèi)斂和堅(jiān)韌。“交通強(qiáng)國(guó)要依靠一個(gè)又一個(gè)的品質(zhì)工程來實(shí)現(xiàn)，而打造品質(zhì)工程最經(jīng)濟(jì)有效的辦法是采用先進(jìn)的設(shè)備和工藝。”

        路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。