（道路与铁道工程专业论文）基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 沥青路面是我国路面结构的主要型式。沥青混合料的离析是沥青路面产生早 期破坏的主要原因之一。国内外许多研究学者针对控制沥青混合料在施工过程中 发生离析的方法展开了许多研究，取得了较大的进步。目前，对沥青路面离析的 判定和检测方法主要依赖于观察法、铺沙法、路面雷达法和取芯法，这些方法存 在主观性强、测速慢和误差大，且具有一定的破坏性。为此，亟需提出一种快速 高效、客观无损的沥青路面离析检测技术。 分形理论作为研究自然界复杂现象的非线性理论新工具，在描述评价具有层 次连续性、随机性或不规则性等特征的对象方面，具有很强的功能。对微观、细 观层次下的精细结构和自相似特征能有效地描述。沥青路面从级配设计到铺筑成 型后，在体积和性能形态方面均表现出统计自相似性，传统的经验指标很难对离 析进行准确的描述和评价，故可以借助于分形理论进行定量地分析。 本文借助激光断面构造仪，测量获得能精确描述沥青路面表面轮廓曲折边界 的数据，基于分形理论提出分维特征参数作为描述沥青混合料离析的指标，对级 配特征和路表面构造轮廓具有的分形特征进行计算分析，发现不同级配和路表面 构造轮廓具有不同分维值。在试验研究和理论分析的基础上，提出粗细集料不同 级配的分形评价模式和路表面构造轮廓的分形评价指标。 文中所得结论和研究方法对沥青混凝土路面离析判别技术的研究和应用具有 重要的借鉴意义。 关键词：沥青路面；分形；离析；级配；变换法；激光断面构造仪 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n th a sb e c o m et h ep r i m a r yp a v e m e n tt y p ei no u rc o u n t r y t h e s e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ei so n eo ft h em a i nr e a s o n sf o rt h ed a m a g ei nt h ee a r l y s t a g eo fa s p h a l tp a v e m e n t m a n yr e s e a r c h e r sa l l o v e rt h ew o r l dh a v ee x p l o r e d e x t e n s i v e l yr e s e a r c ho nt h es e g r e g a t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r ed u r i n gt h ep r o c e s so f t h ec o n s t r u c t i o n r e c e n t l y , t h et e s ta n de s t i m a t i o no fs e g r e g a t i o ni na s p h a l t p a v e m e n t sm a i n l yr e l y o nt r a d i t i o n a lm e t h o d sa sv i s u a li d e n t i f i c a t i o n ，s a n dp a t c h t e s t i n g ，g r o u n d - p e n e t r a t i n gr a d a ra n dc o r i n g d u et os o m ed i s a d v a n t a g e so ft h e s e t e s t m e t h o d sm e t i o n e d ，s u c ha ss l o wt e s t s p e e d ，s u b je c t i v i t y , d e v i a t i o n a n ds o m e d e s t r u c t i v i t y t h e r e f o r e ，i t i s u r g e n t t of i n dan o n d e s t r u c t i v es e g r e g a t i o nt e s t t e c h n o l o g yo fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hh i g hs p e e da n do b je c t i v i t y f r a c t a l t h e o r y i san e wt h e o r e t i c a ln o n l i n e a rt o o lt o s t u d yc o m p l i c a t e p h e n o m e n ai nn a t u r e ，a n dh a sap o w e r f u lf u n c t i o ni nd e s c r i b i n ga n de v a l u a t i n gt h e p h e n o m e n aw i t hc o m i n u o u si ns c a l e ，s t o c h a s t i ci nd i s t r i b u t e o re r o s ei ns h a p e f r a c t a l t h e o r y c a nd e s c r i b e m i c r o s t r u c t u r e ，u l t r a s t r u c t u r e a n d s e l f - s i m i l a r i t y c h a r a c t e r i s t i c se f f e c t i v e l y f r o mg r a d a t i o nd e s i g nt op a v e m e n tc o n s t r u c t i o n ，t h e r ea r e s om a n ys e l f - s i m i l a r i t yc h a r a c t e r i s t i c si na s p h a l tp a v e m e n t b a s e do nt r a d i t i o n a l i n d e x ，i ti sd i f f i c u l tt od e s c r i b ea n de v a l u a t et h es e g r e g a t i o na c c u r a t e l y i nt h i sp a p e r ， w ec h o o s ef r a c t a lt h e o r ya st h em e t h o dt og i v et h e maq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s i n t h i sp a p e rw eg e tal o to fd a t a ，w h i c hc a nd e s c r i b et h es u r f a c eo fa s p h a l t p a v e m e n td i r e c t l y , b a s e do nl a s e rc r o s ss e c t i o ni n s t r u m e n t t u r nt of r a c t a lt h e o r y a n d p r o p o s e f r a c t a li n d e xt od e s c r i b e s e g r e g a t i o n ，t h e ns t u d y t h ef r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c so fg r a d a t i o na n dp a v e m e n tt e x t u r ea n df i n dt h a td i f f e r e n tf r a c t a l d i m e n s i o n sc a nr e f l e c td i f f e r e n td e t a i l so fg r a d a t i o na n dp a v e m e n tt e x t u r e b a s e do i l t h et e s t sa n df r a c t a la n a l y s i s ，p r o p o s eaf r a c t a le v a l u a t em o d e lo fg r a d a t i o n sa n d f r a c t a le v a l u a t ei n d e xo fp a v e m e n tt e x t u r e t h ec o n c l u s i o n sa n df r a c t a lm e t h o do ft h i sp a p e rw i l l p r o v i d ea ni m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs e g e r e g a t i o ne v a l u a t i o ni nt h ef u r t h e r k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；f r a c t a l ；s e g r e g a t i o n ；g r a d a t i o n ；v a r i a t i o n ；l a s e r c r o s ss e c t i o ni n s t r u m e n t a i 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 插图索引 图1 1a - l i n e 级配曲线( 0 4 5 次幂最大密度曲线) 4 图2 1k o c h 曲线1 9 图2 2 线、面、体的分割与测量示意图2 l 图2 3 康托点构造示意刚删2 1 图2 4 谢尔宾斯基三角构造示意副矧2 2 图2 5 英国海岸线测量【4 射2 3 图2 6 挪威西南海岸线的分形行为【4 3 1 2 4 图2 7 分规法测定分形维数【4 3 i 2 5 图2 8 盒计数测定分形维数【4 3 1 一2 6 图2 9 频谱法测定分形维数1 4 3 1 一2 7 图3 1 表面粗糙度的构成分解示意图【4 3 l 2 8 图3 2 轮廓算术平均偏差计算原理示意图【4 3 l 2 9 图3 3 一组相同r a 数值的表面轮廓曲线【4 3 1 一3 0 图3 4 表面轮廓及其特征参数随测量尺度的变化【4 3 1 一3l 图3 5 尺码法计算表面分形维数的原理3 2 图3 6 盒计数法计算表面分形维数的原理3 3 图3 7 变换法计算表面分形维数的原理3 3 图3 8 变换法计算分形参数的程序流程图3 7 图3 9w - m 分形模拟眭线：d = i 2 ，d = i 5 ，d = i 8 3 8 图3 1 0 人工合成表面轮廓：a ) 肛3 1 7 r a m ，b ) 贮6 3 4 m m l 4 3 1 4 0 图3 1 l 变换法双对数图4 0 图3 1 2w - m 分形模拟曲线：d = i 2 入= 1 5 4 1 图3 1 3 变换法双对数图4 2 图4 1 级配分形双对数回归图4 5 图4 2 分区域计算级配分形双对数回归图4 6 图4 3 不同曲折轮廓分区域计算的分形数值4 8 图4 4 分区域计算分形数值的多重性4 9 图4 5 双对数图和无标度区间4 9 图4 6 不同起始点的计算分维值5 0 图4 7 不同起始点计算w - m ( d = 1 2 ) 的双对数图5l 图4 8 不同级配曲线图及对应混合料断面构造【5 刀5 2 v 硕士学位论文 图4 9 基于w - m 函数的模拟路面表面轮廓曲线5 3 图4 1 0 不同起始点计算模拟路面表轮廓的双对数图5 4 图4 1 l 不同起始点计算模拟路面表轮廓的双对数图5 5 图4 1 2 不同级配的级配分维值计算图5 8 图4 1 3 不同级配的分区级配分维值计算图5 9 图4 1 4 路面表面构造轮廓分形参数计算一6 0 图4 1 5 实测路表轮廓分维值与级配分维值的关系图6 2 图4 1 6 不同样本分维值d 变化图6 3 图4 1 7 不同样本尺度系数c 变化图6 6 图4 1 8 不同样本分形特征参数变化图6 8 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 附表索引 表1 1 澳大利亚热拌沥青混凝土5 表1 2 运料车上混合料表面温度变化6 表2 1 江苏省建议的铺砂法评定集料离析标准1 2 表2 2 不同检测方法对判别路面离析能力的评价【4 】1 6 表2 3n a p a 判别离析的技术指标i 钔一1 6 表2 4o p s s 31 3 离析评价标准一1 6 表2 5 采用红外热像仪时离析程度的划分1 6 表2 6 采用构造深度仪时离析程度的划分1 7 表2 7 沥青面层离析检测方法和评价标准1 7 表3 1 沥青路面表面构造深度的变异性3 2 表3 2 各种方法计算的分形维数3 8 表4 1a k - 1 6 a 各粒径筛孔的通过率及对数计算4 4 表4 2a k - 1 6 a 各级配双对数回归公式及分维值4 5 表4 3a k 1 6 a 各级配构造深度和摆值一4 5 表4 4 不同级配混合料断面分维数【5 7 1 5 2 表4 5 不同表面的分形参数计算结果5 5 表4 6 不同模拟表面的分形参数计算结果5 6 表4 7 级配要求及合成级配表5 7 表4 8 末宜高速各级配双对数回归公式及分维值一5 7 表4 9 耒宜高速各分区级配双对数回归公式及分维值5 9 表4 1 0 耒宜高速改进a k 1 3 路面分维参数值6 l 表4 1 l 耒宜高速a k - 1 3 g 路面分维参数值6 l 表4 1 2 耒宜高速s a c 1 3 路面分维参数值6l 表4 1 3 耒宜高速不同级配路面分维数d 的变化百分比6 3 表4 1 4 耒宜高速不同路面样本分维数d 的变化百分比6 4 表4 1 5 耒宜高速不同路面样本分维数d 的变化范围( 基准：各自平均值) 6 4 表4 1 6 未宜高速不同路面样本分维数d 的变化范围( 基准：中心线) 6 5 表4 1 7 耒宜高速不同级配路面尺度系数c 的变化百分比6 5 表4 1 8 耒宜高速不同路面样本尺度系数的变化范围( 基准：中心线) 6 7 表4 1 9 耒宜高速不同级配路面分形特征参数的变化百分比6 7 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名： 同呈早日期：枷夕年多月g 日 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 同曼罩 泓 1 3 期：功叼年多月g 日 日期：c ，年6 月y 日 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 自从1 9 8 4 年4 月国务院正式批准建设我国的第一条高速公路一一京津塘高速 公路以来，中国过去二十几年来在经济增长和基础建设上取得了举世瞩目的成就， 其重要成就是交通基础设施的高速发展。“十五”期间中国共建成高速公路2 4 7 万 公里，是“八五”和“九五”建成高速公路里程数总和的1 5 倍。截止到2 0 0 5 年底， 高速公路总里程达到4 1 万公里，继续稳居世界第二，仅次于美国。2 0 0 6 年底， 中国高速公路里程达4 5 4 万公里，2 0 0 7 年底达到5 3 6 万公里，创造了世界高速 公路设施建设的奇迹。经过世界各国在发展交通基础设施建设过程中的经验证明， 精心设计、精心生产和精心铺筑的热拌沥青混凝土路面能够提供一种使用性能优 良和服务时间长的沥青混凝土面层，由于沥青路面行车舒适以及以上优点，其己 成为道路铺面的主要类型【lj 。 高速公路建设主要包括路线、路基、路面、桥涵、交通工程和房建工程六大 部分。由于服务性质的不同，只有路基和路面是直接承受行车荷载以及暴露在复 杂多变的环境中。路基和路面也是最容易产生质量问题，并导致路面产生早期破 坏，直接影响行车速度、行车安全和通行能力等。因此，不断提高沥青混凝土 路面的设计、施工和管理水平并防止路面的早期破坏，保证高速公路建成后在接 近设计使用年限期间让车辆舒适、快速、安全地通行，对于促进我国交通基础设 施的健康快速发展具有特别重要的意义。公路基础设施完成其质量的优劣，能否 发挥应有的效益，主要取决于路基和路面工程的质量。 沥青混凝土路面离析是各国道路界普遍关心的问题，至今仍然是引起沥青路 面早期破坏的主要原因之一。国内外学者为了实现沥青混合料足够的高温稳定性、 良好的低温抗裂性、良好的耐久性、良好的水稳定性、足够的抗滑能力和良好的 防渗水能力，进行了深入的研究。沥青混合料是由矿质骨架和沥青结合料所构成 的、具有空间网格结构的一种多相分散体系。其结构取决于以下因素：沥青胶结 料种类和数量、矿物骨架结构、矿料与沥青相互作用的特点以及沥青混合料的密 实度。为了实现沥青混合料的高密实度和良好的力学强度，国内外学者在级配研 究方面做出了大量的研究：w b 富勒( f u l l e r ) 首先得出最大密度曲线理论。随后 a n 泰波( t a l b 0 1 ) 把富勒公式改变后产生的泰波级配理论。以及我国同济大学 的林绣贤教授在7 0 年代提出的林绣贤级配理论。苏联则在i 法和1 1 法的基础上提 出了苏联k 法。c a g 魏矛斯( w e y m o u t h ) 提出的粒子干涉理论则认为要达到最 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 大密实度，前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒填充，剩余空隙再由更次一级 颗粒填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒之间势必发 生干涉现象。这种填充与干涉的关系受大小粒子之间一定数量分布状况的影响， 为多级嵌挤密实结构级配的计算提供了理论依据。以及关于悬浮密室结构、骨架 空隙结构和骨架密实结构的研究，都是为了沥青混凝土路面能更好实现优良的路 用性能【2 1 。 我国高速公路沥青路面的早期损坏的原因并不是路面沥青混合料设计的问 题，而重要原因包括材料、机械设备、管理和质量检验。从高速公路沥青路面建 设以来，我国的状况是普遍重视沥青的质量，而对沥青混凝土性能具有重要作用 的级配碎石质量却长时间重视不够。国内缺少大型碎石企业，小碎石场由于受所 用碎石机和筛分设备的限制，不同碎石场生产的相同规格的碎石常有显著的差异。 碎石和石屑产品的品质规格和不一致，必将导致沥青混合料颗粒组成和强度的不 一致，最后影响沥青混凝土路面的均匀性，导致面层路用性能的变异性大。同时， 机械设备的先进性、技术状况与是否配套也是是影响产品混合料的重要因素，进 而直接影响到路面工程的质量。近7 8 年来，我国高速公路沥青面层的施工机械 有了很大的改观，甚至还优于国外的施工现场，但高速公路面层的早期损坏仍然 占有相当大的比例。加强管理对提高沥青路面质量有着重要意义，它贯穿生产的 各个环节。在沥青混合料的生产、运输环节和摊铺现场加强管理，能很好的减少 离析的发生。我国从建设高速公路以来，就建立了质量检验制度，规定了检验内 容和检验方法。但是在近些年的工程建设实施过程中，出现了一些偏差和问题。 此外，某些试验方法的不严密和使用范围的局限性，往往导致检验指标值的偏差， 影响我国总体沥青路面技术水平的提高和进步，一些沥青路面的早期破坏现象得 不到及时解决i l j 1 3 1 。 总而言之，沥青混合料离析和沥青面层表面特征的不均匀性以及路面上出现 的多种早期破坏现象都与材料、机械设备、管理和质量检验有关，管理是带有全 局性的关键环节，然而，质量检验是控制离析和预防路面早期破坏的最后关键环 节。沥青混合料离析判别方法的研究是对质量检验手段的丰富和检验可靠性的提 高，具有积极的意义。 1 2 国内外研究现状 鉴于在热拌沥青混凝土路面的设计、生产和铺筑过程中能产生许多引起路面 破坏的潜在因素，而且最严重的问题是沥青混合料的离析。国内外对沥青路面离 析的研究相当重视，陆续开展了许多防止和评价离析的相关研究。2 0 0 0 年，美国 国家交通研究委员会( t r b ) 开展了国家联合公路研究项目“热拌沥青混合料路 面的离析( n c h r p 4 1 1 ) ，重点对沥青混合料面层离析的检测方法进行了研究。 硕十学位论文 同年，奥本大学国家沥青技术研究中心利用红外热成像仪和激光断面仪，采用温 度差指标来评价离析。2 0 0 3 年t r b 年会上，j a yn m e g o d a 等提出基于激光纹理 构造仪的自动技术来定量的评价离析，并与铺沙法和核子密度仪的结果进行相关 性分析。2 0 0 3 年k e v i nk m c g h e e 等借助高速纹理测量仪，通过限制沥青路面构 造深度来减轻离析。于2 0 0 5 年进一步研究了h m a 的均匀性与沥青路表面特征的 关系。2 0 0 4 年，吴军霞等人提出沥青混凝土的离析程度可以从空隙率、沥青含量 和级配的变化来预测，并给出了预测的计算公式。加拿大也对沥青路面面层的离 析进行了一些研究，同时还将构造深度比作为判别和评价离析的指标。我国同济 大学孙立军提出的采用数字图像处理技术评价沥青混凝土的离析方法，借助所取 试件截面上一定区域的集料面积累计之和的差异，定量地评价沥青混凝土的离析 程度【4 - 8 】。 我国现有的沥青路面技术规范中缺乏对离析的评定指标和相应的技术标准。 有关沥青混合料离析的国内外文献主要包括：离析的定义；控制离析的方法；离 析的评价指标。国内外在离析的产生原因、控制方法、评价指标和检测方法及其 应用等方面进行了一系列的研究9 。3 0 】。 1 2 1 离析的定义 1 9 6 7 年b r y a n t 阐述了离析这一概念，直到1 9 8 6 年b r o c k 这样描述离析：离 析造成了不均匀的沥青路面，导致混合料的设计级配和沥青含量发生了变化，路 面的结构特征变差。沥青混合料的离析才得到普遍的重视。k e n n e d y ( 1 9 8 7 ) 对 离析的解释：沥青混合料的离析是不同尺寸的粗集料在混合料中的不均匀分布， 粗集料集中在某一特定区域，而细集料则集中在另外一区域。 在b r o w n 和b r o w n f i e l d ( 1 9 8 8 ) ；w i l l i a m s 等( 1 9 9 6 a ，1 9 9 6 b ) ；k h e d a y w i 和 w h i t e ( 1 9 9 6 ) ；a a s h t o ( 1 9 9 7 ) 的一系列研究文章和报告的基础上1 5 】，普遍接 受的沥青混合料离析的广义定义为：粗集料和细集料在沥青混凝土中的不均匀分 散。 1 2 2 控制离析的方法 1 2 2 1 沥青混合料级配设计 从混合料设计方面着手，沥青混合料级配的正确设计可以有效的减小路面离 析发生的可能性。 ( 1 ) 富勒级配曲线理论 最大密度曲线是通过大量实验提出的一种理想曲线。w b 富勒( f u l l e r ) 和他 的同事研究认为：固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可以得 到密度最大、空隙最小的混合料。初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 配为椭圆形曲线，粗集料级配曲线为与椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的 级配曲线，可以达到最大的密度。这种曲线计算比较繁杂，后来经过许多研究改 进，提出简化的抛物线最大密度理想曲线。该理论认为：矿质混合料的颗粒级配 曲线越接近抛物线，则其密度越大，表达式为： p x = 1 0 拓历惭) 式中： 一一某粒径d 集料的通过百分率，( ) ； d 一一集料的最大粒径，( m m ) 。 ( 2 ) 泰波级配理论 a n 泰波( t a l b 0 1 ) 把富勒公式改变为如下通式： p f “0 0 吲m ) 式中：穰一集料各级粒径( r a m ) ； 只一一集料各级粒径的通过量( ) ； d 一一矿质混合料的最大粒径( m m ) ； n 一一实验指数。 此式当n = 0 5 时即富勒曲线。根据泰波的理论分析和实验认为n = 0 3 0 5 时， 都具有较好的密实度。此法也称为n 法。 e l t o n ( 1 9 8 9 ) 研究发现：减少和避免离析的最佳混合料级配设计并不是采用 同( a l i n e ，n = 0 4 5 ) 相一致的集料级配曲线，因为这种级配曲线直接导致沥青 混合料的空隙率低，可能使设计的路面出现泛油和表面构造深度小的缺点。因此， 选取最大密度级配曲线( a l i n e ，n = 0 4 5 ) 附近的良好级配，如图1 1 所示。 硕士学位论文 线，由于粗集料较多，这种级配曲线存在较高的离析可能性。同时还提出沥青含 量的高低也影响沥青混合料的离析程度，为了尽可能的减少和防止离析的发生， 在保证沥青路面不发生泛油和抗车辙性能降低的情况下，沥青含量应该足够高并 充分包裹集料。我国一些省份也根据各自的研究情况，在集料级配曲线上提出了 多种有效的改进型级配。 1 2 2 2 沥青混合料施工控制 现在沥青层的集料粒径普遍偏粗，与其相匹配的压实厚度偏薄，不利于压实， 也不利于矿料骨架的形成，同时会使离析出现的可能性大幅增加。国外通常认为 结构层厚度宜为公称最大粒径的2 5 ( 如澳大利亚) 3 ( 如美国s u p e r p a v e ) 倍。 应根据集料粒径采用合理的沥青混合料压实层厚度。 各层沥青混合料应该满足所在层位的功能性要求，便于施工，还要保证不易 发生离析。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。对于热拌热铺密级配沥青混合料，沥青层单层的压实厚度不宜小于集料公 称最大粒径的2 5 3 倍，对于s m a 和o g f c 等嵌挤型混合料不宜小于公称最大粒 径的2 2 5 倍，以减少离析，便于压实。 澳大利亚沥青混合料手册中规定结构层厚度至少为混合料公称尺寸的2 5 倍，以便于压实。具体规定如表1 1 所示。 表1 1 澳大利亚热拌沥青混凝土 美国a s t e c 公司使用高精度的红外线摄像机对摊铺作业进行拍摄，发现温 度离析的程度比人们估计的要大得多，1 4 3 的沥青混合料装入自卸卡车，运距仅 为1 6 - 2 4 k m ，到达摊铺施工现场时，沥青混合料的温度差别竟然达到4 4 ，摊铺 面上有些区域的温度竟低至9 9 。 因此，研究者提出，沥青混合料的运输应尽量采用大吨位的车辆，最好在1 5 吨以上，特别是在气温低、运输距离长的情况下，这样有利于沥青混合料的保温。 同时可以在运输过程中采用双层篷布中间加海绵以减少热量的损失。江苏省进行 了一系列的跟踪调查，得出采取不同保温措施运料车表面温度变化的值，如表1 2 所示： 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 从表中可以得出：运料车双层中间海绵覆盖温度损失很慢，效果很好，有利 于控制摊铺时候温度离析的发生。 1 2 3 评价离析的指标研究现状 1 2 3 1 传统的识别评价指标 美国国家交通研究委员会( t r b ) 开展了国家联合公路研究项目“热拌沥青 混合料路面的离析( n c h r p 4 1 1 ) ，提出以沥青混合料级配组成变化和空隙率的 差别为判断混合料离析程度的标准，该项目的研究成果使人们对离析的危害有了 更为具体直观的认识。 1 2 3 2 无损识别评价指标 2 0 0 0 年奥本大学国家沥青技术研究中心利用热成像和激光断面仪，采用温度 差指标来作为评价离析的指标。2 0 0 3 年，弗吉尼亚州工学院、州立大学和交通研 究所共同提出用表面宏观构造深度的标准偏差作为评价路面均匀性的方法。 m a n n i n g 和h o l t 结合使用探地雷达g p r 和红外热成像技术，从沥青混合料深度 方向上的特征和混合料表面的热量特征，综合定义识别非均匀性的程度。2 0 0 6 年， 陈少幸等【3 l 】提出采用p q i ( p a v e m e n tq u a l i t yi n d i c a t o r ) ，以检测出的路面空隙率 为指标，直观定性地分析路面离析情况。 1 2 3 3 基于数字图像处理技术的评价指标 2 0 0 1 年t a s h m a n 等人把混合料的水平截面和竖直截面划分成等面积的内外两 区域，选用能描述这些区域内集料平均粒径差异的参数作为指标，来评价离析。 2 0 0 3 年，华南理工大学道路工程研究所开发了基于数字图像技术的沥青混合料路 面表面构造深度检测方法，并以沥青路表面构造深度信息作为评价路面表面离析 的识别指标。基于数字图像处理技术，2 0 0 4 年a e h u n t e r 等人提出两种通过比较 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。 1 3 本文研究的主要内容 我国高速公路沥青路面发生的一些早期破坏现象，如孤立的水破坏造成的网 裂、变形和坑洞、局部严重车辙、局部泛油、横向裂缝多、新铺沥青路面面层的 表面构造深度变异性大，以及路面初始平整度水平不高和不平整度发展快等，都 硕十学位论文 于沥青混凝土的不均匀性有关。提高沥青混凝土的均匀性，控制和减少沥青路面 面层的离析现象，尤其是粗集料含量过多、公称粒径较大的沥青混合料离析，对 提高路面的使用质量，减少甚至消除沥青路面的多种早期破坏现象以及保证路面 在设计年限内的服务能力和使用寿命具有十分重要的意义。 集料离析和温度离析是造成沥青路面出现早期破坏的主要原因之一。温度离 析需要专门的仪器才能检测出来，集料离析在施工过程中通过仔细观察也可以发 现。但对于较细级配的面层，离析造成的路面破坏并不是很快的显现出来，同时 由于主观性原因的存在，在施工过程中不容易用肉眼观察到离析点，而在路面投 入使用的6 1 2 个月后，路面摊铺过程中存在的离析点就出现局部疏松、剥落和坑 槽等病害。因此，研究定量评价沥青混合料离析的方法和指标具有非常重要的意 义。 目前，国内外关于沥青混凝土的均匀性的定量评价不是很多，主要集中在利 用其它非直接的参数指标( 如铺设温度、密度) 来间接评价均匀性，这些方法多 是通过大量实践建立的经验指标来评价离析程度，亦都有各自的局限性。同时受 客观原因的影响，许多指标都是单独的评价表面特征、温度特征或是沿深度方向 的均匀性特征。因此，本文基于分形理论提出描述沥青混合料离析的指标；以激 光构造深度仪为测量手段，获得能描述沥青混合料均匀性程度的路面表面曲折边 界；运用数学软件m a t l a b 计算分析新提出的指标。本文进行以下几方面的研究： ( 1 ) 结合分形理论，计算分析沥青路表面曲折边界的分维数值，论证采用分 维值作为评价沥青路表面的均匀性指标的可行性，探讨轮廓曲折边界的分维数值 在评价面层均匀性中的应用； ( 2 ) 参考大量文献，采用数学软件m a t l a b 计算沥青路表面轮廓曲折边界的 分维数值，对计算时的参数设定进行分析，以实现定量、准确地描述路面表面内 在特性； ( 3 ) 进一步研究沥青混合料集料级配的分形行为，探讨分形特征发生突变时 的特定尺度值以及无标度区间值作为评价均匀性的可能性。 本文提出的沥青混合料离析的激光构造深度仪检测技术以及判别均匀性的指 标，为沥青混凝土路面的离析提供了一种快速、连续的无损检测手段和有效的评 价标准。本文的研究成果是对现有评价离析指标体系的补充，对于提高我国沥青 路面施工过程中的离析检测技术水平、降低沥青路面的早期破坏具有重要的理论 意义和工程价值。 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 第2 章沥青混合料离析评价方法和分形基本理论 2 1 沥青混合料离析 美国热拌沥青混合料铺面手册【3 2 1 ( 2 0 0 0 版) 对沥青混合料的离析现象描述如 下：离析是混合料中粗集料从混合料的剩余部分分离出料的现象。离析是混合料 在生产、运输和摊铺过程中的操作不当引起的。当在铺面工程中出现离析，则很 可能导致路面长期病害形式( 如表面波浪和不良压实) 的产生。在混合料由沥青 拌合场转到贮料仓，从贮料仓装到运料车，又从运料车运到摊铺机料斗中的过程， 都有可能发生离析。离析表现为混合料粗细集料和沥青含量不均匀，如在同一区 域内粗细集料不均匀，偏离了设计级配，沥青含量于设计的最佳含量不一致等【5 3 3 - 3 5 1 o 2 1 1 沥青混合料离析的类型 2 1 1 1 离析的基本类型 ( 1 ) 粗集料离析 当集料级配出现过多粗集料和细集料不足时发生粗集料离析。粗集料离析表 现为沥青含量低，密度小( 空隙率大) ，沥青路面表面构造粗糙，抗车辙能力差以 及会出现加速疲劳破坏( w i l l i a m s ，e ta 1 ( 1 9 9 6 ) ) 【3 引。粗集料离析被认为是最常见 的离析破坏类型。 ( 2 ) 细集料离析 当集料级配出现过多细集料和粗集料不足时发生细集料离析。细集料离析常 表现为沥青含量过高，空隙率小，沥青路面表面构造平缓，抗车辙能力差，但有 良好的抗疲劳破坏能力( w i l l i a m s ，e ta 1 ( 1 9 9 6 ) ) 。 2 1 1 2 宏观上沥青混合料的离析类型 造成沥青路面不均匀的原因是沥青混合料粗细集料离析和施工时混合料温度 不均匀导致的压实度差异，分别叫集料离析和温度离析。 ( 1 ) 集料离析 热拌沥青混合料在生产、运输、摊铺过程中的不当操作造成混合料粗细集料 分布不均，产生离析。粗骨料较为集中的地方沥青路面的空隙率较大、沥青含量 低，导致沥青路面产生水损害及耐久性降低，从而产生疲劳裂缝、坑洞以及剥落 等其它病害；细集料较为集中的区域沥青路面的空隙率小、沥青含量大，容易产 硕上学位论文 生车辙、泛油等病害。 ( 2 ) 温度离析 热拌沥青混合料在储存、运输及摊铺的过程中，由于不同位置混合料的热量 损失不一致，导致混合料的温度差异，产生温度离析。运料车表面的混合料、运 料车车箱的两侧以及摊铺机两翼的混合料易产生温度离析。施工过程中的沥青混 合料温度离析无法直接用肉眼察觉到，必须借助温度监测设备来判断路面温度的 均匀性。由于沥青混合料对温度非常敏感，如果在摊铺过程中出现温度离析，在 相同的碾压工艺下，将出现压实效果的不同。这样，沥青面层的密实度不均匀， 路面的平整度降低，摊铺和碾压温度较低的路面区域容易出现初期和早期的破坏。 ( 3 ) 集料一沥青离析 含油量较大的混合料易发生这种离析，类似于沥青混合料的析漏。 2 1 1 3 沥青路面离析的种类 ( 1 ) 端部离析 端部离析是最常见的离析形式之一，它在刚摊铺完的路面上出现规则的翼状 离析，翼状的离析区域粗集料比较集中，细集料、沥青含量较少，空隙率较大， 表面纹理深；而在中央区域细集料较多，比较密实，表面纹理较浅。与原设计相 比，这些离析区域的混合料级配更像开级配，如果离析较为严重，沥青路面短期 内将会破坏，路面出现坑洞。在采用一台摊铺机施工的沥青路面的中、下面层， 端部离析现象比较严重，通常上面层由于集料粒径较小，端部离析现象不太明显。 ( 2 ) 带状离析 带状离析也是比较常见的一种形式，对于公称最大粒径较大的沥青混合料， 在施工的过程中，由于摊铺设备或摊铺机操作的问题造成带状离析比较明显，如 熨平板安装不当、螺旋布料器转速不够、摊铺机卡料、摊铺机螺旋布料器分段不 连续等。通常出现在摊铺机的中央，也有位于边缘或其它部位，上、中、下面层 都有可能出现这种情况。 ( 3 ) 接缝离析 接缝离析出现在摊铺宽度的边缘处的纵向热接缝是沥青面层质量最薄弱的环 节，其原因是由于摊铺机的螺旋布料器的转速不够，导致粗集料滚到了摊铺区域 的边缘而形成。接缝处沥青混合料过多将会影响接缝两侧的压实；沥青混合料较 少则出现接缝处压实不足。此外，接缝离析常同端部离析或其它形式离析形成组 合效应，因给予高度重视。 ( 4 ) 块状离析 块状离析一般呈等距离分布，形成的根本原因是沥青混合料级配发生变化。 常由于在施工过程中，摊铺机的摊铺作业不是连续进出料造成。 基于分形理论沥青路表面离析判别方法研究 ( 5 ) 随机性离析 随机性离析的原因般较难确定。由于原材料、拌合设备和摊铺设备的原因， 都会形成随机性离析。般来说，连续性拌和楼和间歇式拌和楼均会出现随机性 离析，施工中的各环节也会造成随机性离析，如碾压不及时、低气温施工随意停 机或保温措施不够。 2 1 2 沥青混合料离析的危害、成因和施工控制方法 沥青混凝土路面摊铺时混合料离析，将会造成局部空隙率过大而透水。路面 的水损坏常发生在路面的局部，轻微水损坏是在路面上偶尔出现的小坑，严重的 水损坏是在行车道上又一段段的损坏，甚至又连续几公路的损坏发生。沥青混合 料的离析和沥青路面的局部压实度不均匀是造成路面局部损坏的原因。粗集料集 中的部位常表现为空隙率过大，沥青含量偏少，离析区域很容易出现剥落，将加 速出现水损坏，易于形成坑槽。如果离析很严重时，整个路面都会松散破碎。粗 集料偏多的部位，沥青混合料拉伸强度低，抗裂性能差，疲劳寿命降低。离析不 管是以局部粗集料集中的方式还是纵向或是横向离析的方式出现，都会影响路面 的长期性能。相反，细集料集中的部位表现为空隙率过小，将会导致路面抗车辙 能力差，易产生永久变形并出现泛油。 在沥青混合料生产和路面铺筑的过程中，产生离析现象的施工原因较多，沥 青混合料中矿料粒径愈大，愈容易产生离析现象；沥青混合料向自卸车厢内装载 时，混合料下落的高度愈大，大碎石愈容易流到料堆的四周下部，如混合料下落 到车厢的固定位置，料堆愈高，其四周的大碎石愈多。这都会是产生片状离析的 根源。产生条带状离析现象的根源是在摊铺及的螺旋分料器和熨平板安装得不到 协调或有了小问题，或愈螺旋分料器的固定料有关，摊铺机后面的离析现象，特 别是表面层的离析现象，应该及时人工补适量的细沥青混合料予以补救。 对于常见的集料离析和温度离析产生的原因，归结起来主要就是以下几点： 在沥青混合料拌和过程中，拌和时间不足或温度过低造成的不均匀是集料 离析的主要原因。 运输过程中会造成集料和温度离析。在装卸混合料时，大粒径的集料向下 滚，而细集料滚得少。在运输过程中必然会降温，但由于混合料所处的位置不同， 热量的损失程度不同，降温的程度也是不一样的，尤其是当对运输的混合料不采 取保温措施时，表面降温快，内部降温慢。降温程度还与众多因素密切相关，如 天气、环境条件、混合料类型、车载厚度。 摊铺过程中的混合料在摊铺机中向两边滚动，造成离析，在全幅摊铺时更 为明显。 沥青混合料压实不均匀。 硕十学位论文 为了解决沥青混合料的离析，可以从以下几点措施考虑： 加强集料生产管理，仔细清除料场覆盖层，使用合格的均质集料。 拌和厂应该将集料堆放在硬化的地面上，细集料要加盖棚盖。 运料车每次卸料都要运动位置，上面加盖毡布，中途不得休息或停留。 加强压实，有几台压路机均匀压实，初压要紧跟摊铺机碾压。 控制矿料含水量的差异，必要时将矿料堆放在避雨处：如果矿料湿度差异 过大，应用添料车翻拌，使其湿度均匀。 控制矿料加热温度，要适时调节，确保热矿料温度的一致性。 控制干拌与湿拌时间，确保混合料拌和均匀，对运料车采取保湿防水措施， 避免表面的混合