（机械设计及理论专业论文）superpave混合料施工工艺与质量过程控制技术研究.pdf

摘要 s u p e r p a v e 混合料是随着高速公路的高温车辙、低温开裂和水损害等日益严 重的病害应运而生的一种新型混合料，具有很高的剪切强度、抗车辙和抗变形能 力。由于s u p e r p a v e 混合料是一种连续级配的骨架嵌挤密实结构，属于较难施工、 较难压实的混合料范畴，施工过程中易出现的离析问题是该类混合料的固有缺 陷，严重影响了混合料的路面质量和路用性能。虽然目的国内外已对离析这一问 题给予了足够的重视，但对s u p e r p a v e 这种特殊的混合料，在施工工艺与质量控 制方面却缺乏系统的研究。本文针对s u p e r p a v e 混合料在生产和旌工过程中出现 的离析问题，对其产生原因及预防控制方法进行了系统的研究。 本文首先从s u p e r p a v e 混合料的设计出发，分析了传统混合料的设计概念一 认为只要设计出理想的混合料就可以铺筑出理想路面的片面性；通过对 s u p e r p a v e 混合料在机械化施工过程中离析产生的原因与机理的研究，认为沥青 混合料的摊铺均匀性及路面质量与施工设备参数的调整及施工工艺密切相关，而 不仅仅依赖于混合料的设计。 文章从生产设备结构和骨料的物理特性出发，在生产和施工现场采用红外温 度摄像仪和核子密度仪等仪器跟踪检测，分析了混合料生产、施工过程中产生各 种离析的原因，解决了搅拌设备和摊铺设备的参数标定和调整问题；同时根掘具 体的混合料形式，提出了相应的消除和减少离析的方法，并对各自的消除机理和 效果分别进行阐述，指出要有效地消除和减少离析，须采用其它辅助方式及对现 有设备结构进行调整和改进等措施。 通过对施工设备结构的标定与调整，在现有混合料施工工艺的基础上，根掘 高速公路所处的地理位置、环境条件及交通量等，针对s u p e r p a v e 这种特殊的混 合料，依据研究成果因地制宜制定了一套施工工艺，对其在施工过程中材料、设 备、施工工艺等综合提出相应的离析控制与预防措施；并通过具体的现场取样分 析与室内试验研究，对施工设备进行了整体优化及匹配。检验结果表明，合理的 生产方法和施工工艺能有效消除和减少混合料的离析，提高混合料的路用性能。 关键词：s u p e r p a v e 混合料机械化施工施工工艺离析机理控制与预防 s t u d yo nc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yp r o c e s sa n dq u a l i t y c o n t r o lt e c h n o l o g i e so fs u p e r p a v eh m a a b s t r a c t ：s u p e r p a v eh m a i san e wt y p em i x ，i th a sd e v e l o p e da l o n gw i t ht h e i n c e s s a n td e v e l o p m e n to ff r e e w a yd i s e a s ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，s u c ha sh i g h t e m p e r a t u r er u t ，l o wt e m p e r a t u r ec r a c ka n dw a t e rd a m a g e a n d i th a sg r e a ts h e a r i n g s t r e n g t h ，h i g h l yr e s i s t a n tt or u t t i n ga n dd i s t o r t i o n ，t h e r e f o r e ，t h i st y p em i xe m e r g e da s t h et i m er e q u i r ea n dh a sb e e nu s e df o ri t sa d v a n t a g ei ns o m ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y s o fo v e r s e a sa n dh o m e a ss u p e r p a v ei su n i q u et os e r i e sg r a d ea n dc o a r s e g r a d e d m i x t u r e s ，b e l o n g st ot h ec a t e g o r yo fm i x r a t h e rd i f f i c u l t l yc o n s t r u c ta n d c o m p a c t s oa n u m b e ro fs e g r e g a t i o np r o b l e m sd oe x i s t i n ge a s i l yi st h ei n h e r e n td e f e c to ft h et y p e m i xd u r i n gt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o n , w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h em i x i n gq u a l i t ya n d p e r f o r m a n c e a tp r e s e n to p e r a t o r so ff r e e w a yi no v e r s e a sa n dh o m eh a v eg i v e n e n o u g hr e g a r dt os e g r e g a t i o no fh o tm i xa s p h a l t ，h o w e v e r , f o rs u p e r p a v em i x e s p e c i a l l y , t h e r ei sn os y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ep r o b l e mo fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y a n dq u a l i t yc o n t r 0 1 f o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m ，t h ec a u s a t i o na n de l i m i n a t i n gm e t h o d s o ft h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yw e r es t u d i e ds y s t e m i c a l l yi nt h ep l a c e m e n to f s u p e r p a v em i x t u r e t h i sr e p o r t i n gb e g a nw i t ht h ed e s i g ni d e a so fs u p e r p a v em i x t u r e ，a n a l y z e d o n e - s i d e d n e s so ft r a d i t i o n a ld e s i g nc o n c e p t , m a n yt l l i l l l 【i ti sp r o b a b l et op a v ei d e a l r o a do n l yi fd e s i g nt h ei d e a lm i x t u r e a c c o r d i n gt ot h es t u d yo nr e a s o n sa n d m e c h a n i s m so fs u p e r p a v em i x t u r es e g r e g a t i o ni nm e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a n e wm i x i n gd e s i g nc o n c e p tw a sp u tf o r w a r d i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h ep l a c e m e n t u n i f o r mo fh m a ，l a y e rq u a l i t y , t h ep a r a m e t e r a d j u s t i n g o fe q u i p m e n ta n d c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sa l lc o r r e l a t e dn e a r l y , n o t j u s tr e l i e do nt h em i xd e s i g n s t a r i n gf r o ms t r u c t u r eo f t h ep r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dt h ep h y s i c a lc h a r a c t e ro f a g g r e g a t e ，c o n s t r u c t o r si n t r o d u c e di n f r a r e dp h o t o g r a p h ya n dn u c l e a rg a u g ea n ds oo n a d v a n c e da p p a r a t u si nt h ej o bl o c a t i o n s s e v e r a ls e g r e g a t i o nr e a s o n so fm i x t u r ei n p r o d u c t i o na n dc o n s t r u c t i o nw e r ea n a l y z e d t h ep a r a m e t e rc a l i b r a t i o na n da d j u s t i n g o fm i x e ra n dp a v ew e r er e v e a l e d a c c o r d i n gt ot h em a t e f i mm i x t u r e ，d i f f e r e n t e l i m i n a t i o np r i n c i p l ea n dm e t h o d st om i n i m i z es e g r e g a t i o nw e r ed i s c u s s e da n d c o r r e s p o n d i n g m e c h a n i s m sa n de f f e c t sw e r ee x p a t i a t e d s e v e r a l l y t h e r e s u l t s i n d i c a t e dt h a ti ti sn e c e s s a r yt ou s ea u x i l i a r ym e a n so ri m p r o v et h ee x i s t i n gs t r u c t u r e 4。 妒 f o re f f e c t i v e l ye l i m i n a t i n gs e g r e g a t i o n ； 。 a f t e rc a l i b r a t i n ga n da d j u s t i n gt h ec o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t s ，o nb a s i so ft h e e x i s t i n gc o n s t r u c t i o np r a c t i c e sa n dt h el o c a t i o n , e n v i r o n m e n tc o n d i t i o na n d t r a f f i ce t c s o m eo ft h en e wt e s tm e t h o d sb e i n gu s e dt oi m p r o v et h es p e c i a lm i xb e i n gp r o d u c e d a sw e l la ss o m eo ft h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d st h a th a v eb e e na d o p t e dt os o l v es o m eo f t h ec o n s t r u c t i o nr e l a t e dp r o b l e m s a n di nl i g h to fm a t e r i a ll o c a ls a m p l i n ga n d l a b o r a t o r yt e s t s ，t h ec o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t sw e r eo p t i m i z e da n dm a t c h e di n t e g r a l l y ； v a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t yo fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yw e r et e s t e d t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a ti ti sn e c e s s a r yt ou s ep r o d u c i n gm e t h o d sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yr e a s o n a b l y f o re l i m i n a t i n ga n dd e c r e a s i n gs e g r e g a t i o ne f f e c t i v e l y ，a n de n h a n c i n gm i x t u r eq u a l i t y k e yw o r d s ：s u p e r p a v em i x t u r e ，m e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o n ，c o n s t r u c t i o nt e c i m o l o g y , s e g r e g a t i o nm e c h a n i c s ，c o n t r o la n dp r e c a u t i o n 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，均已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己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：苏庙互 枷占年3 月加日 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：勿谚互 导师签名：獭易喵 刀名年月w 日 知年；月如日 第一章概述 1 1沥青混合料基本概念 1 1 1 沥青混合料定义及组成 按照现代沥青路面的建筑工艺，沥青与不同组成的矿质集料可以修建成不同 结构的沥青路面。最常用的沥青路面包括：沥青表面处理、沥青贯入式、沥青碎 石和沥青混凝土四种i ij 。按照我国现行国家标准，我们常说的沥青混凝土混合料 是沥青混凝土混合料( a s p h a l tc o n c r e t em i x t u r e 简称a c ) 和沥青碎石混合料 ( a s p h a l tm a c a d a i nm i x t u r e 简称a m ) 的总称。 热拌沥青混合料( h o t m i xa s p h a l tm i x t u r e 简称h m a ) 是经人工组配的矿质 混合料与粘稠沥青在专门设备中加热拌和而成，用保温运输工具运送至施工现 场，并在热态下进行摊铺和压实的混合料，通称“热拌热铺沥青混合料”，简称 “热拌沥青混合料州“。热拌沥青混合料是沥青混合料中最典型的品种，是目前 高速公路建设中用量最大的路用材料之一，主要应用于交通、市政等公路建设工 程中，在国民经济中占有重要地位。按照沥青混合料的结合料、施工温度、最大 粒径等可将其分成不同类型，其中常按矿质集料级配类型的不同将混合料分为： 连续级配沥青混合料和间断级配沥青混合料。 沥青混合料是一种由沥青、粗集料、细集料和矿粉、纤维等外加剂所组成的 一种人造复合材料。其中，沥青被称为结合料或胶结剂，在混合料中起到将各种 半r 细集料粘结在一起的功用1 2 】；而集料及填料在混合料中起在矿质骨架的支撑作 用，促使混合料的级配形成。近代沥青混合料胶浆理论认为，沥青混合料是由矿 质骨架和沥青结合料所构成的、具有空间网络结构的一种多相分散体系【 由于沥青混合料是一种复杂的多种成分组成的复合材料，它的结构组成也是 很复杂的。因为沥青混合料是靠沥青胶结剂将集料裹覆在其中而形成的粘弹性混 合物，因此，集料的相对位置、集料不同粒径大小的分布、空隙率及其分布等都 与混合料的结构组成有关。 1 1 2 沥青混合料的基本要求和特性 高速公路是一种承受频繁交通动载荷反复作用的结构物，同时又是一种无遮 盖而裸露于大自然的结构物。它不仅受到车辆复杂的力系作用，同时又受到各种 自然因素的恶劣影响【l 】。因此，对于常用作路面面层的沥青混合料，依据工程实 践中高等级沥青路面破坏的类型及原因分析，沥青混合料的路用性能应满足下列 基本要求：足够的高温稳定性、良好的低温抗裂性、良好的耐久性、足够的抗滑 能力、良好的水稳定性和防渗水能力。 般认为，沥青混合料是一种典型的弹、粘、塑性综合体，在低温小变形范 围内接近线弹性体，在高温大变形活动范围内表现为粘塑性体，而在通常温度的 过渡范围内则为一般粘弹性体( 2 l 。因此，尽管沥青路面通常处于固态或接近于固 态的状态下工作，但沥青混合料的强度与稳定性是不同于固态的。这是因为沥青 混合料具有随温度及载荷加载时间变化而变化的性质。这一点在设计路面时，要 结合路面环境条件、路面交通量等因素综合考虑。 众所周知，沥青混合料是由沥青胶结料包裹骨料而形成的多项分散系混合 物，生产时当作为胶结材料的沥青在骨料颗粒周围形成一定厚度的沥青膜时，才 促成沥青具有更高的粘度，因而获得更大的粘聚力。而沥青混合料的粘聚力与沥 青的性质、矿料的性质以及沥青含量等有关【1 1 1 2 。 在沥青路面工程中，路面材料及其加工工艺，路面施工、施工技术及机械化 作业是其两大要素，共同构成一个有机的整体，符合有关标准要求的路面材料和 科学合理的施工工艺是铺筑良好沥青路面的基本保i 正f 3 。因此，为了满足沥青混 合料的各种路用性能，应将上述因素综合考虑。 从宏观和微观两方面考虑，对拌和过程中沥青混合料主要要求是1 4 l ： ( 1 ) 各个组成成分在混合料中分布均匀； ( 2 ) 改善吸附沥青和自由沥青的数量比； ( 3 ) 沥青更完全地裹覆矿料颗粒； ， 4 从整个施工过程考虑，应该将设计的理想混合料如实地摊铺到路面，反映出 混合料的真实路用性能。这就要求施工单位在保证生产出符合质量的沥青混合料 的基础上，严格施工。 1 2 沥青路面发展现状 1 2 1 高速公路发展现状 随着我国高速公路的发展，沥青混凝士路面以其表面平整，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，获得越来越广泛的应用，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 年来使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 国的公路大部分是沥青混凝土路面【5 】l “。 2 沥青路面新材料的出现和新技术的应用大大地改善了路面使用性能，提高了 沥青路面设计水平，但是不论是s m a 结构，还是s u p e r p a v e 结构在部分高速公 路应用后仍然出现了车辙或坑槽等早期损害现象。 国内外许多公路工作者对早损的路面进行了调查研究：a s t e c 公司的科研 人员对原有损坏路面进行了钻芯取样调研，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；美国 n c a t 采用红外温度探测仪专门研究混合料在施工过程中的温度【7 】【8 】；国内也有 很多学者和研究单位进行了研究，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。 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损坏，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。这促使我们思考一个问题，在 相同或相近的自然条件和荷载的情况下，即具有大致相同的外部因素，同一条高 速公路为什么会出现不同程度的损坏呢? 经过研究发现，这种损坏一般情况下并非结构性的损坏，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 】图1 1 。 图卜1沥青面层的早期损害 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。而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。 1 2 2 沥青路面主要离析形式旧 ， 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，根据离析形式 的不同可分为堆料离析、卸料离析、摊铺离析、碾压离析等十多种，但从目前国 内外研究看，总体可分为材料离析、温度离析和碾压离析三种。 材料离析的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，偏大的空隙率使路面易渗水，路面水损害加剧，产生坑槽、松散等病害，见 图卜2 ：并且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，见图卜3 所示。 图卜2 水损坏导致的坑槽 图卜3 疲劳裂纹图1 - 4 车辙 细集料集中的部位沥青含量高，空隙率小，高温稳定性能差，路面易出现车 辙、拥包、推移等病害，见图卜4 。材料离析使沥青混合料沥青含量不均匀，沥 青含量高的地方泛油、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1 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，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， 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。 4 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，已引起 人们的密切关注。但温度离析的危害却尚未g l 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。 所谓碾压离析是指在碾压过程中，不同区域施加的压实功不同而发生的变化 造成路面压实度和孔隙率的变异。如：由于摊铺机摊铺过程中，在熨平板的宽度 方向存在着压实功的变化；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，等等。 1 3 本文研究内容及方法 1 3 1 研究内容 本课题是以老集高速为依托，以s u p e r p a v e 混合料为例来研究沥青混合料施 工工艺与过程质量控制。本课题结合现有环境条件和通车情况，将面层设计为下 面层7 c m s u p 一2 5 ，中面层5 c m s u p 2 0 ，上面层4 e m s u p 1 6 。由于s u p e r p a v e 混 合料是一种连续级配的骨架嵌挤密实结构，加之采用高软化点的沥青胶结料，具 有很高的剪切强度和抗变形能力，属于较难施工、较难压实的混合料范畴，因此 对该混合料的材料特征和施工工艺进行研究，对保证路面质量具有重要的意义。 研究的主要内容如下： 1 s u p e r p a v e 混合料材料离析、温度离析和碾压离析的机理研究； 2 机械与材料相互作用特性研究； 3 材料离析、温度离析和碾压离析的预防与控制方法研究； 4 s u p e r p a v e 混合料机械化施工与质量控制技术研究。 本课题中，通过大量的工程实践和调查研究，我们将s u p e r p a v e 混合料产生 离析的根源和机理主要分为两个方面：一是s u p e r p a v e 混合料材料离析对路面质 量的影响；二是s u p e r p a v e 混合料温度离析对路面质量的影响。 1 3 2 研究方法 研究主要采用理论分析和现场试验研究相互结合，互为补充的方法。一方面 通过理论分析，在新施工理念的基础上，针对离析产生的各种原因，从集料生产、 混合料的搅拌、运输、摊铺、碾压等提出消除和减少温度离析与材料离析的措施； 另一方面，利用提出的预防方法和措施实际应用在现场施工中，验证和完善理论 分析，确定不同机械工作参数的取值范围和合理匹配关系。最后，根据从现场的 施工检测和完工后的验收检测等，进一步验证和完善各关键技术，得出一套现场 施工指导准则，为施工技术应用提供依据。 1 4 课题研究目的及意义 1 4 1 研究目的 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。但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。在目 前沥青路面建设中，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。控制和减少沥青路面施工过程中的各种不利影响， 尤其是s u p e r p a v e 沥青混合料施工及质量控制技术，仍是一个亟待解决的问题。 本课题以集老高速公路建设工程为依托，开展s u p e r p a v e 混合料机械化施工 过程中离析的产生机理与施工质量控制技术研究，具有极高的针对性和实用性。 粗级配s u p e r p a v e 混合料中由于粗集料多、细集料少，在原材料选择中突出了粗 细集料的破碎需求和棱角性，具有很高的剪切强度和抗变形能力，属较难施工、 较难压实的混合料范畴，尤其对施工过程中易出现混合料的离析，非常敏感。 研究的目的是通过控制和消除s u p e r p a v e 混合料在拌和、运输、摊铺等过程 中出现的离析，及其对沥青路面质量的不利影响，系统解决s u p e r p a v e 混合料在 施工和质量控制过程中的技术问题，减少离析导致路面的早期损害，确保路面质 量。 以下为本课题的具体研究目的：研究沥青路面离析产生的机理和规律，分析 其产生的原因；针对常见的离析，寻求控制与预防的措施；总结一套控制沥青路 面离析的有效方法，提出s u p e r p a v e 混合料机械化施工与质量控制措施，达到指 导施工，提高工程质量的目的。 1 4 2 研究意义 1 ) 控制材料离析，减少材料损耗，提高设备效率 按照常规的方法进行材料管理，不可避免地存在集料离析，较粗集料经常在 底部，较细集料在上部。出于沥青混合料拌和过程中不可能调整冷料配比，更不 可能改变生产配合比，因此往往导致沥青拌和机出现待料和溢料现象，降低了拌 6 和机产量。根据本课题研究成果，合理进行原材料质量控制和堆料管理，可以有 效改善集料均匀性，减少材料离析，提高沥青混合料质量。 2 ) 降低温度离析，减少拌和机油耗 路面温度离析是一种十分隐蔽的现象，过去未引起足够的重视，因此也发有 采取防止离析的措施，本课题研究结果表明温度离析要比预期的严重得多。在 1 8 气温，3 级风速，2 5 公里运距的情况下，不覆盖保温篷布时现场实测沥青混 合料运输表面温度降低1 8 c ，到表层以下4 0 c m 温度才与覆盖温度情况下基本一 致。一台2 5 吨的运输车平均降低温度6 o c ，因此为了保证沥青混合料摊铺和 碾压的需要，须提高拌和温度6 o c 左右。这样一方面增加了拌和机的油耗，另 一方面严重影响了沥青混合料的抗老化能力，降低了沥青路面的使用寿命。 3 ) 控制碾压离析，提高碾压效率 课题组在研究过程中发现沥青混合料存在碾压离析现象，这一现象还未有国 内外的研究报道，更无相应的控制措施。针对这一现象，课题组开展了大量的研 究工作，根据目前使用的摊铺机机型和压路机机型探索了一系列控制碾压离析的 措施，经过实体工程实践检验证明是可行的，也是经济合理的。根据现场跟踪检 测结果可以发现采用课题研究成果对沥青路面的碾压次数可以从常规的7 次减 少到5 次，大大地提高了碾压效率和质量。 4 ) 提高工程质量，节约养护费用 本课题研究的根本目的是解决沥青路面早期损坏的质量通病，提高沥青路面 质量，延长使用寿命。课题针对沥青路面质量通病及病害原因进行研究，探索处 理质量通病的具体措施，改进施工工艺，使研究成果具有较强的实用性和一定的 新颖性。 内蒙古老集高速公路建设管理办公室按照科研和生产相结合地原则，及时将 研究成果转化为生产力，全线采取边施工边检测的措施进行施工，直接将研究成 果应用于工程实践，经过实践检验取得了良好的效果。经过内蒙古高速公路工程 监理咨询有限公司检测结果，工程质量优良，各项指标都达到或超过国家规范的 要求。通过对全线沥青路面使用效果进行跟踪观测，目前全线无一处出现坑槽、 松散或车辙等病害，路面使用性能良好，至今没有投入资金进行沥青路面养护。 采用课题研究成果，可大幅降低沥青路面早期损坏的概率和程度，路面更均 匀，行车更舒服、安全；使用寿命延长，养护费用降低，具有较好的间接经济效 益和社会效益。主要表现在以下几个方面：1 ) 养护费用降低；2 ) 节约了乘客旅 途时间；3 ) 提高了路面质量，减少了汽车损耗：4 ) 提高了路面行驶性能，减少 了交通事故。 第二章矿质集料离析机理与预防控制措施 2 1 矿质集料特性 资料【2 】表明，沥青混合料中嵌挤力和内摩擦阻力的大小，主要取决于矿质 集料的尺寸均匀度、颗粒形状及表面粗糙度，用较大的均匀的矿质集料较用尺寸 较小而不均匀的矿料所组成混合料具有较大的嵌挤力和内摩擦阻力；有棱角且表 面粗糙的集料较之圆球形而表面光滑的集料所形成的混合料具有较大的嵌挤力 和内摩擦阻力。 尤其对s u p e r p a v e 这种特殊的混合料，矿质集料在混合料中起到一个整体作 用来抵抗路面的变形，因此对集料的特性有特别的要求，并将集料性质分两类： 认同特性及料源特性 、 2 1 1 集料的认同特性“” 美国公路战略研究计划( s h r p ) 的路面专家认为集料的一些特定性质对性 能优良的h m a 相当重要，这些性质称之为集料的认同特性，这些特性包括：粗 集料棱角性、细集料棱角性、扁平与细长颗粒以及粘土含量。这些集料认同特性 的标准是建立在交通量水平和路面结构层位置的基础上。靠近路面受载荷作用较 大的层面需要具有更严格的认同特性的集料，这些标准不是针对单个的集料组成 成分，而是对于整个混合料而言 粗集料棱角性和细集料棱角性这两种特性可确保集料内部具有较高的摩擦 力以及很好的抗车辙能力，这种特性受集料形状、表面纹理以及级配的影响；扁 平与细长颗粒特性是指粗集料中最大与最小比大于5 的集料的百分比，在施工和 以后的交通中这种集料易于压碎；粘土含量是集料小于4 7 5 r a m 的部分中粘土含 量百分率。 沥青混合料的高温稳定性和低温变形能力主要取决于沥青胶结料。影响沥青 混合料高温强度的因素主要有两个：矿料之间的嵌挤力与内摩擦力和沥青与矿料 之问的粘聚力。其中，嵌挤力和内摩擦阻力的大小，主要取决于矿质集料的尺寸 均匀度、颗粒形状及表面粗糙度；此外沥青含量也会影响摩阻力的大小。沥青混 合料的粘聚力主要取决于沥青与矿料间的相互作用力和沥青材料本身的粘结力。 2 1 2 集料的料源特性“2 1 除了认同特性，s h r p 研究者认为集料其他的特性也很重要，但是这些特性 的要求值难以取得一致，因为这是由料源所决定的。这些特性在做设计配合比时 对配合比有很大的影响，它们也可能用作料源的控制值。这些特性是峄固性、安 定性和有害物质含量。 孥固性指的是在洛杉矶磨耗试验( a a s h t ot 9 6 或a s t mc 1 3 1 或c 5 3 5 ) 中集料混合料损失百分率，这个试验估计在运输、施工和使用中粗集料抵抗磨耗 和机械破坏的能力；安定性指的是集料混合料在硫酸钠或硫酸镁溶液中浸泡损失 的百分率( a a s h t ot 1 0 4 或a s t mc 8 8 ) ，这个试验估计了集料在路面使用过程 中的抵抗风化的能力；有害物质含量定义为污染物( 泥块、页岩、木块、云母、 煤) 等的质量百分率，可采用粗集料和细集科束进行分析。 2 2 矿质集料离析机理 2 2 1 矿质集料的生产离析埘m 1 没有优质的原材料就生产不出优质的混合料，矿料在沥青混合料抵抗路面变 形中起到一个整体的作用。对集料的要求除了粗、细集料棱角性、扁平与细长颗 粒含量、粘土的含量，以及坚固性、安定性、有害物质的含量等之外，对原材料 的来源、生产与贮存等问题也应有明确地规定。 目前集料的生产机械，破碎机的机械压碎有四种不同的方法：冲击、研磨、 剪切与压缩。大多数破碎机都综合利用了这四种方法。 冲击是指物体对另一物体瞬时的剧烈碰撞。在破碎作业中，冲击可借助于 重力或动力冲击( 图2 - 1 ) ，大多数破碎机用冲击作为压碎尺寸的一种机理。 研磨是指借助于两个坚硬表面的摩擦作用使材料变小，基本上为磨碎方法 ( 图2 - 2 ) 。锥磨机、旋回破碎机、圆锥破碎机都应用了这类方法。 图2 - 1 采用冲击的机械压碎机理图2 - 2 锥磨冲击与磨碎综合作用的压碎原理 9 图2 _ 3 借助于单滚破碎、剪切与 压缩综合作用的压碎原理 图2 - 4 借助于颚式破碎机压缩与 冲击作用的压碎原理 剪切破碎表现为如图2 3 所示的单滚破碎生产的剪切或劈裂作用的结果。剪 切破碎通常与其它破碎机理如冲击和压缩混合在一起使用。 ； 压缩是靠两表面间的压力提供机械压碎( 图2 - 4 ) ，应用压缩原理的颚式破 碎机对于压缩大颗粒坚硬耐磨石料是十分有效的压缩方法。 不同的破碎机理其产品的针片状含量不同，根据生产要求应采用不同的破碎 机理，但一般情况下，为了保证产品质量符合要求，减小针片状含量，颚式破碎 机只放在一道工序。 总之，在破碎设备作业时，最终产品特性的一致性十分重要，这就要求送进 破碎机的母岩具有一致的物理特性( 如密度与吸水性) 。当从采石场不同地点获 取岩石时。集料特性可能有重大变化，因而在h m a 中就很难保持空隙率。破碎作 业的质量控制必须保持集料物理特性不得有过大变化，送到破碎作业的材料数量 理论上应大致恒定。如材料喂送率增大或减小，则各个筛孔的溢出量变化，特别 是作业接近各筛满负荷时，这种影响更加明显。例如通过破碎机的材料流量增大， 将引起各个筛孔较细集料溢出较多，这种溢料导致集料级配偏细。送料率一定要 超过较细集料开始溢筛的最小数量。初级破碎机将毛料进行初步机械压碎，从最 大尺寸开始减小。次级与三级破碎机进行补充压碎，要求将集料压碎到期望尺寸。 在我国公路建设中多家料场向一个标段供料的现象十分普遍。由于不同料场 采用的碎石机原理和结构形式不一样，生产时会产生材料规格的变化，如采用颚 式、锤式或反击式破碎机破碎的矿料针片状含量、粒度分布等存在着差异。生产 同一规格的矿料即使采用同一个名义规格的筛网，由于不同厂家生产的筛网实际 尺寸也有很大差异，再加上不同石料厂原材料材质的差异，导致碎石场名义上规 格相同的碎石，其粒径组成变异性大 1 0 2 2 2 矿质集料的堆放离析o ”1 即使上述生产设备规格均达到要求，但由于矿料母岩的物理特性( 密度与硬 度) 不一致和集料规格的不同，当从破碎机卑被破碎抛出时也会因为自重和料堆 的变大而产生抛料离析，如图2 5 所示。 图2 - 5 生产时集料的抛料离析 对于进场的原材料如果堆放不正确也容易产生离折，如图2 - 6 所示。采用大 型卡车从料场将集料运送到拌和站的过程中，如果装载与卸载方法不当也会产生 材料离析。在生产过程中，如果料场将加工好的集料按照图2 - 6 中的b ) 图所示正 确堆放，这种装载的离析会大大的减小。但是反之，如果料场没有将集料如图 2 - 6 中的b ) 所示那样一层一层正确堆放，而是像图a ) 所示仅仅保持生产时由破碎 机输送带将料抛出而形成的料堆，当用装载机向运输卡车中装载时，由于生产时 的抛料离析，料堆下部的周围都是大颗粒的集料，装载机从底部向上装载，而大 颗粒的集料又不停的滚落下，装到卡车内的集料出现粗细不均匀。 a ) 不正确的堆放方法 ”正确的堆放方法 图2 - 6 原材料正确与不正确的堆放方法 卡车在运输的过程中由于振动、摇摆等作用，易使车内的集料出现车厢周围 大料聚集的现象。到达拌和站后，从一定高度向下卸料，大颗粒下落速度较快， 会滚动到料堆外侧，细颗粒则会留在内侧使粗细料发生离析；同时卡车在高位卸 料也同样会发生类似的离柝现象( 图2 7 ) ，这种离析称为落差离析。 图2 7 卡车卸料产生的落差离析 影响上述两类离析现象的离析程度的因素主要取决于三个方面：一是粒径差 异，粗细集料粒径相差越大离析越严重；二是落差，卸料点愈高，落差越大，发 生离析的现象越严重；三是卸料速度，料斗举升越快或供料皮带转速越高，集料 发生离析的程度越严重。 2 2 3 矿质集料的取样离析 由于已知存在这种原材料的材料离析，为了研究在何种情况下、哪个位置对 原材料取材具有代表性，对不同规格的集料按照不同高度的料堆从不同位景进行 取样筛分检测。 图2 - 8 是对某标段中面层删( 1 0 2 0 m m ) 冷集料的取样筛分，此料堆堆垛高 度大概6 米( 最高点) ，分别从各个侧面的l 米、3 米和5 米处取样，相同位置 高度取样的集料相混合并用四分法进行筛分得到图2 8 所示级配曲线。 木 瓣 求 叮 翅 赠 z 3 6 4 7 59 5 1 3 2 1 61 92 6 5 ， 筛孔尺寸( m m ) 图2 - 84 # 集料( 1 0 - 2 0 1 r , m ) 料堆取样筛分 从曲线上发现，料堆底部粗集料明显集中，上部细集料偏多，尤其粒径小于 1 3 2 r a m 筛网通过率偏差较大，9 5 m m 通过率偏差8 7 3 6 8 ：4 7 5 m m 和2 3 6 r a m 通过率偏差从o 2 2 9 4 。 再对某标段的3 撑( 5 一l o m m ) 集料进行取样筛分，此次除了用图2 。8 所述的取 样方法外，还从3 米高度某一处取样筛分，却没有用在各个侧面取样混合后用 1 2 加们约m o 害 耐 套 ，置 明 o 0 7 毋卫6 1 1 82 3 647 5 95 1 3 2 筛孔尺寸( m m ) 图2 - 93 # 集料( 5 - 1 0 m ) 料堆取样筛分 四分法筛分，结果表明，同一料堆同一高度但由于取样的误差使得筛分结果出现 图2 - 9 中图例为方形标志所示的级配曲线。因此，这个试验除了说明料堆的堆放 会出现材料离析，还说明在日常的施工检测和抽样调查中，如果取样不具有代表 性，会给混合料的生产带来很大的误差，严重影响沥青混合料的质量。 女 、一 褂 求 妞 捌 蚓 拿 褂 求 i 叮 捌 删 0 0 7 5 0 珏3 0 61 1 82 3 64 7 5 筛孔尺寸( m m ) q 1 5n 3n 61 1 8z 3 64 7 5 筛孔肘 图2 - 1 11 # 集料( o - 3 m m ) 料堆( 高8 米) 取样筛分 鲫加印们加o 如加o m o 垛堆高7 米的2 撑( 3 - 5 r a m ) 集料分别从2 、4 、6 米取样四分法筛分，这种集 料属于细集料，施工单位为了防雨水，用装载机将卡车运输的集料集中堆放在防 雨篷下，由于堆放面积较小，料堆高度相对较高。因此虽然2 拌集料是细集料， 但因为堆垛高度太大，筛分出的级配曲线仍然出现了材料离析，见图2 1 0 所示， 1 1 9 m m 筛网的通过率从1 6 6 4 4 0 9 ，其余各个筛孔通过也有很大偏差。 图2 1 1 是此标段堆垛高度为8 米时l 捍( o - 3 m m ) 集料取样进行筛分的结果， 结果发现料堆的不同位置高度对集料的组成影响很大。为了进一步证明这个结 论，又专门把这种集料，堆垛成高度为3 5 米后再取样筛分，结果却发现三个高 度的级配曲线基本吻合，几乎不存在材料离析，见图2 1 2 。通过图2 1 1 和图2 1 2 同一种集料不同高度的取样筛分，发现原材料的堆垛方式很重