（车辆工程专业论文）沥青混合料摊铺机“输分料”系统粒料运行机理研究.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此进行了大量的 研究，也取得了很多的成果。本论文着重从沥青路面施工角度来探讨高速公路沥 青路面的质量，跟沥青混合料施工得到的压实度大小及其均匀性有很大的关系。 经过笔者在渝湛高速公路广州段的转运车试验，和全国各地的转运车的试验来看， 转运车基本上可以克服沥青混合料的温度离析问题。然而，沥青混合料的骨料离 析却没能得到满意的改善。 本论文根据流体的基本性质结合沥青混合料的自身特性，证明了沥青混合料 在摊铺阶段的未压状态是一种流体，具备一般的流体性质，并符合流体的流动规 律和基本原理。同时通过流体的基本原理分析了沥青混合料颗粒的粒料运动和混 合料离析的机理，又结合沥青混合料的施工工艺提出了沥青混合料摊铺三速度的 关系和具体改善离析的建议。从而，在沥青混合料的摊铺阶段更好的控制混合料 的骨料离析。 通过对沥青混合料颗粒在螺旋布料器作用下的静态受力分析和粒料运动情况 的动态分析，发现沥青混合料的粒料运动与螺旋布料器的各参数有着极大的关系。 当螺旋轴的转速相对固定时，混合料颗粒的运动情况与其在布料槽内位置有很大 的关系：当颗粒处于层流区以内时，其混合料流性质基本不变，离析程度很小， 混合料保持层流沿轴向平稳运动；当颗粒处于紊流区以内时，混合料在发生着程 度不同的不规则运动，离析程度很高，混合料流具体表现为紊流。所以，本文根 据以上的分析情况，对摊铺机来料的均匀性不同采用两种不同的“输一分料”系统。 当沥青混合料摊铺机来料均匀性较好时，采用带状螺旋布料器；当沥青混合料摊 铺机来料均匀性较差时，采用螺旋搅拌器+ 带状螺旋布料器的结构。 采用极限平衡理论对沥青混合料的剪应力进行分析，并建立模型对沥青混合 料流保持层流运动所要求的各参数范围进行推导。形成一套指导沥青路面施工、 改善沥青混合料离析的有效办法。 流区 关键词：沥青混合料；离析；粒料运动；流体力学；动态分析；层流区；紊 a b s t r a c t s i n c et h eb e g i n n i n go fr e f o r m i n ga n do p e n i n g ，c h i n e s ed e v e l o p m e n to fh i g h w a y s h a sb r o u g h tag r e a tl o s st oo u rc o u n t r y m a n yh i g h w a yr e s e a r c h e r sd o n eal o to fr e s e a r c h o nt h i sa n dh a v ea c h i e v e dm a n yr e s u l t s a f t e rm a t e r i a l t r a n s f e r - v e h i c l e ( m t v ) t e s t so n g u a n g d o n gy u z h a ne x p r e s s w a y , a n dt h em t v t e s t st h r o u g h o u to u rc o u n t r y , t h e a u t h o rc o n s i d e r st h et e m p e r a t u r es e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ec a nb eo v e r c o m e b a s i c a l l yb ym a t e r i a l t r a n s f e r - v e h i c l e ( m t v ) h o w e v e r , t h ea g g r e g a t es e g r e g a t i o n o f a s p h a l tm i x t u r ec a n n o tb ei m p r o v e ds a t i s f a c t o r i l y a c c o r d i n gt ot h ef l u i dn a t u r ea n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h e i ro w nc o m b i n a t i o n o ft h ea s p h a l tm i x t u r e ，t h i sp a p e rh a sp r o v e da s p h a l tp a v i n gm i x t u r es t a g i n gi nas t a t eo f t h ep r e s s u r ei saf l u i d i th a sag e n e r a ln a t u r eo ft h ef l u i d t h eg r a n u l a rm a t e r i a l m o v e m e n ta n dt h em e c h a n i s mo ft h es e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ea r ed i s c u s s e db y t h eb a s i cp r i n c i p l e so ff l u i d a n dt h et h r e es p e e do ft h eh o t - m i xa s p h a l tp a v e m e n ti s c o n s i d e r e dt oi m p r o v et h ea g g r e g a t es e g r e g a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h es u s t a i n i n gf o r c eo ft h em i x t u r ei nt h ea u g e rs c r e w sa n d t h em o v e m e n to fg r a n u l a rm a t e r i a l ，t h ec l o s e l yr e l a t i o nb e t w e e nt h em o v e m e n to f g r a n u l a rm a t e r i a la n dt h ep a r a m e t e ro f t h ea u g e rs c r e w si sd i s c o v e r e d w h e nt h es c r e w a x i sf i x e dr e l a t i v es p e e d w i mt h em o v e m e n to fp a r t i c l e si nt h em i x t u r eo ff a b r i c st a n k g r e a tl o c a t i o n ：w h e nt h em i x t u r ep a r t i c l ei s i nt h el a m i n a rr e g i o n , i t sm i x t u r ef l o w p r o p e r t i e sw i l lr e m a i nb a s i c a l l yu n c h a n g e d ，as m a l ld e g r e eo fs e g r e g a t i o n ，a n dk e e p m i x t u r es m o o t hm o v e m e n ta l o n gt h es c r e wa x i s ；w h e nt h em i x t u r ep a r t i c l ei si nt h e t u r b u l e n tr e g i o n ，i nt h ee v e n to fam i x t u r eo fd i f f e r e n td e g r e e si r r e g u l a rm o v e m e n t ，a l l i g h d e g r e e o f s e g r e g a t i o n ，t h e m i x t u r ef l o wt u r b u l e n c e f o r s p e c i f i c p e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ea b o v ea n a l y s i so ft h i ss i t u a t i o n ，p a v e r i n p u tt ot h eu n i f o r m i t yo f t h eu s eo ft w od i f f e r e n td i v i c e s w h e nt h eu n i f o r m i t yo fi n p u t s i sg o o d ，t h ep a v e ru s e st h eb e l ts c r e wd i s t r i b u t i n gd e v i c e ；w h e nt h eu n i f o r m i t yo fi n p u t s i sp o o r , t h ep a v e rl i s at h es p i r a la g i t a t o ra n dt h eb e l ts c r e wd i s t r i b u t i n gd e v i c e t h i sp a p e ra n a l y s e st h es h e a rs t r e s so ft h ea s p h a l tm i x t u r eu s i n gl i m i te q u i l i b r i u m t h e o r y , a n da s c e r t a i nt h er a n g eo ft h ep a r a m e t e r sw h a ti n s u r et h ea s p h a l tm i x t u r ef l o w l a m i n a rf l o wt h et h o u g hm o d e l s t h ep a p e rf o r m sas e to ft h ee f f e c t i v ew a y st oi m p r o v e s e g r e g a t i o no fa s p h a l t m i x t u r e s k e y w o r d s ：a s p h a l tm i x t u r e ；s e g r e g a t i o n ；g r a n u l a r m a t e r i a l m o v e m e n t ；f l u i d m e c h a n i c s ；d y n a m i ca n a l y s i s ；l a m i n a rr e g i o n ；t u r b u l e n tr e g i o n 注释表 论文常用符号说明 口0 沥青混合料流产生紊流的时运料车的临界加速度； b 摊铺宽度； c 沥青混合料的内聚力； d 螺旋叶片的直径； d 螺旋轴( 叶片根部) 的直径； e a 未摊铺前松动沥青混合料与压实成型后沥青混合料密度间的关系： ，实体螺旋面作用在混合料上的力； f 混合料颗粒的轴向分力； 只混合料颗粒的圆周方向的切向分力； g 重力加速度； ，z 自由落体的高度； 日摊铺层压实成型后的平均厚度； ，螺旋叶片间距间的； k ，机械联合作业系数，根据材料供应、运输能力等配套情况确定； 墨通过刮料板上通道的截面是有效混合料的充盈系数； 墨通过螺旋布料器布料的有效系数； 甩常数，通过具体的流体试验取得； n ，并机摊铺的摊铺机台数，如果单机摊铺n ，= 1 ； q 拌和机产量； s ，刮料板上通道的截面面积； & 螺旋刮料有效截面积； 自由落体的时间； u 素流中某点自由流的速度； u 素流中边界层内的速度； 峋自由落体的初速度； 屹自由落体的初速度； m 摊铺机摊铺速度； v 。刮料输送板是线速度； 职螺旋布料器的速度确定； 形输入控制体的质量流量； 形输出控制体的质量流量； 注释表 彬输入控制体的质量流量； 睨输出控制体的质量流量； 彬”输入控制体的质量流量； 形4 输出控制体的质量流量； y 紊流中某点离底部壁面的距离； 仍沥青混合料的堆积角； 肼黏性系数( 黏性系数是剪应力和速度梯度之间的比例常数) p - 螺旋面的升角 q 厂一物料堆积角 p 沥青混合料翻滚的角速度，近似看作螺旋轴的转速。 万素流中边界层的厚度； 7 。压实成型后沥青混合料的密度， 以未摊铺前松动沥青混合料的密度； p 沥青混合料内摩擦角； 沥青混合料内摩擦系数； 矽沥青混合料外摩擦角； 伟- 一沥青混合料外摩擦系数； f 沥青混合料的抗剪强度 仃沥青混合料的正应力； 沥青混合料的内摩擦系数； 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。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。 龋薪 日期：g 年弓月弓日 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。 学位论文作者躲辑睿 指剥雠： 日期：刹萨刁月弓f 日日期：妒8 年弓月弓日 第一章 引言 1 1 本课题的研究背景 第一章引言 改革开放以来，我国公路建设发展迅速，自从1 9 8 8 年1 0 月3 1 日我国大陆第 一条高速公路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 11 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， 年突破2 万公里，2 0 0 4 年突破3 万公里， 时间走完发达国家半世纪多的发展历程。 到1 9 9 9 年已经突破l 万公里，到2 0 0 2 2 0 0 7 年突破4 万公里，用短短的二十年 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。 然而，最近几年高速公路路面早期破坏现象很严重，众多公路研究人员对此 进行了大量的研究，也取得很多的成果。沥青路面早期破坏除了超限超载的外因 以外，还与沥青路面的管理、设计、施工、养护等环节的内因分不开。从沥青路 面施工角度来说，高速公路沥青路面的质量，跟沥青混合料施工得到的压实度大 小及其均匀性有很大的关系。我国早期的沥青混凝土路面压实度的离散性很大， 在高速公路开通运营时路面局部的应力得不到有效的释放，从而引起沥青路面的 早期破坏。 路面压实不够、不均匀在很大程度上，是沥青混合料在摊铺时出现温度离析 和骨料离析造成的。而沥青混合料的温度离析和骨料离析的发生，与现行的路面 施工工艺有极大关系，其中沥青混合料的骨料离析与施工机械的关系最大。因此， 很有必要分析我国现有施工工艺，通过对现有工艺中沥青混合料离析产生的机理 进行分析研究，提出了解决离析的可行性措施。通过本课题组在广东省渝湛高速 公路路段的现场施工试验，用流体力学的研究方法进行沥青混合料粒料运动分析 是一种可行的方法，得出的结论将有助于对沥青混合料骨料离析进行有效的控制。 第一章引言 1 2 高等级公路沥青路面早期破坏 2 一 近年来，随着我国高速公路的飞速发展，我国高速公路的施工水平也日益提 高，但是也暴露出严重的问题。尤其是由于混合料离析所引起的沥青路面早期破 坏现象很严重，给我国带来极大的损失。 1 2 1 沥青路面早期破坏类型分析 高速公路和一级公路的沥青路面早期破坏类型多种多样： 水损坏 沥青路面的水破坏现象很普遍，实际上使用一年以上的每条高速公路都产生了 不同程度的水破坏。差别仅在于有些高速公路水破坏现象严重，有些高速公路水 破坏现象较轻。水破坏来到快，性质最为严重，因此它是路基路面的大敌。 降水进入沥青面层后，视水的滞留位置而异，在大量高速行驶的车辆作用下， 产生以下几种不同的水破坏现象。 1 ) 表面层产生坑洞； 2 ) 表面层和中间层同时产生坑洞以及局部表面产生网裂和形变； 3 ) 唧浆。 车辙 车辙是沥青路面特有的主要破坏现象之一。车辙被定义为沥青路面轮迹的凹 陷。实际上严重车辙处，轮迹带产生凹陷的同时，其两侧的沥青混凝土常略微凸 起，此时的车辙就是轮迹带的凹陷深度与其两侧凸起高度之和。 泛油 高速公路沥青路面的泛油现象主要产生在行车道上，超车道上的泛油现象很 少，行车道上的泛油现象主要是间隔式和条片状，而且间距往往大于泛油条片的 长度，连续泛油和整个行车道全面泛油的现象不多。 实际上，每条高速公路的沥青路面都有泛油现象，只是数量多少和程度轻重的 差别。 松散 松散是由于沥青混凝土表面层中的集料颗粒脱落，从表面向下发展的渐进过 程。集料颗粒与裹覆沥青之间丧失粘结力是颗粒脱落的原因。 开裂 包括横向裂缝、反射裂缝。 1 ) 横向裂缝 第一章引言 3 一 沥青路面的裂缝是不可避免的，横向裂缝也是如此。横向裂缝可能有多个外 因引起，如温度变化的作用、地基或填土路堤纵向不均匀沉降、半刚性基层的裂 缝或刚性路面的接缝。 2 ) 反射裂缝 反射裂缝，指下承层不连续处作用在热拌沥青混凝土面层底面的应力超过了 材料的抗拉强度并使面层底面开裂，裂缝逐渐向上延伸，直到穿透面层，反映为 表面的裂缝。 这些问题不是一条高速两条高速有，也不是一个省两个省有，而是全国各地 基本上每条公路都不同程度的出现这样或那样问题，即使在北方半湿润或干燥地 区也出现水破坏。 1 2 2 沥青路面早期破坏原因分析 外因：交通量和超载问题 由于交通量的数量增加，超出人们预想的超限超载。从轴载换算次数上就可 以体现超载车对路面早期破坏的影响。毫无疑问，超限超载车辆是造成公路早期 破坏的主要因素之一。 内因：管理、设计、施工、养护环节的问题 在我国，公路沥青路面施工技术规范中规定的对公路建设实施动态质量管 理还不多见。公路的结构和配合比设计也常常没有根据当地具体气候情况进行设 计，这也是引起早期破坏的原因之一。 通车不久沥青路面就发生水损坏、车辙、坑槽、开裂等情况，大部分与施工 质量有关。公路维修养护的及时与否与路面早期破坏也有很大的关系。 1 3 现行施工工艺下沥青混合料流的介绍 1 3 1 现行施工工艺下沥青混合料流的介绍 在现有施工工艺中，沥青混合料经拌合楼拌合、运料汽车运到摊铺现场后、直 接将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： 第一章引言 图1 1沥青路面施工工艺 4 一 与此同时，沥青混合料流从拌合楼流向运料汽车，再从运料汽车流向沥青摊 铺机，又从沥青摊铺机流向作业面。在沥青路面施工过程中，沥青混合料流贯穿 每一个工艺流程，并把它们有机的连续起来。 1 3 2 现有施工工艺的不足 在现有的施工工艺与组织管理模式下，经常会发生这样的情况： ( 1 ) 沥青混合料流从搅拌站到现场的摊铺压实中混合料的流动不稳定，特别 是在混合料摊铺过程中，很多时候沥青混合料处于紊流流态，而非稳定的层流流 态。混合料的这种流态就为施工过程中沥青混合料产生骨料离析、温度离析和油 石离析提供了条件。 ( 2 ) 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材料离 析和温度离析。 ( 3 ) 因摊铺机料斗容量小、混合料运输车辆数量等原因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。 ( 4 ) 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。 第一章引言 1 4 国内外对沥青混合料粒料运动的研究现状 5 一 沥青混合料的离析问题引起了国际上的普遍重视，一些国家已经开展了相关 的研究。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的措施。2 0 0 0 年，美国国家交通研究委员会( t r b ) 设 立了研究项目“热拌沥青混合料路面的离析 ( n c h r p4 4 1 ) ，重点探索沥青路面 离析的检测方法。美国的佐治亚、华盛顿、康涅狄格、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。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。 我国于近几年进行了一些研究，全国范围内大多进行了运用转运车以改善混合 料离析的实验，虽然很大一部分内容都是在参考国外研究成果，但还是有些进行 了实验性研究。同时，也有很多学者在进行沥青混合料离析和沥青路面早期破坏 的关系研究。 从以上分析来看，国内外对沥青混合料离析的研究，大多集中在沥青混合料 离析与早期破坏的关系上，然而对沥青混合料离析的机理尚未进行深入的探讨， 对沥青混合料摊铺机“输分料”系统粒料运行机理的研究更是几乎无人涉足。而 这两个机理的研究对彻底解决离析、保障沥青混合料路面的摊铺质量有着非常重 要的意义。因此，很有必要对粒料运行机理进行深入研究。这个课题就是在这种 背景下应运而生。在本文中，笔者着重对摊铺机“输一分料 系统中混合料粒料的 运行机理进行了细致的探讨和分析，以期在道路施工中得到满足均匀性要求的混 合料。 1 5 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” 课题的延伸课题。 本课题从我国现行沥青混凝土路面施工工艺入手，结合国内已建高速公路运 营情况，分析沥青路面产生早期破坏的原因。 证明沥青混合料流失一种流体，并引入流体力学的分析方法来研究沥青混合 料流和沥青混合料的粒料运动。 建立相应的模型，分析沥青混合料流从拌和楼出发到摊铺阶段的粒料运动情 况，并提出沥青混合料摊铺三速度的关系。 第一章引言 6 一 对在螺旋布料器作用下的沥青混合料颗粒受力情况和各种速度进行分析，从 微观上研究沥青混合料的粒料运动规律，进而提出几种不同的输分料系统。 采用散体力学的极限理论对沥青混合料的粒料运动进行模拟。 通过以上的分析形成一套指导沥青路面施工、改善沥青混合料离析的有效办 法。 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 2 1 沥青混合料的组成结构 2 1 1 沥青混合料组成结构的现代理论 7 一 随着对沥青混合料组成结构研究的深入，沥青混合料的组成结构有下列两种 互相对立的理论。 表面理论。按传统的理解，沥青混合料是由粗骨料、细骨料和填料经人工 组配成密实的级配矿质骨架，此矿质骨架由稠度较稀的沥青混合料分布其表面， 而将它们胶结成为一个具有强度的整体。这个理论认识可图解为： r lf 粗骨料 i 矿质骨架 细骨料 沥青混合料【填料 i i 结合料一沥青 胶浆理论。近代某些研究从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多级空 间网状结构的分散系，它是以粗骨料为分散相，分散在沥青砂浆的介质中的一种 粗分散系：同时，砂浆是以细骨料为分散相，分散在沥青胶浆介质中的一种细分 散系；而胶浆又是以填料为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的一种微分散系。 这种理论认识可图解为： 沥青混合料 ( 粗分散系) 分散相一粗骨料 分散介质一砂浆 ( 细分散系) 分散相一细骨料 分散介质一沥青胶结物f 分散相一填料 ( 微分散系) 1 分散介质一沥青 这三级分散系以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决定沥青混合料的高温稳 定性和低温变形能力。目前这一理论比较集中于研究填料( 矿粉) 的矿料成分、 填料的级配( 以o 0 8 0 m m 为最大粒径) 以及沥青与填料内表面的交互作用等因素 对于混合料性能的影响等。同时这一理论的研究比较强调采用高稠度沥青和大的 沥青用量，以及采用间断级配的矿质混合料。 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 2 1 2 沥青混合料组成结构类型 通常沥青一骨料混合料按其组成结构可分为下列3 类： 悬浮一密实结构。当采用连续型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合 料时，按粒子干涉理论，为避免次级配骨料对前级配骨料密排的干涉，前级配骨 料间必须留出比次级配骨料粒径稍大的空隙供次级配排。按此组成的沥青混合料， 经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级配骨料均为次级配骨料所隔 开，不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮于次级配骨料和沥青胶浆之间。这种结 构的沥青混合料，三轴试验结构见表2 - 1 中编号a ，虽然具有较高的粘聚力c ；但 摩擦角较低，因此高温稳定性较差。 骨架一空隙结构。当采用连续型开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合 料时，由于这种矿质混合料递减系数较大( 即n 幂公式中n 较大) ，粗骨料所占的 比例较高，细骨料则很少，甚至没有。按此组成的沥青混合料，粗骨料可以互相 靠拢形成骨架；但由于细骨料数量过少，不足以填满粗骨料之间的空隙，因此形 成“骨架一空隙”结构，这种结构的沥青混合料三轴试验结果见表2 1 中编号b ， 虽然具有较高的内摩擦角，但粘聚力c 较低。 密实一骨架结构。当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合 料时，由于这种矿质混合料断去了中间尺寸粒径的骨料，既有较多粗骨料可以形 成空间骨架，同时又有相当数量的细骨料可以填密骨架的空隙，因此形成“密实 一骨架”结构，这种结构的沥青混合料三轴试验结果见表2 1 中编号c ，不仅具有 较高粘聚力c ，而且具有较高的内摩擦角。 不同结构组成的沥青混合料的结构常熟和稳定性 表2 1 结构常数 稳定稳定性指标( 6 5 组成结构 ) 混合料名称 类型 密度岛( 矿料间隙粘结力c内摩擦角 c m 3 ) 空隙率形( ) ( 1 ( p a ) v m a ( )p ( r a d ) 连续型密级密实一悬 2 4 01 31 7 93 1 80 6 0 0 配混合料a 浮结构 连续型开级骨架一空 2 3 76 11 6 22 4 00 6 5 3 配混合料b隙结构 间断型密级密实一骨 2 4 32 71 4 83 3 80 6 5 8 配混合料c架结构 ( 注：表2 - 1 数据来自文献 3 1 ) 第二章 沥青混合料组成结构和离析分析 2 1 3 沥青混合料的强度 9 一 沥青混合料可以认为是由矿质骨架和沥青胶浆所组成的、具有空间网络结构 的一种分散系。是由不同粒径的矿质骨料，即粗骨料( 碎石或砾石) 和细骨料( 砂) 所构成的密实矿质混合料，分散在由沥青和填料( 矿粉) 胶浆中而形成的。 沥青混合料在路面结构中发生破坏的情况，主要是在高温时由于抗剪强度不 足或塑性变形过剩而产生推挤等现象，以及低温时抗拉强度不足或变形能力不好 而产生裂缝现象。目前沥青混合料强度理论，主要是要求沥青混合料在高温时必 须具备一定的抗剪强度和抵抗变形的能力，称为高温稳定性。 沥青混合料的强度，按照沥青混合料在路面上实际受力状态，采用三轴剪切 试验的分析方法是比较符合实际使用情况的。多年来，许多研究工作者对沥青混 合料进行三轴剪切强度的研究指出：沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿 质骨架物理一化学交互作用而产生的粘聚力，以及矿质骨料在沥青混合料中分散 程度不同而产生的内摩擦角，由莫尔原理有 f = c + c r t g p 式中：f 沥青混合料的抗剪强度( m p a ) 盯正应力( m p a ) c 沥青混合料的粘结力( m p a ) p 沥青混合料的内摩擦角( t a d ) 2 2 沥青混合料离析分析 2 2 1 沥青混合料离析 沥青混合料离析是指沥青混合料某一区域内沥青混合料主要性质的不均匀， 包括沥青含量、级配组成、添加剂含量以及混合料温度等。沥青混合料离析可分 为骨料离析和温度离析，以及对于s m a 而言的集料一沥青离析，也就是我们通常 所说的“油石 离析。 2 2 2 沥青混合料骨料离析 沥青混合料骨料离析是沥青混合料在运动过程中，因粗细骨料动力特性的差 异而出现分离的现象。离析后的沥青混合料级配已不同于目标配合比设计的级配， i i 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 1 0 一部分地方粗骨料多，另一部分地方细骨料多。在细骨料多的地方会出现车辙、 泛油等病害；在粗骨料多的地方，空隙率大，透水系数高，雨水很容易渗透到混 合料中，车辆行驶时产生动水压力，不断冲刷沥青混台料，使沥青膜剥离，引起 混合料松散。 现行的施工工艺和施工机械很难克服沥青混合料的骨料离析，在施工现场常 见到的骨料离析有以下几种： 带状离析 许多高速公路采用双机梯形摊铺，缩短摊铺宽度，尽量减少由于螺旋分料器 输送料产生的离析。如渝湛高速公路广东段双向四车道的高速公路采用一台 a b g 4 2 3 和一台a b g 。5 2 5 或者两台a b g 4 2 3 摊铺机进行摊铺，这样就会减轻摊 铺出的路面两端骨料的离析。 一般每台摊铺机后常出现5 条离析带的带状离析。( 如图2 1 所示) 图2 1 带状离析的5 条粗骨料集中带分布在摊铺机螺旋布料器变速箱处( 摊铺机轴 线) i 、螺旋布料器支撑处i i 以及螺旋布料器末端i 。它是由于沥青混合料中的 粗骨料在进行粒料运动过程中，有规律地向这5 条离析带的位置相对集中现成的。 具体的粒料运动规律在后面进行阐述。 收斗离析 貌 全 析离状，带 i。i 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 在目前施工工艺中，一车料卸完后，下一车料不是马上就接着卸，而是等摊 铺机收斗以后，待摊铺机料斗中混合料摊铺的差不多了才开始卸下一车料，然后 接着摊铺。在这个过程中，由于卸料过程中的沥青混合料的粒料运动规律，知道 粗骨料相对集中在摊铺机料斗的两翼。上一车料的最后一部分混合料里面粗骨料 占多数，摊铺机收斗时把料斗两翼的粗骨料再次集中，下一车料卸料初始时的也 是粗骨料占多数。这样摊铺出来的就很有规律地每隔三十米左右( 一车沥青混合 料摊铺的纵向长度) 就有一段路面粗骨料占多数，与生产级配差异较大，与原设 计相比，这些离析区域的混合料粗骨料明显较多，这就是收斗离析。同时，由于 上一车料在最后卸料时混合料的温度较低而集聚在摊铺机料斗两翼的粗骨料和下 一车料的表面料，这些沥青混合料温度都相对较低，和正常的沥青混合料有一定 的温差，甚至相差九十多度。这样的混合料很难压实，空隙率大，往往就成了路 面的薄弱点。 上面分析的两种离析，可以从下面的示意图2 2 中更直观的表现出来。( 以 单幅摊铺机为例) 图2 2条状离析和收斗离祈示意图 随机性离析( 窝状离析) 随机性离析的原因较难确定。一般来说，连续性拌和机和间歇式拌和机均会 出现随机性离析，施工中的各环节也会造成随机性离析。这种离析认真控制是可 以大大改善的，否则，这将成为沥青路面的有一致命薄弱点，很容易产生颗粒松 散进而产生坑槽。 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 2 2 3 沥青混合料骨料离析的危害 1 2 沥青混合料的骨料离析，最终造成一系列的路面质量问题，对今后路面的养 护工作带来极为不利的影响。 对混合料油石比的影响 骨料离析的路面，粗骨料集中部位由于骨料的表面积相对较小，而引起油石 比偏小，而细料集中部位则正好相反，油石比偏大。 对混合料压实性能和压实标准的影响 粗骨料集中部位，由于压实系数相对偏小，不易于压实，相对压实度偏低。 所谓相对压实度，是指粗细离析部位的理论密度和标准密度都由于级配的改变而 产生不同程度的变化。当摊铺层过薄时，由于粗骨料在结构中几乎处于一种“顶 天立地 的状态，难以压实。 对路面平整度的影响 由于粗细骨料区的初压实度和相对压实度不同，因此在相同的压实条件下所 产生的塑性变形不一样，最终影响路面平整度。 对压实温度的影响 粗骨料集中部位因空隙大，保温性能差，使混合料相对温度低，再加上初压 实度差异，进而也影响压实效果。从许多高速公路上面层使用后来看，粗骨料集 中部位都有不同程度的水损坏，细料集中部位也出现光面、变形，明显存在平整 度差的问题。 对路面空隙率的影响 离析对空隙率的影响问题是一个十分复杂的问题。在规范规定的温度下碾压 的路面，用核子密度仪测得的粗骨料集中部位压实度大多数偏低。但是，有些粗 骨料集中部位压实度反而偏高，尤其用表干法测试的压实度反而超出1 0 0 。这样， 空隙率则很小，甚至产生负值。其原因是由于粗细料都采用了同一最大相对理论 密度和标准密度进行评定计算而产生的误差。粗骨料集中时，油石比偏小，矿料 比重大，且一旦在高温下碾压密实后，相对整体空隙率反而偏小，因为粗骨料自 身是完全没有空隙的。只不过这种混合料所留下的空隙都表现为连通空隙，或者 说单个的空隙绝对间隙大，而偏细的混合料的空隙是均匀分布的，单个空隙的绝 对间隙小。同时，由于粗混合料的连通空隙大，在进行表干法试验时，试件进水 严重，而从水中拿出时，水又很快流失，计算的吸水率也不大，造成了一个毛体 积密度反而偏大的假象。 对混合料级配的影响 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 离析对混合料的级配影响有两种不同的情况。一种是路面的表现为上部粗骨 料集中、下部细料集中，但是上下混合后进行抽提筛分试验，混合级配仍在规范 规定范围内，与其他区域的级配差别不明显。从钻孔芯样周围观察集料分部状态， 明显表现为上粗下细，也有少数路面细料集中部位表现为上细下粗。将芯样从中 部锯开，从其截面积上可以观察到更为明显的类似状态。 另一种是同一层路面的上部和下部都表现为粗骨料( 或者细料) 集中，筛分结果 产生明显的两级分化，一般粗骨料聚集区域的曲线处于级配范围的下限，偏细部 位的曲线处于级配范围的上限，有的甚至超出规范曲线范围。 因此，对离析部位的级配分析，不能采用简单的上下层混合筛分，而应分别 考虑混合料在路面结构中的实际分部情况。进而也说明用单纯的室内级配设计解 决离析问题是不全面的。 对路面渗水性能的影响 为了较为实际地分析离析对路面抗水损性能的影响问题，对路面的粗细离析 部位做了大量的渗水比较试验。总的来看，粗骨料集中部位的渗透系数都偏大， 一般都在7 0 m v m i n 以上。对于上部粗骨料多，下部细料多的部位，水往往从距渗透 点3 0 5 0 c m 的地方冒出，且渗透仪中无气泡上冒，下垫圈中会留有一定的余水；对 于上下部均为粗集料多的部位，水渗入路面的速度非常快，周围路面看不到水迹， 渗透仪中也无气泡上冒，且下垫圈中没有余水( 在无压力情况下全部流出) ，证明水 已经全部从沥青面层底部流走。一般渗透系数都在l o o m l m i n 以上，有时水位下降 速度快到无法在1 分钟内记数，少数上细下粗部位渗水也较为严重。 总之，无论从层面和平面分布上看，粗骨料集中都会造成路面渗水严重。 2 2 4 沥青混合料温度离析 沥青混合料温度离析，是沥青混合料在运动过程中，因各颗粒能量交换差异 而出现的温度差的现象。当公路开通运营后，沥青混合料温度离析区域会产生应 力集中。当应力不能得到很好的释放时，沥青路面就产生早期破坏。 沥青混合料的温度离析贯穿沥青混合料流的全部过程，沥青混合料刚搅拌完 成时，其各部分温度均匀。但从沥青混合料从拌合楼卸料到沥青混合料的压实整 个工艺过程中均存在温度离析问题。温度离析不像骨料离析那么直观，可以用肉 眼直接看出，然而温度离析对沥青混合料的质量影响绝不亚于骨料离析对路面质 量的影响。 沥青混合料流各个环节中温度离析比较严重的有： 沥青混合料在运输过程中的温度离析 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 至聚集，再次发生温度离析。区域2 的平均温度为1 7 1 ，而区域l 的平均温度为 1 1 4 ，两区域的平均温差为5 2 。c 。 图2 5卸料末期的温度离析热像图( s b s 改性沥青混合料) 图2 5 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 11 0 6 ，远远低于规范规定的摊铺温度要求。 从图2 3 、2 4 、2 5 所反映的一车料的卸料过程，可以看出摊铺机摊铺出混合 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，这样形成了混合料的纵向温度离析。如图2 6 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。 旷、j 卸料中 、 卸料中 图2 6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 m 5 0 m 的范围内，这与料 车的大小、摊铺的厚度和宽度有关。 沥青混合料在摊铺过程中的温度离析 1 ) 同一摊铺机后面的温度离析 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。 a 、条状温度 加弼 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 至聚集，再次发生温度离析。区域2 的平均温度为1 7 1 ，而区域l 的平均温度为 1 1 4 ，两区域的平均温差为5 2 。c 。 图2 5卸料末期的温度离析热像图( s b s 改性沥青混合料) 图2 5 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 11 0 6 ，远远低于规范规定的摊铺温度要求。 从图2 3 、2 4 、2 5 所反映的一车料的卸料过程，可以看出摊铺机摊铺出混合 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，这样形成了混合料的纵向温度离析。如图2 6 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。 旷、j 卸料中 、 卸料中 图2 6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 m 5 0 m 的范围内，这与料 车的大小、摊铺的厚度和宽度有关。 沥青混合料在摊铺过程中的温度离析 1 ) 同一摊铺机后面的温度离析 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。 a 、条状温度 加弼 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 不o 1 6 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分布，如图2 7 所 图2 7摊铺过程中的条状温度离析( s b s 改性沥青混合料) b 、v 状温度离析 v 状温度离析是多在摊铺机收斗之后出现，“v ”字型一般以摊铺机轴线对称 或错位分布，如图2 8 所示。 图2 8v 状温度离析( s b s 改性沥青混合料) c 、停车等料温度离析 摊铺机在等料之后，新摊铺的混合料与等料前摊铺的混合料一般都会产生温 度差异，如图2 9 所示。 弼盯晒镗贸爨豫盯躬 阿瞄历潋闷附沥绻囫隧l 晒研盯铊弼勰丝加 日鳖隰潋阱劾飘缀褂譬l 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 图2 9停车等料温度离析( s b s 改性沥青混合 2 ) 并机摊铺方式所产生的摊铺带之间的温度离析 多台摊铺机梯形并机摊铺时，会发生摊铺带之间的温度差异，如图2 1 0 所示。 图2 1 0两台摊铺间的温度离析( s b s 改性沥青混合料) 2 2 5 沥青混合料温度离析的危害 骨料离析会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， 也是造成路面摊铺质量差的主要原因。 a s t e c 公司j d o n b n c k 博士研究指出：由于沥青混合料在运输和卸料过程中 热量流失的不均衡而产生明显的温度差异，摊铺到路面时，局部区域的物料温度 甚至低于沥青混合料所需的摊铺温度。低温混合料将不能被压实，从而导致熨平 板起伏，造成摊铺表面的不平整；一些较冷区域的混合料还可能冷却结块。碾压 第二章沥青混合料组成结构和离析分析 时，结块物料可能会承受压路机的全部重量，而使其超载碎裂出现裂纹，造成混 合料不能碾压成型，破坏路面结构，影响路面强度。压实改性沥青混合料需要比 传统混合料更高的摊铺温度。出现温度离析的可能性更大，摊铺后的路面质量更 难得到保证。 摊铺路面的冷料聚集区还会导致路面压实度的不均匀，个别地方孔隙率过高、 表面粗糙。研究表明：在某一结构形式的混合料温度为1 4 9 c 的情况下进行压实， 空气间隙率只有6 8 ；当温度降低至f 1 9 3 时，空气间隙率增3 h n 9 3 。这些高空 气间隙很容易让水渗透进入沥青混凝土，在冬天结冰后使沥青混凝土破裂，形成 路面坑洼，影响路面质量，使公路寿命缩短。 路面各结构层铺层的均匀性对其强度、疲劳寿命和可靠度的影响都比较敏感， 而不均匀性有时甚至不能用增加胶结材料的办法来弥补。因此，控制好路面施工 的均匀性具有很重要的意义。尽管并非整个摊铺路面全部存在温度离析和级配离 析( 即使最坏的情况下也只能达到大约5 0 ) ，但一旦路面的一小部分出现了裂 纹、沉陷、孔洞，其维修和最终的重建时间将要大大提前。这种费用的估计是困 难的，也是巨大的。 2 2 6 沥青混合料骨料一沥青离析 沥青混