（机械工程专业论文）沥青路面压实过程的不均匀性及其施工质量控制.pdf

摘要 在沥青混合料施工过程中，在运输、摊铺、压实等环节容易造成沥青混合料的离 析，从而严重影响了沥青混合料的路面质量和路用性能。虽然目前国内外对离析这一 问题给予了足够重视，但对碾压过程的离析问题却缺乏系统的研究。论文分析了沥青 混合料在运输、摊铺和压实过程中出现的集料离析，温度离析和碾压离析等现象，指 出了摊铺过程的不均匀、碾压过程中的不均匀及由于路面结构造成的不平整度等原 因，都可能造成沥青混合料压实质量的不均匀，针对造成沥青混合料碾压不均匀的多 种原因，从压实方法及工艺，沥青混合料的摊铺过程，沥青混凝土路面的压实等方面 提出了消除和减少碾压离析、减少路面不均匀性的控制措施或对策，并将提出的预防 方法和措施应用到现场施工中，改善了路面的质量和使用性能。 关键词：摊铺机；压实；振动压路机；碾压离析；不均匀性；沥青混合料；施工工艺 a b s t r a c t d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r e ，t h es e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e a l w a y sh a p p e n si nt h ep r o c e s so ft r a n s p o r t a t i o n ，p a v i n ga n dv i b r a t i n gc o m p a c t i o n i t a f f e c t st h e q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n ts e r i o u s l y a l t h o u g h t h e s e g r e g a t i o nh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o ni nt h ew o r l d ，t h e r ei st h el a c ko fs y s t e m a t i cs t u d y o nt h e c o m p a c t i o ns e g r e g a t i o n t h ep a p e rp o i n t s o u tt h e a g g r e g a t es e g r e g a t i o n ， t e m p e r a t u r es e g r e g a t i o na n dr o l l i n gs e g r e g a t i o ni nt h ep r o c e s so ft r a n s p o r t ，p a v i n ga n d c o m p a c t i o no fa s p h a l tm i x t u r e ，a n da n a l y z e st h er e a s o n sf o rw h yt h ec o m p a c t i o nq u a l i t y u n e v e n n e s so f a s p h a l tm i x t u r ei si nt h ec o u r s eo fp a v e ，c o m p a c t i o na n du n e v e n n e s sc a u s e d b yp a v e m e n ts t r u c t u r e t h e s em u s tl e a dt ot h eu n e v e nq u a l i t yo fc o m p a c t i o n s o m e m e a s u r e sa r et a k e nt or e d u c er o l l i n gs e g r e g a t i o na n dt h eu n e v e n n e s so fp a v e m e n tf r o mt h e c o m p a c t i o nm e t h o da n dp r o c e s s ，t h ea s p h a l tm i x t u r ep a v i n g ，a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t c o m p a c t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h e s em e a s u r e sh a v eb e e nv e r ye f f e c t i v ea n dt h e q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fp a v e m e n th a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l y k e yw o r d s ：p a v e rc o m p a c t i o nv i b r a t o r yr o l l e rr o l l i n gs e g r e g a t i o n u n e v e n n e s s a s p h a l tm i x t u r e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 泐7 年，月y 咀 勿7 年，a 月。3 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀 下匕 1 1 沥青路面使用现状 随着我国高速公路的发展，沥青混凝土路面以表面平整，无接缝，行车舒适耐磨， 震动小，噪音低，施工期短，养护方便，维修简便，适用于分期修建等特点，获得越 来越广泛地应用，其使用量占到高速路面的8 0 以上。2 0 世纪5 0 年代以来，各国修 建沥青混凝土路面的数量迅速增长，所占比重很大。我国公路和城市道路近2 0 年来 应用沥青材料也修筑了相当数量的沥青类路面。到目前为止，我国的高速公路大部分 是沥青混凝土路面，而决定高速公路能否在接近设计使用年限让大量车辆安全、舒适、 快速地通行，主要取决于路基和路面的质型1 】【2 】。 沥青路面新材料的出现和新技术的应用大大改善了路面使用性能，提高了沥青路 面设计水平，但是在部分高速公路仍出现了车辙或坑槽等早期破坏现象，严重影响了 高速公路的使用年限和服务质量，导致巨大的经济损失【3 】。调查表明，个别高速公路 通车仅2 3 年，沥青路面就已出现了大面积破坏，其主要原因可能有高速公路路基和 路面的设计水平差异、路基施工的不均匀性、沥青混合料的不均匀性、沥青混合料摊 铺过程的不均匀性、沥青混合料碾压过程造成的不均匀性等多种原吲4 卜【8 1 。 在进行路面早期破坏的调查研究时发现：一条高速公路的路面损坏往往只发生在 局部，即使是载荷较重的行车道也是局部破坏，轻微的是个别地方出现不连续的坑槽、 油包，有的仅有一些小坑；较严重的会发生段落损坏，有几十米或几百米，却很少发 生整个标段或整条路的全面破坏。经过研究发现，一般情况下，这种损坏并非结构性 的损坏，即不是路面结构强度不足导致的疲劳破坏，而是沥青面层的功能性损坏，也 就是沥青面层在环境和载荷的作用下出现开裂、松散、坑槽、泛油、推挤、车辙等病 害【9 1 。 大量的现场跟踪勘测与实验室研究表明，这种局部的损坏是因为铺筑到路面的混 合料出现了离析，离析处的混合料改变了原有的设计级配，不再具有设计的各种性能， 在外界因素的影响下，出现局部的路面损坏。离析是目前国内外公路界研究最多的一 种沥青路面损坏现象，出现离析的主要原因是施工过程中存在诸多不合理的施工工艺 造成的，从国内外的研究来看，总体可分为材料离析、温度离析和压实离析等。 在当前，我们必须花大力气来解决沥青混合料的离析和不均匀问题【1 0 卜【1 4 】。这个 问题已经引起了国际上普遍的重视，例如a s t e s 公司的科研人员对原有损坏路面进 第一章绪论 行了钻芯取样调研，对比分析损坏路面沥青混合料的物理特征和力学特征，诸如沥青 含量偏差、级配波动、压实度或空隙率偏差等：1 9 9 7 年美国沥青路面施工技术协会 ( n a p a ) 对沥青路面离析的原因进行了系统的分析，针对热拌沥青混合料在拌和、 生产、运输及摊铺过程中易出现离析的环节进行了研究，并提出了相应的解决措施。 2 0 0 0 年美国国家沥青技术中心( n c a t ) 承担了公路联合研究项目“热拌沥青混合料 路面的离析”( n c h r p4 4 1 ) ，研究内容包括：离析的定义、测定离析的方法和步骤、 离析对沥青混合料性质和路面使用性能的影响和评价等。国内也有很多学者和研究单 位进行了研究，如同济大学、东南大学、广东冠粤路桥有限公司等单位进行了研究。 由此可见，在我国高速公路路面路基设计和施工两方面仍存在较多的技术问题和 管理问题，需要共同能力来研究解决。但是，我国在进行离析研究时，缺乏系统的全 面的试验、分析，至今未形成规范的离析程度检测方法、程度判别、控制方法等。特 别是在研究离析时往往注重对材料的要求和对路面破坏现象的剖析，忽视了机械设备 与材料的相互作用特性和设备结构及施工过程的控制。往往仅在理论上花许多时间去 研究，而忽视了对工程实践的指导和运用，使许多新建路面工程仍存在着严重早期破 坏的隐患。 1 2 沥青混合料的不均匀性及其危害 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【l5 1 。高速公路产生的一些 早期破坏现象，如坑洞、局部严重辙槽、横向裂缝多、水破坏等等，常常与沥青混凝 土的不均匀性有关。 1 2 1 离析的定义及危害 热沥青混合料的均匀性是指热沥青混合料的组成及其性状在生产和铺筑过程中 保持一致、不变的性质。离析就是热沥青混合料的组成及其性状受外界的影响而变得 不均匀【1 6 】。例如，混合料中集料在外力作用下，大粒径料和小粒径料分别聚集的现象 就是一种离析现象。沥青混合料中的骨料粒径不同，其运动惯量也不尽相同，当混合 料受到外力作用后，大粒径运动速率必然大于小粒径料的运动速率，于是就产生了大 小颗粒的分离而形成材料离析。混合料一旦发生离析，就会使铺出的路面不同区域的 混合料级配、路面结构和组织发生变化，在已铺筑面层区域会出现粗集料集中或细集 料集中的随机离析现象。离析将直接导致沥青混合料沥青含量与集料级配偏离设计要 2 长安 学碗学位论文 求，造成碾压成型后松散，破坏了路面结构，影响了路面平整度、压实度、行车安全 与道路使用寿命；离析造成粗集料相对集中，局部密实度差，孔隙率较高，沥青含量 偏少，从而容易形成路面积水导致坑槽发生，而且粗集料集中的混合料拉伸强度低， 抗裂性能差，将降低疲劳寿命：相反，细集料相对集中的部位，沥青含量偏多，空隙 率过小，从而导致路面的永久变形，并出现泛油。 122 常见的沥青混合料不均匀现象 1 2 2 1 材料自身及拌和过程的不均匀性 在公路建设时，一个工程的集料往往来自好几个料场，质量参差不齐，不仅石料 质量不同，覆盖层和风化层清除不干净，破碎和筛分机械不一，筛孔尺寸混乱，导致 集料产品质量及规格各行其是，实际级配与配合比设计所采用的级配有很大的差距。 尽管目标配合比设计很认真，生产配合比设计就有了很大变化。到正式生产时，设计 材料与配合比设计的材料相比差异更大。而且许多采石场都是在修建公路时临时组建 的，且料场中不同材料之间没有隔墙，各种不同粒径的集料相互混杂，材料堆放的场 地一般不设防雨顶棚，而砂子、石屑等细集料受含水量的影响较大，从而导致拌和机 的供料控制会有很大的波动直接影响配合比。 材料离析的主要表现形式是沥青混合料中粗集料与细集料分离，沥青含量波动和 空隙率的变化等”】【”】。发生材料离析时，粗集料集中的部位空隙率偏大，沥青含量 偏小，偏大的空隙率使得路面容易渗水，路面水损害加剧，产生坑槽、松散等病害， 见图11 ；粗集料集中的混合料抗拉强度低，抗裂、抗疲劳性能差，易出现疲劳裂纹。 见图1 2 。细集料集中的部位沥青含量高，空隙率小，高温稳定性较差，路面易出现 车辙、拥包、推移等病害，见图1 3 。材料离析易使沥青混合料含量不均匀，沥青古 量高的地方泛油，构造深度小、抗车辙能力低；沥青含量低的地方，易渗水、开裂、 抗水害能力差。 阿1 _ 1 水损坏导致的坑槽 第一章绪论 圈1 2 疲劳破坏图1 0 车辙 1 2 2 2 运输过程中造成的离析 拌和的沥青混合料可能先进入热贮料仓，也可能直接从拌和机卸到运料车中，按 规范要求运料车应该是每卸一斗挪动一步，以便减少混合料的离析。实际上，这种离 折也是难免的，尤其许多运料车并没有按照规范的要求做，离析就更加严重。在运输 过程中，沥青混合料表面温度和内部温度的降低速度也不一样，表面降温快，内部降 温少。同时- 降温的程度与天气、环境条件( 风、温度) 、混合料类型、车载厚度有 密切的关系，混合料加盖毡布对减轻温度离析有很大好处。 1 2 2 3 摊铺过程中的离析【捌 沥青混合料摊铺机在摊铺混合料过程中造成混合料不均匀或离析的原因有：混合 料从运料车卸到摊铺机的过程中，一定程度上会产生粗细集料的分离：如果运料车与 摊铺机产生碰撞，会影响摊铺机后的混台料的多少和密度；混合料卸到摊铺机料斗中 以后，中间的混合料进入摊铺机的速度快两边的混合料可能会停留相当时问，直至 两侧的挡板收起才将混合料折向中间，导致两侧的混合料比中间的混合料温度要低的 多，从而使得铺到路面的混合料的温度不一样：摊铺机的螺旋分料器在向两侧摊铺时 也会产生离析在加妊的接头部位，如果调整不好往往会有不平顺的坎，摊铺的混 合料在这里往往会离析；摊铺杌摊铺宽度越长混合料的离析越严重，现在许多高速 公路为了提高平整度而采取全幅摊铺的方式，也是造成混合料离析的主要原因之一。 材料离析是改变了混合料的原有级配，严重影响到沥青混合料的均匀性，同时混 合料级配变化还影响到沥青路面的路用性能，降低路面的摊铺质量，己引起人们的密 切关注。实际上，温度离析的危害比单纯的级配离析要严重得多，也是造成路面质量 差的主要原因。 沥青混合料的温度离折是指原来经充分搅拌、温度均匀的沥青混合料，经过某一 过程后温度出现较大差异的现象。在沥青路面施工中，沥青混合科的温度是保证路面 长安大学硕士学位论文 施工质量的关键。如果混合料温度较低或温度变化较大，出现温度离析不同地方压 实度不同温度高的地方压实得到保障，但温度低的地方压实困难，压实度难以达到 设计要求。 1 2 2 4 混合料压实不均匀 在振动压实过程中，压路机无论如何也不可能做到温度、遍数、速度都一样，主 要表现在在振动压路机碾压过程中的起振与停振阶段存在着压实功的变化：钢轮压路 机在轮宽的不同部位，特别是接近轮外缘时存在着压实功的变化：在碾压时钢轮的重 迭宽度存在着压实功变化；压路机起步与停机的重迭区域存在着压实功变化等。除此 之外，在沥青混合料摊铺的预压实过程中，摊铺机熨平板的宽度方向也存在着压实功 的变化。由于旌加在被压材料上的压实功差异必将导致不同区域路面压实度和空隙率 发生变化，道路压实质量不均匀【1 q 埘l 。 123 减小沥青混合料离析的常用措施 混合料的离析是无法避免的，但只要我们从混合料配合比设计、集料加工堆集、 混合料生产运输、摊铺、振动压实、基层压实等各个环节抓起，严格按照技术标准和 施工规范加以控制，其造成的危害是可以降低的。 1 ) 拌和运输控制 对于不同来源、不同规格的集料应分区堆 放，防止不同规格的集料混杂。同种规格的集 料应通过装载机与卡车联合作业的方式分层堆 放，每层厚度不应超过l m ，料堆侧坡度应小于 l ：3 ，卡车卸料或装载机堆料时应避免倾倒在 斜坡上，这样可以减少由于粒径差别造成的惯 性离析现象，如图14 。 圈1 4 原材料的正确堆放方法 在自卸车装料时，应3 层放料。在每装一锅后移动一下位置并按车厢前一后一中 的顺序装料，待一层装完后再逐次进行第二、三层放料，这样可避免粗骨料滚至车厢 四周。而且，在卸料时不宜每次将仓中料卸完，避免贮料仓装料时形成的同心圆形离 析。 在热混合料运输过程中，运距越长，越会造成车厢底、侧及项面温度降低。卸料 时顶面温度低的料落在摊铺机受料斗的两侧，当料车卸完料以及摊铺机受料斗中料堆 接近消失时，两侧冷料向内落下，被输送到后面的分料室，并被整平。熨平板不可能 第一章绪论 使较冷的混合料与高温混合料一样固结，在摊铺层上就会出现小面积的离析，由于每 一车料都可能产生这种由于温度差异而造成的离析现象，周期性的破损现象也就更加 明显。摊铺后路面材料离析和温度离析将直接造成压实后路面空隙率的不均匀。 因此，应严格注意沥青混合料在运输过程中的温度损失现象，采取切实可行的保 温措施，或通过摊铺现场采用混合料转运车，对热沥青混合料进行二次拌和来避免温 度差异造成的混合料离析。 2 ) 摊铺过程的控制 摊铺作业时，自卸车将混合料卸入摊铺机料斗，经刮板输料器送至熨平板前的螺 旋分料器，再由螺旋分料器将混合料从中央向左右两侧送料，并在熨平板前布料，随 后熨平板进行摊铺。在整个摊铺过程中，混合料经历了多次机械作用，混合料的大小 骨料也经历了多次聚集形成离析，尤其当供料不均匀时，摊铺室中积料过多或过少， 螺旋分料器转速时快时慢都会导致粒料受力变化和混合料沿熨平板宽度方向运输量 不等，从而加剧离析的产生。 实践证明，摊铺机刮板输料器和螺旋分料器的转速不断变化产生的离析量是其转 速均匀时产生离析的十倍以上。因此，应保证摊铺机刮板输料器和螺旋分料器稳定、 连续地工作，螺旋分料器腔内混合料略高于螺旋分料器轴线( 即螺旋填充系数控制在 o 7 0 7 5 左右) ，刮板输料器和螺旋分料器的实际运转时间不得少于摊铺机作业时间 的8 0 ，则混合料在整个摊铺过程中将始终沿熨平板宽度方向均匀分布，混合料产生 的离析才可能降低至最小。 1 2 4 判断离析及程度的调查方法 目前，常见的测定沥青混合料离析的测试方法有2 2 h 2 4 】： 1 ) 直接观察法。沥青混合料的离析很容易通过肉眼观察处理，这是最直观的定 性评价方法，通常从粗细集料的集中程度进行判断。不过当最大集料粒径相对较小时， 采用肉眼观察进行评价就会比较困难。 2 ) 定量分析方法。最常用的方法是在路表面用砂铺法测定路面的构造深度，但 是砂铺法的测定结果经常受测试者主观意志和测试方法所左右，明明看来已经有了严 重离析的部位，确可能测得相同的构造深度。美国a s t me 9 6 5 规定的试验方法本身 的重复性是构造深度的1 ( 以l m m 计) ，不同测试者之间的重复性约为2 ，而且 当路面空隙率较大( 如大于1 0 ) 时，构造深度上的差异也将测不出来。因此，砂铺 法并不是最理想的方法，但仍是目前最直观的发现离析的手段，它可以用来发现离析 6 长安大学硕士学位论文 的区域，确定离析的深度。 3 ) 红外线温度探测器。由于混合料的压实度不均匀往往是铺筑过程中的温度不 均匀造成的，而砂铺法测定构造深度的不同可以直接测定离析的程度，却不能区分是 级配离析还是温度离析。美国n c a t 提出采用红外温度探测器专门研究混合料在施工 过程中的温度离析。红外温度探测器用来测定每一批混合料铺筑后的温度差，研究结 果表明：当混合料的温度差在1 0 , - - 1 6 ( 2 范围内时，将会发生轻度离析；当混合料的温 度差在1 7 2 1 范围内时，将会发生中度离析；当混合料的温度超过2 l 范围内时， 将会发生严重离析。这种温度离析导致压实度的不均匀，可以通过在不同温度下钻孔 测定空隙率、级配和沥青含量得到证实。红外摄像仪检测法只能探测到路面表层的温 度，不能对混合料的温度差异原因进行判断，而且红外摄像仪主要适用于施工过程控 制，对施工完成后路面的离析评价精确度不够。 4 ) 取芯法取芯法是一种传统的破坏性密度检测试验，通过在离析区域钻芯取 样，分析芯样的沥青含量、级配组成、试件密度及空隙率，通过与设计值或标准值的 比较来判定路面离析的程度。由于取芯法费时费力，速度慢、效率低，同时上面层施 工一般不允许过多取芯，少量的钻芯不能提供评价路面密度状况的足够信息，所以应 仅在发现路面明显离析，才采用此法进行调查。 5 ) 核子密度仪测定法美国一些部门采用核子密度仪来测定路面离析。佐治亚 州在路面上铺砂，使核子密度仪在背反射模式下测定路面密度，如果密度差异超过 o 1 6 3 9 c m 3 ，就认为路面离析。堪萨斯州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o 0 8 9 c m 3 或最小值比平均值小o 0 4 9 c m 3 就认为路面离析。爱荷华 州的判定方法为：如果离析处的密度与非离析处的密度之比值在9 5 1 9 8 ，就认为 是明显离析，如果低于9 5 就认为是严重离析。 在施工现场，除了加强肉眼观察外，在铺筑过程中应该借助于红外温度检测器检 查铺筑的混合料的温度是否均匀，发现温度离析，而在施工以后可以通过核子密度仪 检测密度及砂铺法检测构造深度发现离析的情况。 1 3 课题研究的目的和意义 1 3 1 研究目的 随着高速公路建设的飞速发展，社会对高速公路路面质量的要求也越来越高。高 速公路路面质量不仅直接影响道路运营的经济效益，还关系到道路畅通与行车的安 7 第一章绪论 全、便捷、舒适等社会效益。 沥青混合料离析现象是直接影响沥青路面质量及使用寿命的主要因素之一，更为 棘手的是，离析现象将不可避免地伴随着整个拌和运输和摊铺全过程。加强路面材料 离析和温度离析方法的研究，并建议在沥青路面施工技术规范中增加沥青混合料温度 控制指标；重视施工生产过程的全程控制，并采用摊铺现场二次拌和方式，通过对热 沥青混合料在摊铺之前进行重新拌和，能有效控制离析的产生。因此，在沥青路面的 铺筑过程中，我们必须严格按照技术规范施工，从可能发生离析的各个环节加以控制， 并注意总结积累经验以指导我们的具体施工，从而最大限度地减少离析现象对路面质 量造成的危害，是摆在高速公路建设者与管理者面前的重要问题之一。 随着新技术和新材料的应用，新的问题不断出现，沥青混合料的施工方法正进行 改进和修正以适应材料的各种特性。综合目前的研究发现，近年来虽对施工过程中造 成路面质量变异性、离析发生的原因以及相应的处理措施进行了研究，但这些研究大 多只停留在沥青路面损坏特征和一些较粗放型的预防措施上。目前，在沥青路面建设 中，还没有一个贯穿于沥青混合料设计、拌和、运输、摊铺、碾压、检测等全过程的 控制质量保证体系，难以对沥青路面施工进行合理的、定性的甚至定量的质量控制标 准。 在沥青混合料压实过程中，沥青混合料也存在明显的碾压离析现象，这一现象还 未见有国内外的研究报道，更无相应的控制对策。本文依据大量的试验研究结果，研 究了碾压离析产生的机理和规律，分析了碾压离析产生的原因，并探讨了一系列控制 碾压离析的措施，经过工程实践检验是可行的，可以减少因离析导致的路面早期损害， 提高沥青混合料机械化施工的质量，提高沥青路面质量，延长路面的使用寿命。 1 4 论文研究的主要内容 通过大量的工程实践和试验研究，从沥青混合料的摊铺过程，基层和面层的施工 工艺和方法、施工机械与沥青混合料的作用机理、振动压路机的结构及沥青混合料的 压实过程等方面，分析了造成沥青混合料碾压过程不均匀性的原因，并在新施工理念 的基础上，针对造成碾压不均匀的原因，从压实方法及工艺，沥青混合料的摊铺过程， 沥青混凝土路面的压实等方面提出了消除和减少碾压离析、减少路面不均匀性的控制 措施，然后将提出的预防方法和措施实际应用到现场施工中，验证和完善减少碾压过 程不均匀性的控制措施，为施工应用提供依据。 长安大学硕士学位论文 本文研究的主要内容有： 1 、沥青混合料的压实机理分析，指出了沥青混合料常见的不均匀现象； 2 、对摊铺过程中预压实时出现的离析现象进行了研究，分析摊铺过程中产生离 析现象的原因，提出控制措施； 3 、对振动压路机造成的沥青混合料碾压离析现象进行了分析，并提出了减少碾 压离析的控制措施； 4 、对路面结构造成的碾压不均匀现象进行了分析，提出采用双层摊铺工艺的建 议。 9 第一$ 摊铺程中的水均匀苴造成的压实不均匀 第二章摊铺过程中的不均匀及其造成的压实不均匀 引起沥青混合料集料离析和温度离析的原因较多，有不同规格原材料颗粒组成变 异大的原因，有拌和厂生产和管理方面的原因；也有运输和现场摊铺管理方面的原因。 一旦混合料出现离析则混合料级配、沥青含量、油石比、空隙率及马氏指标等发生变 化。由此可见，集料离析和温度离析将使得松铺层的密度及力学特性不均匀，即热沥 青混合料的可压实性和热稳定性不一致，导致混合料在碾压过程中及压实后的密实度 及空隙率的不一致。 沥青混合料空隙率是路面控制中的一个关键指标2 5 h ”】：空隙率过小，路面易出 车辙、泛油、拥包等病害；空隙率偏大，容易透水，产生坑槽、松散等水损害：同时， 空隙率的大小还与混合料的其它各个指标相互影响。 21 沥青混合料的集料离析和温度离析 211 集料离析对空隙率的影响 沥青混合料集料离析主要有两种形式：一种是结构层上部为粗( 细) 集料，下部 为细( 粗) 集料一般沿摊铺方向呈带状，属表层离析；另一种离析是结构层局部为 粗集料，这种离析呈块状，属贯穿离析。一旦混合料出现离析则混合料级配、沥青含 量、油石比、空隙率及马氏指标等发生变化。 表2 1 离析对沥青混合料空豫率的影响比较 一、空隙率 取 号 平均值 部位、23 粗集料集中 9 49 99k 695 上部粗下部细 8 2888 4 8 4 5 细集料集中 4 6 粗细均匀 豳 豳爝潮 l 娃暂一： a ) 离析混科试件表规b 1 1 r 离析试件表观 图2 1 离析与非离析混合料试件表观比较 j o 长安人学硕上学位论文 在温度和击实次数相同的条件下，分别将从工地现场取来离析混合料和非离析混 合料进行马歇尔击实试验，测得的空隙率结果见表2 1 。从表中数据可知，粗集料集 中的沥青混合料空隙率平均为9 5 ，上部粗下部细的混合料平均空隙率为8 4 8 ， 细集料集中的沥青混合料平均空隙率为4 6 3 。当粗集料集中时比集料粗细均匀时高 4 5 ，约为后者的两倍；当细集料集中时要比粗细均匀时低0 3 7 。由此可见，粗集 料集中对沥青混合料的空隙率影响最严重，粗集料离析越严重，沥青路面的空隙率越 大，路面越容易产生坑槽、松散等水损坏，严重影响路面的使用质量和服务年限。 图2 1 为离析沥青混合料试件与非离析沥青混合料试件的外观比较。从试件外观 上看，离析混合料试件表面粗糙，空隙率大、吸水率大，如图2 1 a 所示；非离析的 沥青混合料试件表面相对密实、光滑，空隙率较小，吸水率也相对较小，如图2 1 b 所示。值得说明的是，采用表干法测定空隙率特别大的混合料试件时，远不能说明 其实际的吸水率，因为试件放在水中时连通的空隙中充满了水，当试件从水中拿出时， 大量连通空隙中的水已流淌干净。因此，由于粗集料没有空隙，用原有的最大相对理 论密度进行计算的空隙率往往比实际空隙率小，且计算的压实度偏高。从完工的沥青 路面来看，粗集料集中的离析部位表面较粗糙，空隙较大，雨雪初晴后观察特别明显， 未离析部位很快变干，而离析部位有水迹，有的甚至空隙中有明显的积水。 因此，直观判别离析是通过空隙率的变化，若发现空隙率比设计值大出许多，则 在作进一步检测以前就可以初步判定混合料发生了离析。 2 1 2 温度离析对空隙率影响 在沥青路面施工中，沥青混合料的温度是保证路面施工质量的关键。如果混合料 温度较低或温度变化较大，出现温度离析，使不同地方的压实度不同，温度高的地方 压实得到保障，但温度低的地方压实困难，压实度难以达到设计要求。集料离析是改 变了混合料的原有级配，严重影响到沥青混合料的压实性，同时混合料级配变化还影 响到沥青路面的路用性能，降低路面的摊铺质量，已引起人们的密切关注。但温度离 析的危害却尚未引起人们的重视。实际上，温度离析的危害比单纯的级配离析要严重 得多，也是造成路面质量差的主要原因。 工程实践表明，温度离析的主要后果是造成路面空隙率的变化。温度离析是由于 不同的区域温度差别较大，即使施加相同的击实功，也会出现不同的压实结果，温度 高的部位沥青粘滞性小，易于压实：相反温度低的部位压实阻力大难于压实，导致压 实度不均匀，温度低的区域空隙率大，构造深度也较大。这种现象尽管一般情况下不 l l 第一章摊铺n 程中的十均匀及其造成的压实不均匀 能很直观的看出，但是雨过天晴，反映的很清楚，见图2 2 所示 一x 图2 2 离析部位的透水 为了确定温度对混合料击实性能的影响，在相同的击实功下，对同一级配的某型 沥青混合料在不同的温度下进行击实得到不同的空隙率和密度，见表2 2 。实际上某 型沥青混合料从拌和站出料温度要求1 7 5 1 9 & c ，但一般在1 8 0 c 左右，正常运输 到现场并摊铺到路面的温度1 6 0 1 7 0 ，初压温度1 6 0 左右。从表22 中的实验 室数据知，得到混合料的空隙率48 左右。从表中数据可以看出混合料温度越高， 对空隙率变化影响越小；相反温度越低影响越大；密度的变化规律则与此相反，随击 实温度的增加而增加。当温度从1 0 0 c 增加到1 2 0 c 空隙率就降低了12 ，而温度从 1 6 0 增加1 0 空隙率只降低了02 。 表2 2 温度对空瞎搴及密度的影响 粥h 堡芝 3 混台料温度 空隙率 50484 6 密度c m 23 8 8 ”1 ”。”。；裂箸“5 1 ”。”。 图2 3 温度对空隙率及密度的影响 2 2 啦 2 s z t t 矿 z 4 6 目 z 4 4 0 2 驼矗 z 4 趟 z 搏翻 2 3 6 耐。，q昏1 8 fz 窿密沦 4 大最注 长安大学硕士学位论文 图2 3 为不同的击实温度下沥青混合料空隙率和密度随击实温度的变化曲线。由 图2 3 可知，当沥青混合料温度从9 0 。c 增加到1 7 0 。( 2 时，空隙率从8 8 降至4 6 ， 减小幅度为4 7 7 3 ；密度从2 3 8 8g e r a 3 增加到2 4 9 7 9 c m 3 ，增加幅度仅有4 5 6 。 可见空隙率受温度变化的影响较大，且混合料的空隙率越大，相应的混合料密度越小， 则路面的透水性愈大，抗水损害、抗疲劳、抗车撤、抗低温开裂的能力愈差，如图 2 4 和图2 5 所示。 图2 4 碾压温度对热沥青混合料空隙率和渗水性的影响 图2 5 碾压温度对热沥青混合料抗疲劳性能的影响 在沥青混合料的压实过程中，由于环境温度、混合料铺层厚度、碾压速度、碾压 遍数、碾压时机等存在差异，即使混合料不存在材料离析，也会因为上述因素使路面 出现过压、漏压等碾压离析，造成路面不同部位压实度、空隙率的差异，使路面的路 用性能产生差别，这种差别在某种情况下会变的比较严重。因此，在施工过程中要严 格控制碾压温度。 2 1 3 空隙率、压实度及平整度的关系 沥青路面施工中，空隙率、压实度及平整度是沥青路面的三大控制指标。提高压 实度降低空隙率，目的是为了增强路面的使用强度和使用性能，减少路面的水损害与 早期损害。而沥青路面平整度也是影响路面质量的主要因素，是关系路面舒适性、安 全性的关键指标。 由于沥青路面的摊铺是通过机械自动化的现场摊铺，一般摊铺到路面的混合料厚 第二章摊铺过程中的不均匀及其造成的压实不均匀 度相同，但如果碾压时施加的压实功不同，会产生不同的压实度与空隙率，进而影响 到沥青路面的平整度。在课题组研究过程中，对某个标段的试样的空隙率和压实度进 行了测试，结果如图2 6 所示。由图可知，不同位置处，压实度的变化规律与空隙率 的变化规律刚好相反，压实度大的路面空隙率相对较小。据许多研究资料表明，空隙 率是发生各种路面病害的主要原因。因此，空隙率和压实度在沥青路面施工中要严格 控制。 一 7 6 ； 5 证4 制3 2 1 广弋 厂 、厂 - 、 、l讨k、1 l l 、i 、xn 嗤入 yv 、 l 、 1 + 空隙率x、 i + 压实度 1 0 2 1 0 1 伽霎 蚋度 x 9 8 9 y 位置 图2 6 空隙率与压实度的关系 众所周知，压实度越高，沥青混合料的承载力越高，抵御外载荷的变形能力越强， 路基强度越稳定，但是，如果沥青混合料的平整度达不到要求，必将影响路面的舒适 性和安全性。因此，在控制沥青路面压实度和空隙率的基础上，预测和控制沥青路面 的平整度和平整度的传递也是一个亟待解决的问题。在沥青路面的施工中，一般是从 基层开始，铺筑一层检测一层的平整度。通过研究发现，每一层路面的平整度都或多 或少的向上一层传递反射；也就是说，如果某一路段的基层平整度很差，上面铺筑的 每层平整度都会受到影响，如图2 7 所示。 汰 恻 划 o5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 检测位置皿 图2 7 各层平整度关系图 图2 7 是某路段上层、中层、下层相应路面的平整度标准差检测结果。从图2 7 所示曲线可以看出，各层之间的平整度相互影响、相互传递。如图所示，在标段前 5 0 0 米的中面层和下面层平整度的变化曲线相似，后5 0 0 米的上面层和中面层的变化 1 4 长安大学硕上学位论文 曲线相似，说明下一层的平整度情况按照某种规律会反射到上一层，使得上一层平整 度的变化具有一定的相似性。因此，在施工中要严格控制每一层平整度。 综上所述，平整度与压实度、压实度与空隙率之间的关系是相互影响，相互制约 的。但无论怎样，在路面施工中，要在保证平整度的前提下提高路面的压实度，进而 降低路面空隙率。走出目前存在的为了追求平整度而忽略了压实度和空隙率的误区。 2 2 摊铺不均匀造成的离析现象 摊铺沥青混合料时产生一定的离析现象，在目前仍是一个普遍存在而较难彻底避 免的问题，因为它涉及到摊铺机的具体结构、摊铺材料、运输方式、摊铺机操作技术 等多方面的因素啪儿删口副。实践证明，如果控制良好，也可有效的减少离析现象。根 据不同的材料，合理的选择振动系统的振动力和频率，可控制材料的离析，如果频率 选得过高，将会导致细料上浮。此外，确保螺旋布料器通道内的材料流动稳定通畅， 并保证摊铺过程中材料处于螺旋布料器直径的2 3 的位置：供料系统均匀、稳定地供 料；在摊铺时注意这些方面的影响，可减小摊铺后材料的离析现象，提高摊铺层的质 j 邑 里0 在沥青路面施工过程中，摊铺是一个关键的环节。前面所述的各个环节，目的都 是想得到符合要求的最佳混合料，而摊铺机就是将这种符合要求的混合料摊铺到路面 上，因此，摊铺质量非常关键【3 3 】。但是，从目前的现场施工过程来看，在材料离析的 各个环节中摊铺离析往往没有引起足够的重视。在沥青路面施工中，即使搅拌设备生 产出优质的、均匀的混合料，在卸料、运输等上述各个环节中不存在离析现象，但在 摊铺过程中如果调节不当，仍可能产生严重的材料离析，靠碾压工艺对离析的改善可 以说是微乎其微的，况且目前许多施工单位的碾压工艺并不完善，因此，摊铺过程中 常常出现各种各样材料离析现纠3 4 1 。 以往许多高速公路为了追求平整度和避免出现纵向接缝而采取全幅摊铺的摊铺 方式，这是造成混合料离析的重要原因之一，并且摊铺宽度越宽，混合料粒径越大， 此种离析现象越严重。全幅摊铺时由于摊铺宽度大，螺旋布料器输送混合料的距离过 长，这样就会形成两边粗，中间细的粗细集料离析。混合料在螺旋布料器的输送过程 中，在空中反复翻转，温度下降严重，使螺旋分料器边上与中间混合料的温度不一致， 出现温度离析，这样非但不能提高平整度反而会影响平整度和压实度。因此，在意识 到全幅摊铺的不足后，许多高速公路采用双机梯形摊铺，缩短摊铺宽度，尽量减少由 1 5 第= 章摊铺过程中的不均匀及其遗成的虫t 均匀 于螺旋分料器输送料产生的离析。 2 21 沥青混合料离析原因分析 一般的双向四车道的高速公路采用一台a b g 一4 2 3 和一台a b g 一5 2 5 或者两台 a b g - 4 2 3 摊铺机进行摊铺，这样就会减少摊铺出的路面两端粗集料的离析，但是如 果摊铺机调整的不好反而会增加离析带的出现。全幅摊铺时如果出现离析一般离析 带有五条，但双机梯形摊铺中出现的离析带将会增加到七条。 如图28 是某标段摊铺下面层时所拍摄的半幅路面。由于该型沥青混台料粒径较 燮鬻黼 图2 8 摊铺的半幅路面图2 9 摊铺离析示意图 大，所以在施工中易出现离析i ”i ，如图中标示出现了明显的三条离析带。当采用梯形 摊铺时就会在两台摊铺机的纵向接缝处又多出一条离析带来，这样全幅路面就会出现 七条离析带，所以梯形摊铺时摊铺机的调整较为关键。 这几种离析形式分别是：摊铺机中间“牙包”处出现的细料集中，如图2 9 中a 处所示。这种离析的形式比较常见，一般的摊铺机都会出现，是由于摊铺机的熨平板 变形不平形成三角带而导致的。摊铺机的熨平板是几块板拼装在一起的，“牙包”处 是摊铺机螺旋分料器的动力分离处，阻力较大，熨平板比较容易变形，一般工作人员 施工时不注意此处，所咀就避免不了出现离析【”i 。此处的离析形式是粗细集料向两端 集中，如图21 0 所示，有时还会伴有油斑、油线和泛油的出现。若是工艺不完善， 碾压时迎易出现推移和拥包。 带状离析形式还出现在图2 9 中b 处，并且是对称于“牙包”的两条离析带，这 两条离析带( 如图21 1 所示) 是由于摊铺机料仓刮料板的料位计位置太低，靠近“牙 包”的两侧有凹陷时大料的滚落聚集而形成的。这种离析并不是经常出现，只是在骨 料粒径较大时易出现，并且粒径越大越易出现。 大粒径混合料施丁中易出现的离析如图2 9 中c 所示，铺层的表而上出现一些无 规律的离析，局部地方会出现许多_ 人粒径料或小粒径料的集中，这是由于原材料的改 1 6 ，r_i e ，i。 一 誓。 吒 。 玉i|e一蕊 睦蜜大学碗学位论文 变，如冷料的变动太大、超限料的增多、筛孔的堵塞或破损等产生的离析 图2 1 0 牙包扯的离析形式翟 几乎所有摊铺机在作业时都会出现图2 9 中d 处 的离析现象，有的摊铺机有对称的两条，而时则会有 对称的四条，这种离析仍是带状，是由于吊螺旋处吊 臂的阻力产生的离析。因为螺旋分料器在输料的过程 中是利用叶片的旋转把混合料逐渐输送到两端的，此 过程吊螺旋地方的吊臂产生很大的阻力，使得料位产 生很大的落差，大料均滚落在此低洼的地方，形成大 料的集中【明( 如图2 1 2 ) 。 图2 9 中e 处的离析是一种有规律的间断离析， 图2 1 2 吊臂产生阻力 也是几乎在所有的面层摊铺中常见的离析，一般间隔3 0 米左右出现，多半居于摊铺 机的中部，有时也会出现在摊铺面层的横断面上，这种离析是一种太料聚集的形式。 由于卡车向摊铺机受料斗中卸料时，开始卸下的料和最后卸下的料多为粗料，卡车两 侧的粗骨料也同时卸入摊铺机受料斗的两侧，由于惯性的作用每车料在装的时候，靠 近车厢后面的地方滚落的都是太料，而从料车向料仓内卸的时候又是太料先卸下，这 样在摊铺机料仓的底部及两侧都是大料，当刮料板刮到受料斗内快没有料时就会将大 料剩到料仓内，这时仍旧向前作业，摊铺到路面的混合料都是大料( 如图21 3 所示) ， 并且多半分布在摊铺面层的中部，导致摊铺层出现片状离析如图21 4 所示。这是 离析形式中最可怕的一种，极易透水并且透入的水会从别的地方渗出，是一种破坏 性极大的离析。 第= 摊铺过程中的t 均匀及其造成的k 实4 ；均匀 囤2 1 5 受料斗中材料离折图23 1 4 卸科交替过程中有规律的摊铺离析 由于螺旋分料器内的螺旋太短料输送不到分料器两端，而形成较大的料位落差， 在重力的作用下大粒径的料向下滚落，在此处形成两条对称的离析带，如图2 9 中f 处。同时螺旋分料器熨平板的前挡板离地太高，或螺旋轴离熨平板侧挡板距离太远也 会使料位建立不起来( 如图21 5 ) 形成料位差，出现离析带。 图2 1 5 挡板离地高度和螺旋轴离侧板距离 除了以上六种形式的离析外，还有一种离析在圈2 9 中没有标示出来这种离析 是由于摊铺机的振捣器没有开启造成的。一般的摊铺机机手不懂机械，只知道驾驶而 对机器的性能不太了解，在工作时不开启振捣器，或开启了但无论在铺筑基层、面层、 上而层还足下而层时均为一种振幅和振动频率，而不会随着工况的变化改变摊铺机的 振幅和振动频率。这样振捣粱起不到振动捣实的作用【3 8 i ，摊铺出的混台料得不到压实、 熨半，尤其在摊铺大粒径的混合料路面表层均是大料，形成离析，如图21 6 所示。 长安大学砸 学位论文 图2 1 6 振捣嚣造成的离析 除了咀上介绍的摊铺现场经常见到的几种离析外还有几种离析形式。由于摊铺 螺旋分料器的安装位置不当，或固定螺旋的支架形状不合理，或螺旋直径与材料直径 不相适应等原因，造成在铺层上产生纵向条状离析带如图21 7 所示。 由于熨平板拼装不合理或熨平板受力过大产生变形，在摊铺过程中混合料中较大 的碎石不停的嵌入熨平板形成的斜楔中，将铺层刻出一条离析带，如图21 8 所示。 图2 1 7 与螺旋分料器有关的条状离析带图2 1 8 熨平扳变形形成的离析带 再者是螺旋组装不正确产生的离析，螺旋分料器中专门用于均料的叶片漏装、螺 旋叶片过度磨损或螺旋的安装长度不足等，都会使混合料发生离析，如图21 9 所示。 第四是由于螺旋分料器中的料位高度不合理，过高或过低造成铺层出现离析：第 五是螺旋分料器不均匀的断续运转，产生粗细料在中间和两端的分离现象； 第六是梯形摊铺时，