（道路与铁道工程专业论文）渝湛高速沥青混合料温度和集料离析的试验研究.pdf

摘要 摘要 沥青路面在高等级公路中占有很重要的地位，但在我国高速公路建设中沥青 路面早期损坏是一个突出问题引起路面早期破坏的因素中，最严重的问题是沥 青混合料的不均匀性沥青混合料的离析问题是造成路面不均匀性的主要原因， 是降低路面使用性能的顽症。热拌沥青混合料的离析主要有三种型式：集料离析、 温度离析和集料沥青离析。 本论文针对沥青路面早期破坏这一质量通病做浅显探讨，分析采用现行施工 工艺流程沥青混合料产生离析的原因，指出现行施工工艺的不足，并针对性地提 出了解决措施：采用新型的转运摊铺施工工艺在渝湛高速公路十二标段分别对 采用传统施工工艺和新型转运摊铺施工工艺摊铺的路面进行试验分析，对比两种 方式下温度离析状况、集料离析状况的施工效果，对路面进行整体评价。结合完 整可靠的试验数据，在综合分析沥青混合料温度离析和集料离析相关性的基础上， 利用统计回归分析法初步建立了沥青混合料离析的评价模型。 通过新旧两种施工工艺的对比评价，可以看出转运摊铺施工工艺的二次拌合 有效地改善了沥青混合料在摊铺前发生的温度离析和集料离析，使沥青路面的综 合质量得到提高，转运摊铺新工艺是解决沥青混合料离析最有效的手段。通过对 回归模型进行检验，证明该模型是评价沥青混合料离析的有效方法。 关键词；沥青混合料；施工工艺；离析；措施；沥青转运车；回归分析 摘要 2 a b s t r a c t - i k 懿p h a l tm i x n 啪p 州e 蚴t h 嬲a v e i y i m p o r t 跗t 啦a 舡l s i n t h eh i 曲t y p e p a v 锄c n t g i n l i n g b u ti n 自c tt h ee a i l yd c 蚰舶邶a 山e 曲u s 呻b l 锄hm e 辩f 配t 0 璐。 t h ec a u o fm ee a d yd e 蚰 i l c n o ni s 血砒t h eh m ai sn o th 咄o g e s ，锄dt h ep r i m a i y a 8 0 ni 8t h e 辩孵a 吐衄o fh m a ，w h i c hd r e a s 朗t h ep a v 锄c n tp e d o 衄a n c e s c g r e g 砒i i 8d i v i d 【e di n t ot h i m a j t ) ，l 冲s ：g r a d 蛐辩g r e g a t i 呲。t c i n p c 咖m 霉g a t i a n d 喇眦p a s p h a l ts e g r e g a t i - 1 1 1 i sp 印盯j n i l d d u sl h e 髓d yd e 咖c t i so fm a 蛐a b 骺st h 砒g c n e 枷r 鼯锄 o fs e g 地g a t i o n 妇m e 觚：n | a lp l d c c 端o f c o n 蛐m c 商o nt e c h n i q u e sa mu s e d ，砌i c 锄m e d e 董b c t so fa c t i l a lc 吼s t r u c t i t e c h n i 印e s 。锄dp v i d e sm cw 嘲沁l u d s ： 位m s p o n - p a v i n g t h cn e w 蛆dm eo l dp 孙嘲n e n tc o n s m 埘o nt c c h n i ca ma n a l y z e di n t h e1 m z h 髓h i g h w a y 锄dt h ep 孙嘲n e n lp c r l o 皿1 a n i 8e v a l u a t e d b a s o d0 nt h e l i a b l e d a t ad b o l l ti h eh m a t h e 站蜥b e t w 啪t h cg r a d 蛳雌s e g r e g a l i a n dt e m p e 觚 s c g r e g a t i o n o f m 似i s 柚a l y z 咄t h e 删i c t i m o d e l so f t h es c g f e g a l i 阻o f m 雌w c g o t 锄dc h e c l 【e du pb yu s i n gt h cm e t h o do f r e g m s s i 柚由8 i s c 锄p a i e dt h co uc o n s 岫尬d o nt h n i q u e sw i t ht h en c wc o n g t m c n o nt c c h n i m 璩s 。t h i 摹 p a p e ri i l d i c a l c st h 缸t r a n 删- p a 啊n gc o n s 恤l c 吐o nt e 涮q u e sc a n 嚼t a t cm em i x n l m t w i ，地d i i 8 血e 粤a d a l i 卵螂a n a n dt e m p e r a t i l 羽弓静i t i o no fh m a e 丘b c t i v c ：i y a n di m p v c sg 吼e r a lq u a l i t yo fh i g h w a y ：a san e wc 础，缸a n s p 嘣- p 吖i n gi s t h eb c 啦w a y t os o i v c t h e 辩g r e g a t i o f l h e h m a ；t h e m o d c l s i s 山ce 伍洳v e w a y t o c v a i 岫耙t h e 辩嬲a 吐o f h m a b yc h c c l d | l gu p 血em o d e l so f r 啦s s i o n 趾a l y s i s k e yw o r d s ： 聃砌x - a s p h a l tp a v e m e n t ； c s t n l c 的nt h n i c ； 嗍a t i 帆； 埘d l u d ；m a 蜘a l - t r 锄s f e i 砌i c l c ；噼m 8 s i 蛆由s i 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己经发 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，均己在文中以明确 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：主五专猾、 日期： p 7 年妒月日 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：主五稍、 指导教师签名：哼矽q 、廒 日期：d 7 年华月日 日期：d 7 年争月多日 第一章序论 第一章绪论 1 1 引言 高速公路是交通运输的主动脉，在国民经济中起着举足轻重的作用，大力发 展高速公路建设是我国的一项长期国策据统计，在我国已修筑的高等级公路路 面中绝大部分是沥青路面。随着国民经济和现代化道路交通运输的需要，沥青路 面必将得到更大的发展。据统计，2 0 0 5 年中国新增公路通车里程4 9 万公里，其 中高速公路6 7 0 0 公里，同比增长3 2 ，继续保持世界第二 沥青路面是以沥青材料作为结合料粘结矿料而修筑的面层与各类基层和垫层 所组成的路面结构相比于水泥路面，沥青路面具有表面平整、坚实、无接缝、 行车舒适、耐磨、低噪音、施工期短、养护维修简便，且适宜于分期修建等优点， 因此得到了广泛的应用n ，沥青路面的路用性能要求路面具有一定的强度、刚度、 平整度，具有足够的承载力、同时具有较好的高温稳定性和低温抗裂性，另外沥 青路面的表面层应具有耐久且良好的抗滑性和耐磨性。嘲 虽然我国公路建设近年来发展迅速，但由于高速公路建设起步晚，技术储备 少，经济基础差，以及我国的气候条件和交通荷载条件恶劣，车辆超载严重，优 质的道路石油沥青的原材料缺乏等原因，铺筑的高速公路路面结构还存在种种问 题，一些路段的建设水平不如人意，甚至通车几年就发生了车辙、开裂、泛油、 坑槽等早期破坏现象，不得不进行大面积的维修。和其它国家一样，沥青路面早 期破坏是我国高速公路建设中的一个突出闯题。 尽管目前沥青路面的设计方法是建立在层状弹性理论基础上的耐久性设计方 法，沥青路面仍然存在着设计年限内由于各种原因而发生的早期破坏沥青路面 的早期破坏是指：沥青路面在设计寿命期( 一般1 5 年) 前l 4 至l 3 期间内，所 发生的过早的各种形式的路面破坏。2 0 世纪8 0 年代初期，我国一些新建或改建的 沥青路面大都发生严重的过早破坏的现象，有的使用不到一年就开始大面积的破 坏，有的使用2 3 年就开始明显破坏。1 尤其近年随着公路交通事业的迅猛发展， 交通量迅速增长，载重车辆比例增加，车辆超载现象严重，致使一些路面使用质 量和寿命达不到应有的水平，路面使用寿命缩短现有道路的实际使用寿命 ( 8 1 2 年) 普遍短于设计使用寿命( 1 5 2 0 年) 。1 ，由此严重影响了公路的正常运 营，造成了很大的直接和间接经济损失及不良社会影响。路面的早期破坏，既影 响了公路的交通运输，又造成巨大的经济损失。因此，高速公路沥青路面早期破 坏问题已经引起了广泛关注。 第一章序论2 1 2 沥青路面早期破坏的情况描述 1 2 1 沥青路面早期破坏的分类及特征 我国高速公路沥青路面的早期破坏类型大体可分为两种不同性质的破坏： 第一类早期破坏：通车后短时间内发生的早期破坏。 第二类早期破坏：深层次原因导致的早期破坏。 调查发现：第一类的早期破坏主要有以下特征： 大量的情况是，针对同一地区或一条路来讲，早期破坏都是局部性的，只 有极个别的产生全路段的大规模破坏。在结构相同、超载车及雨水影响相同的同 一条路上，只有某些局部的点、某个段落先发生破坏这种情况在许多路上表现 为局部的坑槽、松散、部分路段出现车辙等等。 这些损坏通常是在行车道首先发生，很明显与超载车密切相关 这些损坏的发生有强烈的时间特性，雨季和春融季节，水的危害是首位的。 水损坏是最常见的现象，包括坑槽、松散、掉粒和网裂等。开裂大部分发生在气 候转冷的入秋季节和冬季，说明这些损坏受季节影响很大。 这些损坏通过及时的局部性的维修和铣刨加铺可以得到缓解。这看起来很 乐观，似乎路面的损坏都可以通过维修解决但是，如果交通量很大，不仅是白 天无法上路修补，甚至连晚上都忙不过来，不能及时的维修，更大的损坏就难以 避免。 这些早期损坏通常发生在通车后的第一个雨季或第一次遇到高温时，一般不 超过1 3 年，有些发生在通车当年，甚至几天1 个月之间它往往是由于某些 特殊原因造成的，它可能发生在一些普普通通的沥青混凝土路面，也可能发生在 采用改性沥青的s 姒路段或者按照s u p e r p a 、e 设计路段。 第二类早期破坏是深层次的原因引起的破坏，主要表现在：高速公路基本上 都达不到设计年限就需要。大修”；即使在设计、施工中进行严格管理，仍然会发 生意想不到的破坏第一类早期破坏是局部性的，而第二类早期破坏则是全局性 的。 我们主要针对第一种类型的破坏进行研究，也就是发生在通车后不久，有的 是当年，有的在l 3 年内发生早期破坏。 1 2 2 沥青路面病害的表现形式 由于多种原因影响，沥青路面早期破坏的现象时有发生。沥青路面病害的成 因比较复杂，由于环境、地点、气候条件的不同，病害情况不一。沥青路面病害 主要表现为以下几种形式： 裂缝 裂缝是沥青路面最主要的病害。沥青路面上出现裂缝，按其成因不同分为横 第一章序论 3 向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种类型。 松散 沥青混合料采用的沥青黏结力差，沥青用量偏少，所用的矿料过湿，铺撒不 匀，或所用的嵌缝料不合规格而未能被沥青粘牢，沥青混合料铺筑后发生松散。 在气温较低的季节施工，沥青裹覆矿料能力差，也易发生松散 坑槽 沥青路面产生坑槽的原因是面层的网裂、龟裂若不及时养护，在车轮荷载 和水分的作用下造成路面混合料脱落而逐渐形成坑槽。基层局部强度不足，在行 车作用下也易产生坑槽。 拥包 拥包是指沿交通流方向路表材料出现较大的竖向位移。这类病害大多是由于 路表材料稳定度低、交叉口车辆的频繁起动与制动、水泥路面与沥青路面接点处 产生过大应力所致此外，面层较薄，以及面层与基层的黏结性较差，也易产生 推挤、拥包。 泛油 泛油是指由于黏结料或沥青溢出路面形成局部黑而光亮的斑面。由于混合料 中沥青用量偏多，沥青稠度太低，黏结料过软，或者高温时下层黏结料上溢等都 易引起泛油。 沉陷 因路基压实不足或基层强度和压实度不足，引起路基路面的沉陷变形。 波浪 波浪是指路面上形成的有规则的低洼或凸起变形 车辙 车辙通常伴随着沥青面层压缩沉陷的同时出现侧向隆起，二者组合起来构成 车辙。当车辙达到一定的深度时，由于辙槽内积水，极易发生汽车飘滑而导致交 通事故。车辙一般发生在温度较高的季节，沥青面层在车轮的反复碾压作用下产 生永久变形和塑性流动而逐渐形成带状沟槽车辆的渠化交通作用形成车辙是公 路沥青路面的主要病害之一。 滑溜 由于行车作用造成沥青路面表层矿料磨光，发生行车滑溜。沥青面层中多余 的沥青在行车荷载重复作用下泛油，也易形成表面滑溜。 通过调查研究“1 ，我们对沥青路面早期破坏的类型和表现形式有了深刻的理 解。对各个工程来说，早期破坏的发生形态是不一样的，有其各异的特性，同时 又存在普遍的共性。 第一章序论 4 1 3 沥青路面早期破坏的原因分析 早期破坏的发生主要有以下几个原因”： 设计原因引发的沥青路面病害 我国部分沥青路面因设计方面的问题发生早期破坏，其主要原因有以下几个 方面： 1 ) 结构设计不合理，如基层厚度不够，面层厚度不合理，面层分层材料配合 比设计不当； 2 ) 路面、基层、底基层排水设计考虑不周； 3 ) 路面所处段地质和水文情况与实际出入大，使得路面设计参数不符合实际； 4 ) 地基处理设计不合理。 施工原因引发的沥青路面病害 1 ) 软土地基沉降 在软土地基上修筑路基，若不加处理，往往会发生路基失稳或过量沉降，导 致公路破坏或不能正常使用。 2 ) 路基压实度不足 路基压实是路基施工过程中的重要工序，亦是提高路基路面强度与稳定性的 技术措施之一。土是三相体，土粒为骨架，颗粒之间的空隙为水分和气体所占据 压实的目的在于使土粒重新组合，彼此挤紧，空隙缩小，土的密度提高，形成密 实整体，最终实现强度增加、稳定性提高由于路基压实度不足，会导致公路路 面出现纵向裂缝和横向裂缝。 3 ) 路面基层施工质量低劣 由于抢工期、赶进度、造成料源紧缺，原材料质量难以保证，不能按照施工 规范要求施工半刚性基层没有合理的龄期，放松对工程质量的控制，使得基层 ( 底基层) 质量低劣，出现网裂破坏，反射到面层，面层出现网裂水从裂缝处 下渗到路基中，在行车荷载作用下路面发生破坏。 4 ) 沥青面层本身的破坏 & 由于水产生的破坏 由于沥青面层本身的原因引起的路面早期破坏，有沥青面层松散、坑洞、泛 油等沥青面层破坏的一个很重要的原因是水所引起的沥青面层中水的来源有 地面降水和路基中挤上来的水大气降水渗到沥青面层中排不出去，这样在汽车 荷载及温度变化的作用下，沥青面层产生破坏。 空隙率大时，雨后势必会在路面中积水。沥青面层中的水无法排除，沥青混 合料在饱水后石料与沥青黏附力降低，易发生剥落、松散，降低沥青路面的抗剪 强度。冬季降水后，水冻结时体积增大约9 ，在沥青路面内部产生冻胀应力；温 第一章序论 5 度升高，冰冻融化在冻融循环的作用下，沥青混合料松散，从而出现坑洞等早 期破坏。 b 沥青面层颗粒离析 沥青面层集料粗细颗粒离析，局部粗集料偏多，细集料偏少，不易压实。矿 料与沥青的黏结力小，抗剪强度低，容易出现松散局部细集料偏多，粗集料偏 少，热稳定性差，容易出现车辙、拥包等破坏其原因有以下几个方面： 集料颗粒组成不均匀性大：目前，沥青混合料所用集料多为个体小石料厂生 产，生产的石料规格不稳定，往往同一沥青拌合站由几家石料厂供料，造成集料 颗粒组成不均匀性大。虽然在沥青混合料拌合时，在拌合机内要对集料进行二次 筛分，但二次筛分不能解决原材料的不均匀性。矿粉的细度对沥青混合料质量至 关重要。沥青与矿粉的交互作用影响沥青混合料的抗剪强度由于矿粉质量的不 稳定，粗细不均匀，甚至潮湿、结团或矿粉运至工地后防雨防潮措施不良，造成 矿粉潮湿结团，在拌合机内矿粉不加热，造成沥青与矿粉拌合不均匀，影响沥青 混合料质量。 运输和摊铺过程中造成粗细颗粒离析：热拌沥青混合料特别是粗粒式沥青混 合料，从拌合机向运料汽车上放料时，由于落差大，出现沥青混合料离析沥青 混合料从运料汽车上倒入摊铺机受料斗时再次出现离析。当运料汽车倒完一车料 走开后，摊铺机受料斗两翼板上积存料含粗集料较多，细集料较少，混合料发生 离析。 c 沥青混凝土铺装层偏薄 在水泥混凝土桥面上加铺沥青混凝土铺装层时，有的设计桥面铺装层厚度偏 薄，不按规定撤布黏层油，或黏层油撒布不均匀，在汽车高速行驶时，轮胎后产 生真空吸力，在行车荷载作用下沥青面层出现破坏。 d 沥青被油溶解 施工过程中由于施工机械在路面上停留而漏油，造成沥青被柴油溶解，从而 产生剥落、松散、出现坑洞等病害。 e 沥青面层的压实度偏低 沥青面层的压实度对沥青路面的耐久性影响非常重要，压实度的大小直接影 响着沥青路面的使用质量。有些单位在施工时对压实度的重要性认识不足，压实 不足是一个比较突出的问题。 追求平整度而忽视压实度：有些工程不按照规范要求的方法测定压实度( 标准 密度取值不合适) 或有意调整标准密度，尽管压实度的测定数据都合格，但其真 实性受怀疑。或者片面追求平整度，而放松了对压实度的控制，通车以后平整度 迅速衰减，面层变形明显，所以必须在确保压实度的前提下来提高平整度。 第一章序论 6 现行规范对压实度的要求规定有缺陷： 公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - 2 0 0 4 ) 对沥青面层的压实标准作如 下规定： 对于高速公路、一级公路，其他等级公路，施工过程中压实度控制标准为每 2 0 0 0 m 2 检查一组，一次不少于钻取一个钻件，压实度要求实验室标准密度的9 7 ， 或试验段钻件密度的9 9 。交工检查与验收标准要求每一公里五个点，压实度要 求为马歇尔试验密度的9 6 ，或试验段钻件密度的9 8 对于一种密实型的沥青混凝土，当现场压实度为9 6 时，其现场的空隙率为 6 8 8 9 7 6 ，其要求已超过了现场空隙率不大于7 的要求不考虑沥青混凝 土设计时空隙率的大小，统一规定一个压实度，显然是不合适的假定现场的沥 青混凝土的压实度都达到9 6 ，则i 型沥青混凝土的现场空隙率最小可以是约7 ，最大可以接近l o ；l i 型沥青混凝土的现场空隙率可高达1 4 。这些相同压 实度，不同级配的沥青混凝土的渗透系数可能相差数十倍，其他力学性质也有显 著差别。 沥青路面材料原因引发的沥青路面病害”1 1 ) 沥青 众所周知，沥青混合料使用性能是受沥青结合料影响的，沥青质量的优劣与 沥青路面的好坏有密切关系，直接影响到沥青路面的使用性能。由于近十年来公 路上的交通量剧增，一般沥青材料的品质已不能满足更重交通的沥青路面结构需 要。从大量路面结构损坏原因的调查分析来看，路用沥青品质不良是其主要原因 之一 2 ) 矿料 矿料质量的好坏直接影响到沥青混合料的强度，是沥青路面早期破坏的主要 因素。碎石的压碎值、磨耗值不符合要求，将造成沥青混合料的稳定度偏低，引 起沥青路面的早期剥落。碎石与沥青材料的粘附性大小，对沥青混合料的强度和 耐久性有极大的影响。 3 ) 矿料的级配及空隙率 据研究，沥青路面的实际空隙率在7 以下时，沥青层中的水在荷载作用下一 般不会产生水压力，不容易造成水损坏破坏。排水性混合料的路面空隙率大于1 5 时，水能够在空隙中自由流动，也不易造成水损坏破坏。而当路面的实际空隙 率在7 1 5 范围内时，水容易进入混合料内部，且在荷载作用下易产生较大的 毛细压力或为动水压力，造成沥青混合料的水损坏破坏。 管理方面原因引发的沥青路面病害 1 ) 未严格按基本建设程序办事，前期工作滞后；路面设计方案研究、试验不 第一章序论 7 够： 2 ) 未严格实行招投标，一些无路面施工经验、无路面施工设备和技术力量的 施工队伍承担路面施工，监理也未严格监理； 3 ) 工期紧迫，搞献礼工程，不能科学地按施工技术规范要求施工； 4 ) 发生质量闯题，不能认真总结经验，严肃对待； 5 ) 施工技术管理，质量管理不严； 6 ) 对采用新技术、新工艺、新设备开发研究不够； 7 ) 重建轻养，只管通车献礼，不重视养护管理。 1 4 国内外沥青路面早期破坏的解决方法幢】 精心设计 设计质量是工程质量的基础和前提，设计中一定从实际出发，对气候，水文、 地质、材料、交通量、载重进行认真调查，应综合各种因素，选择各种路面结构、 各种材料、多种配合比、不同结构层进行试验、研究、比选，必要时应铺筑试验 路。 设计中应注意以下问题： 1 ) 精心选择路面各结构层的类型，确定各层的合理层位与合理的厚度范围； 2 ) 正确确定路面结构设计参数； 3 ) 合理进行各层材料组合设计； 4 ) 加强沥青路面的防排水设计； 5 ) 加强压实，减小空隙率 严格施工质量管理 沥青路面质量的好坏，除结构设计、材料组合外，主要取决于施工通常说， 工程质量是施工作出来的，所以施工对工程质量起保证作用。 沥青路面施工必须按全面质量管理的要求，建立健全有效的质量保证体系， 实行目标管理、工序管理，明确岗位责任制，对施工的全过程、各阶段、每道工 序的质量进行严格地检查、控制、评定，以保证达到规定的质量标准。要以分项 工程、分部工程、单位工程逐层的质量保证来保证建设项目的整体质量。 抓好以下工作是搞好工程质量的关键： 1 ) 加强原材料的检验工作； 2 ) 加强沥青混合料材料配合比的控制； 3 ) 施工前进行设备检查； 4 ) 铺筑试验路段； 5 ) 加强旌工过程中的质量管理与检查。 第一章序论 8 引进开发新技术、新工艺、新设备 世界沥青路面修建较多的国家为了防治路面早期破坏，从材料、工艺、设备 进行多年的研究开发，有不少防治沥青路面病害的新技术、新工艺、新设备。我 国近年来在借鉴国外经验的基础上也引进开发一些防治沥青路面早期破坏新技 术、新设备、新工艺。这些新技术、工艺、设备的应用必将对防治沥青路面早期 破坏起到作用，例如：s m a 的发展与应用，改性沥青的应用，乳化沥青的发展，土 工合成材料的应用 实施建养并重，全面质量管理 要预防沥青路面早期破坏，必须从业主，到设计、施工、监理、养护，各个 环节重视质量；严格按标准、规范、规程办事，把好材料、工艺各个环节；严格 各个检查、试验、监理、监督环节；采用有效的设备、机械；精心设计、精心施 工。不合格材料，不入场；不合格设备，机械不使用；不合要求的工艺，不开工； 不应该施工的时间，不作业。要进行充分调研，进行必要试验，安排一定试验路， 不断总结经验，指导生产。 要不仅重建，也要重养由于各种原因所潜伏的路面隐患，多在竣工后l 2 年内显露出来，因此应特别重视路面竣工后至交、竣工验收阶段的养护管理，使 路面得到及时养护。 1 5 本文的解决方法以及思路 1 5 1 本文的解决方法 针对沥青路面早期破坏这一质量通病本论文做浅显探讨，通过深入分析采用 摊铺机直接摊铺和采用徐工集团a t l 0 0 0 a 型沥青混合料转运车进行转运摊铺而采 集到的丰富而真实的试验数据，对比采用转运车连续不问断摊铺施工作业对集料 离析、温度离析、压实度、平整度、渗水、构造深度的影响，提出了沥青混合料 转运车是预防沥青路面早期破坏的有效方法，沥青混合料转运车的使用从根本上 改善了我国沥青路面施工工艺模式，对我国公路建设产生重要影响。 1 5 2 本文的研究思路 第一部分沥青混合料的离析介绍 沥青路面早期破坏现象大多与施工过程中沥青混合料的离析有关，分析施工 过程中离析的产生，提出解决离析问题的新方法。 第二部分现行施工工艺与新施工工艺对比介绍 介绍现行的沥青路面施工工艺以及新型转运摊铺施工工艺。 第三部分试验分析 这是本文的主要内容。结合试验数据进行分析，指出现行施工工艺的不足， 第一章序论 9 新型施工工艺对沥青路面离析情况的改善。 第四部分结论 总结本文研究的主要成果及意义，提出尚待解决的问题及进一步的设想。 1 6 本文的创新点 我国新建高速公路早期破坏的现象比较严重，为了防治早期破坏，各地采取 了一系列措施，也取得了较好的效果，但沥青混合料离析及路面不均匀的问题没 有得到根本解决。重庆交通大学与广东省长大公路工程有限公司、徐工科技筑路 机械分公司合作，于2 0 0 5 年l o 月在渝湛高速公路路面十二标段，针对我国南方 地区沥青路面的施工工艺分别进行了试验性的研究，并取得了一些阶段性成果。 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旌 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。 第二章离析问题的理论分析 l o 第二章离析问题的理论分析 2 1 沥青混合料离析的提出 2 。1 1 研究沥青混合料均匀性的重要意义 在热拌沥青混合料的设计、生产和铺筑中能产生许多潜在的引起路面早期破 坏的因素。在诸多因素中，最严重的问题是沥青混合料的不均匀性。 沥青混合料的均匀程度直接关系到沥青路面的力学性能和使用寿命。许多潜 在引起路面初期破坏的因素中，最严重的是沥青混合料的不均匀性。不均匀的沥 青混合料中集料的级配和( 或) 沥青含量与最初的现场配合比中的要求不相符， 造成混合料的密度和空隙率变化很大m 研究已经表明睁“：沥青混合料发生不均 匀时，混合料的劲度、拉伸强度和疲劳寿命下降，路面的服务寿命降低，从而加 速路面的早期破坏 沥青混合料是由沥青、粗细集料、添加剂和空隙四成分组成。沥青混合料的 不均匀性是沥青混合料中组成成分不均匀性的综合反映，其中最主要表现在沥青 混合料中集料分布的不均匀性上，表现为一些局部的粗集料或细集料集中。一般 说来，不均匀的路面，粗集料相对集中的地方空隙率大，沥青含量少，雨水易于 渗透而容易造成剥落或坑洞；反之，细集料相对集中的地方空隙率小，沥青含量 多，易造成局部的永久变形和泛油“” 传统上人们没有把沥青混合料的均匀性当作一个严重的问题来看待，没有采 取严格的措施予以控制，只是要求施工时认真就可以了。而随着交通量的增大， 均匀性已经成为决定路面质量的主要因素之一，应该引起充分注意将路面早期 水损坏的主要原因归结于路面空隙率过大，又将空隙率过大归结于压实度不够； 实际上，沥青混合料的不均匀性不仅是造成局部空隙率过大的另外一个主要原因， 而且是比较难以解决的技术问题一旦沥青混合料出现不均匀性，一切关于材料 设计的努力都变成徒劳无功。“n 前面已经讨论了我国高速公路( 也包括一级、二级公路等) 沥青路面发生的 一些早期破坏现象，如一个一个孤立的水破坏造成的网裂、形变和坑洞、局部严 重辙槽、局部泛油、横向裂缝多、新铺沥青面层的表面构造深度忽粗忽细，以及 路面初始平整度水平不高和不平整度发展得快，等等，从上面对沥青路面早期破 坏原因分析可以看出，高速公路路面早期破坏的一个重要原因就是路面的不均匀 性。而沥青混合料的离析问题是造成路面不均匀性的主要原因，是降低路面使用 性能的顽症。n a 因此，提高沥青混合料的均匀性，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早期破坏现象以及保证路面的使用寿命具有十分重 第二章离析问题的理论分析 要的意义。 2 1 2 离析的种类 沥青混合料离析是指在路面某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀，包括 沥青含量、级配组成、添加剂含量以及路面的孔隙率等，导致沥青路面早期破坏 的产生。现在普遍认为热拌沥青混合料的离析主要有三种型式：对一般沥青混合 料而言，主要存在集料离析和温度离析，对于s 姒而言还可存在集料沥青离 析。 ( 1 ) 集料离析 集料离析是指集料在堆放，混合料在运料汽车装料、运输、卸料以及摊铺机 在摊铺过程中所发生粗、细集料分布不均匀的现象。 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 产生水损害及耐久性降低，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。 从理论上分析，沥青路面常见的集料离析一般可分为三种类型： 条状离析 条状离析分布在摊铺机螺旋布料器变速箱处( 或摊铺机轴线) ，如图2 1 所 示。螺旋布料器支撑处以及螺旋布料器末端，如图2 2 所示。它是由于混合料中 的大集料滚落到螺旋布料器非连续处的空隙积聚而形成的。一般而言，可以看到 五条较粗的集料离析带，如图2 3 。 围2 1 摊铺机轴线处离析 围2 2 螺旋布科器末端离析图2 3 条状离析 c l l 鲥2 1s e 争e g 砒i o fc t l 锄陀2s e 掣e g 鲥伽o f t h e c i a n 2 3s e g 嘴甜伽 也ep 黼a 】i ss m w d i 矧b 娟t l gd e v i o f t l l eh i g i 、v a y 收斗离析 第二章离析问题的理论分析 在目前施工工艺中，一车料卸完后，下一车料不是马上就接着卸，而是等摊 铺机收斗以后，待摊铺机料斗内的混合料摊铺的差不多了才开始卸下一车料，然 后接着摊铺。在这个过程中，上一车料的最后一部分里面粗集料占多数，摊铺机 收斗时把料斗两翼的粗集料再次集中，下一车料卸料初的一部分也是粗集料占多 数。这样摊铺出来的就很有规律地每隔二、三十米就有一段路面粗集料占多数， 与生产级配差异较大，与原设计相比，这些离析区域的混合料级配更像开级配。 这就是收斗离析。 综合上面两种离析，可以从下面的示意图2 4 中更直观的表现出来( 以单 幅摊铺机为例) 图2 4条状离析和收斗离析示意图 c h f c z 4s 螂s e g 窖嘶o na n dd l m ，p 蛔p p e rw i n 寥s 咿翻矗 随机性离析( 窝状离析) 随机性离析的原因较难确定。一般来说，连续性拌和楼和间歇式拌和楼均会 出现随机性离析，施工中的各环节也会造成随机性离析，这种离析一般为窝状的， 所以又叫窝状离析，如图2 5 所示。 第二章离析问题的理论分析 1 3 圈2 5随机性离析( 窝状离析) c 蛔r i z 5r a n d o ms c 擘q 舢j o n ( 2 ) 温度离析 所谓沥青混合料的温度离析是指原来经充分搅拌、温度均匀的沥青混合料， 在运输、摊铺的过程中，由于不同位置的混合料温度下降不一致，导致混合料的 温度差异，产生温度离析。运料车表面的混合料、运料车车箱的两侧以及摊铺机 两翼的混合料温度易出现较大差异。我国在公路施工中，沥青混合料的运输工具 大都为自卸汽车，而且有些司机为了方便省事，对斗中的物料基本上不做覆盖。 这一切均会加剧车厢四周和顶面混合料的冷却，造成严重的温度离析。 沥青路面摊铺作业中，为保证路面的摊铺质量，要求沥青混合料具有一定的 温度。沥青混凝土拌和站按规定对物料进行级配、加热和拌和，成品沥青混合料 由自卸汽车运到摊铺现场。应该说，拌和站供给自卸汽车的混合料是符合质量要 求的，既不存在级配的离析，也没有温度的离析然而，在沥青路面的施工中， 却普遍存在沥青混合料的温度离析，而且还相当严重。 沥青混合料在运输过程中的温度离析 拌合好的沥青混合料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，因此不可避免地发 生热量散失，造成表层温度降低；而内层混合料热量散失较少，温度变化不大， 内外层混合料产生温差，如图2 6 所示。 第二章离析问题的理论分析 1 4 朗2 6 卸料初期的温度离析热像田( s b s 改性沥青混合辩) c l 斌2 6 m 删j m a g e 砒恤b e g i l l 曲：l g o f d 毓h a l l 鲈t i l e 咄 图2 6 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 混合料在运输、等待卸料时的温度散失情况( 熟像图所拍摄的均为由s b s 改性沥 青拌制的沥青混合料) 。 沥青混合料在卸料过程中的温度离析 图2 7 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。 田2 7卸科中期的温度离析热像圈( s b s 改性沥青混合科) c h a r t 2 7 h 丘m d i 瑚g e 砒吐碡m d o f d i s d l 甜驴吐柠m 坟 第二章离析问题的理论分析 1 5 图2 8卸科末期的温度离析热像图( s 瞄改性沥青混合料) c l l 眦2 8 晰删i m 噼越l l l e e i l d o f d i s c l l a 骤t i l em j 】 图2 8 是在运料汽车卸料末期拍摄的，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2 6 、2 7 、2 8 所反映的一车料的卸料过程，可以看出摊铺机摊铺出混 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2 。9 所示。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。 旷厂、爪 豳2 ，9摊铺纵向温度曲线 c l l 暑i n2 9l o n g i n i d i n a l 钯m 群相t l l a 盯v eo f p 毫嗍哪 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。 沥青混合料在摊铺过程中的温度离析 1 ) 同一摊铺机后面的温度离析 在同一摊铺机后面，由于摊铺机本身和传统施工工艺缺陷、停车等料等原因， 在摊铺过程中会出现多种温度离析形式。 第二章离析问题的理论分析 1 6 a 条状温度离析 条状温度离析是指摊铺出来的路面温度沿路线方向成条状堆成分布，如图 2 1 0 所示。 圉2 1 0摊铺过程中的条状温度离析( s 酷改性沥青混合料) c h a r t2 i os 啪p 咖p e 瑚l l l 璋s e g 阳g 撕 b v 状温度离析 v 状温度离析是多在摊铺机收斗之后出现，“v ”字型一般以摊铺机轴线对称 或错位分布，如图2 1 l 所示。 圈2 1 1v 状温度离析( s 髂改性沥青混合料) c l l a r t2 11v s l i a p et e i n 雕氍曲掣鲁霉畸 c 停车等料温度离析 摊铺机在等料之后，新摊铺的混合料与等料前摊铺的混合料一般都会产生温 第二章离析问题的理论分析1 7 度差异，如图2 1 2 所示。 固2 ，2 停车等科温度离析( s 髓改性沥青混合料) c h a r t2 1 2w a j 咖g 伽em i 】【锄n p e r 眦s e i 删 2 ) 并机摊铺方式所产生的摊铺带之间的温度离析 多台摊铺机梯形并机摊铺时，会发生摊铺带之间的温度差异，如图2 1 3 所示。 田2 1 3 两台摊铺问的温度离折( s b s 改性沥青混合科) c h a f t2 1 3p a r a l i e i p 卵m l g e m p e 忸t i e 辩掣略砒i o n ( 3 ) 集料沥青离析“” 含油量较大的混合料易发生这种离析，类似于沥青混合料的析漏，s 姒混合料 易产生这种离析。 第二章离析问题的理论分析 1 8 2 1 3 沥青混合料离析对沥青路面的危害 在平均空隙率并不大的路段上，产生局部性坑槽的主要原因是沥青混合料的 离析坑槽为什么不在所有的地方都发生呢? 那就是因为某些地方有比其他地方 大的空隙存在，而这种大的空隙基本上都是由于离析造成的。沥青混合料离析主 要是指路面某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀，包括沥青含量、级配组成、 添加剂含量、路面的压实度及路面的孔隙率等。 对一般沥青混合料而言，沥青混合料的离析有两种含义，一种是集料粗细不 均匀的离析，一种是温度的离析。集料离析改变了混合料的性质，如沥青含量、 油石比等粗细集料的离析可以凭肉眼观察，进行初步判断；检测离析是通过表 面构造深度和渗水程度评价的温度的离析后果是导致压实度不均，致使空隙率 不一样温度离析一般通过温度检测或压实度比较进行评价。 近年来，离析问题已经成为施工中最迫切需要解决的问题，粗细集料的离析 同时还伴随着油石比的不均匀，直接导致空隙率不一致。例如，在施工质量检验 中，油石比稳定是基本的要求，规范要求不超过士o 3 。许多工程声称不超过0 1 ，是因为每天基本上是在比较固定的时间取样，且都是找认为比较均匀的混合 料取样，试验结果油石比不变化反倒不正常了。大量试验数据分析说明，评价沥 青混合料的均匀性和离析的程度是很复杂的，最后都能影响到空隙率和渗水最 明显的例证是同一路段，下雨后，绝大部分很快就能干燥了，而有些地方却长时 间处于潮湿状态，可以清楚的看出水印。“” 混合料级配发生离析时，粗集料和细集料分别集中于铺筑层的某些位置，使 沥青混合料不均匀、配合比级配与原设计不符，导致路面产生一些破坏，缩短路 面使用寿命；混合料发生温度离析时，路面碾压温度不均匀，造成碾压后路面实 际空隙率不均匀，为路面早期破坏埋下隐患 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，甚 至损坏基层。 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。 第二章离析问题的理论分析 1 9 无论是温度离析还是集料离析，在目前的施工工艺中，每车料都有不同程 度的发生，而且每车料不只一处两处发生离析，而且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。经调查，目前的沥青路 面的绝大多数破坏也是有规律出现的，而且与离析的规律存在很大的相似性 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 的空隙率产生影响，从而引起局部发生早期破坏，从而影响路面的整体功能。 2 2 混合料产生离析的原因分析 2 2 1 国内外对离析问题的研究状况 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。 最早就离析问题进行研究并提出技术报告的美国爱斯太克公司，最近经由美 国公路和运输协会发表了一份修正版的爱斯太克报告，较为详尽地阐述离析对道 路寿命和材料强度的影响、离析产生的原因、解决办法及其使用设备。 该报告引用华盛顿大学研究生斯蒂夫瑞德先生论文指出：在研究离析问 题时，“收集资料的研究越来越明显地表明所观察到的现象并非集料离析造成”， 而与卡车从沥青搅拌设备到施工工地的运输过程中所产生的沥青混合料温度差异 有关，这一现象被称为“温度差异破坏”而这种破坏从卡车向摊铺机卸料时就 开始了，凉料被挤到摊铺机料斗的两边，而随着摊铺机行进料斗料堆渐渐降落时， 凉科才落到输送带上当下一次卡车到达，情况又是如此，因此问题被称为“循 环离析”其它如剥落、低压实度、级配杂乱等，仅仅是施工过程中沥青混合料 产生破坏的征兆。以上论述十分准确地阐明离析现象及其原因，即温度离析的破 坏是主要的，它通过每次运料车卸料和摊铺机布料而发生，即所谓的“循环离析” 爱斯太克公司使用一种高精度的红外线摄像机对卡车卸料过程进行拍照时，发现 料斗中热沥青混合料的温度差异比预料的要大的多。当沥青混合料温度是1 4 3 、 运距仅为1 6 2 4 公里时，抵达摊铺现场时，混合料的温度差别竞达到4 4 之多， 摊铺面有些区域的温度竞低至9 9 。其后研究表明，沥青混合料的压实密度或空 气间隙率很大程度地受到低温影响，低温区域的矿料粒径明显变粗、空气间隙率 增大、沥青含量降低，导致其强度减小、寿命缩短。根据试验，当摊铺料的空气 间隙率增加时，试样断裂所需要的轮式试验次数显著降低，在1 0 4 时压制的试 样，其寿命大约只相当于在1 4 9 时压制的试样的1 0 1 2 温度差异破坏不仅 表现在对路面强度的影响，它对于路面的平整度和压实密度的均匀性也产生破坏。 只有当摊铺面的整体被同等程度地压实才能产生均匀的密度。低温区域的冷混合 料不能被整体压住，导致熨平板起伏，造成摊铺面粗糙，或者因为低温区域承受 第二章离析问题的理论分析 压路机的重量致使负载超重而出现裂缝。二种情况都导致产生劣质的摊铺面。温 度离析和集料离析都会严重影响摊铺的平整度而集料温度及其相关的粘度变化 时，摊铺机的熨平板将随着这些变化而起伏。u ” 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