（道路与铁道工程专业论文）集料的颗粒物质特性与离析机理研究.pdf

摘要 离析是造成沥青混凝土路面早期损坏的一个重要原因。国内外对于离析的研究主要 集中在离析评价标准等方面，对材料产生离析的机理研究甚少。为更加有效地控制离析， 有必要对离析的机理展开研究。像集料这样的由大量散体颗粒和空隙构成的颗粒物质体 系有着许多独有的特性。本文以组成较为简单的集料为对象，从其颗粒物质特性角度去 研究集料的运动特征及离析机理，为沥青混合料离析机理的研究探索一条新的路径。 本文首先阐述了颗粒物质领域的相关研究成果，论证了结合颗粒物质理论研究集料 离析的可行性。然后根据混合料生产过程中的各环节分为三个方面来研究集料的离析， 即集料成堆过程、料仓出料过程和运输振动过程。三个过程的离析现象研究均通过自行 设计室内试验，分析试验结果，总结得到其离析机理。结果发现：集料成堆过程中，随 着料堆倾角的增大，总体离析指数不断增大；当倾角达到休止角时，总体离析指数仍在 增长，但各层离析指数趋于恒定。集料成堆过程中离析的主要机制是休止角离析。料仓 出料过程中，对离析产生影响的有外部条件，也有集料本身特性。外部条件包括装料高 度、料斗倾角及落料高度等，其中装料高度的影响最为重要；集料的粒径比、细料含量 及平均粒径等属性也对料仓出料过程的离析有重要影响，粒径比越大，越容易发生严重 的离析，细料含量越多，离析发生的几率越小，平均粒径的影响与料斗的出口尺寸有关， 料斗出口尺寸与平均粒径的比例越大，离析程度越小。并提出渗透离析是料仓出料离析 的主要机制。振动过程中的颗粒分离表现为随着振动时间推移，上中下各层中粗集料含 量的偏差值逐渐趋于恒定，渗透机制对振动过程中颗粒的离析仍然起着重要作用。 关键词：离析，颗粒物质，离析指数，料堆，料仓，振动，粒径比 a b s t r a c t s e g r e g a t i o ni s a l li m p o r t a n tf a c t o rt h a tc a u s e st h ee a r l yd a m a g eo fa s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n t s t u d i e so ns e g r e g a t i o na th o m e a n da b r o a df o c u so ni t se v a l u a t i o nc r i t e r i ao rs o r e e o t h e ra s p e c t s ，l a c k i n go fr e s e a r c ho ni t sm e c h a n i s m i no r d e rt oc o n t r o ls e g r e g a t i o nm o r e e 伍。c t i v e l y ，i ti sn e c e s s a r yt os t a r tr e s e a r c ho n t h em e c h a n i s mo fi t t h es y s t e ml i k ea g g r e g a t e s t h a tc o n s i s t so fp a r t i c l e sa n dv o i d si sd e f i n e da sg r a n u l a rm a r e r ，w h i c hh a sm a n ys p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r ，t h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e g r e g a t i o nm e c h a n i s mo i a g g r e g a t e sw i l lb es t u d i e df r o m t h ep e r s p e c t i v eo fi t sg r a n u l a rc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi sa i m e d a tf i n d i n gav i a b l em e t h o dt os t u d ys e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e i nt h i st e n t a t i v er e s e a r c h ， t h eo b j e c t so ft h ee x p e r i m e n ma r es i m p l e f i r s to fa 1 1 t h er e l a t i v er e s e a r c ho fg r a n u l a rm a t t e ri sr e l a t e da n dt h ef e a s i b i l i t yt os t u d y a g g r e g a t e ss e g r e g a t i o nc o m b i n e dw i t h t h eg r a n u l a rm a t t e rt h e o r yi sd e m o n s t r a t e d t h e n , a g g r e g a t e ss e g r e g a t i o ni s s t u d i e di nt h ef o l l o w i n gt h r e ep r o c e s s e s ：h e a pf o r m i n g ，d i s c h a r g e f 硫s i l oa n du n d e r g o i n gv i b r a t i o nc a u s e db yt r a n s p o r t a l lt h es t u d i e sa r ec a r r i e dw i t ht h e f o l l o w i n gs t e p s ：e x p e r i m e n td e s i g n i n g ，d a t aa n a l y s i s a n dm e c h a n i s ms u m m a r y t h e c o 矗c l u s i o r 塔a r ea sf o l l o w s i nt h eh e a pf o r m i n gp r o c e s s ，a st h ea n g l eo fa g g r e g a t e sh e a p i n c r e a s e s b o mo ft h eo v e r a l la n dl a y e r i n gs e g r e g a t i o ni n d e x e sg r o w w h e nt h eh e a p sa n g l e e q 谳st ot h ea n g l eo fr e p o s e ，t h eo v e r a l ls e g r e g a t i o ni n d e x s t i l li n c r e a s e sw h i l et h el a y e r i n g s e 盯e g a t i o ni n d e xt e n d st ob eac o n s t a n t t h ea u t h o r b e l i e v e st h a tt h ea n g l eo fr e p o s e s e g r e g a t i o ni st h em a i n m e c h a n i s mi nt h eh e a pf o r m i n gp r o c e s s w h e na g g r e g a t e sd i s c h a r g e 胁s i l o b o t ho ft h ee x t e r n a lc o n d i t i o n sa n da g g r e g a t ep r o p e r t i e sa f f e c tt h es e g r e g a t i o nm n l i sp r o c e s s t h ee x t e r n a lc o n d i t i o n si n c l u d et h el o a d i n gh e i g h to fa g g r e g a t e s ，t h ea n g l eo f l l o p p e ra n dt h ed i s c h a r g eh e i g h t t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ra m o n g t h e mi st h el o a d i n gh e i g h t t h ea g g r e g a t ep r o p e r t i e sa l s oh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to ns e g r e g a t i o ni nt h i sp r o c e s s ，吼l c n 够 t h ep a r t i c l es i z er a t i o ，t h ef i n e sc o n t e n ta n dt h ea v e r a g ep a r t i c l es i z e t h el a r g e ro f p a r t i c l es i z e r a t i o t l l em o r ep r o n et os e v e r es e g r e g a t i o n t h ep r o b a b i l i t yo fs e g r e g a t i o nr e d u c e sw i t h t h e i n c r e a s eo ff i n e sc o n t e n t t h ei n f l u e n c eo fa v e r a g ep a r t i c l es i z eo ns e g r e g a t i o ni sr e l a t e d t ot h e o u t l e ts i z eo fh o p p e r , a st h er a t i oo fo u t l e ts i z eo fh o p p e ra n dt h ea v e r a g ep a r t i c l e s i z e i n c r e a s e s ，t h es e g r e g a t i o nd e g r e er e d u c e s t h ea u t h o r c o n c l u d e st h a ti ti st h ei n f i l t r a t i o n s e g r e g a t i o nm e c h 枷s mt h a tw o r k sw h e na g g r e g a t e sd i s c h a r g e f r o ms i l o t h es t u d yo n i i s e g r e g a t i o no fa g g r e g a t e su n d e rv i b r a t i o ni sc a r d e do nam o d i f i e dv i b r a t i o nc o m p a c t o r t h e r e s u l ts h o w st h a ta f t e rac e r t a i nv i b r a t i o nt i m e ，t h ed e v i a t i o no fc o a l s ea g g r e g a t ec o n t e n ti n e a c hl a y e rk e e p so nac o n s t a n tv a l u e ，a n di n f i l t r a t i o ns e g r e g a t i o nm e c h a n i s ms t i l lp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h i sp r o c e s s k e yw o r d s ：s e g r e g a t i o n , g r a n u l a rm a t t e r , s e g r e g a t i o ni n d e x ，a g g r e g a t e sh e a p ，s i l o ， v i b r a t i o n , p a r t i c l es i z er a t i o i i i 麓 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 近些年来，中国公路事业日新月异。从高速公路来看，1 9 8 9 年大陆高速公路通车里 程仅为2 7 1 公里，到1 9 9 9 年则突破1 万公里，2 0 0 4 年达到了3 万公里，而到了2 0 0 9 年底，中国高速公路通车总里程已突破6 5 万公里。在已建成的高速公路中，沥青混凝 土路面占有绝大多数。但是随着众多公路的建成和运营，部分路面出现了不同程度的破 坏现象，大多数高速公路沥青混凝土路面的平均使用寿命不到五年，有的甚至只有两、 三年就需要维修。这不仅对国家交通事业的发展产生不利影响，也在经济上造成了重大 的损失。传统观念认为，造成沥青路面早期破坏的原因在于路面材料或结构整体性能不 足，但大量的路面破损现场调查得出，路面并没有整体破坏，破坏往往是以局部小范围 随机方式出现，面积逐渐扩大。研究发现，这种局部的薄弱环节是路面材料离析所导致 的【。为了解决该问题，众多道路工作者开始对离析现象展开研究。 离析一般分为集料离析( 级配离析) 和温度离析两种。集料离析指混合料中粗、细 集料的不均匀分布，如图1 1 中所示。它造成沥青混合料级配偏离设计值，沥青含量偏 离最佳沥青用量，其性能就会与预期效果相差甚远。一般情况下，粗集料集中的区域空 隙率较大、沥青含量偏少，从而使路面的透水性能增强，这会加速水损害的发生；粗集 料严重集中区的混合料拉伸强度低，抗裂性能差，路面的疲劳寿命大大降低。而细集料 集中的部位沥青含量偏多、空隙率较小，容易出现永久变形及泛油等病害。温度离析指 混合料在储存、运输及摊铺过程中受天气、施工机械、施工工艺等的影响，混合料热量 的损失不均而出现的温度差异状况。温度离析导致路面压实度不均匀，空隙率产生较大 变异，对于路面抗水损害能力也构成很大的威胁。 在认识到离析对于路面性能有如此大的影响之后，国内外研究人员开始对混合料离 析展开研究。已有的研究主要集中在离析与否的界定、离析程度的评价以及离析的检测 方法等方面，如美国、加拿大以及我国都提出了评价离析的指标，也采用了多种多样的 检测的方法。而对于其发生机理的研究甚少，这对有效控制和减少离析是不利的。因此， 要提出有效的措施防止离析，防治路面的早期破坏，必须对离析的机理问题展开深入透 彻的研究。本论文主要研究集料离析问题，文中所提到的离析如无特殊说明均指集料离 析。 第一章绪论 图1 1 集料离析的表现 集料是沥青混合料的主要组成部分，在混合料中起骨架和填充作用，它的特性对于 混合料的行为有着重大影响。因而研究集料在混合料生产过程中各个阶段的特性意义重 大。自然界存在着大量像集料这样的由固体颗粒和空隙组成的混合物，它们的性质不同 于传统的固体或者流体，这类物质被称为“颗粒物质” 2 1 。近二十年来，颗粒物质成为 物理学界广泛关注的焦点，人们对各类颗粒物质开展了大量的试验观测和数值模拟，认 识到了许多颗粒物质独有的特性。集料是一种典型的颗粒物质，它的许多行为都与其颗 粒物质特性有密切关系。因此，郑重地将集料作为颗粒物质对待，从其颗粒物质特性角 度去研究集料的运动，分析其离析的机理有着重要的意义，这将从物质的本质出发解释 其行为，也为有效地控制和减少离析提供理论支撑。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 由于沥青混合料的离析对沥青路面的路用性能有着重大的影响，国际上对沥青路面 的离析很早就展开了研究。 1 9 8 7 年，k e n n e d y 首先对离析做出了解释：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【3 】；1 9 8 9 年，b r o w n 等发现，路面离析区域的沥青含量较均匀区域约低1 - 2 ，渗 水系数随离析程度的增加而急剧增大；1 9 9 2 年，c r o s s 和b r o w n 的研究表明：随着离析 程度的增加，路面的“相对压实 相应减小，相对压实是指离析地点的路面密度与该区 2 长安大学硕士学位论文 域路面密度之比，路面离析区域表现出较低的单位重量，在诸多评价离析程度的因素中 认为沥青含量是最佳的鉴别标准 4 1 ；1 9 9 5 年，k h e d a y w i 和w h i t e 通过室内抽提试验对 不同程度的离析试样进行研究，发现随着试样离析程度的增加，抽提的沥青用量在减小。 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。 2 0 0 0 年，美国国家交通研究委员会设立了研究项目“热拌沥青混合料路面的离析 ( s e g r e g a t i o ni nh o t m i xa s p h a l tp a v e m e n t s ) ，对混合料离析进行了较为系统的研究。研究 报告( n c h r pr e p o r t4 4 0 提出将离析分为三种类型，给出了检测和评价离析的方法，分 析了不同离析程度的混合料性能变化及其对路面关键技术指标的影响1 5 l 。 2 0 0 1 年，t a s h m a n 等提出采用混合料截面上内外区域平均粒径差异来评价离析 6 1 。 2 0 0 4 年，h u n t e r 等人提出采用截面上相等区域里集料累计面积值的大小来评价离析【7 1 。 w uj u n - x i a 等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【引。为了解决离析和均匀性的问题，国 外最早推出一种介于摊铺机和运料车之间的过渡设备混合料转运车。转运车接到混 合料后不断的搅拌，减少了在拌和、储存、运输过程中产生的离析，重新改善了混合料 级配和温度的均匀性。 1 2 2 国内研究现状。 我国的公路工作者在生产实践中也广泛注意到混合料的离析问题。沈金安研究员在 我国还没有关于离析评价标准的情况下，提出了如下控制方法：对非离析区域沥青面层， 用核子密度仪检测路面的密度差应不超过0 0 7 5 9 e r a 3 【l 】。湖北京珠高速公路建设指挥部 的张学锋等人对其所在工程的a c 2 0 1 型沥青路面进行透水系数检测，并据此提出了判 定离析的方法：以3 0 m l m i n 作为是否离析的分界线，但是他们没有进行更深入的研究 且此法对其他路面的适用性还有待验i 正t 9 。江苏省交通科学研究院根据构造深度、密度、 空隙率等指标的变化提出了沥青路面离析的判定标准。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信息来评价离析，并结合到了施工质量评价 指标体系q b o o , n 】。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【1 2 1 。长安大学彭余华对于路面施工过 程中的离析做了较为系统的研究，分析了产生集料离析的原因，提出了面层集料离析的 分类标准，并以a c 2 0 沥青混凝土路面为例，给出了用于施工质量评定的一整套路面离 第一章绪论 析的检测方法。检测结果用离析率表征，将离析作为评定路面质量的指标之一，给出了 基于离析率的路面支付调节方法【1 3 】。国内一些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，对原材料的管理，级配设计和混合料的生产、施工等过程给出了 细节方面的建议。部分省从国外引进了沥青混合料转运车，国内的许多研究也开始围绕 转运车在消除沥青混合料离析中的作用等展开。 大量的研究集中在了离析的评价标准和检测技术方面，而从混合料本身特性出发探 讨离析发生的机理，国内刚开始有了初步的探索。沥青混合料不同于固体和液体的特殊 属性使人们不约而同地开始从其颗粒物质特性角度展开研究。长安大学的唐娴采用颗粒 物质力学的软球模型分析了混合料颗粒的力学特性与离析的关系，提出了混合料离析的 评价指标并依此对混合料离析分级，用颗粒流模拟程序对所提出的指标进行了验证【1 4 】。 大连理工大学的丁银萍认识到热拌沥青混合料是具有粘性的散粒体，参照散粒体离析的 研究方法对集料和热拌沥青混合料进行了试验，并采用了颗粒物质中常用的离散元模拟 来研究离析，对材料设计中可能出现的离析提出了预防措施【l5 1 。此类研究向人们展示了 一个新的视角，但对于混合料离析机理的研究还需要做大量的工作。 1 3 主要研究内容 基于以上研究现状，本文将针对沥青混合料的离析机理展开研究，旨在为离析机理 的研究探索一条新的路径。注意到沥青混合料以及集料都属于颗粒物质范畴，可以从其 颗粒物质特性出发研究其发生离析的机理。从这个角度研究离析问题属于尝试性的研 究，因而仅以组成较为简单的集料为对象，希望发现一些有用的结论，从而为混合料离 析机理的研究奠定基础。本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 综述颗粒物质的基本理论及各个行业对颗粒离析的研究，并概括集料作为颗 粒物质的常见特性，论证基于颗粒物质理论研究集料离析的可行性。 颗粒物质是近二十年来物理学的研究热点，它是指大量颗粒组成的宏观体系，比 如沙子、粮食等，它有着不同于液体和固体的特性，被称为物质的第四态。颗粒物质 这一概念一经提出便引起广泛的关注，人们对其独特的性质进行了大量研究，其成果 构成了目前的颗粒物质理论。但这一领域还有许多问题等待探索。离析( 也称偏析) 是所有颗粒物质普遍发生的现象，采矿、化工、农业、医药等涉及散粒体的行业都会 遇到离析问题，沥青混合料生产中发生的离析也是其颗粒物质行为的一种体现。 2 ) 研究集料颗粒在自重作用下的成堆过程和离析发生的特点，基于集料的颗粒 特性提出成堆过程中离析的发生机理。 4 长安大学硕士学位论文 集料在料场上堆积时发生的离析是不可忽略的。我国的集料来源与管理都比较混 乱，名义上规格相同的集料很有可能是由多种尺寸的料组成的，在分隔堆放的料堆上 依然会产生离析。堆料的方式对集料离析的发生有着重要影响。分析料场常用的定点 堆料方式的弊端，介绍效果较好的鳞状堆料和水平层铺堆料法。介绍表征颗粒物料流 动性的重要参数咻止角，设计小型试验模拟料堆形成的过程，采用不同的用料量 堆积成料堆，测量所用材料在既定试验条件下的休止角，对料堆的不同位置处的颗粒 组成状况进行分析，研究堆料过程中离析发生的特点，总结其发生的机理。 3 ) 重点研究集料从料仓卸出过程中的离析现象。 混合料生产过程要经历若干次料仓出料环节，物料从料仓中卸出的品质对混合料 的均匀性有着直接的影响，料仓出料过程中发生的离析不仅与料仓的几何特性有关， 也与操作过程中的一些条件有关，与混合料本身的特性更是有着密切的关系，如级配 中粗细料的比例等。设计试验研究料仓出料过程中颗粒离析的发生规律和影响其发生 的因素，总结料仓出料过程中离析的发生机理。，。 耘 4 ) 竖直振动条件下集料的分离特性研究。 采用振动设备对于集料在振动过程中的分离特性进行研究，探索集料在不同振动 时间下的行为，研究离析发生的规律。同时研究振动作用下的离析与颗粒特性的关系。 1 4 研究的技术路线 本文进行研究的技术路线如图1 2 所示。 。擗 图1 2 本研究的技术路线 长安大学硕士学位论文 第二章路面材料离析与颗粒物质理论 2 1 沥青混合料离析概述 2 1 1 离析对路面路用性能的影响 路面发生离析的区域混合料实际配合比与设计配合比之间存在较大的差异，从而对 其使用性能产生不利影响，这是道路研究人员首先注意到的问题，目前关于这方面的研 究已取得大量成果。c r o s ss a 等人通过现场调研分析了离析对于裂缝、疲劳寿命、抗 车辙能力和抗拉强度等的影响。美国国家联合公路研究项目的最终报告( n c h r p r e p o r t 4 4 1 ) 中也给出了在该报告的评价标准下，某些性能参数的变化情况，如表2 1 所 示。 表2 1 不同离析程度下路面某些性能参数的变化 不同离析等级下离析区混合料性能占非离析区混合料性能百分比 混合料性能 无离析 轻度离析 中度离析严重离析 渗透性增加很，j 、随粗集料离析程度的增加而增加 回弹模量劲度微小增加 7 0 9 0 3 0 一8 0 2 0 9 加拿大安大略省路面规范o p s s 31 3 中关于用构造深度评价离析程度的标准如表 2 4 所示1 2 2 j ： 表2 40 p s s - 3 1 3 中关于离析的评价标准 评价指标离析处的构造深度与均匀区域的构造深度的比值 离析程度 路面层位 轻度中度重度 中面层( 中等交通量) 2 5 中面层( 重交通量) 2 6 磨耗层 2 2 我国华南理工大学张肖宁教授提出了图像一构造深度的评价标准，它是利用普通数 码相机拍摄沥青混凝土路面表面特征，经计算机处理获得路表构造深度信息，以实验室 按目标配合比或经批准的生产配合比制成的试件的构造深度为期望的表面构造深度，测 试值与之相比作为表面离析分级定量界限，指标如表2 5 【l o l ：。 砖i 。 表2 5 数字图像方法相应的离析评价标准 i 细离析 i 非离析 i 轻微离析 l 中度离析 l 重度离析 l ( 2 ) 无破损类评价方法应用较多的还有原位密度法。测量密度的仪器有核子密度 仪、无核密度仪等。 核子密度仪通过沿纵向测量路面的密度来识别离析的区域。它是利用同位素或核子 向路面发射放射线，路面密度的大小会影响穿过它的放射线的多少，核子仪探头上的传 感器可以测量探头所达位置的辐射量，并显示出与辐射量相应的密度值。应用核子密度 仪判定离析有一个基本假定：认为离析区域的密度要比非离析区域的低。有文献指出这 个假定没有考虑到级配和最大密实曲线之间的关系，因而其结果的可靠性值得探讨。另 外，此法测量密度受水分的影响较大，其检测结果有一定的离散性，而且对人体有潜在 的危害，因此这种方法的使用受到一定限制。美国堪萨斯州的判定标准是，采用核子密 度仪在路面上测4 条纵向密度线，如果密度差异大于0 0 8 9 c m 3 或最小值比平均值小 第二章路面材料离析与颗粒物质理论 0 0 4 9 c m 3 就认为路面离析。爱荷华州的判定标准是：若某区域的密度与非离析处的密度 之比值为9 8 9 5 1 ，就认为是明显离析，如果低于9 5 就认为是严重离析【2 3 1 。江苏 省对本省高速公路施工资料统计分析后，采用检测路段路面平均密度m 平均与集料离析处 密度m l 之差的绝对值作为沥青面层集料离析的评定指标，其标准如表2 6 所示： 表2 6 江苏省关于用密度差评价离析的标准 评定指标 i 轻度离析 i 中等离析 l 严重离析 i i 密度差( m 平均- m 1 ) ( g c m 3 ) l o o 仙0 6 i o o 钏0 8 l o 0 8 i 无核密度仪( p q i ) 利用仪器自带的感应盘建立环形电波，量测沥青混合料的介电 常数，由仪器内部电路将信号转换为密度读数并显示出来。组成沥青路面的各种材料有 着不同的介电常数，当某一区域产生离析时，集料、沥青和空隙的分布发生了变化，产 生了不同的介电常数，p q i 可以准确地测量出来并转换为密度，用以评价离析的程度。 p q i 在使用之前需要标定，但测量过程很直接迅速，并且有研究证明其测量结果与实际 芯样的密度有很好的相关性，说明其结果是准确可靠的【2 4 l 。 ( 3 ) 离析的检测与评价也可采用渗水试验法，混合料发生粗集料离析后，空隙率 发生变化，如果存在较多的连通空隙，水就很容易渗入路面内部。渗水试验是以单位时 间内的渗水量作为指标评价路面的透水能力，其试验结果在一定程度上可以反映出混合 料内部的空隙分布状态，可以用来评价离析的程度。湖北京珠高速公路建设指挥部的张 学锋等人对其所在工程的a c 2 0 i 型沥青路面进行透水系数检测，提出以3 0 m l m i n 作为 是否离析的分界线。此标准对其他路面的适用性还有待验证。一些文献指出渗水试验只 适合评价较粗的混合料的离析，这是因为渗透性更依赖于连通空隙的多少，而较细的密 级配混合料即使发生了很严重的离析，其渗透性可能依然很小，所以用此法得不到可靠 的结果。渗水试验操作过程较为繁琐，对密封条件要求很严格，公路路基路面现场测 试规程( j t j 0 5 9 9 5 ) 中规定：测试过程中，如果水从底座与密封材料间渗出，应移至 附近干燥路面处重新操作。所以用渗水试验评价离析程度很难得到大范围的应用。 2 ) 破损类 破损类方法是指在成型的沥青路面上进行钻芯取样，通过分析芯样来评定路面发生 集料离析的程度。 ( 1 ) 分析芯样级配等各项指标的变化 集料离析处混合料的级配、沥青用量、密度、空隙率都发生了变化，因而可以通过 分析这些指标来评定离析程度。表2 7 列出了n c h r pr e p o r t 4 4 1 中的评价标准： 1 2 长安大学硕士学位论文 表2 7n c h r pr e p o r t 4 4 1 中关于离析的评价标准 检测指标轻度离析中度离析重度离析 级配变化一个筛孔 5 两个筛：f l l o 四个筛孔 15 沥青含量变化 0 3 o 7 5 0 7 5 1 3 1 3 空隙率变化 2 5 4 5 4 5 石5 6 5 吴军霞等人在大量试验数据的基础上建立了多元变量模型来评价沥青混合料的离 析，认为密实度的变化与离析程度有很好的相关性，采用式( 2 1 ) 来预测密实度的变化： y c h g - d e n = 1 3 9 1 x c h g a i v + 0 2 9 1 x c h g - 1 9 0 + o 8 6 2 x c h g 0 1 5 + 0 7 5 6 式( 2 1 ) 式中：y c h g d e n 为密实度的变化；x c h g - a i v 为空隙率的变化；x c h g - 1 9 0 为通过 1 9 0m i l l 筛孔集料的质量百分率；x c h g - 0 1 5 为通过o 1 5r a i n 筛孔集料的质量百分率。 同济大学麻旭荣等结合我国实际情况，借鉴美国的研究方法，通过室内试验研究给 出了以级配偏差值、沥青用量、空隙率和理论最大密度差值为指标的一套评价标准，其 中级配偏差值用离析混合料级配曲线与标准混合料级配曲线之间所包围的面积大小来 表征，该面积越大，表明离析程度越大【2 5 1 。该研究仅针对a c 一2 0 混合料，其结论有一 定的局限性。誊t ( 2 ) 利用数字图像技术对芯样的集料分布进行评定 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，所以研究 芯样中集料的分布也成为评价离析的途径之一。t a s h m a n 等人首先提出研究混合料中粒 径大于2 3 6 m m 的集料的分布，把混合料的水平截面和竖直界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。h u n t e r 等人是 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。同济大学的彭勇 提出了新的评价方法，主要参量是集料的分布位置和分布数量。理论上，均匀的沥青混 合料就是在沥青混合料的任一截面上，关于截面中心对称的任意区域里各档集料的颗粒 数目相等，位置关于截面中心对称，但发生不同程度的离析后，集料分布的位置和数目 将有不同程度的差异，计算表征集料的分布位置和数目的参数来表达离析的状态。在计 算过程中为减少误差，沿水平和竖直方向取芯样的几个平行截面来计算，截面划分如图 2 3 所示，综合水平和竖直方向上的分布状态，得到集料在整体中的分布状态，以此来 评价离析【1 2 】。 第二章路面材料离析与颗粒物质理论 图2 3 芯样截面划分示意图 2 2 颗粒物质理论 2 2 1 颗粒物质的概念与理论发展 1 9 9 1 年物理诺贝尔奖获得者法国科学家d eg e n n e s 提出了“颗粒物质这一概念。 颗粒物质一般指由尺寸d lpm 的颗粒组成的宏观体系，如沙子、粮食、盐、碎石等以 离散态存在的物质。它不同于一般的固体和液体，它既可以像液体一样倒入容器，也可 以像固体一样成堆，是一种复杂的体系。我们直观感受到的颗粒物质的现象有很多，例 如拿一块石子扔向沙堆，石子不会像撞在固体表面那样反弹，而是将其动能完全耗散在 沙堆中；再如对颗粒物质施加振动，大小不同的颗粒会分离开来，而不是像热力学系统 那样混合地更为均匀；著名的“粮仓效应 也是颗粒物质不同于一般物态的证明：向一 个容器内填充颗粒，颗粒对容器底部施加的压强先随颗粒填充高度的增加而变大，到一 定高度后，压强会趋于某一饱和值而不再增大。而液体的底部压强为pg h ，随填充高度 的增加不断增大。鉴于颗粒物质的特性不同于传统的物态，物理学界把它定义为物质的 第四态【2 6 1 。 利用颗粒物质的特性及对颗粒物质的研究很早之前就出现了，只是在近几十年才引 起物理学界的广泛关注。沙漏作为计时器比水漏更简便和准确，就是利用了沙粒从孔中 流出的流速不像水流那样随压强改变的特性。通过簸箕的颠、摇、晃把沙粒、谷皮等杂 物从谷物中分离出来，则是利用外加振动实现颗粒分离的常见例子。我国至少在南朝时 期就有“簸之扬之j 糠砒在前。淘之汰之，砂砾在后”的说法( 世说新语) ；文艺复 兴时期l e o n a r d od av i n c i 就通过简单的试验来研究颗粒物质间的摩擦；十八世纪，c h a r l e s d ec o u l o m b 提出了沙堆倾斜角度与摩擦系数的关系。1 7 8 0 年，e r n s tc h l a d n i 注意到轻型 颗粒与大一些的颗粒之间的运动行为有许多不同，c h f i s t i a a no e r s t e d t 就用植物花粉重复 并验证了他的试验。m i c h a e lf a r a d a y 很早就提出了至今尚未解决的空气在颗粒振动形成 斑图的过程中起到什么样的作用这一问题。1 8 5 7 年，w i l l i 锄r a n k i n e 解释了摩擦在颗 1 4 长安大学硕士学位论文 粒物质中的理论含义，并在c o u l o m b 理论的基础上，建立了许多时至今日仍然有效的原 则。法拉第1 8 3 1 年发现振动使颗粒形成对流而堆积起来。雷诺于1 8 8 5 年指出，如果颗 粒紧密堆积在一个弹性袋中，任何外加作用都会使颗粒体积增大，称之为雷诺加压膨胀 原理。1 8 8 4 年英国科学家i r o b e , s 首先注意到粮仓效应，