瀝青混凝土路面不均勻性的形成機(jī)理分析及其控制措施

譚發(fā)茂，皋北，范連東，夏詠冰

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

0 引言

近10年來(lái)，我國(guó)的高速公路發(fā)展迅猛。截止2009年底，高速公路通車?yán)锍掏黄屏?.5萬(wàn)km。在通車的高速公路中，瀝青混凝土路面約占80%以上。然而瀝青路面的早期破壞一直是我國(guó)工程界的一大難題。研究表明，瀝青路面的不均勻和瀝青混合料離析是路面早期破壞的主要原因[1]。瀝青路面的不均勻性和瀝青混合料（Hot-mixed-asphalt）離析，就是組成瀝青混合料的粗、細(xì)集料和瀝青含量以及路面成型溫度的不均勻[2-3]。在水存在的條件下，瀝青路面中的局部不均勻，即已產(chǎn)生離析的瀝青混合料受汽車動(dòng)荷載作用時(shí)會(huì)加速破壞，從而產(chǎn)生車轍、推移、泛油、擁包、脫落、松散、裂縫、透水、卿漿等早期破壞現(xiàn)象。路面使用壽命和行車舒適性下降，路面的預(yù)期壽命甚至只有設(shè)計(jì)壽命的50%[4]，嚴(yán)重影響道路的使用和行駛安全，同時(shí)也帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5]。

因此，對(duì)瀝青路面離析的研究具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。特別是施工企業(yè)的有關(guān)人員，了解瀝青混凝土路面不均勻性的形成機(jī)理，從而在施工中對(duì)其加以控制，對(duì)提高路面的施工質(zhì)量和使用性能具有十分重要的意義。

目前我國(guó)現(xiàn)行施工規(guī)范尚缺乏離析控制的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于離析控制的論文，一般基于定性的分析，沒(méi)有從離析形成的根本原因進(jìn)行研究，提出的控制措施也大多是經(jīng)驗(yàn)性的總結(jié)[6-22]，對(duì)離析的控制不能起到標(biāo)本兼治的作用。本文從瀝青混合料的組成特點(diǎn)及其強(qiáng)度影響因素分析入手，通過(guò)路面施工過(guò)程中混合料離析的機(jī)理分析，提出相應(yīng)的行之有效的路面均勻性控制措施。

1 瀝青混合料的基本力學(xué)特性

瀝青混合料是由瀝青、粗集料、細(xì)集料和填料按一定的比例拌和而成的一種復(fù)合材料。由于組成材料的差異和級(jí)配的不同，可形成不同的組織結(jié)構(gòu)，在不同的溫度、荷載及不同的加載方式下，表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性[23]。

瀝青混合料的基本力學(xué)特征是顆粒性和黏彈性[24]。

瀝青混合料顆粒性特征主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：由顆粒性的礦料組成；顆粒的自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混合料的強(qiáng)度；受外力作用，顆粒間發(fā)生錯(cuò)位與移動(dòng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形和破壞。

瀝青混合料的黏彈性特征主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：混合料的力學(xué)特征與加速率有關(guān)，速率越大，其所表現(xiàn)出來(lái)的破壞極限強(qiáng)度和剛度均會(huì)增加；材料的力學(xué)特性對(duì)溫度十分敏感，溫度越高，材料的物理特征表現(xiàn)為變軟，強(qiáng)度和剛度會(huì)變??；材料具有十分明顯的徐變和松弛試驗(yàn)現(xiàn)象。

由于瀝青混合料的顆粒性和黏彈性特點(diǎn)，混合料中組成成分的變化和溫度的變化對(duì)其強(qiáng)度和使用性能影響非常顯著。因此，也反映了施工過(guò)程中混合料的集料離析控制和溫度離析控制的重要性[25]。

瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度可以按庫(kù)侖理論予以表征，即在外力作用下混合料不發(fā)生剪切滑移時(shí)應(yīng)滿足下列條件：

式中：τ為剪切應(yīng)力；c為材料黏結(jié)力；σ為正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角。

由于瀝青混合料材料組成結(jié)構(gòu)的顆粒性及其力學(xué)特性方面所表現(xiàn)出來(lái)的黏彈性性質(zhì)，瀝青品質(zhì)與用量、集料性質(zhì)與級(jí)配、集料品質(zhì)與用量、集料骨架結(jié)構(gòu)、瀝青與集料的相互作用、瀝青混合料的密實(shí)度、溫度和荷載等混合料內(nèi)在參數(shù)的變化，都將影響混合料的強(qiáng)度和性能。

集料級(jí)配不同可改變集料的空隙率，從而使瀝青混合料的黏結(jié)力、抗疲勞性、耐久性均受到影響。集料級(jí)配還影響混合料內(nèi)摩擦力的大小，從而影響其強(qiáng)度和變形性能。

在材料組成相同的情況下，最高密實(shí)度可獲得最高的強(qiáng)度。而密實(shí)度與碾壓溫度有密切的關(guān)系。

由此顯示級(jí)配離析和溫度離析對(duì)路面均勻性與耐久性所構(gòu)成的影響。

2 瀝青混合料離析的機(jī)理及其控制措施

瀝青混合料的離析包括級(jí)配離析和溫度離析。由于溫度離析的形成機(jī)理和控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，本文重點(diǎn)研究級(jí)配離析的形成機(jī)理及其控制措施。

瀝青混合料級(jí)配離析主要包括瀝青含量離析和粗細(xì)集料離析。粗細(xì)集料離析又可分為骨料離析和填料離析。其中，瀝青含量離析和填料離析主要是在拌和過(guò)程中形成的，形成原因相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也相對(duì)比較容易控制。因此，本文主要對(duì)骨料離析進(jìn)行探討。

為了清楚地了解瀝青混合料骨料離析和離析過(guò)程中粒料運(yùn)動(dòng)的物理力學(xué)現(xiàn)象，根據(jù)骨料顆粒受力的特征的不同，將路面施工階段歸納為三個(gè)過(guò)程，即裝卸料過(guò)程；水平運(yùn)輸和傳送過(guò)程；螺旋布料過(guò)程。

2.1 裝卸料過(guò)程的離析及其控制措施

裝卸料過(guò)程是一個(gè)混合料拋投的過(guò)程或混合料堆滑塌的過(guò)程，粒料主要是在自身重力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。拋投的過(guò)程是一個(gè)自由落體的過(guò)程，滑塌的過(guò)程是一個(gè)混合料在自重作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。運(yùn)動(dòng)的物體產(chǎn)生動(dòng)能：

式中：E為顆粒產(chǎn)生的動(dòng)能；m為顆粒的質(zhì)量；v為顆粒的速度。

在這個(gè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由上述動(dòng)能公式可以清楚地知道，粗骨料顆粒由于質(zhì)量較大，動(dòng)量也就較大，細(xì)骨料顆粒則動(dòng)量較小。此外，當(dāng)骨料顆粒向下滾落時(shí)，同樣的滾動(dòng)速度，粗骨料的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也相對(duì)較大。

當(dāng)卸料中心形成堆狀或斜面時(shí)，混合料卸到堆體或斜體表面上，受力示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 混合料受力示意圖

圖中，τ為混合料顆粒的剪切應(yīng)力（σ=mgsin θ）；θ為料堆的休止角；S為接觸面積；mg為骨料顆粒受到的重力；v為骨料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。

由受力情況可以明顯地看出，剪切力小于自重產(chǎn)生向下滑動(dòng)分力，或者顆粒向堆腳運(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服阻力（包括摩阻和黏結(jié)力）所做的功小于顆粒所具有的動(dòng)能時(shí)，顆粒就會(huì)向坡腳運(yùn)動(dòng)。

因此，當(dāng)卸料中心形成錐體堆狀或斜面時(shí)，如果混合料顆粒卸到錐體或斜坡表面，在阻力作用相同的情況下，細(xì)骨料顆粒由于動(dòng)量較小就停留在錐體表面上，而粗骨料顆粒則能克服阻力繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)，相對(duì)集中在錐體腳或斜坡底。從而，出現(xiàn)粗細(xì)骨料分離，即骨料離析。也就出現(xiàn)了運(yùn)輸車廂板和車廂底粗骨料相對(duì)集中的離析現(xiàn)象。

分析表明，降低拋投高度和傾倒料高度，降低顆粒產(chǎn)生的動(dòng)能，有利于減少骨料離析的發(fā)生。因此，裝料過(guò)程要求運(yùn)料車必須前后緩慢移動(dòng)至少3次，或者分次卸料，要求按中間—前方—后方連續(xù)3次。這樣可有效地避免混合料在裝料過(guò)程中形成集料窩而導(dǎo)致粗細(xì)顆粒分離的現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）[26]。采用合理的堆料技術(shù)，就可以減少堆放集料離析。

在拌和站卸料斗和儲(chǔ)料倉(cāng)出料口距離料車車廂底部距離過(guò)高的情況下，可以設(shè)置卸料滑槽裝置，以降低拋投高度。在運(yùn)輸車向攤鋪機(jī)料斗卸料時(shí)，注意起斗應(yīng)緩慢平穩(wěn)，盡量降低卸料高度，以減少混合料顆粒初始動(dòng)能，從而避免離析的發(fā)生。

2.2 水平運(yùn)輸和傳輸過(guò)程的離析及其控制措施

混合料在水平運(yùn)輸和傳輸過(guò)程中，骨料顆粒除了受重力作用之外，在運(yùn)輸車加減速或水平刮板刮料過(guò)程中，受到的水平作用力：

圖2 混合料裝載方式

式中：F為顆粒受到的水平作用力；a為顆粒產(chǎn)生的水平加速度；m為顆粒質(zhì)量。

這個(gè)過(guò)程同樣是粗顆粒的慣性大，細(xì)顆粒慣性小，當(dāng)水平加速度過(guò)大，慣性力大于顆粒間的黏聚力和摩阻力之和時(shí)，混合料將產(chǎn)生運(yùn)輸和傳輸離析。

在水平運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，由于慣性力的作用，使粗骨料顆粒再一次向運(yùn)輸車廂板集中，混合料產(chǎn)生第二次離析，加大了裝料過(guò)程產(chǎn)生的離析。如果水平傳輸過(guò)程的操作不當(dāng)，還將使相對(duì)集中的粗骨料離析區(qū)域離析的加劇。相對(duì)集中的粗骨料在攤鋪以后形成路面的局部粗骨料集中，從而形成路面的局部不均勻現(xiàn)象。

以上分析表明，要減少水平運(yùn)輸和傳輸過(guò)程的離析，應(yīng)特別注意避免過(guò)程中的過(guò)大加減速度，盡可能保持平穩(wěn)的運(yùn)輸和傳輸速度，以減少離析的發(fā)生。

因此，路面施工中應(yīng)注意：

1）運(yùn)輸車起步和停車要平穩(wěn)，避免急剎、急停和猛拐現(xiàn)象發(fā)生。

2）采用并機(jī)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)，避免過(guò)長(zhǎng)的水平螺旋傳輸。在采用單機(jī)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，攤鋪寬度大，混合料的水平螺旋傳輸距離長(zhǎng)，骨料容易產(chǎn)生離析。有試驗(yàn)表明，單機(jī)攤鋪寬度為10.5 m時(shí)，取樣試驗(yàn)結(jié)果顯示，路面左右兩側(cè)大骨料占64%，而路面中間僅為35%，均超出規(guī)定的級(jí)配范圍。因此，在攤鋪寬度較大時(shí)，應(yīng)采用多幅攤鋪的方式，每幅寬度最好不超過(guò)6～7 m。這樣可以減少骨料水平加速的幾率和水平傳輸?shù)木嚯x，減少離析的發(fā)生。

3）保持連續(xù)穩(wěn)定攤鋪，防止停機(jī)待料。連續(xù)、穩(wěn)定的攤鋪，目的也是減少骨料水平加速的幾率和水平傳輸?shù)木嚯x，是減少離析的一個(gè)有效措施，也是保證瀝青面層平整均勻的關(guān)鍵。攤鋪速度要結(jié)合拌合機(jī)生產(chǎn)能力、運(yùn)輸能力、運(yùn)輸距離和碾壓能力進(jìn)行綜合考慮，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)配合比驗(yàn)證后確定?，F(xiàn)場(chǎng)攤鋪過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制攤鋪速度，不能忽快忽慢。

4）注意攤鋪機(jī)的行走速度以及料斗和布料器的操作。攤鋪機(jī)的行走速度和布料器的操作與操作人員的技藝水平密切相關(guān)，而這些問(wèn)題都是形成離析的主要原因。攏料應(yīng)在攤鋪機(jī)料斗水平刮板尚未露出（尚有10 cm左右熱料）前進(jìn)行，卸完料的料車也應(yīng)及時(shí)退出。在攏料結(jié)束，料斗兩翼恢復(fù)原位時(shí)，下一料車應(yīng)立即開(kāi)始卸料，做到連續(xù)供料。如果操作不當(dāng)，這個(gè)過(guò)程很容易出現(xiàn)塊狀離析。因此，攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)正確操作瀝青攤鋪機(jī)對(duì)減少瀝青混合料的離析很重要。正確操作方式為：正確操作接料斗兩翼邊斗升起，避免接料斗內(nèi)固定集料過(guò)多和翻動(dòng)過(guò)快，減少邊斗的翻起次數(shù)以減少瀝青混合料的移動(dòng)頻率和加速的幾率；控制布料器處于中檔或高檔位置；控制送料倉(cāng)開(kāi)口度；瀝青攤鋪機(jī)將要攤鋪完一車料時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制攤鋪機(jī)速度關(guān)閉送料器，等下一車倒入后再進(jìn)行。

2.3 螺旋布料過(guò)程的級(jí)配離析及其控制措施

在螺旋布料過(guò)程中，混合料顆粒產(chǎn)生沿布料器軸向的水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)混合料中的骨料顆粒與螺旋葉片或螺旋軸之間的黏結(jié)力和摩擦力之和大于骨料間的黏聚力和摩阻力之和時(shí)，顆粒由于受到切向力的作用而產(chǎn)生繞布料器旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)。因此，骨料顆粒受到離心力的作用。離心力計(jì)算公式：

式中：F為離心力；m為顆粒質(zhì)量；ω為螺旋布料器的角速度；R為顆粒距旋轉(zhuǎn)中心的距離。

從離心力計(jì)算公式可以明顯地看出：粗骨料受到的離心力大，當(dāng)離心力和水平慣性力的合力大于顆粒間的黏聚力和摩阻力之和時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生骨料離析。

由此可以清楚地看到：降低布料器的轉(zhuǎn)速和加大布料器半徑有利于減小離心力，從而減少離析的發(fā)生。

實(shí)際施工過(guò)程中可以采用下列具體措施：

1）盡量采用大直徑、低轉(zhuǎn)速的螺旋布料器。目前，ABG的新型號(hào)攤鋪機(jī)ABG-525相比較其它型號(hào)機(jī)型，因?yàn)榫哂懈蟮膭?dòng)力、更大的料斗、自動(dòng)化控制程度更高等特點(diǎn)，采用了大直徑螺旋布料器，可以有效地減少螺旋布料過(guò)程的離析。

2）在分料器螺旋葉片1/2處的邊端裝反向螺旋葉片，使兩端的瀝青混合料二次拌和。

3）降低螺旋布料器的高度，并使混合料的高度超過(guò)螺旋布料器1/3以上。

2.4 級(jí)配離析對(duì)路面結(jié)構(gòu)均勻性的影響

級(jí)配離析的結(jié)果是粗集料局部集中。粗集料集中的區(qū)域細(xì)集料減少，因而局部的空隙率偏大，直接導(dǎo)致路面透水。結(jié)構(gòu)層中的飽和水或過(guò)量水使其強(qiáng)度降低，是導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生早期破壞的根本原因。

級(jí)配離析引起混合料的不均勻，也導(dǎo)致混合料的和易性和壓實(shí)性能的不一致，因此導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)壓實(shí)度的不同，可能出現(xiàn)局部空隙率偏大的現(xiàn)象。有試驗(yàn)顯示，壓實(shí)度為100%，實(shí)際相當(dāng)于瀝青混凝土的空隙率約為4%，而壓實(shí)度為96%時(shí)，實(shí)際相當(dāng)于瀝青混凝土的空隙率約為8%。根據(jù)美國(guó)的透水性試驗(yàn)成果，只要混合料的現(xiàn)場(chǎng)空隙率小于8%，透水性不會(huì)成為一個(gè)明顯的問(wèn)題，但當(dāng)空隙率大于8%時(shí)，透水性就很快地增加。因此，混合料的離析和路面局部壓實(shí)不均勻是造成路面局部水損害的主要原因，也是造成路面早期破壞的原因[27-30]。

級(jí)配離析還將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度的降低，因此在外部荷載作用下造成路面結(jié)構(gòu)層裂縫，抗車轍能力下降，抗老化能力也下降。同時(shí)，開(kāi)裂的結(jié)構(gòu)層在水和荷載的同時(shí)作用下，加速了路面的破壞，從而路面的使用性能下降，使用壽命縮短。

3 結(jié)語(yǔ)

在路面施工中瀝青混合料的裝卸、水平運(yùn)輸和傳送、螺旋布料等階段，粗骨料顆粒受到的水平慣性力、離心力及自身重力大，產(chǎn)生的動(dòng)能大，而細(xì)骨料受到的水平慣性力、離心力及自身重力小，產(chǎn)生的動(dòng)能小，導(dǎo)致粗骨料顆粒容易產(chǎn)生離析。這是混合料離析產(chǎn)生的主要因素。

因此在路面施工過(guò)程中，要盡可能降低拋投高度和傾倒料高度，以減少骨料顆粒的動(dòng)量，盡可能勻速運(yùn)輸和傳送混合料，以減小顆粒的慣性；盡可能降低螺旋布料器的轉(zhuǎn)速，加大旋轉(zhuǎn)葉片（帶）的半徑，以減少顆粒受到的離心力作用，從而減少骨料離析?？刂坪眠@些主要環(huán)節(jié)，可以極大地減少混合料離析的產(chǎn)生。

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