（道路与铁道工程专业论文）基于转运—摊铺的沥青混合料均匀化技术研究.pdf

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。早期破坏的形式多种多样，但在全国范围 有一个普遍的现象，那就是沥青路面沿着路线方向出现周期性破坏。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。 本论文通过分析旧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。本 文利用热传导和“生灭”过程模型，深入研究沥青转运车的搅拌系统使沥青混合 料实现温度和集料均匀化的机理；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；新工艺；沥青转运车；搅拌机理；转运机理； 卸料机理 a b s t r a c t m 咖ty 咄，w i t h 血em p i d 姗l o p m 咖o fo l 伽咖，缸y b 自w a y t h e i i o t - m i x - a s p h a l l ( i m a p a 喇班吲吐h 鹳b e e nw i d e l yu 皇e di n rc o u n t l y a t 也es a m e t i m c s 呲p r o b l 铡叫s u c h 私血es e l i o 哪e a r l yd e s 啪比t i m sh 孙幛a l a p p e a r e d t h e f b 如雠o f 山ed e s 蛔l c 吐a md i 哪。b 眦血e 瓿i s 协aw i d e s p r e a dp h a 时蚴0 na no v e f 血ec 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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。 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。 指导教师签名：鼯k 毳 日期：妒习年f 月硼 钐心 日 力r 、j 乞吖叫 ： 够 名签 年 者af 作 市 腑1 论 ： 位 期 学 日 杈 j ，铋、户 色 p 签者 年 作、：；f 文 沁 燃一 凇 嘲 第一章引言 第一章引言 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 我国高速公路发展现状 1 9 8 4 年国务院正式批准建设我国第一条高速公路一京津塘高速公路。1 9 8 8 年 1 0 月底上海沪嘉高速公路建成通车，实现我国大陆上高速公路零的突破后，我国 高速公路发展异常迅速。截至2 0 0 5 年底，全国公路总里程达到1 9 3 0 5 万公里， 其中高速公路4 1 0 0 5 公里，总里程位居世界第2 位。 我国公路从一般公路到高速公路的发展基本上是属于跳跃式的，如1 9 7 8 年前 我国无一级公路和仅有少数二级公路；1 9 8 0 年有2 0 0 】m 一级汽车专用公路和1 2 6 0 0 k m 二级公路；1 9 8 4 年国务院正式批准建设并开始设计京津塘高速公路：1 9 8 5 年我国仅有4 0 0 k m 一级汽车专用公路和2 1 2 0 0 k m 二级公路。从1 9 8 5 年之后，我国 公路建设就进入了一个新的以高速公路为代表的发展时期。同时，汽车运输也开 始进入一个快速发展时期，不但是交通量增长快，而且轴载质量也显著增大。近 1 0 几年来，重载车辆，特别是大幅度超载运输车辆日益显著增加，其后轴载从额 定的1 0 0 k n 增加到1 8 0 l 【n 以上，轮胎充气压力从额定的o 7 职a 增加到0 9 抒a 以 上。交通状况的这些显著变化给沥青路面带来了严峻的考验。 沥青混凝土路面由于具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪 声低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点，在高速公路和高等级 公路上得到越来越广泛的应用。但是，和其它国家一样，沥青路面早期损坏是我 国高速公路建设中的一个突出问题。 1 1 2 我国沥青混凝土路面早期破坏的形式 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： 1 ) 车辙 正常情况下，沥青路面的车辙有三种情况： 由于荷载作用超过路面各层的强度，发生在沥青路面层以下包括路基在内各 结构层的永久变形。 沥青混凝土的侧向变形。在高温条件下，车轮碾压的反复作用，荷载应力超 过沥青混合料的稳定极限，使流动变形不断累积形成的车辙。 第一章引言 2 压实不充分造成的车辙。有些高速公路为了过分追求平整度，在施工时没有 很充分地压实；或是在降低温度后碾压，或是温度不均匀，局部温度较低，造成 压实度不足；或是集料发生离析，粗集料区空隙率偏大；致使通车后的第一个高 温季节混合料继续压实，在交通车辆的反复碾压作用下，空隙率不断减小而形成 明显的车辙。 2 ) 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。 沥青的性质是影响沥青路面温度开裂的最主要原因。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，温度敏感性交大，横向裂缝容易产生。 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 的士o 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。 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。 3 ) 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 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。 4 ) 表面功能衰减 抗滑性能下降主要是由于：沥青标号过大( 针入度偏大) ，沥青用量过多路 面渐渐泛油，构造深度下降，甚至变成光滑的表面。 泛油除了沥青用量偏多外，沥青混合科拌合不均匀，施工时碾压不足都是原 因。 石料磨光取决于石料的品种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间。 1 1 3 沥青混合料离析的提出 第一章引言 3 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一离析。前面已经 讨论了我国高速公路沥青路面发生的一些早期破坏现象，如一个个孤立的水破坏 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、新铺沥青路 面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的快， 等等，都与沥青混凝土的离析有关： 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。 沥青混合料发生集料离析后，租集料区粗集料多，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，两且与离析的规律存在很大的相关性( 将在第 二章中论述) 。 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 2 沥青混合料离析问题研究 1 2 1 研究意义 沥青混合料的离析程度直接关系到沥青路面的力学性能和使用寿命。在许多潜 在引起路面早期破坏的因素中，最重要的是沥青混合料的不均匀性。离析的沥青 混合料中集料的级配和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。研究已经表明：沥青混合料发生离析时，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。 第一章引言 4 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 混合科出现离析，一切关于材料设计的努力都变得徒劳无功了。 令人遗憾的是，目前国内外对沥青混合料离析的定量研究还不是很多。究其 原因，除了上述传统的认识外，可能还有以下两个方面的因素：沥青混合料离析 研究是一项复杂的课题，它的涉及面很广，系统的研究起来比较困难；缺少有效 的研究手段。这造成了迄今为止关于混合料均匀性的研究仍是一个非常薄弱的技 术领域。 1 2 2 沥青混合料离析产生的原因 7 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，现有施 工工艺固有的工艺流程无可避免的产生了离析问题。沥青混合料经拌合楼拌合、 运料汽车运到摊铺现场后，运料汽车直接把沥青混合料卸到摊铺机料斗内，由摊 铺机进行摊铺，其工艺流程如下： r r ； 隆f睡 匡 r 1 囊e臻 图1 1现有沥青路面施工工艺 第一章引言 s 在现有的施工工艺与组织管理的模式下，经常会发生这样的情况： ( 1 ) 运料车在装料、运输及卸料过程中将会导致沥青混凝土出现三次骨料离 析和温度离析。 ( 2 ) 因摊铺机料斗容量小、运料车数量少等因素导致摊铺机停机待料，摊铺 工作不能连续进行，造成路面结合处粘接力及其他力学性能的差异。即使在正常 情况下，也会出现收斗离析。 ( 3 ) 运料车卸料时对摊铺机进行碰撞和顶推，使摊铺机的工作情况和受力情 况不稳定，造成摊铺作业的不稳定，形成接缝和横向台阶，造成路面的不平整。 1 2 ，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， 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，通过对现有工艺中沥青 混合料离析产生的机理分析研究，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。通过在我国南 北各地多条高速公路，如内蒙古自治区丹拉高速、广东省河龙高速、渝湛高速和 安徽省蚌宁高速等众多路段的现场施工试验，特别是在国内率先采用红外成像技 术研究道路摊铺的温度场，试验证明通过转运摊铺新工艺与新技术显著改善 了道路质量，施工效果得到了业界认可。 1 3 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 髓) 设立了研究 项目“热拌沥青混合料路面的离析”( n c i i i p “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。 第一章引言 6 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。 1 4 本课题的目标和任务 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： 1 ) 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。 2 ) 提出解决沥青混合料不均匀性问题的理想途径，介绍沥青转运车这种新型 机械，以及沥青转运车在国内外的应用、发展状况和国内外各式转运车一览。 3 ) 深入研究沥青转运车的基本结构，将全部结构分为受料、搅拌、转运、加 热、卸料和控制系统，并分析各个系统所实现的功能。 4 ) 建立数学模型研究沥青转运车的搅拌机理、转运机理和卸料机理，阐释了 沥青转运车能够实现沥青混合料均匀化的机理。 5 ) 通过对克服沥青混合料不均匀性措施的系统研究，形成沥青混凝土路面施 工中使沥青混合料均匀化的新工艺与新技术。 第二章沥青混合料的不均匀性 第二章沥青混合料的不均匀性 7 2 1 离析的分类 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科中组成部分不均匀性的综合反映。对于沥青混合料而言， 分为温度离析和集料离析，对于s m a 路面来说，还可能存在着沥青离析。 2 2 温度离析及其产生原因 1 9 9 6 年夏季美国s 旧旭l t e a d 在研究华盛顿州沥青路面的周期性离析问题的原 因和可能的解决方案时，首先提出了温度离析引起的破坏问题。他的论文提出“当 一项路面恢复工程受这种周期性离析现象困扰时，上覆层的预期寿命( 1 2 1 5 年) 可能减半。没有办法能够预测哪一个工程将受到周期性离析的影响。在施工工程 中也不会显露出来今后可能产生什么问题，但是在竣工通车后约2 年，那些暗中为 害的问题就暴露出来了”。此处“暗中危害的问题”就是指温度离析问题，因为肉 眼是无法分辨的。本项目利用先进的红外热像仪进行观测，就发现了非常明显的 温度离析。 沥青混合料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。在传统的施工工艺中，经过搅拌站搅拌的沥青混合料是温度均匀 的，不存在温度离析，经过运料车运到摊铺现场。运科车表面的混合料、运料车 车箱的两侧以及摊铺机两翼的混合料易产生温度出现较大差异的现象。我国在公 路施工中，沥青混合科的运输工具大都为载重量较小的自卸汽车，而且有些司机 为了方便省事，对斗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。 沥青混合料在运料车卸料的过程中，最先摊铺出来的是车厢尾部和底部的低 温混合料，路面温度较低；随后由于内部高温混合料则从车厢后挡板下方缝隙缓 缓挤出，摊铺出来的都是高温混合料，摊铺路面温度较高。顶面的低温料只是慢 慢滑动聚集。车厢两侧温度较低的混合料易被挤向摊铺机料斗的两侧板上，不容 易被输料器带走。直到料车卸完料且摊铺机料斗中混合料不足时，操作手才会翻 起料斗的两侧板，将这部分冷料集中起来进行摊铺，烫平板不可能使它和高温混 合料一样密实，从而使摊铺层上又出现离析。 第二章沥青混合料的不均匀性 8 沥青混合料在摊铺过程中，当第一辆运料车卸料完成后，第二辆运料车还没 有到位，摊铺机要进行收斗，此时料斗内的混合料温度已经很低了，就产生了收 斗离析。 2 2 1 沥青混合料在运输过程中的温度离析 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，因此无可避免的发 生热量散失，造成靠近车厢壁和车厢顶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，在 行驶过程中，卡车周边的混合料温度大幅降低。如图2 1 所示。 固2 1 混合料到场时的温度示意图 2 2 2 沥青混合料在卸料过程中的温度离析 1 ) 卸料初期出现的温度离析 图2 2卸料初期的温度离析热像图 第二章沥青混合料的不均匀性 9 图2 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 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) 。 2 ) 卸料中期出现的温度离析 图2 3 是在运料汽车卸科过程中拍摄的，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2 3卸科中期的温度离析热像囤 3 ) 卸料末期出现的温度离析 图2 4卸料末期的温度离析热像图 图2 4 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 儿o 6 ，远远低于规范规定的摊铺温度要求。 第二章沥青混合料的不均匀性 从图2 - 2 、2 3 、2 4 所反映的一辆运料车的卸料过程，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，这样形成了混合科的纵向温度离析。如图2 5 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。 图2 ，5纵向温度离析波形曲线 在传统施工工艺中，纵向温度离析曲线的波长在3 0 皿r 5 0 m 的范围内，这与料 车的大小、摊铺的厚度和宽度有关。 2 2 3 沥青混合料在摊铺过程中的温度离析 1 ) 单台摊铺机出现的温度离析 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。 图2 6 摊铺过程中的条状温度离析 螺旋布料器出现的条状温度离析 沥青混合料经过摊铺机摊铺出来，由于摊铺机螺旋布料器的支撑方式以及布 料方式的限制，摊铺出来的混合料温度离析呈条状沿摊铺机轴线对称分布。目前 摊铺机螺旋布料器一般由液压马达( 摊铺机轴线处) 及悬臂支撑，在这些地方螺 第二章沥青混合料的不均匀性 1 l 旋布料器被隔断，造成布料不连续，从而形成条状离析带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 6 所示 收斗操作出现的v 状温度离析 在传统施工工艺中，汽车每卸完一车料，摊铺机在等待下一车科卸料之前要 进行收斗操作，此时摊铺机料斗内上一车料尾部的冷料集中被摊铺出来，再加上 摊铺机螺旋布料向两端输料延迟，从而形成中间较早出现、两边顺延出现热混合 料的“v ”字形状温度离析，其中高、低温区的温度差异与混合料到场时所产生的 温度离析状况、摊铺速度及收斗时机有关。典型的v 状温度离析如图2 7 所示。 固2 7v 状温度离析 供料不足出现的温度离析 图2 8停车等料时出现的温度离析 由于拌合站拌合能力不足、运料汽车故障或是其他原因，造成摊铺现场供料 跟不上摊铺要求而引起摊铺机停机等料，这时摊铺出来的混合料会发生急剧降温， 特别是熨平板后面一段，压路机不能紧跟碾压，空隙率较高、空气接触面大，降 第二章沥青混合料的不均匀性 1 2 温更快，从而产生温度离析，可以明显看出等料前的温度差异：少则几度，多则 几十度甚至上百度，从而产生温度离析，严重时甚至要做冷接缝处理，这跟等料 的时间和天气状况有很大关系。如图2 8 和图2 9 所示。 图2 9 停车等料时出现的温度离析 2 ) 并机摊铺方式所产生的摊铺带之问的温度离析 按照规范要求，国内高速公路沥青路面多采用两台摊铺机梯形并列摊铺。两 台摊铺机一前一后，一般相距十几米。然丽就在这十几米的距离中，前面摊铺机 摊出来混合料已经降温，与后面摊铺机摊出来的热的混合料形成温度差异，通常 叫做热接缝，其温度差异跟两台摊铺间距离、天气状况、地面潮湿状况等有很大 关系，严重的将产牛接缝温度离析。典型的摊铺带温度离析如图2 1 0 所示。 图2 1 0 两台雄铺间的温度离析 2 3 集料离析及其产生原因 沥青混合料集料离析是造成沥青混凝土不均匀性的另一个重要原因。离析现 象经常重复发生，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 集料分别集中于铺筑层的某些位置。一般来说，不均匀的路面，粗集料相对集中 第二章沥青混合料的不均匀性 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和坑洞；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。总 之，集料离析时沥青混凝土不均匀，配合比级配和沥青用量与设计不符，使路面 的结构性质和表明构造深度不合要求，导致路面产生一些破坏，缩短路面的使用 寿命。 沥青混合料集科离析产生的原因有很多：在传统的施工工艺下，从集料的生 产、运输、堆放到沥青混合料的搅拌，到汽车的装料、运输、卸料，再到摊铺机 的输送、布科、收斗最后到压路机的碾压，在这一过程的每一环节都可能会产生 集料离析。 2 3 1 原材料的选材、加工和堆放 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 9 6 以上 的矿料质量应引起高度重视。 1 ) 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。 2 ) 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。 3 ) 沥青秸附性 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，都会导致混合科在各种外力或环境作用下产 生离析。 4 ) 集料的雄放 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 产生租细集料离析。 5 ) 集料的保管 第二章沥青混合料的不均匀性 1 4 采石场及拌和厂的生产场地和材料堆放场地不合规定，不同材料之间没有分 隔墙，不能完全互相分开，或材料存放在不平整坚硬的地面上，装载机铲科时很 容易将地面的粘土等杂物带入料仓。移动式拌和厂的材料场没有设防雨棚，下雨 对集科的含水量影响很大。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情况差异很大，拌和机的供料控制会有很大 的波动，直接影至沥青混合科的配合比。 2 3 2 沥青混合料拌合方式 1 ) 冷料仓的堵塞和粗细料分层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。 2 ) 混合料离析与细集料表面沥青膜厚度及拌和温度有关。沥青膜越薄，粗集 料问粘性越差，越易离析。导致粗集料沥青膜厚度薄的原因有三种；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。 改性沥青混合料在搅拌机内加热时，温度一般达到1 6 0 一1 8 0 ，直接影响到沥 青的氧化和组分的挥发。同时搅拌时间和沥青用量也会影响沥青的老化。对间歇 式搅拌机，粘附在集料表面的沥青膜要受到集料高温和热空气的同时作用，轻质 油分迅速挥发且与氧气发生化学反应，从而加速沥青的老化。对连续式搅拌机来 说，混合料的加热与搅拌在滚筒的不同部位进行，除受温度影响产生老化外，热 的空气和氧的作用使沥青氧化更为严重。老化严重程度与离析现象有直接的关系， 即沥青老化程度越严重，沥青的粘附性能越差，混合料的离析现象越容易产生。 3 ) 在生产过程中，由于摊铺现场的机械故障、移机等原因而压料，拌和机生 产不可能保持固定产量，因此在生产配合比调试验证阶段，必须作出各种集料的 速度与拌和产量之间的对应关系曲线，便于在必要的时候降低和提高产量都有据 可查。 4 ) 沥青拌和楼的熟集料振动筛网经常发生破损，导致超粒径的粗集料增加， 使得摊铺过程中的集料离析机会增加。据统计，接近5 0 的路面集料离析是由于超 粒径大集料的增加造成的。所以严格控制集料尺寸，按筛分曲线的要求实现配合 比是关键。 5 ) 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，问歇式沥青拌和楼的拌桨线速度都在2 3 5 s 。所以在设各选型时必须在 考虑产量的同时要考虑拌轴的转速。另外，拌缸卸料到斗车的高度也会影响到集 第二章沥青混合料的不均匀性 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。 2 3 3 沥青混合料的运输 1 ) 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。如一次装完，易使较大的碎石滚到车辆前部、后部和两 侧，从而造成离析。因此每一斗混合料卸完后应前后移动车位，尽量减少离析程 度。如果拌和好后的混合料要存入储料仓中，那么储料口应垂直向下，不应有水 平方向的角度，否则混合料将会有水平方向的速度，而使一侧粗集料多，另一侧 细集料多。同样，储料仓卸料口也应垂直向下。热料仓卸料到运输车厢的方法、 速度和高度而造成集料离析是比较普遍的，如采用单堆装料，离析就严重。热料 仓的卸料速度和高度也是造成集料离析的重要原因之一，这两者又是互相关联的。 高度愈高则速度愈快，反之亦然。 2 ) 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，造成混合科的离析。 3 ) 当运料车将料卸入摊铺机时，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。 2 3 4 沥青混合料的摊铺设备、摊铺方式 1 ) 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，摊铺机的收料斗使德这部分混合料因在最后摊铺， 形成一块粗集料离析带。 2 ) 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，两边与中问的混合料温度是不一样的。温度不均匀导致 摊铺密度的不均匀，使得成型后的路面压实度也不均匀，这也是造成局部损坏的 原因所在。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。可以采用较重型的压路机靠近 摊铺机碾压，使压实度进一步提高。而宽幅摊铺的初始压实度小，特别是熨平板 第二章沥青混合料的不均匀性 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。此外，宽幅摊铺机在加长部分是没 有振捣装置的，表面上看起来很平整，实际上边缘部分与中间部分的压实程度是 不一样的，压实时边缘压下去多，造成实际上不平整。 3 ) 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科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。 4 ) 摊铺机布料器的原因：如果布料器转速过快，难免会因布料器两端混合料 太多而停转，循环地启动和停止布料器会导致混合料离析。布料器埋深太浅或供 料不足，会使细集料下沉，而粗集料被运到两边，导致离析。 5 ) 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。 6 ) 连接布料器的吊臂：这也可能引起离析。一方面粗集料由螺旋布料器运至 吊臂前受阻不能正常移动，在动力作用下被挤向熨平板，这样在表面上形成粗集 料带。另一方面粗集料运动过程中因吊臂阻挡而冷却，这样越聚越多，当聚集到 一定程实时会自动下落，导致该处粗集料多。然后又开始聚集，如此循环，造成 周期性的温度离析。 7 ) 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 摆在人们面前的课题。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。 8 ) 布料槽内供辩不足的原因：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。 2 3 5 沥青混合料的碾压 第二章沥青混合料的不均匀性 1 7 在碾压过程中，除碾压参数( 速度、频率、振幅等) 和碾压工艺( 碾压距离、重 叠宽度、碾压遍数等) 不一致外，还应特别注意，压路机尤其是振动压路机沿钢轮 宽度和深度方向对混合料施加的作用力不同。另外，接近轮缘，由于材料的推移 使压实功发生变化；由于碾压过程中重叠宽度的影响使压实功发生变化；由于碾 压铺层边缘处有无侧限产生压实功的变化；振动压路机起振停振的过渡过程造成 的压实功变化；受邻近压轮影响而产生的压实功的变化等，都会引起碾压结果不 均匀。在碾轮与混合料的相互作用过程中，碾轮为克服滚动阻力会产生一定的切 向推力，这种切向推力在被动轮上远比驱动轮大，所以通常不应用被动轮来对沥 青材料进行碾压。此外，在变换碾压方向时制动、停车、反向加速所引起的惯性 力以及上、下坡时的爬坡阻力都会导致滚轮对材料切向推力的增大，从而引起材 料的推移。在压路机操作方面，急剧的起步、制动，在垫铺层上停车或过度碾压， 在交换碾压方向时没停止振动机构的工作等，都会在成型路面上引起鼓包和压痕 等缺陷。所有上述各种因素都会引起路面碾压的不均匀和不平整。 2 3 6 沥青混合料的设计 合适的沥青混合料设计对于消除离析是重要的。按连续级配均匀设计的混合 料通常很“宽容”，在拌和厂生产混合料的某个部位或者摊铺混合料的某个部位 出现差错，不致明显影响混合料的使用性能。 间断级配混合料是不“宽容”的，因而，在拌和厂、运料车或摊铺过程中的 任何细小差错都能产生不均匀的表面。如果沥青含量小的间断级配到某种程度， 几乎不可能生产无离析的混合料。 另外，沥青混合料中集料最大粒径越大，离析的可能性越大；集料级配曲线 接近最大密度线的混合料，离析的可能性小，与最大密度线成反s 形交叉的级配 最容易离析。对于集料最大粒径大于1 9 珊、反s 形级配及其它类型间断级配混合 料，施工时很容易产生集料离析。 2 。4 传统施工工艺下的解决方法 在传统的施工工艺下，沥青混合料从生产、运输、摊铺到碾压，这过程中的 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 4 1 原材料 第二章沥青混合料的不均匀性 1 8 1 ) 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；同目标配合比取样料源一致。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。 2 ) 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。 3 ) 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。 4 ) 选用合格的沥青。 。t 5 ) 加强原材料的管理，推广规模化的集料大生产方式。 2 4 2 堆料 当向沥青拌和厂供料时，为保证材料均匀，需要用合适的堆料技术。大料堆 对大粒径集合很敏感。如果使用输送带系统进行堆料，大颗粒滚到料堆外侧，集 料产生离析。使用时，将离析的材料供给拌和机，沥青混凝土颗粒组成的变异性 就会增加。 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 l 和2 1 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 4 3 拌和过程 在热拌沥青混凝土生产过程中，产生集料联系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。 1 ) 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 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 生离析的混合料。 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。 2 ) 间歇式拌和机的热料仓 第二章沥青混合料的不均匀