（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料离析机理与评价指标.pdf

两晏 由于级配、温度和施工等因素的影响，沥青混合料在施工过程会产生离析，如不能 及时检测和判别混合料的离析程度，采取相应的处治措施，则碾压后将形成路面离析， 从而导致各种路面早期病害现象发生，大大缩短沥青路面的使用寿命。通过现场测试和 取样进行室内试验，建立了混合料离析与路面离析的关系，提出了沥青混合料离析的概 念及混合料离析的温差和配比特性，按照混合料的施工特点，把混合料离析分为集料离 析、温度离析和摊铺离析。 采用软球颗粒碰撞模型分析了混合料颗粒在自重作用下的接触力和接触力矩，及自 重作用下混合料离析的原因。研究认为不同的混合料类型，会产生不同的颗粒接触力和 接触力矩，产生接触力小和接触力矩大的混合料，施工过程就容易发生离析。采用颗粒 运动和动力学方法分析了在外力作用下混合料离析的根本原因。研究认为当颗粒距轴线 的距离在0 1 - - 0 6 倍的螺距时，圆周速度大于轴向速度很多，使混合料沿着合成速度方 向抛射，形成一股颗粒物料流，容易造成沥青混合料的离析。 首次以休止角的形成建立混合料离析模型，采用混合料的运动距离来描述混合料的 分离程度，提出混合料的离析指标，根据软球颗粒碰撞理论开发沥青混合料离析测定仪， 推导出离析势能指数的计算公式。通过对c 项目的现场离析势能指数试验，在碾压后相 应的位置，采用视觉观察法观察离析程度和铺砂法现场测定构造深度，建立构造深度与 离析势能指数的关系、路面离析等级与离析势能指数的关系，通过试验对比和不同温度 下的离析势能指数试验，提出公称最大粒径1 6 m m 的离析势能指数标准，依据标准将混 合料离析分为无离析、轻微离析、中等离析和严重离析四个等级。 首次采用p f c 2 d 程序的线性接触刚度模型，选取颗粒和墙体参数，按设计质量的 百分比换算成颗粒数量，按照高斯分布规律排列颗粒构成，对贝雷法设计的公称最大粒 径为1 6 m m 的级配c a 0 2 、c a 0 4 、c a 0 5 、c a 0 6 、c a 0 8 进行堆积模拟，在重力作用 下形成自然堆积，测定混合料基本稳定时的滚动距离来判断混合料的分离程度，得到结 果与离析势能指数的测定结果完全一致。在贝雷设计方法的基础上，提出减小混合料离 析的设计方法，结合摊铺机的构造提出控制混合料离析的处治措施。 关键词：颗粒力学，软球模型，运动和动力学分析，沥青混合料离析，离析势能指数， 离析测定仪，离析势能指数标准，线性接触模型，颗粒流模拟 a b s t r a c t s e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r er e s u l t sf r o mg r a d a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n dc o n s t r u c t i o nf a c t o r d u r i n gc o n s t r u c t i o n b u tw ec a n n o tp r o m p t l yd e t e c t sa n dd i f f e r e n t i a t e ss e g r e g a t i o ng r a d eo f a s p h a l tm i x t u r e m e a n w h i l e ，s e l e c t sc o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n tm e t h o d sw i t hi t s ot h a tt h e r ei s p a v e m e n ts e g r e g a t i o ni nt h ee n d ，i t sw o r k i n gl i f ei ss h a r p l ys h o r t e n e d t h i sp a p e ra n a l y s e s r e l a t i o n ss e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ew i t hp a v e m e n ts e g r e g a t i o nw i t ht h eh e l po ft e s t i n go n t h es p o ta n di n t e r i o re x p e r i m e n t s u m su pd e f i n i t i o nf o rs e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r eo nt h e b a s i so fc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o no fa s p h a l tm i x t u r e ，a n dg e n e r a l i z e st e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e a n dg r a d a t i o nr a t i op r o p e r t yo fa s p h a l tm i x t u r e a c c o r d i n gt oc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o no f a s p h a l tm i x t u r e ，d i v i d e ss e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ei n t oa g g r e g a t i o ns e g r e g a t i o n ， t e m p e r a t u r es e g r e g a t i o na n dp a v i n gs e g r e g a t i o n a n a l y s e sc o n t a c tf o r c ea n dc o n t a c tm o m e n to fa s p h a l tm i x t u r eu n d e ro w nw e i g h td u r i n g e a c hp a r t i c l em o v i n gw i t hs o f tb a l lm o d e la b o u tp a r t i c l em e c h a n i c s r e s e a r c hr e s u l ts h o w s t h a td i f f e r e n tt y p ec a nd i f f e r e n tc o n t a c tf o r c ea n dc o n t a c tm o m e n t ，i tm a yc a u s e sl i a b l e s e g r e g a t i o nf o rs m a l l e rc o n t a c tf o r c ea n ds t r o n g e rc o n t a c tm o m e n t m e a n w h i l e ，a n a l y s e st h e b a s i cs e g r e g a t i o nr e a s o nu n d e re x t e r n a lf o r c ew i t hm o t i o na n dk i n e m a t i c a la n a l y s i sm e t h o d s r e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a ti tm a yc a u s e sl i a b l es e g r e g a t i o nw h e nd i s t a n c eb e t w e e np a r t i c l e a n ds p r e a d e ri sf r o m0 1t o0 6s p r e a do fa x l e s ，r e s u l t si nc i r c u l a rv e l o c i t yi sm u c hf a s t e ra x i a l v e l o c i t y , m a k e sa s p h a l tm i x t u r em o v i n ga l o n ga g g r e g a t ev e l o c i t y f i r s t l y , p u t sf o r w a r ds e g r e g a t i o nm o d e lw i t ht h eh e l po fa n g l eo fr e p o s e d e s c r i b e ss e p a r - a t i o nd e g r e ei nv i e wo fm o v i n gd i s t a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ea n d p o i n t so u ts e g r e g a t i o ni n d e x ， a n d d e v e l o p si n s t r u m e n t sf o rt e s t i n gs e g r e g a t i o na n dd e d u c e sc a l c u l a t ee q u a t i o nf o rs e g r e g a t i - a t i o ni n d e xo f p o t e n t i a le n e r g y i nt h el i g h to ft h es o f tb a l li m p a c t e dm e c h a n i c s s e g r e g a t i o n i n d e xo fp o t e n t i a le n e r g yr e l a t i o nt ot h et e x t u r ed e e pa n dp a v e m e n ts e g r e g a t i o nw e r ee s t a b l i - s h e di nt h ec p r o j e c to nt h es p o tb yv i s u a li d e n t i f i c a t i o na n dt h es a n dp a t c hm e t h o d i n d i c a t e s t h es t a n d a r do fs e g r e g a t i o ni n d e xo fp o t e n t i a le n e r g ya b o u tm a x i m u mn o m i n a lp a r t i c l es i z e16 m m ，a n dd i v i d e ss e g r e g a t i o ng r a d eo fa s p h a l tm i x t u r ei n t on os e g r e g a t i o n ，l o ws e g r e g a t i o n ， m i d d l es e g r e g a t i o na n dh i g hs e g r e g a t i o n m o v e m e n tb e h a v i o r so fa s p h a l tm i x t u r ei se x p l a i n e da n da n a l y s e dw i t ht h el i n e a rc o n t a c t m o d e lo nt h eb a s i so fp a r t i c l em e c h a n i c sb a s i ct h e o r yo fm o t i o nl a wa n df o r c e d i s p l a c e m e n t l a w a l lo fp a r t i c l e sc o m p l i e sw i t hg a u s s i a nd i s t r i b u t i o n ，m e a n w h i l ec a l c u l a t e sp a r t i c l e n u m b e r sa c c o r d i n gt om a s sp e r c e n t a g e ，a n ds e l e c t sp a r a m e t e ro fp a r t i c l ea n dw a l l t h e g r a d a t i o no fb a i l e ym e t h o da b o u tt h em a x i m u mn o m i n a lp a r t i c l e d i a m e t e r 1 6m mi s s i m u l a t e db yp f c 2 d ，s u c ha sc a 0 2 ，c a 0 4 ，c a 0 5 ，c a 0 6 ，c a 0 8 d e t e r m i n em o v e a b i l i t yo f a s p h a l tm i x t u r et h r o u g hr o l l i n gd i s t a n c eo fa c c u m u l a t i o np a r t i c l ei t sw h e na s p h a l tm i x t u r ei s s t a b l ea tt h eg r a v i t a t i o n c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l ti si d e n t i c a lt ot e s t i n gr e s u l t o nt h eb a s i s o fb a i l e yd e s i g nm e t h o d ，r e a c h e sr e d u c i n gs e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e ，a n dc o n t r o l si t t r e a t m e n tm e t h o d si nv i e wo ft h ep a v e rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i cd u r i n gc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：p a r t i c l em e c h a n i c s ， s o f tb a l lm o d e l ，m o t i o na n dk i n e m a t i c a la n a l y s i s ， s e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e ，s e g r e g a t i o ni n d e xo fp o t e n t i a le n e r g y ，i n s t r u m e n t sf o rt e s t i n g s e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e ，t h es t a n d a r do fs e g r e g a t i o ni n d e xo fp o t e n t i a le n e r g y ，t h e l i n e a rc o n t a c tm o d e l ，p a r t i c l e f l o ws i m u l a t i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：7 毋易月，乡日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 为_ 纷彩月纷日 d 矽年6 月t 8 目 k 安大学博 位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 11 1 沥青路面早期破坏 近年来，沥青路面的早期破坏现象十分普遍，实际上，使用一年以上的高速公路都 存在不同程度的水破坏差别在于部分高速公路破坏现象严重，部分破坏现象较轻。调 查资料表明，2 0 世纪8 0 年代，美国对沥青路面的设计使用寿命为2 0 年，但实际使用寿 命为8 1 2 年：而我国高速公路沥青路面的设计使用寿命为1 5 年，但大部分高速公路 在通车后l 3 年，都不同程度地发生早期破坏现象。 沙庆林院士在分析沥青路面早期破坏现象时认为沥青混合料集料离析和温度离析 是造成路面不均匀性的一个重要原因。由于路面的局部离析，造成部分区域路面的空隙 变大，使降落在路表面的部分水，无法通过路拱排向路肩，而是直接通过这些缝隙或面 层空隙下渗到路面结构内，渗入路面结构层内的地表水和自由水，不能尽快地排到路面 外，而滞留在路面结构层内，在行车荷载的作用下，产生较大的毛细水压力，对路面造 成冲刷破坏，削弱了沥青和石料间的粘结力，由于汽车轮胎对路面的挤压、搓揉作用， 进一步加快了沥青的剥落，直至路面出现水破坏、坑槽等早期破坏现象，如图1l 所示。 燃 瓣麓露熬。 图1 1 沥青路面局慧! ! ! 戆一 ， 圈12 沥青路面纵向裂缝 麓 第一章绪论 或者由于摊铺机的结构原因，在熨平板的中缝、每个螺旋支撑处和螺旋链轮箱( 中置驱 动链轮箱) 下方，填料不够充分，螺旋支撑阻滞混合料流动，形成带状离析，在车辆和 自然因素的作用下，很快就发生纵向裂缝，如图1 2 所示。 1 1 2 路面离析对路用性能的影响 由于路面离析导致路面的使用性能大大降低，分别在e 项目和h 项目不同路面离 析处取样，进行渗透性、抗拉强度、回弹模量和车辙试验，试验数据如表1 1 所示。 表1 1 路面离析对路用性能的影响 路面离析等级 检测内容e 项目h 项目 无轻微中等严重细集料无中等 严重 渗透性( c m s ) 0 0 30 0 60 1 7o 5 9o 1 3o 1 00 7 81 1 4 抗拉强度 干9 2 38 8 78 1 24 6 49 6 08 9 95 1 43 1 6 ( k p a ) 湿6 8 06 0 94 9 33 7 66 0 57 3 53 6 61 4 8 动回弹 4 1 4 2 4 81 2 5 5 61 1 8 0 91 4 2 1 81 7 2 0 41 1 7 6 17 7 1 8 模量 2 5 4 2 3 93 0 6 32 5 2 85 1 7 65 2 3 23 2 7 5 2 5 7 0 ( m p a ) 4 0 1 0 5 61 4 0 81 0 2 19 4 48 8 98 4 67 8 9 回弹 4 8 1 6 29 3 3 01 0 5 9 95 9 3 49 8 8 79 1 4 76 7 1 15 0 3 5 模量 2 5 4 2 l1 3 2 6 8 3 4 6 83 5 0 04 1 6 94 5 0 73 5 4 92 2 1 8 ( m p 幻 4 0 1 6 2 01 9 0 l1 5 7 01 2 1 81 0 1 72 0 7 71 5 0 77 7 5 车辙深度 千 3 74 52 02 21 3 23 02 12 9 ( m m ) 湿1 2 31 2 o1 4 81 6 31 6 74 14 06 0 附注： 1 “一”表示无芯样： 2 车辙深度是指在6 0 。c 条件下，行驶轮行走1 0 0 0 0 循环后所得深度。 ( 1 ) 渗透性 从表1 1 可以看出，没有发生离析的位置渗透性最低，细集料离析的试样其渗透速 率比不产生离析的试样略微小，这是由于细集料相互聚集，孔隙率变小的缘故；对于发 生粗集料离析的位置其渗透性明显增加，透水能力大大增强，发生早期破坏的现象更加 严重。 2 长安人学博士学位论文 ( 2 ) 抗拉强度 从表1 1 可以看出，沥青路面离析随着离析等级的升高，其抗拉强度就会减小，当 发生严重离析时，其抗拉强度仅为设计状态的3 0 - - - 5 0 ，在潮湿的条件下，抗拉强度 下降的趋势进一步加大。而发生细集料和低等级离析时，抗拉强度变化不太明显。 ( 3 ) 回弹模量 从表1 1 可以看出，对于轻微离析，沥青混合料的抗拉强度和回弹模量的影响较小， 随着离析等级的升高，离析对路用性能的影响明显增大。对于细集料离析，回弹模量的 变化较小，对于中等离析和严重离析，其回弹模量降低到无离析状态的5 0 - - 7 0 。 ( 4 ) 车辙深度 从表1 1 可以看出，沥青路面的离析对车辙的影响较小，在产生细集料离析时，车 辙深度才比较大；在粗集料产生离析时，无论在干燥或者湿润条件下，对车辙的影响是 甚微的，且潮湿条件下的车辙比干燥条件下产生的车辙要大一些。 从上面试验结果可以看出，由于发生路面离析，大大地降低路面的使用性能。因此， 应加大路面离析的形成原因、预防措施和过程检测的研究，在施工过程能及时发现离析， 并采取有效的防治措施，减小路面离析的发生，从而提高路面的使用寿命。 1 1 3 沥青路面破坏的形成原因 通过对早期破坏现象严重的公路进行调查和试验分析，认为沥青路面因混合料的性 能而遭到破坏的原因主要有： ( 1 ) 沥青混合料的施工均匀性差 在调查沥青路面水损害破坏时，发现任何一条高速公路的早期破坏现象是局部发生 的，可能是一个或几个坑，也可能是一小片或一小段的破坏，或者是一条高速公路中的 几个标段发生。同样有雨水作用，同样有车辆荷载的作用，为什么没有全部出现破坏呢? 应该从沥青路面及混合料的内部、从沥青混合料的局部特点去找破坏的原因。通过野外 调查发现，沥青混合料施工的均匀性是造成路面局部损坏的根本原因。因此，必须认真 研究沥青混合料的设计和施工的均匀性问题。 沥青混合料的施工均匀性包括压实温度的均匀性、混合料的级配均匀性、拌和的均 匀性、粗细集料的聚集和分散程度、形成路面的空隙率的一致性和层厚的一致性。沥青 混合料的施工均匀性愈好，其强度就愈均匀，面层表面的薄弱处也就愈少，发生破坏现 象就愈少。沥青混合料的施工均匀性主要表现在两个方面： 3 第一章绪论 1 ) 压实温度的影响 沥青混合料的压实温度对路用性能的影响较大，在混合料摊铺中，温度降低值越大， 发生沥青路面早期破坏的可能性就越大。通过不同压实温度下的室内对比试验乜1 ，试验 结果如表1 2 所示。 表1 2 压实温度与沥青路面路用性能 空隙率( ) 压实温度( ) 车辙( m m )疲劳( 循环次数) 车辙试验疲劳试验 1 7 1 7 47 40 3 5 3 0 0 ，0 0 0 1 6 58 67 40 8 82 2 6 ，9 6 2 1 6 08 68 30 8 9 1 7 5 ，9 7 2 1 4 9 9 59 51 1 3 1 7 2 ，3 9 0 1 3 8 9 3 1 0 3 0 9 1 7 9 ，1 4 6 1 2 78 。79 42 0 0 7 1 ，0 9 8 1 1 69 59 81 5 5 5 1 ，7 9 8 从表1 2 可以看出，当沥青混合料的压实温度在1 7 1 时，车辙为0 3 5 m m ，疲劳 循环次数为3 0 万次，空隙率为7 4 ；当压实温度在11 6 。c 时，车辙深度为1 5 5 咖，疲 劳循环次数约5 2 万次，空隙率为9 8 ，温度相差5 6 。c ，后者的疲劳次数为前者的1 7 3 ， 后者的车辙为前者的4 4 倍，后者的空隙率为前者的1 3 倍，路面的破坏可能就从施工 温度较低的部位开始。有关试验资料表明眨1 ，在1 0 4 。c 条件下制作的试件，其疲劳寿命 大约只相当于在1 4 9 。c 条件下制作的试件的1 0 - - - 1 2 。 在沥青混合料的摊铺过程，由于停机待料或者摊铺结束，剩余混合料铺筑的路段， 混合料的温度时常低于1 0 4 c ，往往由人工用铁锹和耙子整平路面，填补厚度，形成局 部的未有效压实区域，为沥青路面的早期破坏埋下了祸根。美国一个州的运输部研究指 出，由于施工温度的影响，路面的预期寿命可能只有设计寿命的一半，由于压实温度较 低，从而大大地缩短了沥青路面的实际使用寿命。 2 ) 混合料离析的影响 在沥青混合料生产过程中，由于集料堆放、运输、拌和、储存、装卸、摊铺工艺的 影响，造成沥青混合料离析。粗集料较为集中的地方沥青路面的空隙率较大、沥青含量 低，导致沥青路面产生水损害，从而产生疲劳裂缝、坑洞以及剥落等其它病害；细集料 较为集中的区域，沥青路面的空隙率小、沥青含量大，容易产生车辙、泛油等病害，形 成路面后，构造深度小，下雨易造成交通事故。 据有关资料研究表明b 3 ，在施工过程中，由于拌和、运输、摊铺等原因造成沥青混 4 长安大学博士学位论文 合料轻微不均匀，对路面的使用性能影响不太明显，如果发生严重不均匀，它的使用寿 命就大大缩短，使沥青路面早期病害现象更早地出现，试验数据如表1 3 所示。 表1 3 不均匀等级对路用性能的影响 不均匀等级 路用性能 轻微中等严重 回弹模量 8 0 9 0 7 0 8 0 5 0 7 0 抗拉干燥9 0 1 0 0 5 0 8 0 3 0 5 0 强度 湿润 7 5 5 0 3 0 疲劳次数 6 2 2 0 l o 注：表中的数值为实际路用性能占设计级配性能的白分比。 从表1 3 可以看出，在施工过程中，由于拌和、运输、摊铺等原因造成沥青混合料 发生不均匀的现象，随着不均匀等级的增加，路面的使用性能就大大降低。如果混合料 发生严重不均匀，在湿润条件下的抗拉强度仅为均匀的3 0 ，疲劳次数为均匀的1 0 左 右，这样的路段易直接导致沥青路面的早期破坏。 ( 2 ) 缺乏现场性能检测 虽然在施工现场已经建立了完善的质量控制体系，但现场条件所限，往往只采用常 规的检测设备进行常规的项目检测。通常采用抽提仪对混合料进行级配分析和沥青含量 的测定，或者采用燃烧法进行级配分析，这两者的试验时间相对较长，等到结果出来， 铺筑路段己压实成型，无法纠正不符合要求的铺筑路段；同时，靠技术人员测量沥青混 合料的温度，来判定温度是否符合要求，缺乏一个科学的指标去判定这些混合料是否满 足要求，也缺乏现场快速检测设备，导致不能及时采用科学的手段发现问题和解决问题。 因此如何开发一个更加方便、更加高效的现场快速检测设备成为现场质量控制的关键。 ( 3 ) 缺乏沥青混合料设计工艺性指标 在设计沥青混合料的级配时，通常是按照某种方法计算出各筛孔的质量百分比，采 用马歇尔试验，测定其沥青含量、油石比、空隙率等参数，以确定一种比较良好的级配， 再进行车辙、疲劳、抗裂和渗透性等路用性能的试验，然后根据气候条件从中选择一个 综合性能较为优良的级配作为目标配合比。在众多的级配中，通常只选择其中的4 - 6 个级配进行马歇尔试验，而对于无数个级配中，是否只有这4 - - 6 个级配的性能是较好 昵? 5 第一章堵论 ( 4 ) 技术和管理水平不良 我国公路用料一般取自社会料场，一个工程的集料往往来自好几个料场，质量参差 不齐，不仅石料质量不同，而且破碎和筛分机械规格不一致，筛孔尺寸混乱，导致集料 产品质量及规格各不相同实际级配与配合比设计所采用的级配有很大的差距。尽管目 标配合比设计很认真，但施工时实际使用的材料与设计并非完全一致，导致施工配合比 发生较大变化，为路面的不均匀性埋下隐患。 我国部分高速公路的沥青拌和厂都是临时在沿线设置的移动式拌和厂，拌和厂的生 产和材料堆放场地不规范，不同材料之间没有设隔档，不能完全分开，材料存放在设有 硬化的地面上，料场不设防雨顶棚，下雨对集料的含水量影响很大尤其是砂子、石屑 等细集料，不同部位的含水量也不一样，干燥状态和潮湿状态时的流动性差异很大，拌 和机的供料控制会有很大的波动，直接影响配合比。 材料购销合同中没有明确规定某一规格集料的实际颗粒组成和均匀性要求，只有加 强各料场集料变异性的控制，才能保证材料的均匀性，为消除沥青混合料的不均匀性提 供保障。 在拌和厂常发现进料斗上口相互紧靠，不设隔板。用装载机向冷料斗装料时，材料 进入相邻冷料斗中，造成不同规格集料互相交混，明显增大集料的不均匀性，如图13 所示。 戆鲢速蘸。，。 田1 3 某井和厂进料斗布置田 在摊铺机的设计过程，主要考虑功率因素，使螺旋分料器中的混合料表面位于螺旋 直径的1 2 2 3 赴。按照这种情况，当用于大宽度、太厚度摊铺时，由于输料量增大， 只能将转速提高才能保证混台料的传输，会导致螺旋布料器高速旋转，混台料向上部 的空间抛送物料。于是就形成了分料过程的混合料的不均匀。 6 长安人学博上学位论文 综上所述，在设计和施工过程，由于技术人员的技术和管理水平的不同，导致沥青 混合料在施工中产生较大的不均匀性，使形成路面的使用性能大大降低。因此，如何检 测沥青混合料的不均匀性，采用评价指标来评定混合料的不均匀性，以减小沥青混合料 在施工中的不均匀性，减小沥青混合料在施工中的离析现象，成为当前研究的重要问题， 也是研究解决沥青路面早期病害现象的一个重要问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在外界因素的作用下，路面离析加速了沥青路面的破坏，而混合料离析是导致路面 离析的直接后果，因此要先研究混合料的离析，才能预测和防治沥青路面的离析【3 1 。1 9 9 7 年美国沥青路面施工技术协会n a p a ( n a t i o n a la s p h a l tp a v e m e n ta s s o c i a t i o n 的缩写) 对 沥青路面离析的原因进行了系统的分析，针对热拌沥青混合料在拌和、生产、运输及摊 铺过程中易出现离析的环节进行了研究，提出了相应的解决措施，收到一定的效果，但 没有提出混合料离析的评价指标、判别标准和检测方法。2 0 0 0 年美国国家沥青技术中心 n c a t ( n a t i o n a lc e n t e rf o ra s p h a l t t e c h n o l o g y 的缩写) 承担了公路联合研究项目“热拌 沥青混合料路面的离析”( n c h r pr e p o t 4 4 1 ，其中n c h r p 为n a t i o n a lc o o p e r a t i v e h i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m 的缩写) ，重点研究了沥青路面离析的判别检测方法及离析对 沥青路面路用脾i s r 厶匕f l l 巴的影响b 1 。这仅仅是对已经施工后的沥青路面进行离析检测，而没有 事先对沥青混合料离析进行判定和检测，如果能事先检测出摊铺前混合料的离析等级， 通过采取一定的技术措施，可减轻因离析造成的路面早期病害的发生。 加拿大的学者对沥青路面离析也进行了初步的研究，初步形成了沥青混凝土路面离 析程度分级标准，如表1 4 所示。由表1 4 可知，沥青路面离析可分为轻微离析、中度 离析和严重离析3 个等级，但没有给出划分等级的数量界限，这表明国外对沥青路面离 析的研究也处于初步研究阶段h 1 。 表1 4 加拿大沥青混凝土路面离析程度分级标准 离析程度 定义 粗集料颗粒间的沥青和细集料含量基本止常，但和周围的表面相比， 轻微离析 局部表面构造明显偏粗。 中度离析粗集料颗粒间的沥青和细集料含量明显偏少，“多石”现象严重。 严重离析 粗集料颗粒问的沥青和细集料含量明显缺乏，“多石”现象严重。 注：离析为某一区域的表面构造在视觉上不同于周嗣的区域，最小面积为0 1 m 2 。 7 第一章绪论 通过对沥青路面离析处钻取芯样可以看出，沥青路面的离析等级与集料的粗细，沥 青用量的大小，空隙率的高低有密切的关系。因此根据沥青混合料级配组成、空隙率及 沥青含量的变化，判断沥青路面的离析程度。目前在国外常用的检测方法有视觉观察法、 铺砂法、取芯分析法、核子密度仪测定法；在一些发达国家，采用先进的成像技术和超 声波技术进行测定，如红外摄像仪检测法、探地雷达检测法、探地雷达与红外摄像仪联 合测定法、轻型核子密度测定仪和激光构造深度仪方法。由于激光构造深度仪检测速度 较快，不影响车道的正常车辆行驶，它是一种检测沥青路面离析的常用方法。在上述的 检测方法中，采用红外摄像仪绘制路面区域热量分布图，利用红外摄像仪检测软件分析 热量分布图，检测施工中出现的温度离析现象，评价路面施工质量，主要用于施工过程 控制；其它的检测方法主要是针对形成路面后的检测，不能提前预测是否发生离析及发 生离析程度的大小【5 j 。 1 9 9 6 年夏季，美国s t e v er e a d 在研究华盛顿州沥青路面离析问题的原因和可能的 解决方案时f l 】，利用红外摄像机进行拍摄，通过软件分析了卡车车厢里混合料的温度差 别和摊铺机中个别点温度差别，首先提出了不同位置沥青混合料的温度差值，导致铺筑 层产生潜在的破坏，引起沥青路面的早期破坏，如剥落和松散等早期病害。在公路运营 过程中，隐藏的病害就慢慢暴露出来了，这种温度离析造成的病害，会导致路面的预期 寿命大大减小。并采用了转输机和混合料再拌转输车，研究它们对温度差别破坏的影响。 1 9 9 8 年夏季，h e r bj a k o b 用红外摄像机研究了直接摊铺在摊铺机后的混合料，对温度 均匀和不均匀的位置，碾压后分别采用核子密度仪进行测量，结果表明，降低温度的沥 青混合料对密度和空隙率有较大的影响。 1 2 2 国内研究现状 湖北高科公司联合长安大学、汉宣高速公路指挥部完成“沥青混合料离析控制技术 研究”的课题，研究发现，离析贯穿于沥青路面施工的全过程，离析发生的原因和与材 料加工管理、机械设备的结构及参数设置、材料与机械的相互作用特性、以及施工管理 密切相关，为解决沥青路面离析提供了一定的技术依据。沥青混合料的离析问题引起了 国际公路建设和科技人员的普遍重视。 长安大学郝培文教授采用p i ( 离析测量装置的前后料仓混合料级配通过率之 差) 指标把混合料离析程度划为三个等级，对于大粒径沥青混合料，当p i 范围在o 1 0 0 以内时，判定这种级配的混合料不易发生离析或者可以判定这时混合料没有发生离 8 长安人学博士学位论文 析；当ae p i 范围在1 0 0 2 0 0 以内时，判定这种级配的混合料容易发生离析或者判定 这时混合料发生一般的离析；当p i 大于2 0 0 时，判定这种级配的混合料极容易离析 或者判定此混合料发生严重离析【6 】。 三一重工股份有限公司于2 0 0 2 年，在国家8 6 3 计划“机群智能化工程机械”重大 专项经费支持下，以追求最终产品质量最优为目标，分别从“沥青路面施工工艺”等方 面研究生产过程中各要素的约束条件及影响产品质量的工艺因素，寻求生产过程中各环 节的最优匹配，课题中从机械方面考虑，提出如何控制沥青混合料离析的措施，为业主 和施工企业提供一套沥青路面施工的整体解决方案。 沙庆林院士对沥青路面的离析进行了深入的研究【l 】，认为沥青路面的一些早期破坏 都与沥青混合料的离析密切相关，沥青混合料集料离析和温度离析是造成路面不均匀性 的一个重要原因，是降低路面使用性能的顽症，混合料发生离析时，粗集料和细集料分 别集中在铺筑层的某些位置，使实际使用级配和沥青用量与设计不符，不能达到预期的 路用性能。并提出减少集料离和温度析的措施，对解决工程实际问题取得了一定的效果， 为进一步对沥青混合料离析的研究奠定了基础。国内一些学者和技术人员在工程建设过 程中，积累了一些路面离析的防治措施和检测方法方面的经验，但没有从沥青混合料施 工控制出发，提出沥青混合料设计和施工过程的性能检测指标和检测方法，进行事先的 预测和判别混合料的离析情况。 1 3 主要研究内容 1 3 1 主要研究内容 论文从沥青路面的早期破坏的现象入手，分析了沥青混合料施工的不均匀性对路面 使用性能的影响，及在施工过程形成不均匀性的主要原因。结合沥青混合料组成材料的 特点，借鉴相关领域和行业的部分研究成果，系统地研究沥青混合料离析发生的根本原 因、形成机理、离析控制技术指标和离析控制技术措施。论文的主要研究内容有： ( 1 ) 建立路面离析与混合料离析的关系 通过实体工程的取样试验，建立路面离析与混合料离析的关系及区别，路面离析是 混合料离析造成的结果，路面离析是指将沥青混合料摊铺经碾压后形成路面的不均匀现 象；混合料离析是指将沥青混合料摊铺未经碾压而形成的不均匀现象。并提出沥青混合 料离析的参数与特性。 ( 2 ) 划分沥青混合料离析的类型，解释离析的形成机理 9 第一章绪论 分析施工过程中沥青混合料离析发生的三种类型，分别采用软球颗粒碰撞理论、运 动学和动力学方法解释自重作用和外力作用下沥青混合料发生离析的形成原因及影响 因素。 ( 3 ) 提出沥青混合料离析的检测指标和检测方法 为了解决沥青混合料离析在施工中不易控制的难题，采用软球颗粒碰撞模型理论开 发沥青混合料离析测定仪，提出相应的检测指标，利于沥青混合料设计和施工过程中的 快速检测。 ( 4 ) 建立沥青混合料离析的检测标准 通过进行一系列的室内试验和现场试验，提出某一个最大粒径下的混合料离析的设 计控制标准，为控制混合料离析的级配设计提供技术支持，起到优选级配，降低沥青混 合料发生离析可能的作用。 ( 5 ) 验证沥青混合料离析指标的正确性 采用颗粒流程序验证沥青混合料离析指标的正确性和可靠性。 ( 6 ) 提出沥青混合料离析的控制措施 通过论文的研究，提供一套从混合料的级配设计、施工、机械参数的选择等一套完 整的、系统的技术控制措施，减小沥青混合料离析的发生。 1 3 2 主要研究方案 ( 1 ) 通过分析路面离析对路面使用性能的影响及造成早期病害的原因，提出研究 混合料离析的重要意义。 ( 2 ) 通过对路面离析位置取样，进行抽提试验，分析混合料的集料级配的变化、 沥青含量、现场温度与混合料离析的关系，建立路面离析与混合料离析的关系，提出判 定混合料离析的几个参数，针对不同的混合料离析类型，分析造成混合料离析的机理及 影响因素。 ( 3 ) 通过对混合料的稳定性分析，提出沥青混合料的评价指标离析势能指数，开 发沥青混合料离析检测仪，推导出离析势能指数的计算公式。 ( 4 ) 通过对不同级配组成、不同沥青含量、不同矿粉含量和不同温度条件下的离 析势能匕七匕：j i e i 数的测定，结合试验路的级配试验，在室内试验和现场对比试验的基础上，提 出离析势能指数标准。 ( 5 ) 采用颗粒流p f c 2 d ( p a r t i c l ef l o w c o d ei n2d i m e n s i o n 的缩写) 程序对不同级 1 0 长安人学博士学位论文 配的堆积状态进行模拟分析，验证沥青混合料离析势能指数的正确性。 ( 6 ) 通过对混合料离析原因的分析，提出混合料在级配设计、摊铺机的构造设计 和施工过程的控制措施。 第二章沥青混合料离析特性和离析机理 第二章沥青混合料离析特性和离析机理 通过实体工程的取样分析，建立起混合料离析与路面离析的关系，为研究混合料离 析特性、离析类型和不同离析类型的形成机理提供依据。 2 1现场路面离析的取样分析 路面离析是混合料离析造成的结果，路面离析是指将沥青混合料摊铺经碾压后形成 路面的不均匀现象，主要表现在路面的构造深度、孔隙率、沥青含量和级配的组成变化 方面；而混合料离析是指将沥青混合料摊铺后未经碾压形成的不均匀现象。通过在a 项 目和f 项目摊铺过程的现场温度测量，并在碾压后相应的位置，采用视觉观察和测量构 造深度的方法，对路面离析等级进行判别，然后钻芯取样，分析空隙率、沥青用量和集 料的级配变化，建立起混合料离析与路面离析的关系。 2 1 1 混合料的级配 a 、f 项目采用常规的压实机具和级配设计方法，为了研究级配组成对离析程度的 影响，对a 项目和f 项目分别取样进行抽提试验，试验数据如表2 1 所示。 表2 1a 项目和f 项目沥青路面离析级配组成 筛孔 不同离析程度取样位置 a 项目f 项目 ( 衄) 设计 h la 2a 3h 4 设计 f if 2f 3 2 5 0 一- - 3 7 5 1 0 01 0 01 0 01 0 0 1 9 0 2 5 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 09 l9 08 27 5 1 2 5 1 9 09 59 59 26 28 77 57 66 55 5 9 5 1 2 57 67 77 16 24 2 5 95 9 4 6 3 3 4 7 5 9 56 56 76 l5 23 35 25 34 02 7 2 3 6 4 7 54 85 04 63 72 33 5 3 7 2 71 8 1 1 8 2 3 6 3 73 93 62 91 82 62 5 1 9 1 4 0 6 0 1 1 83 03 23 02 41 61 51 71 51 2 0 3 0 - - - - 0 6 02 52 42 31 8 1 31 01 21 21 l 0 1 5 0 3 02 41 5 1 51 2981 0 9 9 0 0 7 5 o 1 5 8 9 1 0866777 0 o 0 7 55 36 17 55 1 3 8 5 5 2 5 25