（机械设计及理论专业论文）基于流变理论的沥青混合料抗离析研究.pdf

摘要 改革开放以来，我国公路建设发展迅速，然而最近几年，高速公路因离析形成的早 期破坏现象很严重，给我国带来极大的损失。我国众多公路研究人员对公路离析问题进 行了大量的研究，也取得了很多的成果。本文从流变理论出发，对沥青混合料施工中各 个阶段所产生的离析进行了研究。 本文分析沥青混合料的流变特性，并基于流变特性对沥青混合料的路用性能进行研 究，从中分析出要控制沥青混合料的流变性能就得控制沥青混合料的离析。控制沥青混 合料的离析必须从原材料质量控制到沥青混合料压实成型中的各个环节进行离析控制。 分析施工工序对沥青混合料离析的影响；本章从集料生产、混合料的搅拌、运输、 摊铺、碾压等出发，提出消除和减少温度离析与颗粒离析的措施；并重点对沥青搅拌站 进行抗离析研究；对拌和设备的防离析进行了参数设定、结构改进，并提出一个行之 有效的布料装置来减少卸料时的颗粒离析。 本文重点对摊铺机各个部位施工中可能出现的离析现象进行研究；引入流体力学的 观点对刮板输送器进行数学分析，建立了刮板输送器离析的速度约束数学模型。对螺旋 布料器与刮板输送器进行了输送速度参数匹配，即螺旋布料器与刮板输送器其中一个参 数确定则另一个参数也可以确定；并由刮板输送器送料时离析的速度约束数学模型得出 了螺旋布料器离析的速度约束模型，由此模型可以很好的防止因螺旋布料器速度原因造 成的离析。对于摊铺机预压实离析可以从摊铺自身的结构参数出发，寻找最佳的运动参 数、结构尺寸等，然后再在施工工艺上进行预压实离析的预防。 关键词：沥青混合料；流变理论；摊铺机；离析；速度约束模型； a b s t r a c t s i n c er e f o r ma n do p e n i n g ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，b u ti nr e c e n t y e a r s ，h i g h w a yd u et ot h ef o r m a t i o no ft h ee a r l yf a i l u r eo fs e g r e g a t i o ni sv e r ys e r i o u s ，t o b r i n gg r e a tl o s st oo u rc o u n t r y o u rm a n yr e s e a r c h e r si nh i g h w a yr o a d ss e g r e g a t i o np r o b l e m ， a l s om a d eal o to fa c h i e v e m e n t s b a s e do nr h e o l o g i c a lt h e o r y , t h ec o n s t r u c t i o no fa s p h a l t m i x t u r ep r o d u c e dv a r i o u ss t a g e so fs e g r e g a t i o nw a ss t u d i e d i nt h i sp a p e rt h er h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa s p h a l tm i x t u r e ，a n db a s e do nt h e r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r e 、7 l ，i mp r o p e r t i e sr e s e a r c h , a n a l y s i st oc o n t r o lt h e a s p h a l tm i x t u r et oc o n t r o lt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fa s p h a l tm i x t u r eo fs e g r e g a t i o n c o n t r o lt 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 ，t h a tc o n t r o lo fh o t m i xa s p h a l ts e g r e g a t i o nf r o m r a wm a t e r i a l st oq u a l i t yc o n t r o lt oa s p h a l tm i x t u r ec o m p a c t i o nm o l d i n gp r o c e s so fe a c h c o n t r 0 1 a n a l y s i sc o n s t r u c t i o nw o r k i n gp r o c e d u r et ob i t u m i n o u sm i x t u r es e g r e g a t i o ni n f l u e n c e ； t h i sc h a p t e rf r o mt h ea g g r e g a t ep r o d u c t i o n , t h eb l e n da g i t a t i o n , t h et r a n s p o r t a t i o n ，s p r e a d s p a v i n g ，t h er o l l e rc o m p a c t i o na n ds oo ne m b a r k s ，p r o p o s e st h ee l i m i n a t i o na n dt h er e d u c e d t e m p e r a t u r es e g r e g a t i o na n dt h ep e l l e ts e g r e g a t i o nm e a s u r e ；f o c u so nt h ea s p h a l tm i x i n g s t a t i o no fs e g r e g a t i o n ；a n t i s e g r e g a t i o no nt h em i x i n gp l a n tw a ss e tp a r a m e t e r s ，s t r u c t u r a l i m p r o v e m e n t , a n dp r o p o s ea ne f f e c t i v ed e v i c et or e d u c et h ef a b r i c sg r a i ns e g r e g a t i o nd u r i n g d i s c h a r g e t h i sa r t i c l ek e yi st h es e g r e g a t i o np h e n o m e n o nw h i c hp o s s i b l ya p p e a r st ot h ep a v e re a c h s p o tc o n s t r u c t i o ni nc o n d u c t st h er e s e a r c h ；t h ei n t r o d u c t i o nh y d r o m e c h a n i c sv i e w p o i n tc a r r i e s o nt h em a t h e m a t i c a la n a l y s i st ot h es c r a p e rc o n v e y o ra n de s t a b l i s ht h es c r a p e rc o n v e y o r s e g r e g a t i o ns p e e dr e s t r a i n tm a t h e m a t i c a lm o d e l s p i r a lc a s eo fs c r a p e rc o n v e y o r 、析t l lt h e t r a n s m i s s i o ns p e e dm a t c h i n gp a r a m e t e r s ，n a m e l yt h es p i r a ls t o c kd i s t r i b u t i n gg e a ra n dt h e s c r a p e rc o n v e y o rp a r a m e t e rt r u er u l ea n o t h e rp a r a m e t e ra l s om a yd e t e r m i n ea n db ys c r a p e r c o n v e y o rf e e d i n gw h e ns e g r e g a t e st h es p e e dr e s t r a i n tm a t h e m a t i c a lm o d e lh a so b t a i n e dt h e s p i r a ls t o c kd i s t r i b u t i n gg e a rs e g r e g a t i o ns p e e dr e s t r a i n tm o d e l ，f r o mt h i st h em o d e lm a yv e r y g o o dp r e v e n tt h es e g r e g a t i o nw h i c hb e c a u s et h es p i r a ls t o c kd i s t r i b u t i n gg e a rs p e e dr e a s o n c r e a t e s m a yf r o ms p r e a dp a v i n go w nd e s i g np a r a m e t e rr e g a r d i n gt h ep a v e rp r e - c o m p a c t i o n i i s e g r e g a t i o nt oe m b a r k ，s e e k st h eb e s tp a r a m e t e ro fm o v e m e n t ，t h es 仃u c 帆s i z ea n ds oo n ， t h e nc a r r i e so nt h ep r e c o m p a c t i o ns e g r e g a t i o na g a i ni nt h ec o n s t r u c t i o nc r a f tt h ep r e v e n t i o n k e y w o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；r h e o l o g i c a lt h e o r y ；p a v e r ；s e g r e g a t i o n ；s p e e dc o n s t r a i n t o f m o d e l ； i i i 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 改革开放以来，我国公路建设发展迅速，自从1 9 8 8 年我国大陆第一条高速公路一 一沪嘉高速公路建成通车以来，我国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路等高 等级公路为主的新时代。1 9 9 8 年以来中国以每年超过2 0 0 0 亿元的投资用于公路建设， 2 0 0 2 年公路建设投资更是到达3 2 1 1 7 3 亿元。高速公路通车历程，1 9 8 9 年全国仅为2 7 1 公里，到1 9 9 9 年已经突破1 万公里，到2 0 0 2 年突破2 万公里，2 0 0 4 年突破3 万公里， 2 0 0 7 年突破4 万公里，2 0 0 9 年底更是达到了6 5 万公里，与高速公路总里程最大的美 国也仅差约2 万公里，并截止目前为止，新开工的高速公路里程也差不多达2 万公里， 所取得的成绩是喜人的。 然而，我国的沥青路面与国外相比较，路面整体质量有一定差距，包括高速公路在 内的许多沥青路面在交付使用1 - 3 年后就出现车辙、推移、泛油、拥包、脱落、松散、 裂缝、透水、卿浆等初期和早期破坏现象，新铺筑的沥青路面表面层的构造深度忽粗忽 细，此外还存在路面初始平整度水平不高或通车后平整度衰减快等，这些问题严重影响 道路的使用率和通行率，同时带来巨大的经济损失。 通过对全国大部分省份的高速公路早期病害的调查发现，同一个地区，或者一条路 来说，早期损坏都是局部性的，在结构相同、交通荷载及气候条件相同的同一条路上， 只有某些局部的点、某个段落先发生损坏，只有极个别的高速公路产生全路段的大规模 损坏。造成沥青路面局部性损坏的因素中，沥青混合料的离析和不均匀是主要原因之一。 在超限超载车辆、雨水同时作用下，离析的沥青面层易发生路面渗水，沥青混合料自身 的抗水损坏能力、抗车辙能力、抗裂性能不强，因此率先发生各种各样的损坏。事实上， 沥青混合料离析的发生，与现行的施工材料的特性、施工机械及路面施工工艺有极大关 系。因此，很有必要分析我国现有沥青材料的特性、施工的机械和施工工艺与离析的关 系，通过对这种关系的研究，提出了解决离析的可行性措施。 第一章绪论 1 2 沥青混合料离析国内外研究的状况 1 2 1 国外状况 、 沥青混合料的离析最早是由b r y a n t l y l ej 于1 9 6 7 年提出的，但是当时并未引起 足够的重视：到了1 9 8 6 年b r o c k ，j d o n 重新对热拌沥青混合料离析进行研究并得出了 沥青混合料的离析是但是普遍的、而且是难以克服的施工难题时，人们才初步认识到离 析的严重性。当时问题主要是针对于混合料离析中的骨料均匀性而提出的；通过对当时 的文献资料研究可以把当时的离析简单的归纳为：沥青混合料粗细集料分布不均匀；而 沥青混合料中的温度离析概念是美国的s t e v ea r e a d 于1 9 9 6 年最先提出来的，并在以 后的研究中完善了温度离析的概念；温度离析是指：热拌沥青混合料在运输、摊铺的过 程中，由于处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，从而形成 温度离析。 国外在解决沥青混合的离析问题上美国是处于领先地位的，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较为系统的分析，并针对热拌沥青 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，提出了相应的 解决措施，例如通过“不间断摊铺”和“二次复拌”等新工艺来解决沥青混合料的离析 问题。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 ) ，重点研究了沥青路面离析的判别检测方法及离析对沥 青路面路用性能的影响并提出许多离析的判别检测方法。 1 2 2 国内状况 近年来，我国的专家学者也对沥青混合料的离析进行了大量的研究，主要体现在原 材料的质量控制、混合料的配合比设计、施工工艺的提高和施工设备防离析的改进等， 取得了一定的成果。例如，西安的沙庆林院士对沥青路面早期破坏现象进行了较为详细 的研究，通过研究成果指出了一些改善路面离析的施工方法；同时北京的沈金安研究员 在从事公路工程的研究和实践中对沥青混合料的离析现象进行了一些研究，从施工的 工艺和设备配置上提出了一些建议；西安的冯忠绪教授在s u p e r p a v e 混合料抗离析的研 究中，也提出了一些解决方案；长沙的李自光教授在宽幅大厚度摊铺机抗离析技术上进 行了研究，给出了摊铺机的一些改进方案，取得了很好的成效；上海的王安麟教授在路 2 长安大学硕士学位论文 面机械施工介质离析现象研究中也取的了很好的成绩。他们研究的终目无非就是想如何 通过实施一系列的措施来改善沥青混合料的离析现象，从而提高施工的质量，延迟道路 的使用寿命。另外，国内的一些工程机械生产企业，也通过借鉴国外的先进技术，以及 进行大量的整机测试和现场施工试验，不断地完善机械的性能，生产出了一批符合我国 公路施工规范要求的机械，例如：徐工生产的摊铺机和压路机、西筑引进德国技术生产 的t i t a n 系列沥青混合料摊铺机、陕西中大机械建设集团的d t l 3 0 0 和d t l 6 0 0 摊铺机、 三一重工的l t u 系列摊铺机和y z 系列压路机、中联重科的压路机，这些设备不但可以 满足国内市场的需要，而且在技术和性能上都有一定的突破，例如陕西中大的d t 系列 就重点开发了一系列的防离析装置。 1 3 论文问题的提出及研究意义 随着我国国力的增强、经济的发展，各种道路技术与材料的应用正在和国际接轨， 同时也带来了一些问题；例如：s b s 改性沥青混合料的施工方法与材料的特性不符，造 成沥青混合料路面的各项指标破坏。综合目前各项研究发现，虽有对改性沥青流变特性 的研究、施工质量的初步控制等，但这些研究大多只是单一的对沥青流变特性的研究， 又或是简单的对沥青路面的破坏特征进行一些较粗放型的预防。在目前沥青路面中经常 看到：通车不到几年的沥青道路就出现路面开裂、剥落、泛油、拥包、车辙等早期破坏 现象。沥青混合料的流变特性正好能正确的反应出道路这些破坏现象，而沥青混合料离 析则是众多影响沥青混合料流变特性因素中较为重要的一个。 现在，针对沥青混合料施工离析控制主要是根据施工经验或较为单一的理论来进行 研究，还没有一个在流变理论下对沥青混合料进行施工离析控制；难以对沥青路面施工 进行合理的、定性的质量控制，特别是针对摊铺机摊铺过程中各个环节所产生的离析， 认识还不是很到位，例如摊铺机刮板输送器在多大速度以内运行是不会发生离析的等 等。因此，深入的认识摊铺机离析是迫在眉睫的。 1 4 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 分析沥青混合料的流变特性，并基于流变特性对沥青混合料的路用性能进行研究， 从中分析出沥青混合料的流变特性与离析的关系。 ( 2 ) 分析施工工序对沥青混合料离析的影响；本章从集料生产、混合料的搅拌、运输、 第一章绪论 摊铺、碾压等出发，提出消除和减少温度离析与颗粒离析的措施；并重点对沥青搅拌站 进行抗离析研究，提出一个行之有效的布料装置来减少卸料时的颗粒离析。 ( 3 ) 研究沥青摊铺机对温度离析及颗粒离析的影响；主要对摊铺机的各个部位，如： 刮板输送器、螺旋布料器等进行结构及工艺上的防离析研究，并给出了刮板输送器与螺 旋布料器产生离析的速度约束公式，确定摊铺机的最佳行驶速度；更好的为沥青摊铺机 防离析奠定基础。 ( 4 ) 分析振动压路机在施工过程中的碾压离析，并从振动压路机结构参数、施工工艺 等方面出发，解决振动压路机碾压的离析。 4 长安大学硕士学位论文 第二章沥青混合料的流变特性与离析的关系 沥青混合料是一种典型的颗粒性材料，它的颗粒骨架空隙被具有粘弹性的沥青浆体 不完全填充，它的力学性能受荷载、温度等环境因素影响较大。利用流变学理论来分析 沥青混合料的力学特性、路用性能、分析沥青混合料流变特性与离析的关系，有助于进 一步分析沥青混合料的离析状况，对于沥青混合料道路施工具有重要的理论价值和实际 意义。 2 1 沥青混合料的流变学与变形 2 1 1 沥青混合料的流变学 国内外对沥青混合料各方面的研究已经很多，所涉及的流变学概念也很多，在这主 要引用国内学者对沥青混合料的流变学研究的一些成果2 3 1 ： 蠕变：混合料在应力保持不变的情况下，应变随时间的延长而增大；蠕变是不可恢复 的变形，其变形大小与荷载作用时间的长短有关。 应力松弛：混合料在恒定的应变条件下，应力随时间逐渐减小的力学行为； 弹性后效和滞后效应：沥青混合料在外力的作用下产生弹性变形，虽然是这种变形可 以恢复，但是恢复迟缓，这种现象就为弹性后效现象；而混合料在外力加载后变形随时 间的延长而增长的称为滞后效应。 2 1 2 沥青混合料的变形特性 沥青混合料的变形现象是由沥青的流变性能所引起的n 1 ，沥青混合料是典型的黏弹 性材料。由一定级配和适量沥青拌和而成的沥青混合料，虽然所含的沥青仅占百分之几， 但是沥青混合料的粘弹性质受到沥青的影响。它与沥青材料的变形特性一样，沥青混合 料在外力作用下的变形不仅与荷载大小、荷载作用时间有关，而且受温度的影响很大， 完全表现为黏弹性性质。 对于具有粘弹性的沥青混合料，其力学性能的基本特征表现在以下几个方面： 应力一应变关系的曲线性和不可逆性，不像金属材料具有明显的弹性极限。 5 第二章沥青混合料的流变特性与离析的关系 对加载时间( 时间效应) 和试验温度( 温度效应) ，具有明显的依赖性，并服从时间一 温度换算法则。 具有十分明显的蠕变与应力松弛特性。 对于线粘弹性材料，则服从b o l t z m a n n 线性叠加原理和复数模量( c o m p l e x m o d u l u s ) 原理。 沥青混合料是典型的粘弹性材料，其力学行为表现为温度与时间的函数。当试验温 度恒定时，在给出不同的加载条件，以达到相同的应变水平时，其响应表现为应力随加 载速度的加快或加载时间的缩短而增大。当加载速度一定时，给定不同的试验温度，则 相同时间内达到同样的应变水平时，粘弹性材料响应的应力水平随温度的升高而降低。 事实上，试验温度的升高相当于慢速加载。根据此法则，可将改变所测得的劲度模量换 算成不同加载时间的劲度模量；反之亦然。因此，我们也可以利用时间一温度等效换算 法则来研究沥青混合料高温性能，以简化过高的温度对其研究不便的影响。 沥青混合料的流变行为与温度、时间、荷载三大因素有着密切的关系，从温度对沥 青混合料的流变行为影响分析，大体可分为六个区域( 粘性流动区域、粘滞区域、粘塑 区域、粘弹区域) 。虽然这些区域难以准确划分，但对研究施工过程有着重要的意义。 对于压实过程中的热拌沥青混合料具有粘弹性性质。随着温度的降低和压路机的压实作 用，对施工过程有效作用的是粘性流动区域、粘滞区域、粘塑区域，到粘弹区域后压实 困难，出现明显的反弹现象。 粘性流动区域适宜于与矿料拌和，具有松散而流动性较好的沥青混合料；粘滞区域 适宜沥青混合料摊铺，具有自身可流动性；粘塑区域适宜沥青混合料的压实，具有可塑 性。 ( 1 ) 沥青混合料试验测定 沥青混合料的黏弹性通常采用蠕变试验、应力松弛试验等进行“1 ，荷载类型及其影 响如图2 - 1 所示。 6 长安大学硕士学位论文 d e d t 蠕变 等应变速率 松弛 动态 图2 - 1 黏弹性的受力图 1 ) 蠕变试验 蠕变试验时，宜采用k e l v i n 模型，其本构关系为仃= e s + 7 7 叠，当t = 0 时，加载 仃( f ) = 仃。( 常数) ，则上式有通解： 荆= 詈p f l ， 利用边界条件，在时间，= 时撤去应力，则有蠕变方程： s o ：f 。) = 6 0 e 7 ( 2 2 ) 那么蠕变函数，1 6 f ) = 百1h 。圭，也称为蠕变柔量。 蠕变是当应力为一恒定值时，应变水时i ；q 增加的现象。 2 ) 松弛试验 松弛试验对于m a x w e l l 黏弹性体，他的本构关系为害：要+ ! ，由加载o ) = s 。( 常 丘 行 数) ，则匕式有通解： 7 第二章沥青混合料的流变特性与离析的关系 仃( ，) ：c e ( 2 3 ) 利用边界条件仃o = o ) = e e 。，则有松弛方程： 仃o ) ：眈。p 7 在应力松弛试验过程中，松弛模量e 不是常数，它是松弛时间r 的函数。记为e ( r ) ， 那么松弛函数r ( ) = r e g k p r l 。魂。 应力松弛应变为一恒定值时，应力随时间而衰减的过程。对与沥青混合料，材料的 应力松弛服从幂指数衰减函数；而应变蠕变的变化规律按蠕变现象分为蠕变迁移、蠕变 稳定和蠕变破坏三个阶段；按蠕变速度又可分为瞬时蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个阶 段( 如图2 - 2 所示) 。蠕变稳定或等速蠕变的s ( ，) 函数为一直线，该过程占蠕变过程的 主要部分，这个阶段可用直线函数( ，) = 讲+ 6 来表示。 图2 - 2 沥青混合料蠕变规律 3 ) 等应变速度试验 在固定的应变速度下求得应力应变一曲线，然后计算曲线的切线斜率即可得到松弛 弹性模量。计算时可以选取能够充分确定应力一应变曲线的坐标点，应用电子计算机进 行数值微分。在该实验要求使用能够完全控制变形速度的实验机，在几种应变速度下试 验。等应变速度试验同样适合于拉伸、压缩、弯曲等不同力学图式，并由下式计算： g r o ) = 安= 车( 2 - 4 ) a r td ss 4 ) 动载试验 进行动载试验最为常用的是对试件施加正弦波荷载，对于黏弹体所测定的应变也是 8 长安大学硕士学位论文 一个正弦波，但存在一个相位差9 ，复数( 弹性) 模量既是两个最大幅值之比，即： e b ) = 【e 】_ 业 ( 2 5 ) s o 在较宽的温度及时间区域中考察混合料的力学性质，则其变化是极其有规律的，这 种规律性可以用黏弹性理论加以表达，作为温度与时间的函数加以分析。因为沥青路面 工作在时间与温度都极宽的范围内，如果不是同时采用数种试验方法的话，就很难把希 望考察的区域全部包括进去。事实上同一种混合料，在同样的时温区段，采用同样的力 学图式，但当试验方法不同时，试验结果也有所差异，更不用说不同力学图式所带来的 差异性。因此在处理沥青混合料疲劳破坏时，常采用动态试验；在解决车辙问题时，常 采用蠕变试验；在分析低温开裂时，则采用应力松弛试验。 2 2 沥青混合料的路用性能嘲 沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，其流变性能反应了其物理力学性能。沥青混 合料的强度和劲度模量随温度的升高而显著降低；沥青混合料的变形能力很大程度上取 决于沥青材料的性质、沥青与矿料的黏结强度、级配类型以及沥青混合料的均匀性上。 沥青混合料的路用性能能正确的反应其物理力学性能，间接地体现了沥青混合料的流变 特性。 2 2 1 沥青混合料高温稳定性 沥青混合料高温稳定性，是指沥青混合料在夏季高温( 通常为路表温度6 0 c ) 条 件下，经车辆荷载长期重复作用后，不产生车辙、推移、波浪、拥包、泛油等病害的性 能。 ( 1 ) 高温稳定性病害 推移、波浪、拥包 推移、波浪、拥包等破坏主要是由于沥青混合料路面在水平荷载作用下抗剪强度不 足引起的。导致此类沥青混合料抗剪强度不足的主要原因有：混合料用油量过大；细集 料或填料过多；沥青标号选择不合适；无层间粘结力；在沥青混合料铺筑之前表面平整 度差；铺筑时发生沥青混合料的离析等。 泛油 9 第二章沥青混合料的流变特性与离析的关系 泛油是沥青混合料内部多余的沥青在车辆荷载作用下向沥青表面迁移的结果。泛油 的主要原因有：沥青用量过大或压实沥青混合料的残留空隙率太小。引起沥青用量过大 的原因有：一是混合料设计出现错误；二是施工管理不严格或设备计量精度不合格。引 起空隙率太小的原因有：一是混合料设计的失误；二是沥青混合料产生颗粒离析，部分 的孔隙率太大，而另一部分的空隙率则太小。 车辙 车辙是路面行车道轮迹带在车辆荷载反复作用下形成的永久下陷变形的积累效果。 车辙可分为结构型车辙、失稳性车辙和磨损性车辙。结构性车辙产生的原因是由于 荷载作用超过路面各层的强度；失稳性车辙产生的原因时由于车轮反复作用，荷载产生 的剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，这类车辙主要取决于沥青混合料的流动特性；磨 损性车辙是由于冬季埋钉轮胎、履带式车辆或防滑链导致路面磨损产生的，这类车辙在 我国较少发生。 此外有一种车辙常常在我国发生。它是由于施工控制不严，引起沥青面层本身的压 实度不足所产生的，是一种非正常性车辙。产生压实度不足的原因主要有：一是片面的 追求平整度而没有充分的压实；二是压实时的温度不足，不能达到压实要求；三时压实 时沥青混合料有温度沥青现象，导致部分混合料压实不足。 ( 2 ) 改善沥青混合料高温性能的措施 材料 对于集料来说应首选高质量的集料，特别是表面两层沥青混合料的应采用坚硬、表 面粗糙、破碎、颗粒接近立方体的集料。针对沥青结合料而言；沥青含量的影响可能比 沥青本身特性的影响更重要，对于细粒式或中粒式密集配沥青混合料，适当减少沥青用 量有利于抗车辙。 设计 集料级配对于沥青混合料的高温性能也是一个非常重要的影响参数。较粗的级配有 较好的抗车辙能力，但不易控制，而且级配过粗反而影响高温性能，相比之下，密集配 的沥青混合料抗车辙性能较开级配混合料更加稳定一些。 施工 沥青路面施工应针对不同的混合料采用不同的施工方法，除了把握好材料质量关以 外，最重要的还有两点：一是施工温度，包括拌和、运输、摊铺、压实温度，都要严格 控制，防止温度离析的产生；二是压实，压路机碾压的次数要不能过多或过少，碾压过 1 0 长安大学硕士学位论文 程中要严格按照各项要求进行，防止各种因碾压不当产生的问题，如：碾压不均匀，局 部压实度不足；碾压速度、振幅和振频不当等引起的碾压离析等等。 2 - 2 2 沥青混合料低温抗裂性 沥青混合料抵抗低温收缩变形的能力称为低温抗裂性。低温缩裂往往是沥青路面病 害的开始，而裂缝的发展将直接影响到路面的使用性能。自1 9 7 5 年以来，我国对裂缝 进行了调查研究表明路面开裂是由于路面设计不周、施工不合理、结构本身强度及材料 的特性等造成的。 ( 1 ) 裂缝的类型 严冬期温度骤降出现的横向收缩裂缝 位于路面面层的沥青混合料结构层，直接受到气温变化的影响，温度下降时，沥青 混合料就会产生收缩变形。过快的降温速率将使路面内的应力来不及松弛，出现过大的 应力积累；与此同时，由于温度降低，沥青混合料的应力松弛模量逐渐加大，应力松弛 性能降低，当温度应力积累到超过沥青混合料的极限抗拉强度时，路面将出现裂缝。 温度疲劳裂缝 产生低温裂缝的沥青混泥土层，春天气温回升时裂缝弥合，到了冬天，沥青混泥土 层再次出现收缩，若基层摩擦力小，在实际收缩时，裂缝就变宽了，若基层摩擦力打， 沥青混合料不会收缩，但会产生新的裂缝，裂缝数量也将增加。 反射裂缝 反射裂缝是由于沥青面层的下承层已经开裂，裂缝处的应力集中现象使交通荷载产 生在面层下部的拉应力比没有裂缝的部位大，容易超过沥青混合料的极限强度，致使沥 青面层跟着开裂。 冻缩裂缝 冻缩裂缝主要是路基冻胀及收缩产生的开裂。 综合原因造成的横向裂缝 此类裂缝的原因较为复杂，有气候、有路面结构、有施工不当等原因，需通过调查 才能得出结论。 ( 2 ) 影响沥青混合料低温抗裂性的因素 影响沥青混合料低温抗裂性的因素主要有：材料特性、环境、路面结构层强度及几 第二章沥青混合料的流变特性与离析的关系 何尺寸等。从施工的角度来讲，影响沥青混合料低温抗裂性的因素为路面结构强度。 影响路面结构层强度的原因有：设计的结构层强度不足。施工不当；施工时， 路面结构层的厚度不够( 较少发生) ；施工时，由于各种原因导致抗剪强度不足，如： 压实度不足、过压、离析等。 2 2 3 水稳定性 水损害是沥青路面的主要病害之一。沥青混合料的抗水损害能力是决定路面水稳定 性的根本性因素。它取决于矿料的性质、沥青与矿料之间相互作用以及沥青混合料的空 隙率、沥青膜的厚度等。 影响沥青混合料水稳定性的因素有以下几个方面。 ( 1 ) 集料 集料的表面化学性质、表面积、孔隙大小等均对沥青混合料的水稳定性有影响。集 料表面含有铁、钙、镁等高价阳离子时与沥青产生化学吸附时形成稳定的吸附层；而含 有钠等低价阳离子时，与沥青产生化学吸附时形成的吸附层极不稳定，遇水后易被乳化。 集料的致密程度及吸水率对混合料的强度形成有一定的影响。 ( 2 ) 沥青性质 黏性大的沥青对于抵抗水的剥离作用比黏性小的沥青好。掺加适宜的抗剥落剂会明 显改善沥青混合料水稳定性不足的问题。 ( 3 ) 混合料的类型 沥青面层矿料级配非常重要，其最主要的指标是混合料的设计孔隙率和路上实际的 孔隙率。据研究，沥青路面的空隙率在8 ( 相当于设计孔隙率的4 压实度9 6 时) 以 下时，沥青层中的水在荷载作用下一般不会产生动水压力。 ( 4 ) 集料最大粒径和适宜的沥青面层厚度 目前， ( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 中规定：沥青面层集料 的最大粒径宜从上至下逐渐增大，并应与压实层厚度相匹配。对于热拌热铺密集配沥青 混合料，沥青层一层的压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的2 5 , - - - 3 0 ；对于s m a 和o g f c 等嵌挤性混合料不宜小于公称最大粒径的2 0 - - 2 5 倍，以减少离析，便于压实。集料 粒径大也是造成混合料离析的原因之一。混合料离析则空隙率必然改变，这是一个恶性 循环。 1 2 长安大学硕士学位论文 沥青混合料的路用性能除了上述几种外，还有沥青混合料的动态特性、抗疲劳特性 和抗老化性等，在这就不过多的介绍。 2 3 沥青混合料的流变与离析 通过2 1 及2 2 的介绍可知： ( 1 ) 沥青混合料的变形现象是由沥青的流变性能所引起；而沥青混合料的变形能 很好的反应在其路用性能上。 ( 2 ) 影响沥青混合料路用性能的原因除了材料性质、路面结构和设计等非施工方 面的原因外，还有施工方面的原因，它的一个共同点就是沥青混合料的离析。 因此，要控制沥青混合料的流变性能就得控制沥青混合料的离析。控制沥青混合料 的离析必须从原材料质量控制到沥青混合料压实成型中的各个环节进行离析控制。 2 4 本章小结 沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，其流变性能反应了其物理力学性能，而沥青 混合料的路用性能又能正确的反应其物理力学性能，间接地体现了沥青混合料的流变特 性。在施工中，混合料的离析能间接的反应路用性能好坏，因此，控制沥青混合料的流 变性能须控制沥青混合料的离析。 1 3 长安大学硕士学位论文 第三章摊铺前各个工序对离析的影响 要减少沥青混合料离析现象的发生，需先从混合料的设计入手，严格要求施工中的 各个技术和管理环节，按施工技术规范去实施，最大限度地减少沥青混合料离析的发生； 本章主要分析了摊铺前，各个施工工序可能产生离析的原因，并阐述其解决办法。 3 1 沥青混合料材料的选择与离析控制 沥青混合料材料上的选择要求是施工中离析控制的第一环节，正确的选择原材料， 能很好的为离析控制打下基础。 3 1 1 材料的选择 ( 1 ) 沥青的标号取决于当地气候条件和道路的使用性质，一般在道路设计时确定。 沥青的质量取决于石油的产地和提炼方法及炼油厂的生产水平，选择生产厂家时可根据 炼油厂提供的质量报告，厂家还应提供用该型号的沥青修筑的道路，以证明沥青的实际 使用质量。 ( 2 ) 当缺乏所需标号的沥青时，可采用不同标号掺配的调和沥青。 ( 3 ) 矿料一般选用当地生产的材料，以降低运输成本。 ( 4 ) 矿料的质量要满足道路设计要求和施工规范的要求，选择时应考虑以下因素： 石料硬度、物理性能和化学性能取决于石料的产地及岩石的成分。 石料的粒径和颗粒的形状取决于破碎方法及使用的破碎机。 采石场在生产过程中必须彻底清除覆盖层及泥土夹层，生产碎石用的原石不能 含有土块、杂物，集料成品不得堆放在泥土地上。 这些差别对生产出的沥青混合料有较大的影响，因此要对当地生产的材料进行认真 选择。 ( 5 ) 天然砂可采用河砂或海砂，通常宜采用粗、中砂，砂的含泥量较多时应水洗 后使用，开采天然砂必须得到当地政府主管部门的同意，并应符合水利及环境保护部门 的要求。 ( 6 ) 要选择若干个供应商，对各家矿料的质量进行检验。还要对矿料的供应能力 1 5 第三章摊铺前各个工序对离析的影响 和价格进行综合评定，其中价格应包括将矿料运到拌和厂的费用。经过综合评定后，从 众多供应商中选沥青路面机械化施工择出既能满足设计要求，价格又最低的供应商。 ( 7 ) 对各种材料供应商的判断不应单纯看提供的质量报告，必要时应进行实地考 察。 ( 8 ) 同一种材料可以是一个供应商，也可是多个供应商，供货的质量应一致，并 且要保持稳定。 ( 9 ) 确定供应商后，根据施工进度计划编制出材料供应计划，提供给材料供应商， 使他们按照计划供应材料。 3 1 2 离析控制 ( 1 ) 料场的准备 原材料存放的场地要足够大，各种粒径的矿料要分堆存放，必要时各堆之间要有隔 离墙，防止不同产地的原材料混杂，避免因场地原因造成原材料的“混料 ；地面应进行 硬化处理，因为各种矿料都堆放在场地上，生产时用装载机给料仓上料，如果地面没有 进行硬化处理，那么就有可能将地面的土铲起来一同装到料仓内，造成沥青混合料矿粉 成分变化，产生矿粉离析。 ( 2 ) 材料的准备 1 ) 粗集料 粗集料为经加工( 轧碎、筛分) 而成的、具有足够强度和耐磨性的、粒径大于2 3 6 m m 的碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等集料。粗集料应该洁净、干燥、无风化、无杂质， 有良好的颗粒形状，应由具有生产许可证的采石场生产，破碎砾石应采用粒径大于5 0 r a m 的颗粒轧制。 粗集料的粒径规格，按规定选用，当粗集料不符合规格要求，经确认与其他材料配 合后的级配合乎沥青面层的矿料使用要求时，也可使用。 路面抗滑表层粗集料，应选用坚硬、耐磨、抗冲击性好的碎石或破碎砾石，不得 使用筛选砾石、矿渣及软质集料。筛选砾石仅适用于三级及三级以下公路的沥青表面处 治或拌和法施工的沥青面层的下面层，不得用于贯入式路面及拌和法施工的沥青面层的 中、上面层。 酸性岩石的石料，用于高速公路、一级公路和城市快速路、主干路时，宜用针入度 1 6 长安大学硕士学位论文 较小的沥青。为保证与沥青的粘附性宜采用抗剥离措施，其方法如下： 用干燥的磨细消解石灰或生石灰粉、水泥作为填料的一部分，其用量宜为矿料总 量的1 2 。 在沥青中掺加抗剥离剂或水泥。 将粗集料用石灰浆处理后使用。 粗集料质量应符合规定。用于高速公路、一级公路和城市快速路、主干路沥青路面 表面层及各类道路抗滑表层的粗集料应符合石料磨光值的要求，但允许掺加不超过4 0 粗集料总量的普通集料作为中等或较少粒径的粗集料。 在粗集料的生产中，应采用锤式或反击式等破碎机进行石料加工，形成棱角状立方 体，减小针片状含量，增加料间的挤嵌力。集料堆放的坡度不能太大，防止堆料时发生 大料滚落到底部，在未生产前就形成的颗粒离析，具体做法如图3 1 所示。既将料运到 料场后，通过推土机将料沿一定的坡度( 原则上不大于3 ：1 ) 一层层的堆好。 图3 - 1 分层堆料 堆料时，尽量减小同规格料最大与最小粒料的差距，材料离析的主要原因是同一堆 料粒径尺寸相差太大。 2 ) 细集料 细集料为天然形成或经加工而成的粒径小于2 3 6 m m 的天然砂、人工机制砂及石屑 等集料，要求洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒组成，其规格应符合规定 要求。 细集料应与沥青有良好的粘结能力。粘结性能差的天然砂及用花岗岩、石英岩等酸 性石料破碎的机制砂或石屑不宜用于高速公路、一级公路和城市快速路、主干路沥青面 层。必须使用时，需采取抗剥离措施。应采用优质天然砂和人工机制砂配制沥青混合料， 缺砂地区，也可采用石屑，由于石屑多为石料破碎过程中的副产品，主要为石料表面剥 落层和撞击下的棱角，扁平料很多，强度很低，用于高速公路、一级公路和城市快速路、 主干路沥青混凝土面层及抗滑表层时，用量不宜超过天然砂及人工机制砂用量。 3 ) 填料 1 7 第三章摊铺前各个工序对离析的影响 填料为在沥青混合料中起填充作用的矿物质粉末。沥青混合料的填料宜采用石灰岩 或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到。要求洁净、干燥，质量符合规定。 当采用水泥、石灰、粉煤灰作填料时，用量不超过矿料总量的2 。搅拌机采用袋式除 尘的粉尘可作为矿粉的一部分回收使用，湿式除尘的回收粉尘使用时应经干燥粉碎处 理，且不含杂质。回收粉尘用量不得超过填料总量的5 0 ，掺有粉尘的填料塑性指数 不得大于4 ，其余质量要求与矿粉相同。 4 ) 沥青 道路石油沥青沥青面层所用的沥青标号，应根据地区气候条件、施工季节气温、路 面类型、沥青种类等规定选用，面层的上层宜用较稠的沥青，下层或联结层宜采用较稀 的沥青。沥青路面施工气候应符合规定要求。 乳化沥青适用于沥青表面处治路面、沥青贯人式路面、常温沥青混合料路面，以及 透层、粘层与封层。应根据使用目的、矿料种类、气候条件选择乳化沥青类型。液体石 油沥青适用于透层、粘层及拌制常温沥青混合料 沥青与矿料之间的相互作用时沥青混合料结构形成的决定性因素，它直接关系到沥 青混合料的路用性能。沥青与矿料之间的相互作用过程是一个比较复杂的、多种多样的 过程，它包括沥青与矿料的物理吸附和化学吸附。沥青在矿料表面上的吸附强度，很大 程度上取决于这些材料之间发生的黏结性质。当存在化学键时( 既产生化学吸附时) ， 沥青与矿料的黏结最为牢固。当碳酸盐等碱性岩石与足够数量酸性表面活性物质的活化 沥青黏结时，会发生化学吸附过程n 。而沥青和矿料黏结性能受到矿料酸碱性的影响， 不同化学性质的材料其黏结性也不同不同，即碳酸盐含量不同的石料与其它酸性不同的 沥青黏结时，其强度也不同，因此沥青材料的准备时，要特别注意：要将来自不同产地 的材料分开好并进行记录防止材料产地离析而出现的路用性能降低现象，因为不同产地 的石料或沥青他们的碱性或酸性都不同。对于其它酸性材料还有可以在其中加入抗剥落 剂或碱性矿粉来改善沥青材料的黏结问题。 3 2 沥青混合料生产过程的离析控制 搅拌设备的调整、标定和对工作参数的合理设定是保证混合料生产过程中避免离析 的关键，若未对设备未进行调整，往往冷料的容积给料与热料的质量称重不相协调，造成 热料仓中料位不均衡；有的搅拌设备由于未进行计量系统的标定，或未合理设置动态计 1 8 长安大学硕士学位论文 量修正系数的误差限值，使计量或配料误差波动过大；有些未正确选择振动筛的型式和 筛孔尺寸，造成不同热料仓之间窜仓严重，严重影响了混合料的级配组成；在进行混合料 拌制时有些搅拌器的运行参数设置不合理，使拌和均匀性不够，或由于设备结构不完善 造成混合料贮存、卸料发生离析等等，严重影响了混合料的品质。 3 2 1 生产设备的设定 ( 1 ) 搅拌设备的标定