瀝青混凝土路面不均勻性的形成機理分析及其控制措施

譚發茂，皋北，范連東，夏詠冰

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

0 引言

近10年來，我國的高速公路發展迅猛。截止2009年底，高速公路通車里程突破了6.5萬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，即已產生離析的瀝青混合料受汽車動荷載作用時會加速破壞，從而產生車轍、推移、泛油、擁包、脫落、松散、裂縫、透水、卿漿等早期破壞現象。路面使用壽命和行車舒適性下降，路面的預期壽命甚至只有設計壽命的50%[4]，嚴重影響道路的使用和行駛安全，同時也帶來巨大的經濟損失[5]。

因此，對瀝青路面離析的研究具有重要的工程意義和經濟價值。特別是施工企業的有關人員，了解瀝青混凝土路面不均勻性的形成機理，從而在施工中對其加以控制，對提高路面的施工質量和使用性能具有十分重要的意義。

目前我國現行施工規范尚缺乏離析控制的標準。國內外關于離析控制的論文，一般基于定性的分析，沒有從離析形成的根本原因進行研究，提出的控制措施也大多是經驗性的總結[6-22]，對離析的控制不能起到標本兼治的作用。本文從瀝青混合料的組成特點及其強度影響因素分析入手，通過路面施工過程中混合料離析的機理分析，提出相應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特性

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

瀝青混合料的基本力學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在三個方面：由顆粒性的礦料組成；顆粒的自身強度遠大于混合料的強度；受外力作用，顆粒間發生錯位與移動，從而導致結構變形和破壞。

瀝青混合料的黏彈性特征主要表現在三個方面：混合料的力學特征與加速率有關，速率越大，其所表現出來的破壞極限強度和剛度均會增加；材料的力學特性對溫度十分敏感，溫度越高，材料的物理特征表現為變軟，強度和剛度會變小；材料具有十分明顯的徐變和松弛試驗現象。

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

瀝青混合料的力學強度可以按庫侖理論予以表征，即在外力作用下混合料不發生剪切滑移時應滿足下列條件：

式中：τ為剪切應力；c為材料黏結力；σ為正應力；φ為內摩擦角。

由于瀝青混合料材料組成結構的顆粒性及其力學特性方面所表現出來的黏彈性性質，瀝青品質與用量、集料性質與級配、集料品質與用量、集料骨架結構、瀝青與集料的相互作用、瀝青混合料的密實度、溫度和荷載等混合料內在參數的變化，都將影響混合料的強度和性能。

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

在材料組成相同的情況下，最高密實度可獲得最高的強度。而密實度與碾壓溫度有密切的關系。

由此顯示級配離析和溫度離析對路面均勻性與耐久性所構成的影響。

2 瀝青混合料離析的機理及其控制措施

瀝青混合料的離析包括級配離析和溫度離析。由于溫度離析的形成機理和控制也相對簡單，因此，本文重點研究級配離析的形成機理及其控制措施。

瀝青混合料級配離析主要包括瀝青含量離析和粗細集料離析。粗細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程中形成的，形成原因相對比較簡單，也相對比較容易控制。因此，本文主要對骨料離析進行探討。

為了清楚地了解瀝青混合料骨料離析和離析過程中粒料運動的物理力學現象，根據骨料顆粒受力的特征的不同，將路面施工階段歸納為三個過程，即裝卸料過程；水平運輸和傳送過程；螺旋布料過程。

2.1 裝卸料過程的離析及其控制措施

裝卸料過程是一個混合料拋投的過程或混合料堆滑塌的過程，粒料主要是在自身重力作用下產生運動。拋投的過程是一個自由落體的過程，滑塌的過程是一個混合料在自重作用下的運動過程。運動的物體產生動能：

式中：E為顆粒產生的動能；m為顆粒的質量；v為顆粒的速度。

在這個運動的過程中，由上述動能公式可以清楚地知道，粗骨料顆粒由于質量較大，動量也就較大，細骨料顆粒則動量較小。此外，當骨料顆粒向下滾落時，同樣的滾動速度，粗骨料的轉動慣量也相對較大。

當卸料中心形成堆狀或斜面時，混合料卸到堆體或斜體表面上，受力示意圖見圖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為骨料顆粒的運動速度。

由受力情況可以明顯地看出，剪切力小于自重產生向下滑動分力，或者顆粒向堆腳運動過程中克服阻力（包括摩阻和黏結力）所做的功小于顆粒所具有的動能時，顆粒就會向坡腳運動。

因此，當卸料中心形成錐體堆狀或斜面時，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，細骨料顆粒由于動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往下運動，相對集中在錐體腳或斜坡底。從而，出現粗細骨料分離，即骨料離析。也就出現了運輸車廂板和車廂底粗骨料相對集中的離析現象。

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

在拌和站卸料斗和儲料倉出料口距離料車車廂底部距離過高的情況下，可以設置卸料滑槽裝置，以降低拋投高度。在運輸車向攤鋪機料斗卸料時，注意起斗應緩慢平穩，盡量降低卸料高度，以減少混合料顆粒初始動能，從而避免離析的發生。

2.2 水平運輸和傳輸過程的離析及其控制措施

混合料在水平運輸和傳輸過程中，骨料顆粒除了受重力作用之外，在運輸車加減速或水平刮板刮料過程中，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為顆粒產生的水平加速度；m為顆粒質量。

這個過程同樣是粗顆粒的慣性大，細顆粒慣性小，當水平加速度過大，慣性力大于顆粒間的黏聚力和摩阻力之和時，混合料將產生運輸和傳輸離析。

在水平運輸的過程中，由于慣性力的作用，使粗骨料顆粒再一次向運輸車廂板集中，混合料產生第二次離析，加大了裝料過程產生的離析。如果水平傳輸過程的操作不當，還將使相對集中的粗骨料離析區域離析的加劇。相對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象。

以上分析表明，要減少水平運輸和傳輸過程的離析，應特別注意避免過程中的過大加減速度，盡可能保持平穩的運輸和傳輸速度，以減少離析的發生。

因此，路面施工中應注意：

1）運輸車起步和停車要平穩，避免急剎、急停和猛拐現象發生。

2）采用并機攤鋪作業，避免過長的水平螺旋傳輸。在采用單機攤鋪作業時，攤鋪寬度大，混合料的水平螺旋傳輸距離長，骨料容易產生離析。有試驗表明，單機攤鋪寬度為10.5 m時，取樣試驗結果顯示，路面左右兩側大骨料占64%，而路面中間僅為35%，均超出規定的級配范圍。因此，在攤鋪寬度較大時，應采用多幅攤鋪的方式，每幅寬度最好不超過6～7 m。這樣可以減少骨料水平加速的幾率和水平傳輸的距離，減少離析的發生。

3）保持連續穩定攤鋪，防止停機待料。連續、穩定的攤鋪，目的也是減少骨料水平加速的幾率和水平傳輸的距離，是減少離析的一個有效措施，也是保證瀝青面層平整均勻的關鍵。攤鋪速度要結合拌合機生產能力、運輸能力、運輸距離和碾壓能力進行綜合考慮，經過生產配合比驗證后確定。現場攤鋪過程中，應嚴格控制攤鋪速度，不能忽快忽慢。

4）注意攤鋪機的行走速度以及料斗和布料器的操作。攤鋪機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，而這些問題都是形成離析的主要原因。攏料應在攤鋪機料斗水平刮板尚未露出（尚有10 cm左右熱料）前進行，卸完料的料車也應及時退出。在攏料結束，料斗兩翼恢復原位時，下一料車應立即開始卸料，做到連續供料。如果操作不當，這個過程很容易出現塊狀離析。因此，攤鋪作業時正確操作瀝青攤鋪機對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，避免接料斗內固定集料過多和翻動過快，減少邊斗的翻起次數以減少瀝青混合料的移動頻率和加速的幾率；控制布料器處于中檔或高檔位置；控制送料倉開口度；瀝青攤鋪機將要攤鋪完一車料時應適當控制攤鋪機速度關閉送料器，等下一車倒入后再進行。

2.3 螺旋布料過程的級配離析及其控制措施

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

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

從離心力計算公式可以明顯地看出：粗骨料受到的離心力大，當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，也會產生骨料離析。

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

實際施工過程中可以采用下列具體措施：

1）盡量采用大直徑、低轉速的螺旋布料器。目前，ABG的新型號攤鋪機ABG-525相比較其它型號機型，因為具有更大的動力、更大的料斗、自動化控制程度更高等特點，采用了大直徑螺旋布料器，可以有效地減少螺旋布料過程的離析。

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螺旋布料器1/3以上。

2.4 級配離析對路面結構均勻性的影響

級配離析的結果是粗集料局部集中。粗集料集中的區域細集料減少，因而局部的空隙率偏大，直接導致路面透水。結構層中的飽和水或過量水使其強度降低，是導致瀝青路面發生早期破壞的根本原因。

級配離析引起混合料的不均勻，也導致混合料的和易性和壓實性能的不一致，因此導致路面結構壓實度的不同，可能出現局部空隙率偏大的現象。有試驗顯示，壓實度為100%，實際相當于瀝青混凝土的空隙率約為4%，而壓實度為96%時，實際相當于瀝青混凝土的空隙率約為8%。根據美國的透水性試驗成果，只要混合料的現場空隙率小于8%，透水性不會成為一個明顯的問題，但當空隙率大于8%時，透水性就很快地增加。因此，混合料的離析和路面局部壓實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]。

級配離析還將導致路面結構層強度的降低，因此在外部荷載作用下造成路面結構層裂縫，抗車轍能力下降，抗老化能力也下降。同時，開裂的結構層在水和荷載的同時作用下，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 結語

在路面施工中瀝青混合料的裝卸、水平運輸和傳送、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，產生的動能大，而細骨料受到的水平慣性力、離心力及自身重力小，產生的動能小，導致粗骨料顆粒容易產生離析。這是混合料離析產生的主要因素。

因此在路面施工過程中，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量，盡可能勻速運輸和傳送混合料，以減小顆粒的慣性；盡可能降低螺旋布料器的轉速，加大旋轉葉片（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。控制好這些主要環節，可以極大地減少混合料離析的產生。

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