（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料摊铺前均匀化技术与设备手段的机理研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国高速公路的飞速发展，沥青路面在我国得到了广泛的应用， 同时也暴露出严重的早期破坏等问题。造成这种破坏最主要的原因是沥青混合料 在施工过程中发生了周期性的离析。 本论文通过分析传统工艺下沥青混合料在运输过程中产生不均匀性的原因和 解决措施，指出旧工艺下使沥青混合料均匀化的局限性，进而提出采用沥青转运 车的转运一摊铺新工艺。 通过对沥青转运车基本结构的分析，根据其实现功能的不同主要分为搅拌系 统、转运系统、加热系统和卸料系统，并阐述了各个系统所实现的不同功能。运 用理论力学及流体力学的分析方法，研究在沥青混合料转运车搅拌过程中，沥青 混合料的运动及受力情况。同时利用散体动力学的理论研究沥青转运车的转运系 统和卸料系统的工作机理，从理论上证明转运系统和卸料系统能够将沥青混合料 连续、平稳的供应给摊铺机，避免在此过程中产生混合料的再次离析。沥青转运 车实现了卡车和摊铺机之间的柔性连接，消除了沥青混合料在运输过程中产生的 不均匀性，形成了基于转运一摊铺的新工艺和新技术。 通过与徐工集团、长大公司合作，在渝湛高速湛江段施工现场对采用沥青转 运车的新工艺和旧工艺的施工效果对比，从实践证明转运一摊铺新工艺是使沥青 混合料均匀化的最有效手段。 关键词：沥青路面；不均匀性；内摩擦系数；沥青转运车；搅拌机理；转运机理； 卸料机理；物料填充系数 摘 要 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y s f r e e w a y , t h e h o t - m i x - a s p h a l t ( h m a ) p a v e m e n th a sb e e nw i d e l yu s e di no u rc o u n t r y a tt h es a m e t i m e , s o m ep r o b l e m ss u c ha st h es e r i o u se a r l yd e s t r u c t i o n sh a v ea l s oa p p e a r e d t h e p r i m a r yr e a s o nf o rt h ed e s t r u c t i o ni st h a tt h eh m ah a v eu n d e r g o n ep e r i o d i cs e g r e g a t i o n i nt h e s ep r o c e s s e s b a s e do na n a l y z i n gt h er e a s o nf o rs e g r e g a t i o no ft h em i x t u r ep r o d u c e di nt h e t r a n s p o r t a t i o na n dr e s o l v i n gm e a s u r e su n d e rt h eo l dc o n s t r u c t i o nt e c h n i c s 锄sp a p e r p o i n t so u tt h el o c a l i z a t i o no ft h a ta n dt h en e wc o n s t r u c t i o nt e c h n i c sb a s i n go n t r a n s f e r - p a v i n g v i at h em a t e r i a l t r a n s f e r - v e h i c l e ( m t v ) t h i sp a p e rd i v i d e st h em t vi n t om i x i n gs y s t e m ，t r a n s f e r r i n g s y s t e m ，h e a t i n g s y s t e ma n du n l o a d i n gs y s t e mm a i n l yv i aa n a l y z i n gt h ec o n f o r m a t i o no ft h em t va n d e x p l a i n st h ef u n c t i o nr e s p e c t i v e l y i ta p p l i e sa n a l y s i sm e t h o do ft h e o r e t i c a ld y n a m i c s a n df l u i dm e c h a n i c st or e s e a r c ht h em o v e m e n ta n ds t r e s s e dc o n d i t i o n sd u r i n ga g i t a t i o n p r o c e s so fa s p h a l tm i x i n gm a t e r i a lt r a n s f e rv e h i c l e a n du s et h eg r a n u l a rd y n a m i c t h e o r y , i ta n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft r a n s f e r r i n gs y s t e ma n du n l o a d i n gs y s t e m a n dt e s t i f i e st h a tt h et r a n s f e r r i n gs y s t e ma n du n l o a d i n gs y s t e mo ft h em t v c a ns u p p l y t h em i x t u r et ot h ep a v e rw i t h o u ts e g r e g a t i n ga g a i n t h em t v c a nm a k et h et r u c ka n d p a v e rc o n n e c t i n gb l a n d l ya n dr e s o l v es e g r e g a t i o no ft h em i x t u r ep r o d u c e di nt h e t r a n s p o r t a t i o n , a n dt h a ts e t su pt h en e wc o n s t r u c t i o nt e c h n i c sa n dt e c h n o l o g yb a s i n go n t r a n s f e r - p a v i n g c o o p e r a t e dw i t hx u z h o uc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yg r o u pa n dc h a n g d ac o m p a n y , a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n te f f e c t so ft h et w of r e e w a yw o r k p l a c e sw h e r em t va r eu s e di n t h ep l a c eo fy u - z h a nf r e e w a y , w ec a nc o n c l u d e ：a san e w c r a f t ，t r a n s p o r t - p a v i n gi st h e b e s tw a yt os o l v et h es e g r e g a t i o no ft h eh m a k e y w o r d s ：h o t - m i x - a s p h a l tp a v e m e n t ；s e g r e g a t i o n ；i n t e r n a lf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ； m a t e r i a l - t r a n s f e r - v e h i c l e ；m i x i n gp r i n c i p l e ；t r a n s f e r r i n gp r i n c i p l e ； u n l o a d i n gp r i n c i p l e ；f i l l i n gm a t e r i a lc o e f f i c i e n t s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名敦卫卫 1 1 、 日期：夕8 年亏月罗f 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：敬罗卫 日期：2 户g 年弓月弓f 日 7 k 寸 旧 o i b寥月 名 年 签 喈 师 扮 黼 桫 导 期 指 日 第一章 项目研究的背景与必要性 第一章项目研究的背景与必要性 1 1 本课题的研究背景 改革开发以来，我国公路发展迅速，自从1 9 8 8 年1 0 月3 1 日我国大陆第一条 高速公路沪嘉高速公路建成通车以来，我国的公路事业进入了以建设高速公 路、一级公路等高等级公路为主的新时代。1 9 9 8 年以来中国以每年超过2 0 0 0 亿元 的投资用于公路建设，2 0 0 2 年公路建设投资更是到达3 2 11 7 3 亿元。高速公路通 车里程，1 9 8 9 年全国仅为2 7 1 公里，到1 9 9 9 年已经突破1 万公里，到2 0 0 2 年突 破2 万公里，2 0 0 7 年底已达5 万公里。我国用短短的十几年时间走完发达国家半 世纪多的发展历程。高速公路建设的发展，带动了交通运输事业的发展。从而带 动国家其他行业的快速发展。 沥青混凝土路面是公路路面的一种主要型式。据统计我国已建或在建的高速 公路路面9 0 以上采用沥青混合料路面。与水泥路面相比，沥青路面具有下列优 点： 1 表面无接缝、行车舒适。 2 有高度的减振性，可使汽车快速行驶平稳而低噪声。 3 足够的力学强度。 4 稳定的弹性和塑性变形能力，不像水泥路面容易造成断板。 5 与汽车轮胎的附着力好。 6 不扬尘，且容易清扫和冲洗。 7 维修工作比较简单，沥青路面可再生利用。 由于沥青路面有上述优点，因而获得越来越广泛的利用。但是，和其它国家 一样，沥青路面早期损坏也是我国高速公路建设中的一个突出问题。在导致早期 损坏的诸多因素中，热拌沥青混合料在生产和摊铺过程中出现的不均匀，即热拌 沥青混凝土离析是最为严重的问题。 为解决沥青混凝土离析这一道路施工中的普遍性问题，国外在2 0 世纪末相继 开发设计了一种新型道路施工机械并投入使用，即沥青混凝土转运车。通过沥青 混凝土转运车在施工现场接收自卸卡车卸料，并对混合料再次拌合，辅以远红外 加热保温技术，减轻或消除运料卡车在装载和卸料过程中发生的粗细料离析，消 除材料在运输过程中产生的温度离析，消除摊铺机的收斗离析；同时，由于转运 车与摊铺机通过沥青混合料为纽带进行柔性连接，消除运料汽车与摊铺机之间的 碰撞，使得摊铺机可以在相对稳定的载荷下能够保持匀速不间断恒速摊铺作业， 第一章项目研究的背景与必要性 2 一 保证了摊铺机在铺筑面层材料时连续均匀，提高了道路平整度。采用转运摊铺新 技术摊铺路面是延长道路使用寿命的有效手段，其社会综合经济效益是长期的。 本课题综合分析了国内外有关研究成果和施工工艺，通过对转运车搅拌与卸 料机理的分析研究，提出了解决离析的可行性措施，并形成了基于沥青路面施工 中控制混合料离析和提高平整度的新工艺与新技术。 1 2 高等级公路沥青路面早期破坏 1 2 1 沥青路面早期破坏类型 我国目前沥青路面设计方法是建立在路面层状弹性体系理论基础上，依据车辆 荷载的反复作用而发生结构层材料疲劳破坏这种原理，决定路面的使用年限，即 耐久性设计方法。但是实际上，沥青路面仍然普遍存在着设计年限内由于其他原 因而发生的早期破坏。这些早期破坏主要指： 车辙 车辙是沥青路面特有的主要破坏现象之一。车辙被定义为沥青路面轮迹的凹 陷。实际上严重车辙处，轮迹带产生凹陷的同时，其两侧的沥青混凝土常略微涌 起，此时的车辙就是轮迹带的凹陷深度与其两侧涌起高度之和。 开裂 沥青路面开裂，是世界各国普遍存在的问题，其危害在于从裂缝中不断进入水 分使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧泥、台阶、网裂、加速路 面破坏。 1 ) 沥青的性质是影响沥青路面开裂的最主要原因。沥青结合料在老化过程中 轻质油分挥发、沥青氧化分解等，老化越严重，劲度越大，裂缝出现越早；沥青 中的蜡使拉伸应力变小，脆性增加，温度敏感性变大，横向裂缝容易产生。 2 ) 沥青混合料的组成对沥青路面的开裂影响也很重要。首先，沥青含量很重要， 但是，在最佳沥青用量o a c 的0 5 范围内，沥青用量的增加使混合料应力松弛 性能提高的同时，也使收缩性能变大，二者互有抵消。其次，矿料组成级配对开 裂也有一定影响。当混合料发生离析后，这时混合料级配与设计级配发生偏离。 3 ) 半刚性基层与沥青面层存在热容差异，而且二者的附着粘结性能较差，使沥 青面层的温度应力无法传递到基层中去，在面层内部积聚，容易产生开裂。 水损坏 沥青路面在存在水分( 降雨或其他水分) 的条件下，水分进入到沥青混凝土的 孔隙中，经受快速大量的交通荷载作用下，动水压力( 孔隙水压力) 和温度胀缩 第一章项目研究的背景与必要性 3 一 的反复作用力，一方面水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的 作用，沥青膜渐渐地从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路 面破坏。 表面功能衰减 主要表现在以下几点： 1 ) 产生在高速公路沥青路面行车道上的泛油现象。超车道上的泛油现象很少， 行车道上的泛油现象主要是问隔式和条片状，而且间距往往大于泛油条片的长 度，连续泛油和整个行车道全面泛油的现象不多。 2 ) 石料磨光。石灰岩集料路面的摩擦系数在通车半年到一年便可能下降到最 低值，而坚硬耐磨的石料的磨光期则可以维持很长时问。 3 ) 松散。由于沥青混凝土表面层中的集料颗粒脱落，从表面向下发展的渐进 过程。集料颗粒与裹覆沥青之间丧失粘结力是颗粒脱落的原因。如：骨料颗粒表 面不干净、沥青混合料离析或压实度不够等等。 1 2 2 沥青路面早期破坏原因分析 通车不久沥青路面就发生水损坏、车辙、坑槽、开裂等情况，大部分与施工 质量有关。在实际施工中，业主、承包商、监理还没有形成严格公路施工技术规 范和技术标准，以及良好的施工与管理习惯。一些违反施工技术要求的行为使施 工质量偏离合同要求。尤其让不均匀的沥青混合料摊铺到路面上，是造成沥青路 面早期破坏的重要原因。 同时，公路维修养护的及时与否，与路面早期破坏也有很大的关系，如果及 时地进行预防性养护，及时进行补缝、补坑，损坏发展也就不会那么快、那么严 重。现在很少公路能够做到这点，以至于很多路面很快就大面积损坏。 1 3 沥青混合料离析 1 3 1 沥青混合料离析的提出 在热拌沥青混凝土的设计、生产和铺筑中能产生许多潜在的引起路面破坏的 因素。在这些因素中，最严重的问题是沥青混凝土的不均匀性即离析。它与种种 早期路面破坏形式有着密切的联系： 沥青混合料发生温度离析后，低温混合料与高温混合料同时被摊铺出来，在 摊铺机夯锤的同等压力下，两者的变形能力不同，因此初压实度也不同，而两者 第一章项目研究的背景与必要性 4 一 的摊铺厚度相同，所以碾压结束后两者的空隙率也不相同：高温区的压实度高， 空隙率小；而低温区的压实度低，空隙率大。 低温区在重荷载长期碾压作用下继续压实，高程降低，平整度下降，形成车辙。 同时，由于其空隙率大，渗水严重，水渗入沥青与集料的界面，以水膜或水气的 形式存在，在反复荷载的作用下，集料逐渐松散、掉粒，最后形成坑槽。 沥青混合料发生集料离析后，粗集料区粗集料多，沥青含量低，空隙率高， 渗水严重，易发生水损坏；而细集料区细集料多，沥青含量高。在高温气候和车 辆荷载的反复作用下，很容易发生车辙、泛油等病害。 无论是温度离析还是集料离析，在目前的施工工艺中，每车料的铺层都有不 同程度的发生，而且不只一处两处发生离析，绝大部分都是很有规律的出现，这 也就意味着对路面的潜在的危害也是有规律出现。 综上所述，沥青混合料离析无论是集料离析还是温度离析，均将对局部路面的 空隙率和表明构造深度产生影响，从而引起局部发生早期破坏，从而影响路面的 使用寿命。 1 3 2 沥青混合料离析产生的原因 分析沥青混合料离析产生的原因，就不得不从现有施工工艺中找问题，经研究 发现，现有施工工艺固有的工艺流程的不足，无可避免的产生了离析问题。这将 在“1 4 传统沥青路面施工工艺的特点与不足”中详细说明。 1 3 3 沥青混合料离析的解决方法 为解决沥青混凝土离析这一道路施工中的普遍性问题，国外在2 0 世纪末相继 开发设计了一种新型道路施工机械并投入使用，即沥青混凝土转运车。通过沥青 混凝土转运车在施工现场接收自卸卡车卸料，并对混合料再次拌合，辅以远红外 加热保温技术，减轻或消除料车在装载和卸料过程中混合料发生的粗细料离析， 消除材料在运输过程中产生的温度离析，消除摊铺机的收斗离析；同时，由于转 运车与摊铺机通过沥青混合料为纽带进行柔性连接，消除运料汽车与摊铺机之间 的碰撞，使得摊铺机可以在相对稳定的载荷下保持匀速、不间断恒速摊铺作业， 保证了在铺筑面层材料时连续均匀，提高了道路平整度。采用转运摊铺新技术摊 铺路面是延长道路使用寿命的有效手段，其社会综合经济效益是长期的。 第一章项目研究的背景与必要性 1 4 传统沥青路面施工工艺的特点与不足 1 4 1 原材料的选材、加工和堆放 5 一 沥青混合料离析同原材料稳定性密切相关，如果所用材料变异性大，导致混 合料级配经常变化，就达不到配合比设计要求，因此对占沥青混合料质量9 0 以上 的矿料质量应引起高度重视。 集料的加工 目前公路施工所用的石料基本上是来源于社会上的石料场，这些石料场多半 是个体或乡镇企业，技术装备落后( 大部分是用额式破碎机进行生产) ，质量标准 参差不齐，管理手段原始，导致了加工出的石料标准不统一，质量得不到保证。 经常会有不同规格的石料混放，即使是同一种规格的石料，大料、小料也常常不 是按规定级配范围分布，不是粗料偏多，就是细料偏多。用这样的料拌合，很容 易使混合料的实际级配偏离设计级配。 石料的性质 石料自身与沥青的粘附性是影响混合料离析的重要因素。当集料酸性较高 ( s i o 。含量偏大) 时，集料与沥青的粘附性降低，从而产生离析现象。 沥青粘附性 沥青的粘附性取决于沥青与集料的共同作用。如果沥青自身的粘附能力不足 以与集料粘结成整体或粘结力太弱，都会导致混合料在各种外力或环境作用下产 生离析。 集料的堆放 拌合厂堆料时，各种规格的料不严格分开堆放，混交现象严重。每种规格的 料也不是分层堆放，而是随便倾倒。由于同一档的集料中也有大小之分，集料在 堆料过程中，大的集料滚落到料堆的边缘，最终在底层形成一层粗集料层，从而 产生粗细集料离析。 1 4 2 沥青混合料的生产 由于冷料仓的结构采用漏斗型设计，往往造成瓶颈堵塞和粗细料分层，集 料排放时致使同一时间的集料不均匀。 混合料离析与粗集料表面沥青膜厚度及拌和温度有关。沥青膜越薄，粗集 料间粘性越差，越易离析。导致粗集料沥青膜厚度薄的原因有3 种：一是油石比低； 二是混合料中细集料多；三是粗集料孔隙率高。同样，拌和温度也影响混合料粘 第一章项目研究的背景与必要性 6 一 性，温度越高，沥青粘性越差，越易离析。混合料拌和过程中，要有足够的温度， 能使混合料拌和均匀，但是并非温度越高越好。 拌合速度、卸料高度以及拌缸拌轴转速等也是造成混合料离析的因素之一， 转速越快，集料离析越严重。但在同一时间内转速越低，和易性就越差。一般情 况下，间歇式沥青拌和楼的拌桨线速度都在2 - - 3 5 m s 。所以在设备选型时必须在 考虑产量的同时需要考虑拌轴的转速。另外，拌缸卸料到斗车的高度也会影响到 集料的离析，卸料口到运输车车厢侧板最高点距离不宜超出0 5 m ，当然是越低越 好，在选用设备时一并考虑。 1 4 3 热沥青混合料运输 混合料的运输包括自卸车的装载、运输和卸料过程。 沥青混合料装运方式不正确，也会导致离析。混合料卸入车厢时，粗集料 滚落在车厢内的外侧下方，细集料在内侧上方，这样在车厢靠近挡板处粗集料 多，而车厢中央则细集料多。 汽车在运输过程中，颠簸、急刹车、急转弯等产生的加速度或减速度都会 引起混合料颗粒发生运动，由于质量差异，粗颗粒受到的惯性力要大一些，更容 易向边缘滚动而发生粗集料聚集，造成混合料的集料离析。 料车运料中混合料的热量损失，造成温度离析。由于沥青拌合站与摊铺现 场有一定距离，拌合好的沥青混合料从拌合站运到摊铺现场需要一定时间，在汽 车运输和等待卸料过程中，由于沥青混合料的温度比与之接触的环境( 如车厢挡 板、空气等) 的温度高出许多，因此不可避免的发生热量散失，造成靠近车厢壁 和车厢项面的表层混合料温度降低，且随着运输距离的加大，温度下降越严重。 由于混合料中沥青和集料的导热性能都比较低，卡车周边的混合料温度大幅降低， 从而造成温度离析。( 如图1 1 所示) 。 料车将料卸入摊铺机时，造成车尾离析。当摊铺机料斗内混合料装满后， 这时只有与摊铺机刮料输送板接触的少量的混合料被刮走，车厢底部中间的混合 料随之在重力作用下慢慢滑入料斗，而车厢两边和上部的混合料基本上不动。由 于车辆两边粗集料居多，在卸料后期造成粗集料集中，产生车尾离析。 沥青混合料在料车卸料的过程中的温度离析 1 ) 卸料初期出现的温度离析 图1 2 是在运料汽车刚刚开始卸料时拍摄的，汽车尾部顶面的料首先整体滑下 来，露出混合料在到场后的一个温度横断面( 图中红色部分) ，直观地显示出混合 第一章项目研究的背景与必要性 7 一 料在运输、等待卸料后的温度散失情况( 热像图所拍摄的均为由s b s 改性沥青拌 制的沥青混合料) 。 图1 1 混合料到达时的温度示意图 f i g 1 1t e m p e r a t u r ew h e n t h em i x t u r er e a c h e d 图1 2卸料初期的温度离析热 f i g 1 2t e m p e r a t u r eo ft h eu n l o a d i n g i n i t i a ls e g r e g a t i o n 2 ) 卸料中期出现的温度离析 图1 3 是在运料汽车卸料过程中拍摄的，这时混合料从车厢后挡板下方缓缓挤 出，此时摊铺出来的都是高温混合料。顶面混合料只有局部滑动，部分低温料甚 至聚集，再次发生温度离析。 图1 3 卸料中期的温度离析热像图 f i g 1 3m i d - t e m p e r a t u r eo ft h e u n l o a d i n gi n i t i a ls e g r e g a t i o n 图1 4 卸料末期的温度离析热像图 f i g 1 4t e m p e r a t u r eo ft h ee n d u n l o a d i n gi n i t i a ls e g r e g a t i o n 3 ) 卸料末期出现的温度离析 图1 4 是在料车卸料末期拍摄的，大部分均为低温混合料，平均温度只有1 1 0 6 ，远远低于规范规定的摊铺温度要求。 从图1 2 、1 3 、1 4 所反映的一辆料车的卸料过程，可以看出摊铺机摊铺出路 面上沥青混合料的纵向温度变化：刚开始时车厢尾部的低温料，然后是车厢内部 的高温料，最后是车厢前部和顶面聚留的低温料，简而言之先低温再高温最后又 低温，每车料形成一个循环周期，这样形成了混合料的纵向温度离析。如图1 5 所 孢铘幻弼 目瞥愿同阱随豳隧瞥l 日留飘罔嘲隧瞄阻i t 日甾历圈以缀囫瞄隧夏i t 第一章项目研究的背景与必要性 8 一 示。使用红外热像仪对摊铺机熨平板后面的混合料每隔一分钟所测得的数据曲线， 也反映了摊铺路面纵向温度离析呈波浪形变化的这一规律。 图1 5纵向温度离析波形曲线 f i g 1 5s e g r e g a t i o nw a v e f o r mo ft h ec u r v ew h e nv e r t i c a lt e m p e r a t u r e 在传统施工工艺中，纵向温度离析曲线的波长在3 0 m 5 0 m 的范围内，这与料 车的大小、摊铺的厚度和宽度有关。 1 4 4 沥青混合料的摊铺设备、摊铺方式 汽车卸料方面的原因：摊铺过程中，在车厢两侧较为集中的粗集料卸入摊 铺机料斗后，位于料斗两侧，摊铺机的收料斗使得这部分混合料因在最后摊铺， 形成一块粗集料离析带。 摊铺宽度的原因：摊铺机摊铺宽度越大，螺旋布料器运送混合料距离越长， 不可避免地会造成粗细集料的离析。混合料在螺旋布料器运送过程中，在空中反 复转动，温度下降严重，两边与中间的混合料温度是不一样的。温度不均导致摊 铺密度的不均匀，使得成型后的路面压实度也不均匀。摊铺机的重量和功率是一 定的，摊铺宽度越大，平均到混合料层上的压力、振捣力越小、混合料的铺筑初 始压实度越小。在窄幅摊铺时，经过双振捣方式的摊铺碾压，可以达到9 0 以上 的初始压实度，甚至于达到初压后的压实程度，由于压实紧密、混合料铺筑后的 温度下降慢。而宽幅摊铺的初始压实度小，特别是熨平板加长部分，初压实度更 小，横向除压实度不均匀，造成横向不平整；再加上刚摊铺出来的混合料空隙率 较高，降温较快，压实度也受到影响。所以宽幅摊铺非但不能提高平整度，反而 影响平整度和压实度。 摊铺机收斗的原因：摊铺机受料斗两侧板上的混合料，一般来说在摊铺每 一车料时，基本上停止不动而且粗粒料多、温度下降较快，存在着离析现象，如 这部分粗的温度低的料最后在收斗时集中起来摊铺，必然会产生粗糙而离析的路 面。 第一章项目研究的背景与必要性 9 一 运料汽车对摊铺机的碰撞：在正常摊铺情况下，摊铺机受力基本稳定，但 是当运料车撞击摊铺机时，使摊铺机受力突然产生一个峰值，会对摊铺机本身产 生影响，并影响摊铺机后的混合料的分布和密度。 布料器的螺旋结构与送料速度原因：摊铺机的螺旋结构、送料速度和摊铺 宽度、螺旋布料器的固有缺陷等就很容易产生集料的离析，加之螺旋吊臂的结构 使螺旋叶片无法连续，从而经常在熨平板两侧的吊臂位置和中间分料器处产生三 条离析带。此外，在摊铺机的螺旋布料器比熨平板窄，经过螺旋布料到两端的混 合料靠重力和粒料间推力作用向两端摊铺，此处粗集料居多，而且温度较低，形 成两条表面粗糙的离析带。在没有其它输送形式情况下，使离析的严重性降低是 摆在我们面前的课题。目前，根除这种现象引起的集料离析还没有行之有效的办 法，但尽量减少摊铺宽度、保持螺旋速度的均匀和加装反转叶片都有一定的效果。 布料槽内供料不足的原因：布料槽的料不足时，料槽内的混合料在螺旋布 料器的旋转作用下，细集料下沉，粗料被浮于上面，并被螺旋布料器推向两端， 造成粗集料向端部聚集而形成摊铺机边缘离析。 1 5 国内外研究现状 沥青混合料的离析问题引起了国际上普遍的重视，一些国家已经开展了相关研 究。 1 9 9 7 年，美国沥青路面协会( n a p a ) 对沥青路面离析的原因进行了分析，并提 出了一些减少路面离析措施。2 0 0 0 年，美国国家交通研究委员会( t r b ) 设立了研究 项目“热拌沥青混合料路面的离析 ( n c h r p4 4 1 ) ，重点探索沥青路面离析的检测 方法。美国的佐治亚、华盛顿、康奈狄格、堪萨斯等州也进行了一些研究，一些 州还将离析指标作为路面验收以及工程付款的依据之一。 加拿大安大略省对沥青路面的离析也进行了一些研究，并于1 9 9 9 年将构造深 度比作为离析的评定指标，并同路面的付款系数挂钩。 我国近几年也进行了一些研究，特别是去年，在各杂志上发表的相关文章突然 多了起来，但它们大多数内容都是参考国外研究成果，只是进行定性的分析。只 有少数几个项目进行了实验性研究。 其中重庆交通大学与长大公司、徐工集团合作，进行了一系列实验性的研究， 收集了上万套数据，为定量的分析离析问题打下了坚实的基础，取得了阶段性成 果。 第一章项目研究的背景与必要性 1 6 本课题的目标和任务 l o 本课题是广东省交通厅2 0 0 5 年科技项目沥青路面施工关键配套技术研究的子 课题，结合广东省高速公路建设发展的实际情况，通过对克服离析施工工艺措施 的系统研究，形成基于沥青路面施工中控制混合料离析和提高平整度的新工艺与 新技术。 本课题的主要目标和任务如下： 本课题从我国施工工艺入手，结合国内已建高速公路运营情况，分析沥青 混合料不均匀性的原因，并分析旧工艺下解决沥青混合料离析的方法，指出局限 性。 从施工工艺方面着手，在分析国内外沥青混合料转运车的施工工艺要求、 工作原理及产品结构的基础上，运用理论分析方法和试验手段，研究沥青混合料 转运车的拌和机理并设计适合的产品结构，满足工程需要。 通过分析混合料从转运车输送至摊铺机料斗过程中的受力和运动情况，研 究并设计合理的拌和结构形式和系统结构，避免或减少混合料离析，能保证转运 摊铺的施工质量。 第二章克服沥青混合料离析的技术方法与设备手段旦 第二章克服沥青混合料离析的技术方法与设备手段 2 1 传统施工工艺下的解决方法 在传统的施工工艺下，沥青混合料在生产、运输、摊铺到碾压过程中的每一 个环节都可能会产生离析。所以要解决离析问题，就要从每一个细小的环节入手， 提出解决方法。虽然不能从根本上解决不均匀性的问题，但如果采取有效措施， 可以在很大程度上减轻离析的程度。 2 1 1 原材料及堆料 首先要控制原材料的料源，要保证料源：出自固定的堂口；经过反击式破 碎加工的；同设计目标配合比的取样料源一致。料源的确定主要是考察其加工方 式和产量，确定料源之后再取样作配合比试验。 原材料进场后的堆放满足：必须在硬化的、具有良好排水系统的地坪上； 各品种材料应用墙体隔开，以免混杂；细集料应采取覆盖措施，潮湿的细料将影 响拌和机产量和混合料质量。 原材料的取用，尤其是粗集料的取用应保证粗细均匀，生产过程中不允许 装载机贴地装料、上料。选用合格的沥青。 加强原材料的管理，推广规模化的集料大生产方式。 通常供给沥青混凝土拌和机的不同尺寸的材料是分别堆放的，这样做，是由 于每一料堆的材料尺寸比较均匀，可以减少离析现象。但是，如果材料级配的变 异性大，较细的集料中仍可能产生离析，应该采用图2 1 和2 2 所示的堆料技术。 它能保证材料均匀，并显著减少料堆集料离析。用推土机操作时，应该常检验， 以保证不产生离析。在使用的集料较软时，检验特别重要。 2 1 2 混合料的生产过程 在热拌沥青混凝土生产过程中，产生集料的位置与所用的拌和机类型有关。 使用间歇式拌和机时，最需要关心的位置时冷料斗和热拌仓。在使用筒式连续式 拌和机时，最需要关心的位置是聚料斗和储料仓。 冷料斗 在每一个冷料斗都放一种单一尺寸的集料时，不会产生离析现象，因为没有 不同尺寸的颗粒来离析。在同一冷料斗中包括几个不同尺寸的集料时，会产生离 第二章克服沥青混合料离析的技术方法与设备手段 里 析现象。此外，如果在冷料斗中材料产生架桥作用时，会产生不均匀喂料，并产 生离析。使用自动卸料斗时，可沿冷料斗的开口均匀喂料，会消除导致离析的架 桥现象。 间歇式拌和机的热料仓 前面已经提到，有几种尺寸的材料时，能够产生离析。在1 号热料仓中( 即 装载2 3 6 r a m 以下细集料的热料仓) 常发生离析，因为该料仓中材料尺寸的范围宽。 1 号热料仓材料尺寸的变化较拌和机任一其他部位都大，因为其中材料的尺寸可变 化在2 3 6 m m - - 一0 0 1 m m 之间。 填料( 口z ，仅仅对于 理想散粒物料( 如对于同一粘度的完全干燥的砂子) ，口l ( z 2 。 图4 4 确定崩塌角仪器 f i g 4 4d e t e r m i n et h ee q u i p m e n ta n g l ec o l l a p s e 撒料时，粘性物料自然坡度角的大小，与沿斜坡滚动的颗粒形状、物料按颗 块度自行分选的性质、仪器卸料孔开口宽度a ，开口边缘状况及许多其它类似因素 有关。试验表明：最后一些物斜落在料堆顶部时无自由下落且速度很小， 这时撒料的自然坡角口1 可以粗略取为接近内抗剪角缈。 4 4 散粒体排出理论 对于排料孔附近侧壁的倾角( 对水平面) 不大于6 0 。的一般型式的固定存仓，当 打开中部的排料孔时，在孔的上方垂直的圆柱形的物料柱开始运动，而在物科表 面形成凹穴，物料颗粒沿凹穴的斜坡往下滚，以补充中间向下运动的物料柱范围 内所减少的物料。散粒体自孔中的这种形式的流出过程称为常规的散粒体排出( 图 4 5 a ) 。 第四章沥青混合料的散粒体力学理论基础 h 二 l l ji ll i l j 3 2 jii iii 心 f ；l ? ，次a l l l j 4 5 散粒体从容器中流出简图 f i g 4 5t h eo u t f l o wf r o mt h ec o n t a i n e rb o d yd i a g r a m 这种流动过程的特点是：在物料自由表面所形成的凹穴逐渐下降而尚未达到 容器的下部以前，位于容器下部的散粒体颗粒是不动的。图4 5 b 所示为不对称的 流动，这时排料口布置得十分靠近容器的一个垂直侧壁，紧挨该壁的物科颗粒沿 壁面向下滑动，这个区域的流动图形有如液体的流动，而在容器的另一侧，由于 壁面与孔离得很远，流动情况与图4 5 a 中的常规流动相似。当靠近排料孔的壁很 陡时，其流动持性近似于液体的流动( 图4 5 c ) ，这时侧壁的倾斜角由下列条件确定 口 4 5 0 + 吆( 4 - - l o ) ，厶 式中：九从孔中流出的散粒体的内摩擦角。 图4 5 a 为装满散粒体的容器简图，它通过底部的孔进行卸载。从位于孔上方的散 粒物料柱中分离出一个高为i l 、底面积等于0 9 的单元体来。考虑到高度非常小， 与物料柱在国面积上引起的压力p 相比，单元体侧面的摩擦力和它的重量均极小， 可以忽略不计。并且认为，压力p 在j i i 的距离内是不变的。 单元体从孔中流出时的速度可以从下列方程式求解 蹦：m v o ( 4 - 1 1 ) 2 式中m 单元体的质量； 单元体从孔中流出时的速度 将下列值代入上式 x 寸v 0 解此方程，得 e ) t i h r m = 一g = 羼 ( 4 一1 2 ) 第四章沥青混合料的散粒体力学理论基础 3 3 此值二是孔面积上的平均压力，如以仃来表示，则式( 4 一1 1 ) 具有如下形式 国 = 2 9 詈 ( 4 - 1 3 ) 实际的流动速度要比由上式决定的小些，因为在推导该式时未计及散粒体与 孔壁之间的摩擦损失，流束内部的摩擦损失( 速度在流束断面分布不均所引起) ，流 束的可能的收缩等。为了考虑这些损失，在式( 4 1 3 ) 中引入小于1 的经验系数旯( 为 流动系数) 这时的流动计算速度为 嘲厍 ( 4 1 4 ) 如果已知散粒体在排料孔上的平均压力盯，就可求出流动速度来。这个压力 的大小与容器形状，排料口尺寸，散粒体性质和它的力学状态( 静止状态或振动状 态) 有关。 当排料孔尺寸与容器内物料层的高度相比有足够大，而物料本身处于激烈振动之 中时，则这种情况问题的解是最简单的。这时孔上的平均压力可以取为等于水静 压力砌( h 为容器内散粒体的高度) ，因而，求流动速度的公式将有一般水力学公式 的形式 1 ，= 五 式中：s 容器横断面面积。 这种形式的公式可用于计算埋刮板输送机槽的排料孔尺寸等。 ( 4 一1 5 ) 第五章转运车克服沥青混合料离析的机理 第五章转运车克服沥青混合料离析的机理 沥青混合料转运车是我国近几年从国# 1 - 弓1 进的一种新兴的施工机械，实践证 明它能有效地缓解混合料的集料离析与温度离析，以提高沥青路面的施工质量， 延长路面的使用寿命。我国在利用转运车使混合料均匀化的机理研究方面还不成 熟，而它却是沥青转运车设计制造的关键，所以对此机理作进一步的探讨是完全 有必要的。 通过前面的分析知道，搅拌系统是沥青转运车的核心部件，可以对不均匀性 的沥青混合料进行第一次搅拌，消除温度不均匀性，改善集料的不均匀性。下面 通过对沥青混合料均匀度的微观分析以及沥青混合料在转运车螺旋搅拌器内运动 及受力情况的研究，运用混沌动力学，系统地阐述混合料的不均匀与螺旋轴、螺 距及螺旋半径之问的关系，为沥青转运车的设计开发提供科学的理论依据。 5 1 基本概念与定义 沥青混合料在螺旋搅拌器内的搅拌运动过程，比较复杂与抽象。现作如下基 本定义与假说： 基本定义设有一水平线a b ( 图5 1 ) ，匀速地绕线e e 旋转，同时又以均匀 速度向上移动，则线a b 上每一个点就形成一条螺旋线，由这些螺旋线所组成的面 叫做螺旋面。线段a b 称为螺旋面的母线，它可以是直线或曲线。 图5 1 螺旋面的形成 f i g 5 1t h ef o r m a t i o no fs p i r a l 第五章转运车克服沥青混合料离析的机理 3 5 螺旋管沥青混合料沿着螺旋搅拌器轴，并通过螺旋叶片推动，由搅拌器 两侧向中间运动。混合料在螺旋搅拌器内的运动空间轨迹是螺旋管状的，称之为 螺旋管。 流层滑移面q在螺旋搅拌器内处于应力极限状态的翻滚物料与不翻滚物 料之间存在一界面。这一界面为一螺旋面，用q 来代表，称为流层滑移面。 虚位移原理设结构在外力作用下处于平衡状态，如果给结构一个可能发 生的位移即虚位移，则外力对虚位移的功( 虚功) ，必等于结构因虚变形获得的虚 应变能，称为虚位移原理。 5 2 热拌沥青混合料均匀度的微观分析 长期以来，沥青混合料均匀度是我国衡量混合料搅拌质量的重要指标。搅拌 的主要任务是达到规定的均匀度，也就是物料在频繁迁移中达到温度及各组分的 均匀分布。 若当混合料流速不是很大时，在空间上将混合料整体任意划分为若干个混合 料层即不同的流层，因在搅拌过程中受到不同大小和方向的外力作用，流层间将 发生不同程度的相对运动。流层与流层以及流层与外界的相对运动必然产生内摩 擦力和外摩擦力，而沥青混合料作为一种散体，我们可以想象流层的不均匀必然 导致受力的不均匀，从而使流层内部以及流层与流层之间发生流变( 流变是指材 料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关所产生的变形和流动) 。 所以混合料的搅拌过程是流层问通过摩擦力作用来追求相同内摩擦系数的过程， 这也是本文分析沥青转运车搅拌机理的重要理论依据。 集料的均匀性与温度的均匀性是混合料均匀度的两个方面，但它们却是辨证 统一的。集料的均匀性越高，混合料的密度就越均匀，热量的扩散与传播越容易， 也就越能使混合料温度变均匀；同时，由于沥青受温度的影响，混合料温度越均 匀，沥青就越容易扩散到集料中去，最终使混合料各流层间的内摩擦系数达到一 致。 第五章转运车克服沥青混合料离析的机理 5 。3 沥青转运车搅拌功能及搅拌机理 3 6 螺旋搅拌器是沥青混合料转运车的主要装置，见图5 2 。它的功能是对沥青混 合料进行第二次搅拌和输送，以提高沥青混合料温度与集料的均匀性和保证摊铺 机的连续工作。 图5 2 螺旋搅拌器 f i g 5 2s p i r a la g i t a t o r 沥青转运车的螺旋搅拌器匀速转动过程中，由于螺旋叶片的推拨作用，沥青 混合料将沿圆周方向运动，同时沿轴向方向流动。在这复杂运动过程中，会出现 叶片挤入混合料是对混合料的剪切作用，混合料流层问的剪切作用以及流层间的 拌和作用，这些作用将会使混合料内各流层的内摩擦系数趋于才h 同，从而达到减 少离析，使混合料均匀化目的。 5 4 搅拌输送过程中物料的力学分析 沥青转运车的拌和系统，贯穿于混合料在转运车中输送运动的全过程。每一 过程中工作机构的变化都对材料的性质产生影响，是一个复杂的系统。在材料的 运动过程中，料车的结构形式和状态、料车卸料点、受料形式、料门的丌度大小、 输送器的集料形式和输送方式、落料口的位置和形状、落料点的位置、储料仓的 形状和内部结构、拌和叶j 午的旋向和布置、搅拌轴的形式和旋向都可以影响最终 的混合料状态，影响转运车对混合料的最终拌和效果。 沥青混合料在搅拌过程中受力状况与转运车搅拌仓的充填系数以及螺旋搅拌 器的转速有关，增大或减小充填系数及转速都将让混合料在搅拌仓内运动发生很 大的变化。 在充填系数较大时，被搅拌混合料在螺旋管中的分布可近似地认为沿管的圆弧 扇形分布，见图5 3 。当搅拌器旋转时，叶片作用在物料上的力可分解为轴向推力 f 和圆周方向的切向力厅。这个圆周切向分力使物料沿圆周倾斜一角度口，当圆 周力增大时，倾斜角口也增大，大到一定程度就使混合料流层间发生相对滑动， 所以又将口称作流层滑移角。螺旋面对混合料的作用力f 与螺旋面法线夹角为混 第五章转运车克服沥青混合料离析的机理 合料的外摩擦角，见图5 4 图5 3 螺旋面横剖图 f i g5 3s p i r a lt r a n s v e r s ef a c i a l o