（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料离析特性研究.pdf

摘要 选用合理的沥青混合料级配，并保持级配在混合料生产、运输、摊铺以及碾 压过程中不发生规定范围之外的偏差是保证沥青路面施工质量的关键。然而在沥 青混合料很容易在施工过程中出现混合料离析，导致混合料性能变差。国内外开 展了较多沥青混合料离析外部因素方面的研究，但很少有从沥青混合料本身材料 组成方面研究离析的内因及倾向性，因此，深入揭示离析发生的内因、建立离析 评价体系显得十分必要和迫切。 本文在广泛阅读国内外相关文献的基础上，针对目前研究的一些不足，从以 下几个方面开展了研究。 ( 1 ) 描述了不同类型离析产生的特征并对其表现形式进行归纳总结，然后从 物理方面的颗粒运动规律和级配设计理论的角度对沥青混合料离析产生机理进行 了初步的探讨和分析，从而解释沥青混合料的离析机理，找到更好的防止措施， 并对离析的检测方法进行了归纳，并分析了各种方法的优劣和适应性。 ( 2 ) 开发了新型混合料离析性能测试仪：研究了燃烧法和离心分离法对分析 沥青混合料组成成分的准确性和适应性。从而形成了一套沥青混合料离析倾向性 的测试方法，基于此方法，以沥青稳定碎石为研究对象分析了级配及沥青对混合 料离析倾向性的影响，并提出了新的离析评价指标。 ( 3 ) 沥青是混合料结构形成的重要因素，本文通过对沥青油膜厚度的研究， 提出适用于松散沥青混合料的新型油膜厚度的计算方法，新方法优化了集料比表 面积的计算，同时简化了有效沥青含量的计算，有助于细观上研究混合料离析性 能。 ( 4 ) 设计三种不同离析程度的混合料，采用提出的新型油膜厚度计算方法反 算其最佳沥青用量，测试了不同离析程度对混合料体积参数、水稳性能、抗车辙 能力和表面特征参数的影响，从而可以建立离析程度允许范围及其与各性能参数 之间的关系。 ( 5 ) 通过对混合料离析倾向性及离析对混合料性能的影响研究建立离析评价 体系，它包括两个方面：离析倾向性评价及离析程度评价。 通过本文的探讨与研究，可以为沥青混合料的设计、施工及沥青路面的离析 检测提供一定的理论依据，使得沥青混合料具有更好的施工性能和路用性能。 关键词：沥青混合料；离析：评价体系：油膜厚度 a b s t r a c t a ，r e a s o n a b 1 ，e ，m a s 。p n h n a r 。l a t 。m ；。i n x t u 口r a e v g ；r n a g d a t i o n a n d m a i n t s a i n t h e g 。r a d a t 。i o n i n n 。t t h e a e m v i 。x a t 。u 。u r a n dt h ep r o c eso i r ol i n g o u t三 。f p j ；d u ：i 。n t r a n s p 。r t a t l 。n ，p a v l n g ；st h ek e yt 。s 1 一，：。fa s p h a 二 o u t 锄e t h es c o p eo ft h e p r o v i s i o m n s ；x = e ：竺e n s u r e m 。e q u a 测m 州yu r i n g 恤 p a v e m e n t c o n s t r u c t i o n h o w e a v e r t m l x t u r es e g e g a 【。i o n c a n e a s l t y o 一i , 1 1 1 b a d m a n y c 。n s t r u c t i o l ：p r o c e s s n t h i sl e a d ，s ，o p e r f o r m a n c e s 。兰f a u t s h e e sp 。a f v s e m 一一e n t g ：e ，、t h 。m e a n ：l r e s t a r t h e sh a v eb e e nc a r r i e do u 。o nt h e e x t e r n a l c a u s e s _ 1 。e g l 一- c 一一g i a t 二j u 一仃。mt h e a b r o a d b u tt h e r ei sv e r y f e ws t u d ya b o u t t h e s e g r e g a t i o n t e n a n q d e n u t r t u g u e n ntt or e v e a l m a t e r i a l c o m p o s i t i o no ft h em i x t u r e a s ar e s u l t i t i s n e c e s s a r y 一二：i = t ：三：s y s t e m t h e i n t e r n a lc a u s e so ft h e s e g r e g a t i o l i t ne d r e a e t p u l r y e , a a t n d h 。e m s t e a b a n l l s d l aa b t h e r 。e a v d a t 。u n a ：h c b 。a s i s 。fm e i nt h i sp a p e r ，w i d e l yr e a di nl i t e r a t u r e a tn o l ca l l ua u - u 口uu u 。 c u r r e n tr e s e a r c hg a p s ，t h 三内l l 。w i n ga r e a s a r ec a r r i e d o u t t h es ，t u 一一d y l c h 盯a c 。e r ，s 。，c s 。( 1 ) d e s c r i b e s t h ed l f f e r e n t t y p f o e s r i n o f ，a i s n o d l a t h t i o e n nr f r e 。s u m l t i t n h g ef p h r o m y s i l c l a l g l ；：s p e c t s o ft h e a t 、d p e r f o r m f a n ，c e o ft h es u m m a r y 1 。r m ，a n 1 1 ；1 。1 。1 1 ：l 1 1 7 ：二：，：t 1 ea s p h z t t m 。v e m e n t 。f p a r t i c l e s i z e d i ；s s t m r i b 。u 。t i c o a n 盯a y n 。d u d 。e a s i p g n t h e o r y p o 。i n to i 一一v ：1 t ；w u _ l 。v ：；t ；n m i x t u r es e g r e g a t i o nm e c h a n i s mt 。c a t l f y 。u t a p r e l i m t n a r y ( 1 l s ，c u r s s t j u n l a t n t e u r p r e v y e n t i 。n o r d e rt oe x p l a i nt h ea s p h a l tm i x t u r e o f e i s o s u l a m t i m o n a 血m e e c d h a a n n d i s m a n , a t 。o y z i l e n d o 。o h c e p r a n d c 。n s m e a s u r e s ，d e t e c t i o na n d i s o l a t i o no ft h es u m n l a i 1 z e ua 1 1 um m l 了一一r 眦 恤 量； 衙 删 l t r l 脒 扪 眦m 卫 p n n 嗡 a 咖i i 一炯 a 嘲刚时 弱 嘣 = l 倒咿 藿帆_耄螂枷一=量删m枷 叫 萨眦 旷吩 咿此岫舯沁 渤缸 衍 啦e a y 旺 姒毳叫一眦 锷m 砸 e b墨一竺 e 郇 n 帕 唿 呈耋池 唱咖 一 耐砌 批锄 他呻时枷|艄 一一一一一一 们 哆 w 呱 a 劬鹕舭 一一一一一 舢町雏鲥-重阳 墓箸- ； = 譬= 一 蓍蚕 一一一一一一一 啦眦酊 一 删 鹇菩眦i孵曲 一一一一一一 i 兰珧 洮帆 一 一一 一一一一一一一一 一一一一一一一一 一一一一一一一一 一p一一一一。一 a na n a l y s i si sm a d eo ft h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n te x t e n t so fg r a d a t i o ns e g r e g a t i o no n v o l u m ep a r a m e t e r ，w a t e rs t a b l ep e r f o r m a n c e ，r u tr e s i s t a n c ea n ds u r f a c ec o n s t a n ts oa s t oe s t a b l i s ht h ep e r m i t t e dr a n g eo ft h es e g r e g a t i o nd e g r e ea n dt h ec o n n e c t i o no f s e g r e g a t i o na n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e s ( 5 ) b ys t u d yo nt h et e n d e n t i o u so fm i x t u r es e g r e g a t i o na n dt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n td e g r e e so fg r a d a t i o ns e g r e g a t i o nw ec a ne s t a b l i s ht h ee v a l u a t i o ns y s t e m ，i t i n v o l v e st w oa s p e c t s ：s e g r e g a t i o nt e n d e n t i o u se v a l u a t i o na n ds e g r e g a t i o ne x t e n t e v a l u a t i o n t h r o u g ht h ee x p l o r a t i o n sa n dr e s e a r c h e s ，i tc a np r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r a s p h a l tm i x t u r ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n ds e g r e g a t i o nt e s t i n go ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ， t om a k i n ga s p h a l tm i x t u r eh a st h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h ec o n s t r u c t i o na n dr o a d p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；s e g r e g a t i o n ；e v a l u a t i o ns y s t e m ；t h i c k n e s so f a s p h a l tf i l m i l l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 律后果由本人承担。 作者签名：c 钟肚眺酵f 纱月歹日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：心艮日期：球【2 ，月厂日 导师签名： 日期：渺阵，z 月厂日 第一章绪论 1 1研究背景 近年来，国家对公路建设的投资越来越大，特别是高速公路建设的投资，每 年投资上千亿元。 “十五 期间共建成高速公路2 4 7 万公里，是“八五 和“九 五”建成高速公路总和的1 5 倍。全国高速公路通车总里程先后跃上了2 万公里、3 万公里、4 万公里三个大台阶。截止2 0 0 7 年底，中国公路通车总里程达3 5 7 3 万公 里，其中高速公路达5 3 6 万公里。根据交通部公布的国家高速公路网规划，从 2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使中国高速 公路里程达n 8 5 万公里。沥青路面是我国高速公路主要的结构型式，它具有平整、 吸振、噪音小、易于修整等诸多优点。对于高速公路如此大的投入和如此快的发 展速度，保证工程质量，减少因早期破坏而导致的浪费，显得尤为重要。为提高 沥青路面的耐久性、抗车辙能力和抗疲劳破坏能力，选用合理的沥青混合料级配， 并保持级配在混合料生产、运输、摊铺以及碾压过程中不发生规定范围之外的偏 差是保证沥青路面施工质量的关键。当前，沥青路面的施工技术、设备不断进步， 借助于先进的拌和、摊铺和碾压设备，沥青混合料的生产质量大大提高，从而为 修建优质的沥青路面提供了技术保证。 随着我国高速公路的发展，我国的公路施工技术及路面质量已经有了较大提 高，但与国外沥青路面相比，由于我国高速公路建设起步较晚，施工经验少、施 工水平参差不齐，加上交通量的迅猛增长及重车比例的增加，沥青路面在使用年 限内甚至是运营初期就开始出现一些早期破坏，诸如：车辙、推移、泛油、拥包、 脱落、松散、裂缝、唧浆等，此外还存在路面初始平整度不高或通车后平整度衰 减快等。早期破坏种类多，破坏严重，这些问题严重影响道路的使用率和通行率， 同时带来了巨大的经济损失。以日本为例，日本高速公路的设计年限为1 0 年，据 2 0 0 0 年对高速公路使用情况进行的调查，自1 9 6 3 年日本名神高速公路栗东一一尼 崎段通车以来至1 9 9 8 年7 月高速公路总里程已达6 4 5 0 k m 。按实际使用年限划分， 使用1 0 年以下占3 4 ，1 0 。2 0 年占3 2 ，2 0 年以上占3 4 ，几乎各占1 3 。尽管大部 分沥青路面使用寿命已远远超过规定的1 0 年设计使用年限，但路面结构破坏甚少， 大部分路段只是进行反复的表层维修一直使用至今，而且有些高速公路交通量大 的早己超过2 0 0 0 万辆。 国外的高速公路可以使用几十年，而我国除京津塘高速公路、广深珠高速公 路等几条路使用1 0 来年以后仅需要维修表面层、作预防性养护可以继续使用下去， 此外其它大部分高速公路基本上都达不到这样的效果。国内外的大量路面破损调 查显示，沥青路面的破坏首先以局部小范围随机方式出现，然后再扩大面积破坏。 交通部西部交通科技项目高速公路早期病害预防措施的研究课题组对全国大 部分省份的高速公路早期病害的调查发现，同一个地区，或者一条路来说，早期 损坏都是局部性的，在结构相同、交通荷载及气候条件相同的同一条路上，只有 某些局部的点、某个段落先发生损坏，只有极个别的高速公路产生全路段的大规 模损坏。相同的路面结构、材料组成设计、施工条件、环境、荷载的情况下路面 的破坏却是局部的、分散的。这种现象只能归结于实际路面状况的不一致性，局 部出现了“薄弱 环节，导致了早期损坏的发生。造成沥青路面局部性损坏的因 素是多方面的，其中包括路面设计不合理、施工质量水平不高、养护管理不到位、 交通量大、重车多、超载现象严重、水对路面结构的破坏、气候的影响等原因， 而其中一个重要的原因就是沥青混合料的离析和不均匀。 在超限超载车辆、雨水同时作用下，离析的沥青面层易发生路面渗水，沥青 混合料自身的抗水损坏能力、抗车辙能力、抗裂性能不强，因此率先发生各种各 样的损坏，而使成型路面表现出不同的路用性能。沥青混合料离析主要包括集料 离析和温度离析两大类型。集料离析出现时，沥青面层上一些区域粗集料较为集 中，而另一些区域细集料比较集中，使得混合料变得不均匀，级配组成及沥青用 量与设计值不一致，导致路面呈现出较差的结构和纹理特性。通常粗集料较为集 中的部位往往空隙率过大、沥青含里偏少，这是造成沥青路面加速出现水损害、 形成坑槽的主要原因之一，且粗集料集中区域的沥青混合料的拉伸强度低，抗裂 性能差，将严重降低路面的疲劳寿命；细集料较为集中的路面部位则往往沥青含 量偏多，空隙率过小，将导致路面的永久变形，并出现泛油等多种路面病害。温 度离析是指沥青混合料在储存、运输及摊铺过程中受天气、施工机械、施工工艺 等影响，由于沥青混合料的热损失不均匀而出现温度差异的状况。沥青混合料的 温度离析，会导致路面压实度不均匀，路面的平整度也会降低。摊铺和碾压温度 较低的区域，路面的空隙率较大，纹理深度也较大，这些区域的路面易出现早期 损坏。 离析使新铺沥青混合料面层透水性能增强，当雨水渗入到基层后，会加剧路 面的冻胀破坏。路面压实度不足，有时也是混合料离析引起的，仅检测路面的平 均压实度，往往不能客观地反映问题，还应该考虑其变异性。当混合料发生离析 时，仅仅依靠提高压实度难以达到减小空隙率的目的，甚至会造成集料碎裂而适 得其反。 由于离析的影响，沥青路面的使用寿命大大缩短，严重离析的路面使用寿命 可能会减少5 0 。可以说，路面大部分早期损坏类型都是起源于沥青混合料的不 均匀，这已经成为决定沥青路面质量的重要因素之一。一旦在施工过程中沥青混 合料产生离析，一切关于材料设计的努力实际上都变得徒劳了。因此，提高沥青 2 面层的施工均匀性，对提高路面的使用质量，减少甚至基本消除沥青路面的多种 初期和早期破坏现象以及保证路面的使用寿命具有十分重要的意义。 由于沥青混合料离析直接影响路面性能且是造成许多路面局部损坏的诱因， 近年来，国际上对沥青路面离析问题越来越重视，并开展了相关的研究。我国虽 然在工程施工中认识到了离析问题的存在以及离析对路面性能的影响，但仍然缺 乏较为系统的研究，对混合料离析的产生机理、影响因素等还都局限在表面或某 一方面。因此，对沥青路面离析发生的内在因素及其对混合料路用性能的影响进 行深入系统的研究显得十分必要和迫切。对离析问题全面和深入的认识会使我们 在工程建设中正确对待这一问题。在我国大力开展公路建设的时期，如果能对造 成路面先天性不足的离析问题进行很好的控制和防止，将会有效减少路面的早期 损坏的发生，同时也大大减少路面建成后的养护和维修费用，其创造的经济效益 也是可观的。 1 2 国内外研究概况 1 2 1国内研究概况 随着国内沥青路面高速公路的大量修筑，从2 0 0 0 年以来我国公路工作者在生 产实践中也广泛注意到沥青混合料的离析问题，并开始把沥青路面局部的早期破 坏现象与生产环节沥青混合料的不均匀性联系在一起，但我国现行的沥青路面技 术规范中缺乏有关离析问题的技术标准，国内对混合料离析的探讨多局限于施工 中产生离析的原因以及相应的防治措施，这些通常是自己施工经验的总结，往往 只注意到了某一个方面，缺少系统的研究，而对于沥青路面离析的检测判定以及 离析严重程度并没有深刻的认识，更多的是对美国交通研究委员会进行的“热拌 沥青混合料路面的离析 课题成果的介绍。国内还缺乏对沥青混合料离析进行相 关的系统研究，甚至对路面的离析并没有一个明确的概念，关于离析对路面性能 造成的影响也只局限于感性的认识，也没有相关检测手段和指标的规定。后来， 部分省从国外引进了沥青混合料转运车，研究转运车对于消除沥青路面离析的作 用使得对离析问题的研究走向了深入；湖北京珠高速公路建设指挥部的张学锋等 人利用路面透水系数对其所在工程a c 2 0 1 型沥青路面进行离析检测并提出了相 应的判定指标，并以3 0 m l m i n 作为是否离析的分界线，但他们没有进行更深入 的研究。 河南省交通基本建设质量检测监督站和长安大学黄琪等人根据理论物理中 对颗粒流分选的分析，从宏观和微观两个方面解释沥青混合料的离析机理，认为 热态的沥青混合料具有颗粒物质的雷诺膨胀、崩塌、分选等特征，并基于集料离 析对沥青面层的质量影响，得出a c ，2 0 型沥青面层的集料离析的分类标准及相应 的技术特性如下： ( 1 ) 表面致密：与设计值相比，路面的实际空隙率和密度无明显变化，实际 构造深度与设计构造深度的比值小于0 7 5 ，路面实际油石比高于设计油石比约 0 3 - - 0 5 ；路面实际级配曲线均在设计级配曲线上方。 ( 2 ) 轻度离析：路面的实际空隙率比设计空隙率大2 - - - 3 ，实际构造深 度与设计构造深度的比值介于1 2 1 6 5 ，与车辙试件密度相比较，路面实际密度 减少0 0 5 o 0 8g c m 3 ，路面实际油石比低于设计油石比0 4 0 8 ：至少在 1 6 m m 、1 3 2 m m 、9 5 m m 、4 7 5 m m 筛孔中有两个筛孔的质量通过率与设计级配相 比超过6 。 ( 3 ) 严重离析：路面的实际空隙率比设计空隙率大3 - - - - 4 以上，实际构 造深度与设计构造深度的比值超过1 6 5 ，与标准密度差值超过o 0 8g c m 3 ，路面 实际油石比低于设计油石比超过0 8 ；与设计级配相比较，至少有3 个筛孔的 质量通过率超过8 ，其中至少有2 个筛孔的质量通过率超过l o 。 近年，江苏省对于沥青路面的离析，根据构造深度、密度、空隙率等指标的 变化提出了自己的判定标准，如表1 1 。 表1 1江苏省建议的高速公路沥青面层离析检测方法与评定标准 测定方法测定指标无离析轻度离析中等离析严重离析 铺砂法t d t d 平均 1 9 密度差( g c m 3 ) 0 0 8 1 个筛孔2 个筛孔 级配变化( )1 个筛孔 5 取芯法 1 0 1 0 沥青用量变化 0 6 ( ) 核子密度仪 密度差( g c m 3 ) 0 0 8 红外摄像仪温度差( ) 3 0 建议的处理措施通知整改 局部返工返工 华南理工大学的张肖宁教授等利用数字图像技术，采用数码相机记录道路表 面的构造深度特征，经计算机处理获得具有面积属性的道路表面构造深度信息并 借此作为路面表面离析的识别方法( 其实质仍是采用构造深度判别离析) 并与施 工质量评价指标体系相结合进行了研究。同济大学的彭勇等采用数字图像处理技 术分析试件切割后断面集料的分布状态，并提出用均匀性指标进行混合料整体均 匀性的评价。同济大学丛林 2 1 等人根据不同高速公路a c 2 0 沥青混合料现场施工 真实离析水平，以空隙率指标将离析分为四类：无、轻度、中度和重度，这种分 类主要是针对粗集料集中区域，对于细集料集中区域则以偏细代表。李立寒【3 】等 4 人通过室内试验分析了混合料级配离析状态和离析程度对沥青混合料体积参数、 路用性能和力学性能的影响。发现在不同离析程度下，粗集料离析对沥青混合料 性能的影响大于细集料离析的影响。胡德明【4 j 认为当混合料离析在一定范围内时 对混合料质量并没有太大的影响，一旦混合料离析超过一定限度时，混合料质量 恶化。同时发现混合料离析程度对路面空隙率有直接影响，当空隙率超过7 时， 透水性急剧上升，水稳定性急剧降低，车辙增加，对混合料的路用性能有严重影 响。长安大学叶松【5 】和李平【6 l 等人则利用开发的沥青混合料离析评价仪测试了不 同混合料的离析倾向性，测试结果显示不同类型混合料离析倾向性存在明显差异， 且级配是主要的影响因素，油石比的作用则较小。 1 2 2国外研究概况 鉴于沥青混合料的离析对沥青路面的路用性能的影响较大，国外对沥青路面 离析的研究相对较早，1 9 8 7 年，k e n n e d y 对离析作出了如下解释：沥青混合料的 离析是不同尺寸大小的粗集料在混合料中的不均匀分散，包括粗集料集中在某一 特定区域，而细集料集中在另一区域，这一解释只是人们初期对沥青混合料离析 现象的一个描绘，是一种表面现象的描述。1 9 9 6 年b r o c k 对离析的叙述为：离析 造成了不均匀的沥青路面，导致混合料的设计级配和沥青含量发生了变化，路面 的结构特征变差。这样的解释涉及到了离析造成的现象一一不均匀的沥青路面， 混合料性能的变化一一级配和沥青含量变化，以及造成的直接后果一一路面的结 构特征变差。 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的措施。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。 2 0 0 0 年，美国国家交通研究委员会( t r b ) 开展了国家联合公路研究项目一 一热拌沥青混合料路面的离析( n c h r p4 4 1 ) 【7 j ，定义了三种类型的离析：级配 离析、温度离析和集料一沥青离析，重点研究了沥青面层离析的检测方法。在对多 种物理指标和检测方法进行分析后，该研究项目提出使用红外热像仪和r o s a n 激光断面仪去识别评价路面离析的严重程度，用测量区域与事先假定的非离析区 域的表面的构造深度比来作为评判沥青路面离析程度的指标。其具体划分标准如 表1 2 ，表1 3 。 表1 2 采用红外热像仪时离析程度的划分 无离析 轻度离析中度离析 重度离析 摊铺层最高温度 摊铺层中平均温度摊铺层中平均温摊铺层中平均 与最低温度的差异不 低于周边温度1 1 1 6度低于周边温度1 7 温度低于周边温度 大于1 0 的区域 2 1 的区域2 l 以上的区域 5 表l 。3 采用r o s a n 表面构造深度仪划分离析程度 无离析轻度离析中度离析高度离析 构造深度比构造深度比构造深度比构造深度比 o 7 5 1 1 51 1 6 1 5 61 5 7 2 0 9 2 0 9 加拿大安达略省对沥青面层的离析也进行了一些研究，并于1 9 9 0 年将构造深 度比作为离析的评定指标( 见表1 4 ) ，同路面的付款系数挂钩。 表1 。4 加拿大离析评定标准 构造深度比( 离析处t d 无离析处t d ) 路面层位 轻度离析中等离析严重离析 中面层( 中等交通量) 2 5 中面层( 重交通量) 2 5 磨耗层 2 2 2 0 0 1 年t a s h m a n 等人发表文章，提出如何研究混合料中粒径大于2 3 6 m m 集 料的离析状况。其方法是把混合料的水平截面和竖直截面划分成等面积的内外两 个区域，选择能够描述这些区域内集料平均粒径差异的参数来评价离析。 基于数字图像处理技术，2 0 0 4 年h u n t e r 等人在t r b 上撰文，提出评价混合料 中集料离析的2 种方法。这两种方法都是通过比较截面上相等区域里集料累计面 积值的大小来评价离析程度的。 基于n c h r pr e p o r t4 4 1 中的大量试验数据，2 0 0 4 年的t r b 上，w uj u n x i a r o m e r op 等人对用多元变量模型来评价沥青混合料路面的离析进行了分析，提出 沥青混凝土路面的离析程度能够从其主要成分( 空隙率、沥青含量和级配) 的变 化上来预测，密实度的变化与离析的程度间有着很好的相关性。公式( 1 1 ) 用于 预测密实度的变化( 相对于非离析区域而言) 。 y c h g d e n = 1 3 9 1 x c h g a i v + o 2 9 1 x c h g 一1 9 0 + 0 8 6 2 x c h g 一0 1 5 + 0 7 5 6 ( 1 1 ) 式中：y c h g d e n 一一密实度的变化，； x c h g a i v 一一空隙率的变化，； x c h g 一1 9 o 一一通过1 9 0m m 筛孔集料的质量百分率，； x c h g 一0 1 5 一一通过o 1 5m m 筛孔集料的质量百分率，。 沥青混凝土路面的离析状况，主要由其组成成分中集料的分布状态所决定， 截面上集料的分布位置和分布数目决定了截面上集料的分布状态【8 j 。 为了解决离析和均匀性的问题，国外近年来出现一种介于摊铺机和运料车之 间的过渡设备，混合料转运车。运料车来到现场将混合料卸入混合料转运车，转 运车接到混合料后不断的搅拌，使有可能在拌和、储存、运输过程中产生的离析 得以消除，重新使混合料级配均匀、温度一致，然后将搅拌后的混合料连续地输 给摊铺机。在摊铺机的受料斗上又安装了一个接料斗，这个接料斗直接将转运车 输来的混合料传给摊铺机的输料器上，然后送给摊铺机熨平板，铺成路面。 6 这里需要指出的是对于部分国家和地区，沥青混合料的离析并没有作为一个 很重要的控制对象。如在澳大利亚、法国、新西兰等国家在级配设计阶段通过采 取控制最大粒径不超过2 0 m m ，避免使用间断级配等措施限制沥青混合料离析的 发生。 1 3主要研究内容及技术路线 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 离析的特征、产生机理及检测方法的研究 介绍了沥青混合料离析主要表现形式并分析其各自的特点；从物理方面及级 配理论方面解释了混合料离析的机理；汇总了国内外现有离析检测方法，比较了 各方法的优劣及适应性。 ( 2 ) 沥青混合料离析倾向性测试方法研究 开发了新型沥青混合料离析仪，并对不同的混合料组成成分测试方法进行了 比较，形成了一套较为完善的混合料离析倾向性测试方法。 ( 3 ) 沥青油膜厚度计算方法的研究 分析现有的几种沥青油膜厚度计算方法的特点；针对其各自的不足，提出了 一种新的计算方法；并比较了各方法的计算结果，证实了新方法的可行性，为进 一步研究沥青含量对离析的影响及确定不同离析状态的混合料油石比提供了理论 基础。 ( 4 ) 材料组成对离析的影响研究 运用开发的新型沥青混合料离析仪测试了沥青稳定碎石的离析倾向性，提出 了新的离析评价指标并研究了集料级配，沥青含量、沥青标号及混合料温度对离 析的影响，探寻混合料设计如何预防混合料后期离析的技术指标与参数。 ( 5 ) 离析对混合料性能的影响研究 根据新的离析评价指标，设计了不同离析程度的几种级配，通过室内试验， 分析了离析程度对沥青稳定碎石混合料体积参数、路用性能和表面特征参数的影 响。 ( 6 ) 离析评价体系的研究 基于新型沥青混合料离析仪的测试结果和离析对混合料性能的影响，提出了 混合料离析倾向性的评价方法和指标，并提出了沥青稳定碎石离析程度的控制指 标，为沥青混合料离析评价体系的建立提供了参考依据。 具体的技术路线如图1 1 所示。 7 图1 1 本文研究路线图 8 第二章离析的产生及检测方法 本章首先描述了不同类型离析产生的特征并对其表现形式进行归纳总结，然 后从物理方面的颗粒运动规律和级配设计理论的角度对沥青混合料离析产生机理 进行了初步的探讨和分析，从而解释沥青混合料的离析机理，找到更好的防止措 施，并对离析的检测方法进行了分析和总结。 21 离析的分类 沥青混合料离析表现在沥青面层的不同部位粗、细集料明显分离，一些部位 粗集料较为集中，而另一些部位细集料较为集中，使原有的混合料级配组成受到 了破坏，从而使沥青路面整体上表现出不同的路用性能，沥青面层的均匀性降低 后，部分区域路面的使用寿命缩短。在雨后路面初干时，集料离析的沥青面层外 观表现十分明显。细集料较集中的部位路面表面相对光滑，在雨中有明显的水膜， 并出现“反光”现象，而雨后则迅速变干，呈灰白颜色：租骨料较集中的部位表 面相对粗糙，在雨中无水膜，无“反光”现象，且雨后有明显的永迹，严重的集 料离析部位则经久不干，有的甚至空隙中有明显的积水，见图2 1 所示。 隰 图2 1 离析部位的透水 沥青混合料发生离析时，粗集料和细集料分别集中于铺筑层的某些位置使 路面的结构性质和表面构造深度不符合设计要求。在n c h r pr e p o r t4 4 1 ( s e g r e g a t i o n i n h o t - m i x a s p h a l t p a v e m e n t s ) 中将离析分为三种类型：级配离析、 温度离析和集料一沥青离析。级配离析是指在混合料在生产、运输和摊铺过程中产 生的租细集料的不均匀分布现象。温度离析是指出现在运料车及摊铺机两翼混合 料表面的不均匀冷却现象。集料一沥青离析多出现于s m a 中。混合料的离析，按 其出现的位置和规律可以分为规则离析和随机性离析。所谓规则离析是园为施工 工艺、施工机械等原因造成的有一定规律可循的离析情况，其出现位置和离析特 征具有一定的规律。按照离析在路面中出现的位置与特征又可以将规则性离析分 为：端部离析、带状离析、接缝离析、块状离析四种形式。不同类型的离析有不 同的特点和不同的产生原因。 ( 1 ) 端部离析：端部离析是最常见的离析形式，它在路面上形成规则的翼状 离析。在摊铺机中央区域细集料较多，比较密实，表面纹理较浅；而在摊铺机两 侧粗集料较集中细集料、沥青含量较少，空隙率较大，表面纹理深。特别是采 用一台摊铺机施工时，端部离析现象比较严重，这主要是由于摊铺机的摊铺参数 设置不当造的。 ( 2 ) 带状离析：带状离析也是比较常见的一种形式通常出现在摊铺机的中 央，也有位于边缘或其它部位。上、中、下面层均可能出现这种情况。对于公称 最大粒径较大的沥青混台料而言，在施工过程中，由于摊铺机的固有结构造成摊 铺面中部的带状离析带也是比较明显的。带状离析处的沥青混合料松铺面温度较 横断面其它位置低。这种摊铺机中部部位离析带温度表现较低是因为铺面粗颗粒 较为集中，碾压前沥青混合料之间没有受到相互挤压，铺面空隙率较大从而散热 较快。产生带状离析现象的主要原因是摊铺设备或摊铺机操作的问题。如摊铺机 螺旋布料器分段不连续、熨平板安装不当、螺旋布料器转速不够、摊铺机卡料等。 路面压实后的带状离析路表状况如图2 2 所示。 蘸 圉2 2 带状离析 ( 3 ) 接缝离析：沥青混合料的铺筑通常采用两台摊铺机旅工，路中央的纵向 热接缝往往是沥青面层质量最薄弱的环节。接缝处摊铺的沥青混合料多或少都 会在接缝处产生离析现象。沥青混合料较多会形成“桥”的效应，影响接缝两侧 的压实：沥青混合料较少则接缝处压实不足。如果两台摊铺机的摊铺厚度不一致 则接缝处厚度小的一侧不易压实。两台摊铺机后面的碾压温度若差异过大也会造 成接缝离析。此外，接缝离析往往同端部离析或其它形式离析形成组合效应。由 于接缝处通常位于行车道，轮载作用的次数多，因此应予以高度重视。 ( 4 ) 块状离析：块状离析一般呈等距离分布。在施工过程中，如果拌和楼生 产的沥青混合料级配发生变化，并且摊铺机的摊铺作业是将每车或每斗沥青混合 料有规律地摊铺而不是连续进出料造成，那么摊铺后的路面可能将出现块状离析。 另外，由于多方面的原因，如果摊铺机作业过程中有规律地收斗，斗中两侧的沥 青混合料粒径通常较大，那么每次摊铺后的路面均间隔出现明显较大的骨料。因 此，控制各档集料级配的一致性、保持拌和设备的稳定性、采用合适的施工工艺 是防止沥青面层出现块状离析的有效措施。 ( 5 ) 随机性离析：随机性离析是相对于规则离析( 如图2 3 所示) 而言。由 于原材料的变化，如冷料的变动太大、超限料的增多、筛 l 的堵塞或破损、设备 故障、拌和楼生产的混合料波动过丈、碾压不及时等可能都造成随机性离析，表 现为路面局部会出现许多太粒径料或小粒径料的集中。低气温施工随意停机或保 温措施不够往往也会形成随机性离析。随机性离析路表状况如图2 4 所示。 图2 3 规则离析 图2 4 随机性离析 ( 6 ) 温度离析：由于沥青混合料在储存、运输及摊铺过程中的热量损失不同， 使得摊铺后的路面出现温度差异的状况。同各种集料离析现象不同，施工过程中 的沥青混合料温度离析人们肉眼无法直接察觉到，必须借助温度测试设备监测摊 铺后路面温度的均匀性。沥青混合料对温度非常敏感。如果摊铺后的沥青面层产 生温度离析，在相同的碾压工艺下，温度较低的区域路面难以压实，压实度较低， 路面空隙率将较大；温度较高的区域路面易于压实，压实度相对较高，路面实际 空隙率较小。这样，沥青面层的密度分布不均匀，路面的平整度也会降低。摊铺 和碾压温度较低区域的路面易出现初期和早期损坏。图25 是使用红外摄像仪拍 摄的沥青面层发生温度离析的典型例子。 图2 5 温度离析 2 2 离析产生机理 沥青混合料是沥青和不同粒径的集料共同组成的聚合体，离析是这一复杂系 统在外部扰动时所产生的一种运动现象。当混合料落下时，粗集料比细集料移动 更大的距离，导致粗细集料的分离，造成沥青混合料离析。在具体的工程实践中， 沥青混合料的离析受级配设计、原材料特性与管理、混合料生产与运输以及混合 料摊铺等因素的影响。 在道路施工中，对于沥青混合料，从冷料的运输生产到热料的运输摊铺时刻 都存在外界对颗粒系统的干预以及颗粒系统自身的流动在未加入沥青之前，属于 多尺寸干颗粒的运动，其分选呈现出固态一相颗粒系统的特征，加入沥青之后， 在混合料温度较高流动性较大时呈现出固液两相颗粒分选的特征，其实际观测结 果与实验研究中“上小下大，上稀下稠”的形态有一定的相符性，而理论物理中 对于颗粒流分选的研究为我们解释沥青混合料的离析提供了可以借鉴之处。根据 上面对理论物理中对颗粒流分选的分析我们可以从宏观和微观两个方面解释沥青 混合料的离析。从宏观来说，沥青混合料的离析是沥青混合料中不同性质颗粒由 于在系统中时均受力不同而导致粗细集料的分离。从微观来说，沥青混合料的离 析是颗粒运动过程中渗漏、几何重组以及整体对流等综合作用的结果。 目前，混合料设计中常用的级配理论主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理 论。最大密度曲线理论认为固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配， 可以得到密度最大、空隙最小的混合料。其设计原则是达到密度最大、空隙率最 小。经过多年的发展最大密度曲线理论发展为n 幂公式并结合工程实际经验演变 出考虑混合料性能的级配曲线设计范围，实际设计过程中在此范围内选择合适的 级配曲线进行级配设计。粒子干涉理论认为，为达到最大密度，前一级颗粒之间 的空隙，应由次一级颗粒所填充；其所余空隙又由再小颗粒所填充，但填隙的颗 粒粒径不得大于其间隙之间距离，否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象。近 年来，国内外广泛应用贝雷法进行混合料的级配设计，其主要思想是以形成集料 骨架作为混合料的承重主体，同时考虑粗、细集料的比例控制混合料的v m a 、 空隙率等参数。贝雷法提出了粗细集料的相对概念，单位体积内能产生空隙的大 集料颗粒为粗集料，而细集料是指能填充由粗集料产生的空隙的集料颗粒。 从以上级配理论可以看出，级配设计的初衷是设计密实的混合料，密度最大 化是其设计原则，而最大密度曲线理论或者是粒子干涉理论只是要达到这一目的 的不同方式。这两种设计方法都是通过不同粒径粗细集料的搭配实现粗集料形成 的空隙由细集料填充这一目标。贝雷法更加科学的划分了粗细集料的定义，其最 终目的还是要实现粗集料形成骨架，细集料填充空隙的目的。分析这些级配设计 方法可以看出，理论设计的沥青混合料是粗细集料颗粒以合适的比例合理分布、 1 2 合理组合而搭建成密实的颗粒系统，通过沥青的胶结进而形成稳固的结构。从这 一过程来看，要实现这一目的须解决三个问题： ( 1 ) 粗细集料的合适比例； ( 2 ) 粗细集料的合理分布； ( 3 ) 沥青胶结料的有效胶结。 以上三个方面对沥青混合料是否产生离析也有着重要的影响。粗细集料比例 不当，颗粒之间不能形成可靠的嵌锁和支撑作用，会使得离析发生的机率增大。 如果混合料中粗集料较细集料过多会造成粗集料缺少支撑，导致粗集料的不稳定 而滚向有支撑的稳定位置。实际工程中我们可以观测到部分区域粗集料经常滚落， 可以解释为：由于粗集料自重较大需要更大的力来保持其稳定，而这些力主要来 源于来自细料的支撑力和胶结料的粘附力。而在热态时粘附力较小，支撑力占主 导作用，如果细料缺失，那么粗料自然会因为缺少支撑而不能保持自身稳定导致 了滚落的发生从而产生了离析。而这一现象在混合料装卸、运输、摊铺过程中最 为常见。即使粗细集料比例合适还应通过采取有效的措施使得粗细集料均匀分布 才能实现粗料嵌挤，细料填充、支撑的理想状态。而混合料的生产、运输、摊铺 等过程都会对混合料的分布产生较大的扰动，从而，这些也成为了我们生产过程 中控制混合料离析的主要考虑对象。沥青胶结料的胶结作用是保持颗粒位置稳定 的一个重要因素，而影响沥青对集料的胶结效果主要有三个方面的因素：沥青含 量、沥青标号、温度。沥青粘度越大，有效沥青膜厚越大胶结作用越明显，例如 在具有间断级配特征的混合料中由于添加纤维( 如s m a ) 或聚合物使得沥青膜加 厚，沥青粘度增大( 如改性沥青) 从而在整个拌和摊铺过程中降低了骨料在转化 点的分离倾向，减少离析的发生。从沥青混合料的设计理论来看，粗细集料的比 例、分布以及胶结料的胶结程度是影响混合料离析的三大因素，沥青混合料的级 配设计影响粗细集料的比例，是设计阶段需要重点考虑的内容；混合料的生产运 输与摊铺影响混合料粗细集料的分布，是施工中防止离析的重点监控环节；沥青 的选择与用量的确定则影响着胶结料的特性，而这三方面又彼此联系