沥青混凝土路面不均匀性的形成机理分析及其控制措施

谭发茂，皋北，范连东，夏咏冰

（1.天津大学，天津 300072；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088）

0 引言

近10年来，我国的高速公路发展迅猛。截止2009年底，高速公路通车里程突破了6.5万km。在通车的高速公路中，沥青混凝土路面约占80%以上。然而沥青路面的早期破坏一直是我国工程界的一大难题。研究表明，沥青路面的不均匀和沥青混合料离析是路面早期破坏的主要原因[1]。沥青路面的不均匀性和沥青混合料（Hot-mixed-asphalt）离析，就是组成沥青混合料的粗、细集料和沥青含量以及路面成型温度的不均匀[2-3]。在水存在的条件下，沥青路面中的局部不均匀，即已产生离析的沥青混合料受汽车动荷载作用时会加速破坏，从而产生车辙、推移、泛油、拥包、脱落、松散、裂缝、透水、卿浆等早期破坏现象。路面使用寿命和行车舒适性下降，路面的预期寿命甚至只有设计寿命的50%[4]，严重影响道路的使用和行驶安全，同时也带来巨大的经济损失[5]。

因此，对沥青路面离析的研究具有重要的工程意义和经济价值。特别是施工企业的有关人员，了解沥青混凝土路面不均匀性的形成机理，从而在施工中对其加以控制，对提高路面的施工质量和使用性能具有十分重要的意义。

目前我国现行施工规范尚缺乏离析控制的标准。国内外关于离析控制的论文，一般基于定性的分析，没有从离析形成的根本原因进行研究，提出的控制措施也大多是经验性的总结[6-22]，对离析的控制不能起到标本兼治的作用。本文从沥青混合料的组成特点及其强度影响因素分析入手，通过路面施工过程中混合料离析的机理分析，提出相应的行之有效的路面均匀性控制措施。

1 沥青混合料的基本力学特性

沥青混合料是由沥青、粗集料、细集料和填料按一定的比例拌和而成的一种复合材料。由于组成材料的差异和级配的不同，可形成不同的组织结构，在不同的温度、荷载及不同的加载方式下，表现出不同的力学特性[23]。

沥青混合料的基本力学特征是颗粒性和黏弹性[24]。

沥青混合料颗粒性特征主要表现在三个方面：由颗粒性的矿料组成；颗粒的自身强度远大于混合料的强度；受外力作用，颗粒间发生错位与移动，从而导致结构变形和破坏。

沥青混合料的黏弹性特征主要表现在三个方面：混合料的力学特征与加速率有关，速率越大，其所表现出来的破坏极限强度和刚度均会增加；材料的力学特性对温度十分敏感，温度越高，材料的物理特征表现为变软，强度和刚度会变小；材料具有十分明显的徐变和松弛试验现象。

由于沥青混合料的颗粒性和黏弹性特点，混合料中组成成分的变化和温度的变化对其强度和使用性能影响非常显著。因此，也反映了施工过程中混合料的集料离析控制和温度离析控制的重要性[25]。

沥青混合料的力学强度可以按库仑理论予以表征，即在外力作用下混合料不发生剪切滑移时应满足下列条件：

式中：τ为剪切应力；c为材料黏结力；σ为正应力；φ为内摩擦角。

由于沥青混合料材料组成结构的颗粒性及其力学特性方面所表现出来的黏弹性性质，沥青品质与用量、集料性质与级配、集料品质与用量、集料骨架结构、沥青与集料的相互作用、沥青混合料的密实度、温度和荷载等混合料内在参数的变化，都将影响混合料的强度和性能。

集料级配不同可改变集料的空隙率，从而使沥青混合料的黏结力、抗疲劳性、耐久性均受到影响。集料级配还影响混合料内摩擦力的大小，从而影响其强度和变形性能。

在材料组成相同的情况下，最高密实度可获得最高的强度。而密实度与碾压温度有密切的关系。

由此显示级配离析和温度离析对路面均匀性与耐久性所构成的影响。

2 沥青混合料离析的机理及其控制措施

沥青混合料的离析包括级配离析和温度离析。由于温度离析的形成机理和控制也相对简单，因此，本文重点研究级配离析的形成机理及其控制措施。

沥青混合料级配离析主要包括沥青含量离析和粗细集料离析。粗细集料离析又可分为骨料离析和填料离析。其中，沥青含量离析和填料离析主要是在拌和过程中形成的，形成原因相对比较简单，也相对比较容易控制。因此，本文主要对骨料离析进行探讨。

为了清楚地了解沥青混合料骨料离析和离析过程中粒料运动的物理力学现象，根据骨料颗粒受力的特征的不同，将路面施工阶段归纳为三个过程，即装卸料过程；水平运输和传送过程；螺旋布料过程。

2.1 装卸料过程的离析及其控制措施

装卸料过程是一个混合料抛投的过程或混合料堆滑塌的过程，粒料主要是在自身重力作用下产生运动。抛投的过程是一个自由落体的过程，滑塌的过程是一个混合料在自重作用下的运动过程。运动的物体产生动能：

式中：E为颗粒产生的动能；m为颗粒的质量；v为颗粒的速度。

在这个运动的过程中，由上述动能公式可以清楚地知道，粗骨料颗粒由于质量较大，动量也就较大，细骨料颗粒则动量较小。此外，当骨料颗粒向下滚落时，同样的滚动速度，粗骨料的转动惯量也相对较大。

当卸料中心形成堆状或斜面时，混合料卸到堆体或斜体表面上，受力示意图见图1。

图1 混合料受力示意图

图中，τ为混合料颗粒的剪切应力（σ=mgsin θ）；θ为料堆的休止角；S为接触面积；mg为骨料颗粒受到的重力；v为骨料颗粒的运动速度。

由受力情况可以明显地看出，剪切力小于自重产生向下滑动分力，或者颗粒向堆脚运动过程中克服阻力（包括摩阻和黏结力）所做的功小于颗粒所具有的动能时，颗粒就会向坡脚运动。

因此，当卸料中心形成锥体堆状或斜面时，如果混合料颗粒卸到锥体或斜坡表面，在阻力作用相同的情况下，细骨料颗粒由于动量较小就停留在锥体表面上，而粗骨料颗粒则能克服阻力继续往下运动，相对集中在锥体脚或斜坡底。从而，出现粗细骨料分离，即骨料离析。也就出现了运输车厢板和车厢底粗骨料相对集中的离析现象。

分析表明，降低抛投高度和倾倒料高度，降低颗粒产生的动能，有利于减少骨料离析的发生。因此，装料过程要求运料车必须前后缓慢移动至少3次，或者分次卸料，要求按中间—前方—后方连续3次。这样可有效地避免混合料在装料过程中形成集料窝而导致粗细颗粒分离的现象（见图2）[26]。采用合理的堆料技术，就可以减少堆放集料离析。

在拌和站卸料斗和储料仓出料口距离料车车厢底部距离过高的情况下，可以设置卸料滑槽装置，以降低抛投高度。在运输车向摊铺机料斗卸料时，注意起斗应缓慢平稳，尽量降低卸料高度，以减少混合料颗粒初始动能，从而避免离析的发生。

2.2 水平运输和传输过程的离析及其控制措施

混合料在水平运输和传输过程中，骨料颗粒除了受重力作用之外，在运输车加减速或水平刮板刮料过程中，受到的水平作用力：

图2 混合料装载方式

式中：F为颗粒受到的水平作用力；a为颗粒产生的水平加速度；m为颗粒质量。

这个过程同样是粗颗粒的惯性大，细颗粒惯性小，当水平加速度过大，惯性力大于颗粒间的黏聚力和摩阻力之和时，混合料将产生运输和传输离析。

在水平运输的过程中，由于惯性力的作用，使粗骨料颗粒再一次向运输车厢板集中，混合料产生第二次离析，加大了装料过程产生的离析。如果水平传输过程的操作不当，还将使相对集中的粗骨料离析区域离析的加剧。相对集中的粗骨料在摊铺以后形成路面的局部粗骨料集中，从而形成路面的局部不均匀现象。

以上分析表明，要减少水平运输和传输过程的离析，应特别注意避免过程中的过大加减速度，尽可能保持平稳的运输和传输速度，以减少离析的发生。

因此，路面施工中应注意：

1）运输车起步和停车要平稳，避免急刹、急停和猛拐现象发生。

2）采用并机摊铺作业，避免过长的水平螺旋传输。在采用单机摊铺作业时，摊铺宽度大，混合料的水平螺旋传输距离长，骨料容易产生离析。有试验表明，单机摊铺宽度为10.5 m时，取样试验结果显示，路面左右两侧大骨料占64%，而路面中间仅为35%，均超出规定的级配范围。因此，在摊铺宽度较大时，应采用多幅摊铺的方式，每幅宽度最好不超过6～7 m。这样可以减少骨料水平加速的几率和水平传输的距离，减少离析的发生。

3）保持连续稳定摊铺，防止停机待料。连续、稳定的摊铺，目的也是减少骨料水平加速的几率和水平传输的距离，是减少离析的一个有效措施，也是保证沥青面层平整均匀的关键。摊铺速度要结合拌合机生产能力、运输能力、运输距离和碾压能力进行综合考虑，经过生产配合比验证后确定。现场摊铺过程中，应严格控制摊铺速度，不能忽快忽慢。

4）注意摊铺机的行走速度以及料斗和布料器的操作。摊铺机的行走速度和布料器的操作与操作人员的技艺水平密切相关，而这些问题都是形成离析的主要原因。拢料应在摊铺机料斗水平刮板尚未露出（尚有10 cm左右热料）前进行，卸完料的料车也应及时退出。在拢料结束，料斗两翼恢复原位时，下一料车应立即开始卸料，做到连续供料。如果操作不当，这个过程很容易出现块状离析。因此，摊铺作业时正确操作沥青摊铺机对减少沥青混合料的离析很重要。正确操作方式为：正确操作接料斗两翼边斗升起，避免接料斗内固定集料过多和翻动过快，减少边斗的翻起次数以减少沥青混合料的移动频率和加速的几率；控制布料器处于中档或高档位置；控制送料仓开口度；沥青摊铺机将要摊铺完一车料时应适当控制摊铺机速度关闭送料器，等下一车倒入后再进行。

2.3 螺旋布料过程的级配离析及其控制措施

在螺旋布料过程中，混合料颗粒产生沿布料器轴向的水平运动，当混合料中的骨料颗粒与螺旋叶片或螺旋轴之间的黏结力和摩擦力之和大于骨料间的黏聚力和摩阻力之和时，颗粒由于受到切向力的作用而产生绕布料器旋转轴的运动。因此，骨料颗粒受到离心力的作用。离心力计算公式：

式中：F为离心力；m为颗粒质量；ω为螺旋布料器的角速度；R为颗粒距旋转中心的距离。

从离心力计算公式可以明显地看出：粗骨料受到的离心力大，当离心力和水平惯性力的合力大于颗粒间的黏聚力和摩阻力之和时，也会产生骨料离析。

由此可以清楚地看到：降低布料器的转速和加大布料器半径有利于减小离心力，从而减少离析的发生。

实际施工过程中可以采用下列具体措施：

1）尽量采用大直径、低转速的螺旋布料器。目前，ABG的新型号摊铺机ABG-525相比较其它型号机型，因为具有更大的动力、更大的料斗、自动化控制程度更高等特点，采用了大直径螺旋布料器，可以有效地减少螺旋布料过程的离析。

2）在分料器螺旋叶片1/2处的边端装反向螺旋叶片，使两端的沥青混合料二次拌和。

3）降低螺旋布料器的高度，并使混合料的高度超过螺旋布料器1/3以上。

2.4 级配离析对路面结构均匀性的影响

级配离析的结果是粗集料局部集中。粗集料集中的区域细集料减少，因而局部的空隙率偏大，直接导致路面透水。结构层中的饱和水或过量水使其强度降低，是导致沥青路面发生早期破坏的根本原因。

级配离析引起混合料的不均匀，也导致混合料的和易性和压实性能的不一致，因此导致路面结构压实度的不同，可能出现局部空隙率偏大的现象。有试验显示，压实度为100%，实际相当于沥青混凝土的空隙率约为4%，而压实度为96%时，实际相当于沥青混凝土的空隙率约为8%。根据美国的透水性试验成果，只要混合料的现场空隙率小于8%，透水性不会成为一个明显的问题，但当空隙率大于8%时，透水性就很快地增加。因此，混合料的离析和路面局部压实不均匀是造成路面局部水损害的主要原因，也是造成路面早期破坏的原因[27-30]。

级配离析还将导致路面结构层强度的降低，因此在外部荷载作用下造成路面结构层裂缝，抗车辙能力下降，抗老化能力也下降。同时，开裂的结构层在水和荷载的同时作用下，加速了路面的破坏，从而路面的使用性能下降，使用寿命缩短。

3 结语

在路面施工中沥青混合料的装卸、水平运输和传送、螺旋布料等阶段，粗骨料颗粒受到的水平惯性力、离心力及自身重力大，产生的动能大，而细骨料受到的水平惯性力、离心力及自身重力小，产生的动能小，导致粗骨料颗粒容易产生离析。这是混合料离析产生的主要因素。

因此在路面施工过程中，要尽可能降低抛投高度和倾倒料高度，以减少骨料颗粒的动量，尽可能匀速运输和传送混合料，以减小颗粒的惯性；尽可能降低螺旋布料器的转速，加大旋转叶片（带）的半径，以减少颗粒受到的离心力作用，从而减少骨料离析。控制好这些主要环节，可以极大地减少混合料离析的产生。

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