沥青混合料回收料（精选11篇）
沥青混合料回收料 第1篇
1 温拌沥青混合料的目的
《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规定:沥青路面不得在气温低于10℃ (高速公路和一级公路) 或5℃ (其它等级公路) , 以及雨天、路面潮湿的情况下施工, 但是某些时候由于施工期较短, 为了工程进度在低温下铺筑沥青混合料的客观情况还是存在, 在低温下铺筑沥青路面容易出现以下问题:沥青混合料与环境温差大、降温快;摊铺困难, 平整度难以保证;压实困难, 难以获得理想的压实度和密水性。通过温拌沥青混合料能够很好地解决上述问题, 同时又能防止沥青混合料拌合过程中温度过高导致沥青老化, 还能起到节能减排的效果。
2 现有可实现温拌的技术
根据实现温拌方式的不同可分为四大类[3]。
2.1 泡沫沥青法
典型技术是WMA-Foam, 它是在拌和的不同阶段将软质沥青和硬质泡沫沥青加入到混合料中, 第Ⅰ阶段将温度为100~120℃的软质沥青加入到集料中进行拌和, 以达到良好裹覆;第Ⅱ阶段将极硬的沥青泡沫化后加入到预拌的混合料中再进行拌和。
2.2 沥青-矿物法
典型技术是Aspha-Min, 采用的矿物是一种合成沸石。在沥青混合料拌和过程中将这种粉末状材料 (大约0.3%) 加入进去, 从而使沥青连续地发泡反应。泡沫起到润滑剂的作用, 使混合料在较低温度 (120~130℃) 下具有可拌和性。
沸石 (水合硅酸铝结晶粉末) 由德国的Eurovia公司生产。沸石中含有约20%的结晶水, 在85℃以上时水分散失出来, 从而使沥青发泡。
2.3 表面活性剂法
目前国内用的比较多且较成熟的水溶液温拌添加剂主要是基于乳化平台技术的水溶液添加剂。该技术主要是通过将皂液浓缩液直接加入搅拌锅进行沥青混合料拌和从而降低混合料的拌和温度达到降温的作用效果, 其拌和温度通常为100~130℃, 施工所需设备和施工工艺与热拌沥青混合料基本相同。主要代表产品为:Evotherm DAT。
2.4 有机添加剂法
该类温拌添加剂目前以Sasobit合成蜡为主。
3 温拌与热拌沥青混合料的性能比较
本次试验以AC-13和SMA-13两种类型的沥青混合料通过温拌和热拌方式, 对它们的各项路用技术指标进行比较, 使我们对温拌沥青混合料的路用性能有了进一步的认识。
3.1 原材料性能
(1) 沥青。沥青采用韩国SK-70道路石油沥青, 抽检结果见表1, 显示沥青各项技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规定。改性沥青采用SBS改性剂, 改性剂用量采用5%, 具体性能指标见表1。
(2) 粗集料。粗集料应洁净、干燥, 表面形状为立方体, 且无风化、无杂质, 并有足够的强度、耐磨耗性。本试验采用的是玄武岩, 主要技术指标参数见表2。
(3) 细集料。细集料采用机制砂。机制砂应洁净、干燥、无风化、无杂物, 且有适当的颗粒级配, 同时要求与沥青有良好的粘附能力, 相关指标试验结果见表3。
(4) 填料。矿粉不得含有泥土等杂质, 应干燥、洁净、无团粒结块。其技术指标经检测结果见表4。
3.2 合成级配设计
本试验采用AC-13型沥青混凝土和SMA-13两种级配类型材料, 级配组成见表5。拌和沥青分别采用基质沥青和改性沥青, 拌和方式分别采用热拌和温拌, 本次温拌沥青主要是通过表面活性剂法 (DAT浓缩液) 来实现的, 温拌浓缩液与沥青质量比5∶95, 基于表面活性剂法的温拌沥青混合料在基本不改变沥青混合料材料配合比的前提下, 沥青混合料拌和温度大致降低30~40℃。
3.3 热拌沥青混合料和温拌沥青混合料路用性能评价
(1) AC-13温拌与热拌沥青混合料的性能对比见表6。
(2) SMA-13温拌与热拌沥青混合料的路用性能对比见表7。
从表7的数据对比, 可以看到温拌沥青混合料的路用性能符合热拌沥青混合料的技术要求, 由于温拌沥青混合料拌和温度降低30~40℃, 沥青老化降低, 所以温拌能够提高沥青混合料抗水损坏、抗车辙等性能。
3.4 温拌沥青混合料的压实性能
(1) 针对采用温拌和热拌不同方式下, AC-13改性沥青混合料在不同出料温度下试件的空隙率进行对比, 见表8。
从表8可以看到热拌AC-13混合料的空隙率随着温度的降低逐渐增大, 温拌改性沥青混合料在95~125℃温度区间内, 空隙率基本不变, 说明温拌沥青混合料的可压实性能基本变化不大。
(2) SMA-13温拌改性沥青混合料不同出料温度下试件的空隙率, 见表9。
从表9也可以看到温拌SMA-13与温拌AC-13混合料相类似, 温度处在110~130℃之间, 空隙率基本不变, 说明可压实性能基本变化不大。
4 结论
(1) 温拌沥青混合料降温效果显著, 通常比热拌沥青混合料温度低30~40℃, 缓解了热拌工艺环境下污染严重、能耗大、沥青老化等问题[4];
(2) 温拌沥青混合料的各项路用性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》相关要求, 水稳定性、抗车辙能力甚至优于热拌沥青混合料;
(3) 在某一温度范围内, 温拌沥青混合料的可压实性能随着温度变化不大, 保证了施工时有较长的压实时间, 有效地提高了路面压实度。
摘要：介绍了目前实现温拌的四种技术途径, 以表面活性剂法为例, 通过对温拌AC-13、热拌AC-13、温拌SMA-13、热拌SMA-13等几种混合料进行试验比较, 分析了温拌沥青混合料路用性能及其优势。
关键词：温拌沥青混合料,热拌沥青混合料,路用性能,比较
参考文献
[1]JTJ052-2000, 公路工程沥青及沥青混合料试验规程
[2]JTG F40-2004, 公路沥青路面施工技术规范
[3]王庆胜, 辛星, 杨数人.水溶液类温拌添加剂对沥青及混合料性能的影响[J].公路交通科技, 2011 (12) :94-97
沥青混合料接缝施工技术探析 第2篇
【关键词】沥青；接缝；施工
1、概述
随着人们经济水平的不断发展，道路车流量也飞速增涨，同时车辆要求路面的平整度等也越来越严格，但是路面施工遗留的各种接缝问题直接影响到人们的要求。路面遗留的施工接缝一般有横向和纵向两种，如果这种接缝处理的不好就会使路面的这个部分产生凹凸不平或者由于这个部位的压实不好而导致裂纹的产生，甚至压垮和压松。以上现象是施工过程中长见到的情况。即使用比较先进的宽幅摊铺机摊铺的情况下也会产生接缝，但是会相对的减少纵向接缝，或者每天都会产生一条横向工作缝。
2、接缝施工技术
2.1沥青路面横缝处理技术
道路横向施工接缝应在每天施工完成后进行处理。即在最后一辆运料车的混合料导入斗中并逐步使用完结的时候，摊铺机操作人员应随时注意输送器中的混合料的剩余量，注意把握摊铺机宽度范围内保持摊铺均匀，尽量使接缝垂直道路的中心线，一定不要出现斜线。
如果接缝位置预留的恰当(即在接缝位置的摊铺厚度与其他区域的厚度一致)，接口的截面与地面垂直，在下一天施工时调整摊铺机的参数与原来保持一致(即向新铺层错轮20~25cm与接缝平行碾压)等，这么处理可以使横缝变成平整度理想的接缝。
为了保证接缝的位置预留恰当，应当在已经完成摊铺的地方，沿路线纵向方向放多个三米尺，用来查找出已摊铺的表面或已铺层厚度开始发生变化的断面(已铺层表面与3m直尺底面开始脱离接触外)，利用锯缝机器将这个对面切割成垂直于地面的断面，并将切缝一侧不符合要求的尾部铲除。以上措施一般在在建摊铺层碾压完成后的当时完成。为方便去除不合格的混合料，已预先在预计摊铺结束的撒上一层薄砂层，或者用旧报纸摊铺，当摊铺机完成施工移走后，组织施工人员确定切割位置，并人工将摊铺末端的不合格混合料铲除并把断面处理成垂直面。下次开始施工前，将断面清扫干净，并刷上一层乳化沥青。再指挥摊铺机械倒驶至断面前，保证熨平板前缘位于断面约5cm的位置。这时候将2~3块垫木垫入，垫木厚度的计算方法为：垫木厚度=铺层压实厚度×松铺系数-压实厚度，完成这些准备工作后加热熨平板。
当摊铺机驶离接缝处时，堆积在出料口的剩余混合料将推动熨平板，这种结果将使熨平板被抬高并且在这个地方留下凸起。所以在摊铺开始的阶段应该控制攤铺机料斗中的混合料料不要过多，保持少量就行。如果料斗中的堆料高度不均匀可以人工加料，不要继续进行摊铺，防止摊铺机出料口中间部位堆料，产生隆起带。当摊铺机驶离断面时会在原来的铺层上留下混合料，必须有施工人员进行清理，并用粒径较细的混合料把接缝处的缝隙填补上。
横向接缝的碾压在整个压实工序中是非常关键的步骤，碾压时应首先是压路机垂直路中心线进行压实，这时为方便压路机行驶可以在路面两侧铺垫木板，操作时使压路机的轮子绝大部分在已压实的路面上，20cm左右的轮面压住新铺层，然后以20cm为单位逐步向新铺层方向压实行进。直至完成整个横行碾压过程。
2.2沥青路面纵缝处理技术
部分高等级公路对路面的质量要求较高，为了减少路面的纵向接缝，一般采用两台摊铺机相配合的摊铺方法，即一台在前，一台在后，同时进行摊铺，对于表面层宜采用宽幅摊铺机全幅摊铺沥青混合料(针对中央分隔带一侧仅两个行车道的双幅双车道高等级公路)。用两台摊铺机或梯队同步摊铺沥青混合料时应注意以下几点：
(1)两台摊铺机的前后距离宜为5~10m，使沥青混合料在高温状态下相接。
(2)两台摊铺机的结构参数和运行参数应调整成相等。
(3)接缝两侧摊铺层的横坡和厚度均应一致，搭接重叠应在6~10cm之间。
(4)后一台摊铺机在靠接缝—侧施加一热熨平板，后者跨接缝行走、熨平接缝。
由于路面的宽度太大不得不设置纵向接缝时，可以在先进行摊铺的铺层靠近另一条摊铺带的一侧设置一个挡板，并使其高度与摊铺层的厚度一样，这样摊铺后的纵向断面就会是一个垂直于地面的垂直面，如果不用挡板的话，摊铺并碾压后断面就会形成斜面，这样就会给相邻路面的摊铺施工带来不必要的困难，还得进行切割等工序，给施工带不便。摊铺时新混合料应叠在已铺带上5~10cm，以此加热接缝边邻的冷沥青混合料。开始碾压的，人工铲除重叠的混合料。
2.3宽幅沥青路面施工技术
为了大幅度提高路面的质量和车辆行驶的速度，当前规划并建设了大量超宽的路幅。但是，我国目前工程中使用的摊铺机的宽度一般都不超过12m，远远小于规划的16m的宽幅路面，这种情况导致了一些接缝必须存在的后果，我们下面将结合当前部分工程的施工着重探讨超宽路面的接缝处理工艺。
对于宽幅沥青路面施工，一般采用多机联合施工，纵向拼缝的处理成为一大难题。鉴于纵向拼缝处理的因素较多，只能通过层层分析逐一解决。
2.3.1从纵缝的摊铺基准着手，以往前机摊铺后第二台摊铺机的找平仪横杆自然就搁置于已摊路面上。为了防止操作工人和辅助人员工作时在已摊铺路面上留下的轻微脚印被摊铺机的找平设备探测到，反应到后摊铺的路面上，产生纵缝不平整，采取在找平探测杆上加装1m长的滑杆，通过加大接触面来减少和消除找平的误差，效果很好。
2.3.2摊铺机送料方法是：自卸卡车中的材料，通过铰轮输送到通过的熨平板前，机械振动和夯实是在全机宽进行，这样就造成机器中间的材料受到了正常的夯实，而前行的摊铺机在拼缝处受到的是无侧限夯实，两者之间的细微差异造成了拼缝处路面不够密实。
3、结语
沥青混合料接缝施工适当的处理了路面施工产生的各种接缝问题，提高了路面的施工质量，使道路交通的安全性、舒适性、快捷性、稳定性不断提高，保证了通车的畅通快捷。
沥青混合料中矿料级配的研究 第3篇
1级配设计
由于试验量的限制不可能考虑到所有级配情形, 本文粗集料的结果组成采用堆积密度试验进行逐级堆积, 得到间隙率较小的矿料级配作为优化后的粗集料合理结构组成, 通过选取典型的矿料级配进行重点研究。
1.1原材料
试验所用粗集料为漳州地区的灰绿岩碎石;细集料采用灰绿岩机制砂;将原材料筛分为单粒径进行试验研究。沥青采用厦门华特沥青实业有限公司70#A级道路石油沥青。
1.2堆积密度试验方案及结果
将原材筛分为单粒径, 然后将粗集料按照表2的试验方案进行不同比列混合, 按照T 0309-2005的试验方法进行堆积密度试验。通过逐级堆积密度试验, 从而得到不同粒径的堆积密度性质。
在阶段 (一) 验结果表明:粒径16∶13.2比例为1∶2时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;在阶段 (二) 中表明:粒径 (16~13.2) :9.5比例为1∶1时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;在阶段 (三) 中表明:粒径 (16~9.5) :4.75比例为1.5∶1时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;在阶段 (四) 中表明:粒径 (16~4.75) :2.36比例为4∶1时, 自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率均为最小值;随着较细的粗集料加入, 矿料间的自然堆积间隙率和捣实堆积间隙率越小。
由表2可以得到该粗集料的最佳级配比例为:16mm∶13.2mm∶9.5mm∶4.75mm∶2.36mm=2∶4∶6∶8∶5。
1.3典型级配的选取
本文选取了条典型的级配进行研究 (如表3) , 级配1~级配5代表5种关键筛孔通过率, 即为5种不同粗细比例的矿料级配;级配6~级配7、级配3代表粗集料相同, 细集料不同的级配。
2试验结果及分析
2.1沥青混合料的级配分形
所谓分形是一种散乱的延伸, 单结构却十分精细的图案, 如把它放大, 就会显示反复出现的细节, 相似的结构在所有尺度上都存在, 分形现象是一个重要特征就是自相似性, 应用中多是统计意义上自相似和局部一定尺度上的分型结构, 分形几何最重要的概念是分形位数, 简称分维。沥青混合料骨料级配具有突出的自相似性, 完全可以利用分形几何学进行研究, 而且骨料中存在几个层次的分形, 骨料表面就是一种分形, 不同集料混合后, 代表骨料尺寸的粒径就形成了一个分布, 这个分布函数就是一种数学分形。
对于骨料级配质量分维数的计算目前主要有两种方法: (1) 根据骨料通过各级筛孔的通过率用计算机迭代求出; (2) 利用ln (Mx/M) 与lnx的关系求出。现本文用第 (2) 种方法, 只要在双对数坐标ln (Mx/M) 与lnx函数图存在直线段, 就表明混合料骨料颗粒分布具有分形结构, ln (Mx/M) 与lnx关系用回归一次方程, 根据斜率有ln (Mx/M) = (3-D) lnx+a, 可求出D。由表3的级配可以得到级配对数表4;由表4可以得到各级配的一元线性回归方程表5
由上表4、表5可以看出, 级配2~级配4可以看出细集料增加, 混合料分形维数是在乘增加趋势, 级配1和级配5存在不符合AC-16的级配要求, 则级配的相关系数就小。级配6的颗粒偏粗, 细集料偏少, 分形维数明显较小。即为级配越细, 分维数越大;级配越粗, 分维数越小。
2.2最佳沥青用量及结果分析
根据上面的颗粒级配, 选取油石比为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%, 分别进行马歇尔试验, 得到7种不同级配的马歇尔试验结果 (如表6) 。
从表6可以看出, 不同的颗粒级配对混合料的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、最佳油石比、稳定度、流值均有一定的影响。所选的7种级配的最佳油石比在4.5%~4.9%范围内, 在级配1~级配5中表明:随着级配关键筛孔通过率的降低, 沥青混合料的最佳油石比逐渐减小。级配6~级配7、级配3的马歇尔试验结果表明:粗集料相同, 细集料的不同会影响沥青混合料的空隙率和最佳沥青用量;细集料偏细, 最佳油石比增加, 沥青混合料空隙率减小;细集料偏粗, 最佳油石比减小, 沥青混合料空隙率增大。
3结论
(1) 通过逐级堆积密度试验方法, 找出该粗集料的最佳级配比例为:16mm∶13.2mm∶9.5mm∶4.75mm∶2.36mm=2∶4∶6∶8∶5。
(2) 通过分形理论可以得到级配越细, 分维数越大;级配越粗, 分维数越小。
(3) 通过马歇尔试验可以得到不同的颗粒级配对混合料的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、最佳油石比、稳定度、流值均有一定的影响;在级配1~级配5中表明:随着级配关键筛孔通过率的降低, 沥青混合料的最佳油石比逐渐减小;级配3、级配6~级配7表明:在粗集料相同时, 细集料偏细, 沥青混合料最佳油石比越大。
参考文献
[1]JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社, 2004.
[2]高远, 杨建明.分形几何在沥青混合料骨料级配中的应用[J].河南建材, 2007, 7 (5) :13-14.
[3]李国强, 邓学钧.集料的分形级配研究[J].重庆交通学院学报, 1995, 4 (2) :38-43.
[4]陈忠达, 袁万达, 高春海.多级嵌挤密实级配设计方法研究[J].中国公路学报, 2010, 19 (1) :32-37.
[5]JTG E42-2005公路工程集料试验规程[S].北京:人民交通出版社, 2005.
沥青混合料路面面层施工质量控制 第4篇
濮阳市公路工程建设经验交流会
濮阳市通达公路工程有限公司
摘要本文详细阐述了沥青路面的施工质量控制和一套机械化施工工艺与方法。
关键词沥青路面施工质量施工工艺
近几年随着路网建设步伐的加快，如何在高速发展的同时建设高质量的公路，特别是如何铺筑高质量的沥青路面、提高其行车舒适性和耐久性，是公路建设者需要解决的一个重要问题，又加之新大型设备代替以前的老小设备，新的施工工艺更需要去试验研究。我们根据濮阳市公路建设施工现状，就提高沥青路面的质量问题进行了深入研究和探索，在原材料质量控制、混合料的组成设计、混合料的拌和、摊铺工艺及施工机械的选型与组合等方面，摸索了一套较为成功的控制方式，使我市公路干线的沥青路面质量也随之上了一个新的台阶。
1.原材料控制
控制好原材料的质量，是提高沥青路面的基础。沥青混合料所用原材料主要包括碎石、砂、矿粉和沥青。
1.1粗集料
沥青层用粗集料包括碎石、破碎砾石、筛选砾石、钢渣、矿渣等，必须由具有生产许可证的采石场生产或施工单位自行加工。濮阳市境内无料源，所用粗集料均是从鹤壁浚县和山东梁山购进的石灰岩扎制碎石，收料时严格要求不准有风化岩石，碎石压碎值不大于30%，针片状含量不大于20%，洁净、干燥、表面粗糙，粒径规格等质量技术要求符合规范规定。
1.2 细集料
沥青路面的细集料包括天然砂、机制砂、石屑。细集料必须由具有生产许可证的采石场、采砂场生产，应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配。
1．2．1砂
我市工程所使用的砂，主要来自河北和山东的河砂，砂的规格和含泥量等技术指标符合规范要求。
1．2．2 矿粉
为充分发挥矿粉在混合料中的作用，增加混合料的热稳定性、耐久性以及沥青与石料之间的粘结力，我们明确规定沥青混凝土所用矿粉，必须是石灰岩经球磨机专一磨制而成的，细度达到一定要求，禁止使用扎制碎石所剩石屑中夹杂的矿粉。
1.3 沥青
强制使用重交AH-90沥青，每车进库沥青都要抽验针入度、延度、软化点三大指标，防止不合格沥青进场使用。
2.混合料配比
沥青混合料的室内配合比组成设计，由市公路管理局质量检测站完成，采用马歇尔试验确定沥青用量。随着带有自动电子计量沥青混合料拌和楼的出现，沥青混合料施工配合比的确定和调整变得更加重要，特别是目前没有专门的路用碎石加工厂，所生产碎石的规格不能很好的符合路用标准，要生产出级配良好的混合料，在施工拌和时，需要严格控制拌和楼各热料仓中热料的比例，各种集料的计量精度必须达到标准要求。
近两年我们面层采用4cm中粒式沥青混凝土和3cm细粒式沥青混凝土的上下双面层结构，中粒式沥青混凝土级配选用AC-20标准，细粒式沥青混凝土级配选用AC-13标准。根据砂石料、矿粉和沥青情况，每个项目分别做马歇尔试验，由试样的流值、稳定度、饱和度、空隙率和密度，确定最佳沥青用量。下面表中是我们曾在国道106线河北省界至南乐县城（1号）、濮杨线濮阳县城至基黄路（2号）、鹤台线高堡至山东省界N0.1合同段（3号）、N0.2合同段（4号）施工中使用的配合比：
中粒式沥青混凝土面层（AC-20）级配选用一览表
细粒式沥青混凝土面层（AC-13）级配选用一览表
以上配合比满足规范级配标准，根据进料的差异，随时在拌和时予以调整。从现场实铺情况看，中粒式沥青混凝土（AC-20标准）中3号配合比较好，表面粗细集料分布均匀；细粒式沥青混凝土（AC-13标准）中3号配合比较好，表面粗细集料分布均匀、密实、平整、粗糙。
3.施工机械
沥青路面施工所用的机械设备，数量和种类不多，但要求精良。现代公路施工质量的高低，筑路机械的现代化程度起着非常重要的作用，没有先进的施工机械，就修建不出高质量的工程，路面施工机械更是重要，这是我们公路建设者的共识。在路面施工中，强制使用带有满足计量精度要求的沥青混合料拌和楼、大型带自动找平和振动夯实功能的摊铺机、双钢轮高频压路机等关键特种机械，是提高沥青路面施工质量的关键。下面是我们近两年沥青路面施工机械的使用情况：
3.1拌和设备
沥青混合料拌和设备2000型（生产量120吨/小时）以上的型号，大多配备5个上料斗，具有皮带转速粗略配料、间歇式、电子称配料等功能，性能先进。从实用效果看，混合料半和均匀，各种材料用量满足计量精度要求，与试验室配合比的符合性较好。选用性能先进、质量好的拌和设备，是生产高质量沥青混合料的前提，是控制路面拥包、泛油等病害的重要环节。
3.2 摊铺设备
沥青混合料摊铺设备使用西安产ABG423摊铺机，具有自动找平、振动夯实功能，摊铺宽度可调，路面宽度12米以内一次成型。可采用走钢丝和平衡梁两种摊铺方法。
3.3 压实设备
沥青混合料压实以美国产英格索兰DD-110双钢轮压路机为主。该型压路机具有振动高频低幅、根据压实层密实情况智能调整振动方式、自动加振去振等功能，压实方式科学，不推挤混合料，压实后具有较好的平整度和密实度，是一种较先进的路面压实机械，在我们路面基层和面层施工中得到广泛的使用。另外，如配有胶轮压路机辅助压实，效果更佳。
3.4 机械组合方式
施工时，根据沥青混合料拌和设备功率型号，采用不同的组合方式。当采用2000型（120t/h）的拌和楼时，一般可选用2台DD-110双钢轮压路机和1台胶轮压路机压实。至于摊铺机，一台2000型（120t/h）的拌和楼和一台ABG423摊铺机组合使用较好。运输混合料车辆，可根据混合料的运输距离计算配置，数量应适当宽余。
4.施工工艺控制
4.1 摊铺准备
摊铺前应做好基层的验收工作，特别是高程、横坡和平整度超出允许范围的，要处理合格才能够放线摊铺面层。否则，如将这些问题带到面层再去处理，就会更加困难，甚至不可能完全调整。
4.2 试铺
每个项目大面积摊铺前，都必须摊铺试验段，以验证配合比和取得有关参数，并探求机械设备的最佳组合。如拌和设备各料斗的上料速度、集料和配和比精度、摊铺速度、松铺系数、压实机械组合和碾压遍数、运输车辆型号和数量的确定、拌和与摊铺现场人员数量的确定等等，都要在试验段施工中总结得出，以获得最佳的施工效益。
4.3 拌和
正式拌和混合料前，要对砂石料进行凉拌和热拌，调整上料斗转速，检测拌和楼各料仓粒径组成，进而调整各料仓的兑料比例，以获得符合试验室级配要求的配合比，随后在试验段中掺加沥青拌和验证。在大面积施工时，操作人员要调整拌和机达到最大的生产率，也就是根据混合料的配合比调整各上料仓，在合理的出料温度下达到最佳的上料转速和最大的上料速度。拌和设备的拌和能力受施工气温、原材料的含水量等因素制约，应根据情况相应调整。一般情况下，沥青和矿料加热温度应在150-170oC，混合料出料温度应在140-160oC，并保证运至现场的温度不低于140oC。
4.4 运输
混合料运输所用的车辆类型和数量，根据运距和拌和生产量确定，一般情况下自卸车辆的载重量要不低于8吨，吨位太小数量增多，增加调头、装料、卸料时间，影响施工效率。
4.5 摊铺
摊铺也是沥青路面施工的重要一环。摊铺机的摊铺速度要和拌和楼的出料量相协调，摊铺速度快、拌和料跟不上，停机次数多，相应的施工接头就增多，影响路面的平整度等指标。近两年我们按“不停机摊铺”的目标组织沥青路面的摊铺，即每天开始摊铺后，除机械故障等非人为因素停机外，摊铺中途不得停机，以减少横向接缝。8吨以上自卸汽车卸车时，不得碰撞摊铺机和停
机卸料，以保证摊铺的连续性。如路面较宽不能全幅摊铺时，尽可能采用两台摊铺机成梯队排列摊铺，使两幅接缝实现热接，以减少或消除纵缝。一般12米宽以下路面，要全宽一次摊铺完成。根据我们施工经验，选用2000型拌和楼和ABG423摊铺机施工，在摊铺4厘米厚、7米宽的下面层时，摊铺速度一般控制在3米/分钟，厚3厘米的上面层速度控制在4米/分钟，松铺系数控制在1.2-1.25之间（混合料粗采用小值）。摊铺现场要有10人左右的民工，随时处理摊铺出现的问题和接缝。
4.6 碾压
混合料的碾压分初压、复压和终压。初压和复压均由DD-110双钢轮压路机自路面边部向中部、从低部到高部的碾压原则完成。初压不带振，以2-2.5公里/小时的速度、错滚30cm、驱动轮朝向摊铺机的方式碾压1-2遍，碾压温度在135 oC左右；随后紧接着用高频振动复压，速度控制在2.5-3公里/小时，碾压4遍左右，混合料碾压温度在120 oC左右。最后胶轮压路机或DD-110双钢轮压路机不带振碾压1-2遍结束。在碾压过程中，测量和试验人员及时检查，发现问题马上调整解决。压实作业段一般30-50米，并采用斜接茬，即为使摊铺后的混合料在尽可能短的时间内压实，压路机每碾压一趟应向摊铺机靠一定距离，使压实面端大致形成一斜线。
4.7 接缝
面层的接缝是不可避免的，上面层的接缝处理质量，显示出施工单位的施工精细程度和水平，也是面层质量再上台阶的一个关键因素。接缝分纵缝和横缝两种。
在全幅摊铺时仅存在横缝，处理方法有两种。一是在全部混合料摊铺完成后移走摊铺机，放一方木条于摊铺料的端部，压实结束后抽去木条形成垂直断面；二是直接碾压端部形成斜茬，再次摊铺前切割成垂直断面。下次开机摊铺碾压前，将已压好的路面上的混合料清除干净，并用刮板将现摊铺的顶面与已压实的路面刮平衔接，清除掉混合料顶层大料，用筛子筛细料整平后碾压。碾压有两种方法，一是平行于横缝方向碾压，碾压时压路机大部分重量在已压实路面上，新摊铺面仅压20-30cm宽，然后每碾压一次，向新摊铺面伸展20-30cm，直至将整个压路机的轮宽全压在新摊铺面上为止，然后纵向碾压。用三米直尺检查接缝部分，不符合要求立即处理；另一种碾压方式是先从路中央位置向边缘斜压，然后再纵向碾压。
半幅施工的纵缝处理方法基本上同横缝，碾压结合部位时，采用第一种碾压方法。
5.施工注意事项
5．1要重点做好原材料的控制，选择出料稳定、规模较大的石料场；按批检查石料的质量，发现砂石料级配变化，应另外堆放，使用时重新调整配比。
5．2在拌和设备储料仓装车时，每卸一斗料汽车要稍挪动一下位置，以减少集料的离析，并尽量缩小储料仓下落距离。在连续摊铺过程中，自卸汽车应在摊铺机前10-30cm处停下，挂空档靠摊铺机推动前进，防止撞击摊铺机。
5．3当下承层平整度、高程控制较好时，可采用平衡梁法摊铺；否则，则采用走钢丝的方法摊铺。但由于平衡梁法垫木块调整熨平板很麻烦，因此第一次或试验段施工时，最好采用走钢丝的方法摊铺。
5．4摊铺混合料应尽可能的保持连续，开始摊铺时，摊铺机前至少要准备3-5辆车混合料，以减少由于停机造成的施工接头。同时应注意摊铺机螺旋布料器内要有2/3高度的混合料，剩料少时要及时收缩两侧板，以保证摊铺宽度内布料的均匀。
5．5碾压要紧跟摊铺机，碾压温度越高压实效果越好，发现问题也易处理。
5．6钢轮压路机初压边部时，要先留出40cm左右宽度不压，等压完一遍后，将压路机的大部分重量压在已压完的部分上，压路机的一小部分重量压在未碾压的部分上，这样碾压能减少在混合料碾压时向外的推移量。
5．7碾压过程中和摊铺后的混合料温度未达到常温之前，各种机械不能在其上调头、转弯和停放；清洗机械时，不准将废油洒到沥青路面上。
结束语
经过近几年的努力，我们沥青路面的施工质量得到显著提高，经检测，今年建设完成的S307杨小线管白邱至海通、渠村至武寨段公路改建工程等四个工程三米直尺检测平整度最大间隙3毫米以下的达98%以上，路面横坡、高程合格率均在95%以上。路面表面平整密实、无拥包、泛油和明显的纵横向接缝，且级配均匀，无粗细骨料离析现象，达到了较为理想的结果，工程质量上了一个台阶。
沥青混合料拌和站常见故障分析 第5篇
【摘 要】我国高等级公路越来越多地采用沥青混凝土路面，是因为其自身具有明显的优点。有着更加良好的力学性质，更加优良的高温稳定性与低温柔韧性，铺筑的路面平整无接缝，减震吸声让行车更舒适；且无强烈反光，有利于路面行车的安全；施工方便无需养护，能及时开放交通。当然这一切均需拌和站高效工作，为路面施工提供高质量的沥青混合料，才能路面施工质量提供有力支撑。本文对沥青混合料拌和站生产中可能出现的故障进行了深入探讨。
【关键词】沥青混合料拌和站；常见故障分析
在生产实践中，沥青拌和站由于工作强度大出现故障在所难免。只要认真分析沥青拌和站的常见故障，总结出常见故障的原因及相应处理方法，才能够有效提升拌和站工作效率。拌和站设备故障的形成原因有很多，这里重点阐述的是可以通过现场简单的维修调整即可解决的常见故障。
1.设备运行参数设置不当
这主要体现在：拌和时间设置不当，及料门开启、关闭时间调整不当。通常情况下每一个搅拌生产循环为45s～60s（其中包括拌缸进料时间，拌缸拌和时间，拌缸门开关时间）。在实际生产过程中，只要勤观察多调整几次，一般均能达到设计要求。需要注意的是，在保证沥青混合料拌和均匀无花白料的前提下，应当尽量缩短搅拌的时间。
2.燃烧器燃烧效率偏低
现在大多数沥青拌和站的燃烧器均使用燃油燃烧器。当燃烧器风油比不对，或是燃料油的热值过低等原因，都可能造成燃烧器效率的低下，导致石料温度不稳定，烘干筒加热能力不足，最终将严重影响出料速度和沥青站的整体生产效率。风油比的调整应以设备厂家提供的技术资料为依据，适当结合实践经验，在反复细致调整基础上来确定的。风油比在生产过程中并非是一成不变的，设备的磨损，燃油指标的变化等，都可能对风油比造成一定影响，所以应做到勤检查、早发现，及时进行相应调整，以保证设备的正常运转。
3.冷料进给装置故障
在沥青混凝土拌和站内，引发冷料进给装置故障的原因一般就是可变速皮带机的停机，这类故障的出现最大的可能就是变速皮带机自身故障导致的，当然冷料皮带底下若被碎石或是异物卡死也可能引起此类故障。在对这类故障进行处理的时候，首先需要弄清楚引发故障的真正原因。若是电路方面出现问题，则在进行处理时就应首先对检查其电机控制变频器，查看变频器是否有故障存在，也可以先从线路进行检查，查看线路是处于导通状态还是断路状态。除此之外，皮带打滑也可能引起以上故障现象，这一点在实际工作环境中同样不能够被忽略，打滑就会引起跑偏，跑偏就会导致整个皮带正常运行困难，在这种情况下就需要适当地调整皮带的松紧度，如果被卡死则还需要专门的工作人员来对设备进行障碍清理后，才能保证皮带处于正常良好的运行状态。
4.搅拌机故障
搅拌机出现故障的表现也是多样化的。如果仅是其声音出现不正常的变化，有可能是搅拌机在较短时间内发生了超负荷运转所引起的，致使驱动电机固定支座发生了一定程度的错位，也有可能是固定轴承本身发生不良损坏引起的，若是这种情况的话，就需进行轴承的更换或是修复了。如果是搅拌机的叶片、机臂或者是内部的护板发生损坏或者是严重脱落，则必须要对其进行备件更换，否则就会在进行搅拌的过程当中出现不均匀搅拌的状况。如果是在搅拌的过程当中出现出料温度显示上的异常，更多的可能原因是温度传感器出现故障了，对于此类情况，应要对温度传感器进行必要的清洁处理，并对其清洁装置进行检查看其是否依然处在正常工作的状态中。
5.滚筒系统故障
滚筒通过两滚圈之间的驱动齿圈使干燥滚筒旋转，理想状态下滚圈与四个拖轮是完全面与面间的接触，正是这种接触产生连续摩擦的驱动，滚筒在运动中才会处于动态平衡状态，一旦外来因素将这种平衡打破，那么滚筒在运动中就会产生沿筒体纵轴线方向的上下位移，进而可能摩擦排烟箱、加料箱，或是引起滚筒冷却罩等部件的磨损。这种外来因素主要有以下几方面：
一是干燥滚筒内腔因素引起的。在生产过程中由于筒体内的骨料与叶片间的碰撞和摩擦，长时间使筒内的叶片掉落或损坏，这样骨料在旋转的筒体内对干燥筒就会产生不均匀的冲击。这种不均匀的冲击会破坏滚筒滚圈与拖轮间面与面的完全接触，形成瞬间的点面摩擦。这种不持续的摩擦驱动会使滚筒沿筒体纵轴线方向产生位移，也就使滚筒动态平衡状态发生改变。所以应定期对干燥筒内叶片进行仔细检查，发现磨损严重的应立刻予以更换，出现开焊的也要进行焊接处理，以保持筒内叶片处于良好状态。
二是因温度不同引起的变形。主要分为以下情况，一种是操作不当造成的。一般情况当干燥滚筒温度达到100℃时方可投料进行生产，温度达到100℃而未投料生产引起干燥滚筒变形。其二是停止生产后，滚筒温度未降到40°～50°时关机导致干燥筒变形。其三是生产过程中突然停电。以上这些因素都能导致干燥滚筒局部变形，这种局部变形也会对滚圈与拖轮间的连续面面接触产生破坏。不连续面面摩擦驱动会打破干燥滚筒的动态平衡，因此设备的正确操作也是至关重要的。
三是保养期没有检查干燥滚筒的磨损情况。螺栓松动，导致滚圈的移动，这样滚圈和拖轮间产生不连续的摩擦驱动，进而打破了干燥滚筒的动态平衡状态。另一种情况是，干燥滚筒长时间没有发生沿筒体纵轴线方向的位移，也就是说既没有听见异常的摩擦声音也没有发现干燥滚筒的止推定位滚轮与滚圈有明显的摩擦，这种情况我们也要加以防备，有可能是滚圈与拖轮暂时维持着面面间的摩擦驱动，这种暂时的维持一旦破坏，也会出现干燥滚筒的动态不平衡。由此可见，设备的定期检查也是至关重要的。
6.计量系统的故障
6.1执行机构动作不顺畅
控制骨料、粉料、沥青进秤的执行机构动作不顺畅，每次动作的时间就不尽相同，这时即使计算机控制系统不断调整飞料补偿也无法获得稳定而精确的计量结果。而导致执行机构动作不顺畅的主要原因是气路系统使用和维护不当引起的：对因气路中的压缩空气含水或粉尘过多，引起控制气缸动作电磁阀阀芯变慢甚至卡死。这种原因引发的故障，可通过将电磁阀拆下来清洗一下阀芯或者更换一个新的即可解决。
如果发现粉料称量结束后，重量却还在增加，就应检查一下粉翻板开关处密封胶圈是否磨损，以及翻板是否被杂物缠住。发现密封胶圈磨损及时更换，有杂物也应及时清除。
6.2沥青称量
油石比是指沥青混凝土中沥青质量和砂等填加料质量之比，是控制沥青混凝土质量最重要的指标。油石比过大，摊铺碾压后路面起“油饼”，油石比过小，混凝土料发散，碾压不成形，都属严重质量事故。
沥青秤是由两个拉力传感器即时采集信号的，利用沥青喷射泵将称得的沥青喷入搅拌锅，沥青的喷入量取决于实际称得的骨料重量，即所谓的二次称量。以严格保证恒定的油石比。沥青喷射泵通常采用的是带电磁抱闸刹车电机来驱动的，在生产过程中应定期检查刹车系统是否需要调整。另外沥青喷射泵在沥青秤箱体内的管道下端有一单向阀，是为了防止喷射泵停止运转后沥青回流至箱体中。如果单向阀损坏，称量结束后沥青秤的读数也会慢慢变大，这时就应通过及时的调整或更换来予以解决了。
【参考文献】
[1]李夏.沥青混凝土拌和站生产质量控制及常见故障分析探讨[J].科技信息，2011（9）.
沥青混合料模量预测模型 第6篇
在新的美国半经验半力学沥青路面设计指南 (MEPDG) 中, 三轴压缩试验条件下测试得到的复合模量 (|E*|, 其能用于反映沥青混合料在准静态柔性路面结构分析中的弹性模量) 被引入用于分析及预测柔性路面运营期间的车辙及裂缝损坏。根据设计输入参数要求的精确度, 分析中需要首先测得混合料的模量或根据Witczak预测模型获得[1]。由于混合料的复合模量难以获得, 且试验费用较高, 因此很多研究尝试通过回归公式, 根据沥青及混合料的特性等预测混合料的复合模量。
沥青混合料的模量取决于混合料的体积参数以及组成材料的相关参数等, 体积参数包括了集料以及沥青的体积比、空隙率等参数。集料在混合料中所起的骨架作用以及空隙体积等取决于成型的方法以及所选取的温度。此外, 沥青本身劲度的增加以及沥青不断被集料所吸收也将改变混合料的模量, 使其随着时间的变化由柔性转为脆性。沥青混合料拌合过程中, 拌合的温度及时间、集料的水分含量及洁净度, 以及沥青的粘度等都能对沥青的裹缚厚度、细集料的填充作用以及混合料的均匀性等产生影响, 从而影响混合料整体的黏稠度。在特定的环境条件下, 欲精确预测沥青混合料的模量并不是一件容易的事情, 回归模型的精确度常常受到各种因素的制约。当知道了各类模型所存在的自身局限性以及明确了实际预测应用中所需要的精度等, 将有可能减少路面性能的预测错误以及决策中的错误。
基于经验的预测模型可能使用于当地也可能适应于世界各地, 其主要取决于模型如何建议以及所采用的标准。建立模型所采用的数据库决定了模型的适应范围, 任何外部引入的数据库都将可能降低模型预测的精确性。另一个影响因素需要考虑的是模型中所采用的回归数学公式, 其精度取决于回归模型数学公式时能概括的物理现象的程度。切合实际物理力学反应所推荐建立起来的能预测得到更为准确或更为接近的预测值, 而纯粹基于数学手段、曲线回归可能导致回归模型的不收敛及错误。此外, 经验的模型可以根据当地可用的试验数据条件进行进一步的验算及校正, 以及引入一些校正因素以消除模型可能的误差。
本研究的主要目的是根据沥青的粘弹性材料属性, 采用当前主要的几个模型预测沥青混合料的模量, 尤其是对比了最近获得的Di Benedetto模型[2,3]与已经存在并被新的美国路面结构设计指南中所规定采用的Witczak模型[4], 以及Hirsch模型[5], 研究中根据采用联邦公路管理局加速荷载设备 (FHWA-ALF) 测试设备所获得的有关沥青混合料动态模量以及沥青剪切模量的试验测试数据库系统, 该数据库系统分别由Pellinen[6]、 Bonaquist等人[7]以及明尼苏达州公路项目 (MnROAD) 研究中所获得。诸多学者对Witczak模型以及Hirsch模型等进行了大量研究, 如Schwartz [9], Bonaquist 等 [10], Dongré 等 [11] 以及 Birgisson 等[12], FHWA-ALF数据库在参考文献[9,10]中被使用。本文作者认为FHWA-ALF数据库引入本研究的模型对比分析中能更好地对模型的精确性作出评价。FHWA-ALF数据库更多地反应了实验室条件下的混合料状态,
MnROAD数据库更多地反应了沥青现场拌合的状态。研究中首先对现有预测模型进行对比分析, 并将各个模型应用到两套数据库系统中。
1 预测模型的评价
1.1 现有预测模型
早在1964年, Heukelom和 Klomp等人[13]根据粘合剂的硬度通过回归分析提出了混合料的预测模型, 这是最早的预测模型之一。到1977年Bonnaure 等人[14]进行了进一步的研究, 1969年Shook和Kallas开发了第一个沥青混合料模量计算模型, 并由美国沥青协会公开发表[15]。其他的预测模型如表1所示, 其中包含了各模型建立过程中试验测试的试件制配方法以及试验温度等, 各研究模型的计算公式如附录A所示。壳牌及沥青协会的模型可以在黄仰贤的著作——《路面结构设计方法》[16]中查阅获得。
注:表中Sm=|E*|mix;Sb=|E*|binder;Vol.—体积参数;η—沥青粘度;Grad.—集料级配;τ—特征时间。
1977年, Bonnaure等人[14]根据Van der Poel的计算图表以及沥青模量 (Sb) 获得预测混合料复合模量的计算公式。这些计算公式主要基于根据壳牌公司提出的两点支承弯曲梁设备测得的试验数据, 其公式中模量主要根据对不规则矩形试件的加载测试结果计算获得, 该测试方法中对试件的独步进行固定约束, 在其另一自由端施加正弦式荷载。通过验证该模型可用于预测在低温或中等温度状态下 (-15—30°C) 混合料的模量。
当前常用的Witczak模型实际上是由Shook 和 Kallas等 [15]在美国沥青协会的研究成果模型所发展而来, 其研究中采用由揉搓压实仪在实验室制备的高为200mm的试件, 在其上施加轴上正弦式荷载, 并采用应变仪测试轴向的应变。随着更多测试数据的取得, Witczak在美国马里兰大学时, 与其同事一起先后又多次对模型进行了改进和发展。1979年, 关于复合动态模量的试验测试方法来源于美国试验及材料协会 (ASTM) 制定的标准方法:关于沥青混凝土动态模量的测试方法 (ASTM D 3497-79) 。该测试方法加载条件控制温度为5、25、40℃以及加载频率分别为1、4、16Hz。其他的温度及频率在接下来的研究中被不断加入, 以构建起完整的混合料模量理论主曲线。在最初的ASTM草案中, 测试中施加的压力保持恒定不变, 荷载频率不断变化, 在接下来的试验测试中也采用同样的加载方法。在1996年, Fonseca 和Witczak[18]拓展了该模型, 以便能考虑场地拌合以及运营服务期间能导致的沥青老化问题。1999年, 模型又一次被修正以便能考虑改性沥青的影响[4], 如此同时试件的制作方法由揉搓压实法向旋转压实方法转变, 此时的数据库系统包含了2750个数据点, 其中有205中混合料, 39种集料以及9种普通沥青和14中改性沥青。2006年, Bari 和Witczak[19]在亚利桑那州立大学对模型进行了进一步的改进, 以便结合现有美国超级路面设计方法 (Superpave) 中有关沥青的测试参数规定, 该模型中引入沥青剪切模量 (|G*|) , 该数据库包含了7500个数据点, 其中有141个新混合料, 2070个数据点取之短期烘箱老化沥青, 2370个取之场拌混合料, 以及210个取之现有路面取芯。
1969年, Hirsch模型最早应用于预测水泥混凝土的力学行为[20], 其充分考虑了不同类型的弹性复合材料。Christensen, Pellinen, 和Bonaquist [4]通过考虑混合料是有集料、沥青以及空隙所构成的三相体系, 并按并联的方式组合在一起, 从而给出了较为满意的预测精度。该模型能用于预测单轴压缩状态下沥青混合料的动态弹性模量以及剪切模量 (常通过纯剪切试验SST获得) , 数据库包括了FHWA-ALF、MnROAD以及WesTrack数据库 (该数据库通过试验获得, 采用短期烘箱老化沥青以及旋转压实法制备试件) 。总共采用了206个数据点, 包括18种混合料、5种集料以及8种沥青 (其中2种为改性沥青) 。
Di Benedetto等[2,3]提出的“2S2P1D”模型是唯一的基于流变学理论模型预测沥青及混合料的线性粘弹性特性, 与其他预测模型不同之处在于它能在同一流变模型中一起考虑沥青及混合料。Di Benedetto等还开发了适用与全球范围内沥青与混合料复合模型的相关关系模型 (Global-DB) , 其不同于“2S2P1D”模型, 所采用的数据库中包括了5种混合料和5种沥青 (其中有3种为改性沥青) 。
Witczak模型和Hirsch模型能认为是真正适用于全球范围的模型, 而壳牌和美国沥青协会的模型仅仅适用于低温及中等温度的区域。2S2P1D模型仅仅是当地的一个模型, 它并没有考虑各种混合料的通用一致性因素, 模型对于每类混合料都必须进行分别考虑, 但它提出了一个比较完整的混合料理论主曲线。Global-DB模型同样也没有考虑混合料自身的特性, 但是转移常量 (论文后面详述) 能联系起混合料的一致性特性及老化问题。
1.2 模型预测相关参数
模型预测相关参数及常量如表2所列, 根据需要的问题确定沥青的粘度, 以及根据温度及荷载作用时间确定沥青的硬度或模量。模型中采用的体积参数包括:Vb沥青的体积, Vg集料的体积, Va空隙率, Vbeff有效沥青体积, VMA矿物集料中所占的空隙体积以及VFA表示空隙中填充沥青的体积。有效沥青体积不包括被吸收的沥青部分, 而Vb指的是混合料中沥青的总体积。所有的模型均采用了空隙率作为输入参数, 因为得知集料及沥青的体积以及空隙率后, VMA和VFA均能通过计算获得, 反之亦然。
对于沥青的参数, 部分模型采用牛顿粘度 (η, λ) , 有些模型采用沥青剪切模量, 其可从动态剪切流变试验 (DSR) 获得。而壳牌模型中采用的是Van der Poel计算图表, 其可采用预估的沥青模量来代替实际的沥青模量或蠕变强度。
对于稳定剪切与动态流变结果的关系可以近似地采用经验Cox-Merz准则, Cox-Merz准则能支持剪切率的相互叠加, 其依赖于稳定剪切粘度和频率, 以及符合粘度及剪切率, 如式 (1) 所示。
|η* (ω) |=η (γ) ω=γ (1)
该准则可适用于未填充、结构简单性 (线性) 材料, 对于剪切率相互独立的牛顿流体 (δ=90°) , 零剪切粘度和剪切复合模量之间的关系可以近似地基于Cox-Merz准则:
undefined (2)
基于Cox-Merz准则, Bonaquist, Pellinen 及 Witczak[21]等提出一个经验模型, 其可用于将沥青剪切模量转换成稳定剪切粘度 (当相位角偏离90度时接近牛顿粘度) 。
undefined (3)
式中:η=表面牛顿粘度, 单位:Pas;
G*=沥青复合剪切模量, 单位:Pa;
ω=角频率, 单位:弧度/s;
δ=相位角, 单位:弧度;
a0, a1, a2=拟合参数。
尽管当前模型还属于经验公式, 然而其理论基于Maxwell流变模型进行模量及粘度的预测, 其能在线弹性材料中考虑弹簧效应以及在粘弹性行为中考虑阻尼的作用等。假设Maxwell模型中荷载为正弦式荷载, 其应变反应也复合正弦规律, 根据力与应变可以获得复合模量, 其取决于角速度、粘度以及相位角的大小, 如公式 (4) 、 (5) 所列。
undefined (4)
undefined (5)
如在Maxwell模型中稳定剪切粘度为牛顿流体的零剪切粘度 (η0) , 经验的拟合系数需要考虑沥青呈现非牛顿力学行为表现 (当相位角小于90度) 。Bonaquist等[21]提出了部分拟合系数的值可用于普通沥青及改性沥青。
可以注意到Bonaquist等的模型采用的形式与Superpave中有关沥青分类参数 (|G*|/sinδ) 非常相似。如前所述, Cox-Merz准则可以用于分析非填充、单一结构形式的材料。因此可以得出结论:由于改性沥青不能满足这个准备, 所以采用Cox-Merz准则预测得到的改性沥青的力学行为结果相对普通沥青存在更大的误差。此外, 实际沥青的行为远远比单一的Maxwell单元模型要复杂得多, 因此以上两个原因都能帮助解释采用Superpave |G*|/sinδ评价改性沥青会存在较大的误差和适应性较差的原因。
Di Benedetto模型可用于当地及全世界各地适应的模型, 其输入参数只有三个。对于2S2PID模型, 特征时间仅仅取决于温度。对于Global-DB模型, α是一个由沥青到混合料的转变因子, 而E0-binder和Einf-binder分别表示衍生静态模量以及实际静态模量。
2 模型流变理论的等效性
进行模量预测模型对比的时候需要重点考虑的两个方面: (1) 各个模型理论基础的等效性; (2) 复合模量试验室测试中如何获得材料的各类参数。
2.1 复合模量
在准静态柔性路面结构分析中, 复合动态模量作为弹性模量|E*|使用。尽管复合动态模量|E*|与温度及加载速率相关, 而弹性模量E理论上仅仅和温度相关。弹性静力学响应是与时间无关的, 应变的产生也是瞬间的, 然而弹性动力学响应是有时间滞后性的弹性行为, 可以在层状弹性分析中考虑荷载速度, 能避免更为复杂的粘弹性应力应变的力学分析。基于时间-温度重复叠加的原则, 考虑温度以及加载速率对力学响应的影响, 可以由此原则建立模量与荷载频率的相关关系理论曲线。
复数数学运算方法可以方便地用于解决在强制振动荷载作用下沥青混合料及沥青的粘弹性力学响应, 对于正弦式拉压荷载可以采用复数的表达形式:σ*=σ0eiωt, 应变的复数表达式:ε*=ε0ei (ωt-φ) , 如图1所示。复合模量E* (iω) 同样可以表示成为复数的形式:
undefined (6)
式中:σ0—应力幅值;
ε0—应变幅值;
ω—角速度, ω=2πf;
应力与应变比的幅值为σ0/ε0定义为复合模量的常数部分定义为动态模量|E* (iω) |, 如式 (7) ～ (9) 所示。
undefined (7)
undefined (8a)
undefined (8b)
undefined (9)
2.2 试验方法的不同处
如图2所示, 振动荷载可以通过多种方式施加, 剪切试验采用应变控制, 轴向压缩试验采用应力控制。静态剪切试验采用单一剪切加载, 沥青动态流变试验采用扭转加载方式, 动态模量测试试验采用半正弦拉应力荷载或半正弦压应力荷载, 或者拉、压组合荷载。在动态流变试验、静态剪切试验和轴向拉、压缩试验中, 采用测试平均值的方法或者施加零剪切应力, 然而在施加的半正弦应力或应变加载是有渐变的常量荷载与正弦荷载叠加而成, 其平均值接近0, 应力或应变的类型是实验测试中重要的一个参数。
在应变控制剪切试验中, 其幅值包括了可恢复及永久剪切应变两类。如果材料是纯粹的粘弹性材料, 永久应变主要是由于粘性流变所导致的, 正弦荷载加载过程中的应变相位滞后值反应了能量的消散及可回收的数量, 如果相位滞后值为0度则所有的应变均可恢复, 如果相位滞后值为90度则所有的应变都是永久不可恢复的。然而, 在高温状态下, 沥青混合料的永久应变可能包括了一部分塑性应变。
与剪切应变幅值类似, 拉应变幅值也包括了可恢复及永久应变两部分, 而其永久应变又包含了粘性及塑性应变等。然而, 如果在控制应力或者控制应变的试验中应变幅值根据加载部分的信号获得, 其包含了由非零荷载产生的蠕变;但是如果根据非加载部分信号获得其仅仅包括振动应变, 蠕变的累积是由于循环加载所产生的, 如图2所示, 它由可恢复及永久应变两部分组成。
如壳牌及美国沥青协会的模型中, 试验测试在低温及中等温度条件下进行, 蠕变将会很小而可以被忽略不计, 此点在1979年美国国家公路与运输协会 (AASHTO) 草案中建立, 该草案中规定应变的测试应在初始蠕变状态完成后的稳定状态下进行。然而对于高温及低荷载频率状态下, 在半正弦加载时间中很难几乎不可能去获得稳定的应变状态, 因此, 在高温作用下测试动态模量更加容易变动, 其相对试验室内测试应变以及分析等方面也更加不同。
由于动态模量试验被应用到线粘弹性材料领域, 在拉、压应力或应变控制加载过程中试件不能产生膨胀或硬化。然而, 由于试件内部可能产生微小的裂缝, 并且随着应变幅值的增大而增大, 这将可能导致试件的过早损坏而使得模量降低。当荷载加载采用半正弦的方式, 随着材料内部蠕变的不断发生可能导致应变硬化, 并导致内部集料被过度挤密而使得模量增大。这种趋势对于简易剪切试验有所不同, 任何由于集料移动而可能导致的颗粒松散膨胀都将受到轴向加载力的约束, 如图3所示。理论上, 剪切应变不会导致体积的变化, 而仅仅发生形状的改变, 但是, 简易剪切状态下仍然存在颗粒材料的膨胀问题。
振动加载中许多方法可以用于计算模量和相位角, 如SST软件使用快速傅里叶变换, 其他常被常用的方法还有:UMD方法[22]、IPC方法[23]以及SPT方法[24]等。Pellinen和Crockford [25]根据试验温度分别为-10、4、21、38以及54°C时的动态模量测试结果, 对比了这些方法, 得出结论为:各类分析方法对于计算模量的影响比对相位角的影响要小。采用提取最大值的方法评价材料属性时会导致最糟糕的结果。采用IPC方法与采用SPT方法所获得回归预测结果比较相近。在0.1Hz加载频率、任意温度条件下, 采用SPT方法比其他方法所获得的预测值要低11%左右, 对比黑色区域的试验结果, 采用UMD方法获得的相位角要比采用IPC和SPT方法获得的值要高, 在此区域内IPC方法和SPT方法获得的结果比较接近, 而FFT方法和SPT方法获得的模量和相位角的结果几乎一致, 剔除部分波动超过5%以上的数据能明显地改善数据的质量。
各类模型采用的试验方法如表3所示, 总而言之, 如果在层状弹性分析中将动态模量作为弹性模量使用, 应变幅值及相位滞后值中都必须剔除蠕变的影响, 最终的应变结果值将借助于经验εp/εr模型预测沥青混合料的车辙, 其中εp为半正弦循环加载产生的永久应变, εr为弹性可恢复应变。
图4为两类典型的线粘弹性材料——标准的线性固体材料以及粘弹性液体材料 (基于Burger模型) , 其各自关于频率的主曲线图, 在固体模型中, 独立弹簧及Maxwell单元呈串联组合排列, 而在Burger模型中, Maxwell单元与Voigt-Kelvin单元串联组合排列。
对于粘弹性固体模型所有的应变均能恢复, 而粘弹性液体模型只能恢复一部分应变, 其中有一部分是永久不可恢复应变。2S2P1D模型和Witczak模型均代表的是粘弹性固体模型, 当卸载时其应变均能恢复, 而Hirsch模型是粘弹性液体模型, 其在卸载时呈现出固相和液相, 部分的应变是可恢复的, 其他部分是不能恢复的永久应变。接触系数Pc能将模型从液态转换成固态, 随着温度的增加或者荷载频率的减小。如果将独立弹簧系数设定为0, 则2S2P1D模型可以转变为粘弹性液体模型。一般地, 在高温状态下沥青可以采用粘弹性液态模型进行建模。然而, Di Benedetto 等人[2,3]发现对于一些聚合物改性沥青, 其初始模量E0-binder稍微偏离0, 而在高温状态下表现为弹性材料。
图4中所示的固体和液体模型均为粘弹性蠕变模型, 在两类单元承受相同蠕变应力作用下, 各单元的应变均能用于进一步计算整体的蠕变。在等效流变松弛模型中独立弹簧单元与Maxwell单元平行排列或者两个Maxwell单元独立平行排列。由于各个模型中应变延后时间以及应力松弛时间存在偏差, 所以当将蠕变模型转换为松弛模型时模型的参数必须进行必要的调整。增加更多串联的Voigt-Kelvin单元或者并联的Maxwell单元可以获得连续的滞后及松弛频谱。2S2P1D模型可以获得连续频谱, 如其能以无穷数量串联的Voigt-Kelvin单元或者并联的Maxwell单元表示, 但其不能用于简单的蠕变 (如标准线性固体) , Global-DB模型如此相同。
2.3 模型形式对比
2.3.1 Witczak等式
Witczak等式表现为S形曲线关系, 其模型一般表达式如附录A所示, S形曲线关系的最大、最小值如图5所示, 分别为δ和δ+α, 其分别对应Di Benedetto模型中的E0-mix和Einf-mix。转变区的水平值以及主曲线的斜率分别用β和γ表示。参数δ和α由集料级配和混合料体积参数决定, 如式 (10) 、 (11) 所示参数β和γ取决于沥青的特性。
不同温度及老化状态下沥青的粘度由经验公式 (12) 所确定, 该等式给出了图4中粘性渐变线的斜率。
loglogη=A+VTSlog (TR) (12)
式中:η=牛顿粘度, 单位:cP;
TR=温度, 单位:度 (朗肯温度计法) ;
A=回归截距;
VTS=粘度的温度敏感性回归斜率。
2.3.2 Di Benedetto模型
2S2P1D模型由2个弹簧单元、2个抛物线蠕变单元以及一个线性牛顿阻尼所组合而成, 名字的由来是其英文首字母的组合, 该模型是Huet-Sayegh相似模型的普遍化, 像Huet-Sayegh模型一样, 2S2P1D模型可以获得连续频谱 (例如能以无穷数量串联的Voigt-Kelvin单元或者并联的Maxwell单元表示) 。与其他模型不同, 它能在同一个流变模型中同时考虑沥青和混合料。2S2P1D模型的形式如图6所示, 模型的数学表达式如式 (13) 所示。
undefined (13)
式中:i=复数, i2=-1;
ω=2πf (f—荷载频率) ;
E0—静态模量 (ω→0) ;E∞—实际模量 (ω→∞)
η= (E∞-E0) ;
k, h—系数;δ—常量;τ—时间特征参数。
由于模型以复数形式表达, 其仅能反映在复平面的状态, E0Einf和表示复合模量在最低及最高频率下对应的最小和最大近似值, 如图6所示。如果将E0设定为0, 复合模量转变为与频率减小值的指数函数形式, 在较低频率下该模型等同于线性牛顿阻尼模型, 如图4所示意。
Di Benedetto等人[2] 也提出了适合全球范围内的沥青和混合料复合模量的关系式, 此处成为Global DB 模型, 它与2S2P1D模型是相互独立的, 如式 (14) 。
undefined
2.3.3 Hirsch 等式
20世纪60年代, Hirsch模型主要用于预测水泥混凝土或泥结碎石的模量, 其可用于预测复合材料的参数以及混合料的参数等。其中有两个模型——并联及串联模型, 分别如式 (15a) 和 (15b) 所示。Ec代表弹性复合模量, ν表示泊松比。Hirsch模型对应于Burger模型的平行和串联布置相位的类型, 如式 (16) 。
沥青混合料在高温状态下呈现为连续复合材料性质 (液体) , 但在低温状态下更多表现为平行复合型材料 (固体) 。集料相位在平行部分内, 称作集料接触体积PC, 其表示集料彼此紧密接触的部分。随着集料接触体积增加, 混合料的模量增加。为了提高模型用于预测粘弹性材料力学行为的有效性, 串联及并行相位部分必须依赖于时间和温度的变化。Christensen等[5]根据此推论建立了起接触体积Pc与VMA、VFA以及沥青剪切模量 (|G*|) 的相关关系, 如式 (17) 所示。
集料接触体积Pc将原有沥青的液态行为转变为集料级配的固态行为, 完整的Hirsch模型回归公式见附录A。如上所述, Hirsch模型等同于Maxwell单元和Voigt-Kelvin单元连续的Burger模型, 在Burger模型中的牛顿粘度η与|G*|/ω相等。
Hirsch模型形式表现为S形对数曲线关系, 动态模量和动态剪切模量的静态模量值可以根据以下公式获得, 其中模量Einf-mix为28959MPa;剪切模量Ginf-mix为4143MPa。
究竟采用粘弹性固态模型还是采用粘弹性液态模型对沥青混合料建立模型主要取决于其应用以及混合料的模量参数。如果集料以粘弹性固体建模, 其在自重作用下会发生蠕变, 但会随着时间而消失而材料本身不会发生破坏。对于液体材料, 粘性应变会随着时间增大导致蠕变不断增加直至破坏。
对于弹性层状理论分析建立的是交通荷载的短时间瞬时作用模型, 因此蠕变在此处并不是太重要。沥青混合料在长期重复交通荷载作用下会发生永久不可恢复变形, 所以在高速公路路面上才会产生车辙病害。另外, 如果欲获得长期的蠕变效应, 沥青混合料的蠕变行为不能会忽略。
3 预测模型的精确性和适用性
在公路建设中, 预测模型可以由两种应用的途径, 其中最明显的应用是用于预测或估计模量的大小用于结构的设计及对比等;另外一个作用是计算和对比各类混合料的特性, 如对比根据现场取芯测得的以空隙率标准化的模量数据, 对于具体预测值的大小并不重要。
3.1 各类模型的精确性
基于采用NCHRP 1-37A半力学半经验方法, 对面结构设计中的沥青混合料性能预测, Schwarz[9]研究发现动态模量|E*|偏差±50%会导致车辙预测深度和路面疲劳开裂面积的近似相等比例的变化。尽管对于26种沥青混合料模量的预测结果存在差异, 尤其在高温状态下可能过高地预测|E*|, 然而整体的研究结论证明Witczak模型能给出应用到半经验半力学路面性能预测及设计方法中足够精确的预测结果, Schwartz[9]还发现Witczak预测模型主要影响因素以温度为主, 而降低了其他混合料参数的影响, 该发现与Pellinen[6]的研究结论一致。Pellinen还发现壳牌模型[14]在预测体积参数方面要优于Witczak模型, 但其用于预测混合料的模量值时存在明显的不足。
Birgisson等人[12]采用佛罗里达州典型应用的沥青混合料对Witczak模型进行了研究, 采用旋转薄膜烘箱老化沥青测得的剪切模量, 并利用公式 (3) 计算沥青的粘度, 测试旋转薄膜烘箱老化沥青的粘度采用Brookfield试验设备。在10到40度温度下测试混合料的参数。其研究发现测试得到的沥青粘度能获得更为精确的模量预测结果, 而采用理论转换公式计算得到的沥青模量值要低40%左右。尽管如此, 他们仍然推荐采用剪切模量用于获得沥青的粘度, 对于模量的预测中用考虑偏差的校正, 其研究结果与Cyne等人的研究结论相吻合。
关于Witczak和Hirsch模型的综合研究方面, Dongré等人[11]对横跨美国的5类典型路面结构中的沥青混合料的动态弹性模量进行了预测。预测的结果与在美国联邦公路局 (FHWA) 沥青试验中心测试得到的值进行对比, 研究结果表明采用Witczak和Hirsch模型理论上能获得比较理想的有关混合料动态弹性模量的预测结果, 然而其与测试结果的预测精度有限, Witczak模型的预测结果是689MPa, 而Hirsch模型预测结果为340MPa, 其研究中还发现模型预测并不能反映出混合料生产过程中的差异, 通过对比MALT的混合料模量测试结果与模型预测结果发现:当沥青含量增加或者空隙率减小, 模量的预测结果过小;当沥青含量减少或者空隙率增加, 模量的预测结果过大。
Pellinen和Xiao[28]在研究中发现木质纤维以及填充矿粉等可以明显使沥青混合料硬化。Pellinen和Xiao在该研究中还采用Hirsch模型建立基于空隙率的模量预测标准化程序, 对于在沥青拌合厂拌合生产过程可能取得的部分低剪切模量及动态模量值的沥青材料, 采用Hirsch模量可能得到部分不合理的模量值。这些模型本身的局限性是与用于推导Hirsch模型的最初采用的数据库有关, 在这些数据库中动态弹性模量的值差别从183到20900MPa, 而对于简易剪切模量试验获得的动态剪切模量其差别从20到3880MPa。
3.2 模量调整系数
如上所述, 采用预测模型获得的现场拌合配置的沥青混合料模量精度上可能不如一般的在实验室拌合配置的混合料。Pellinen和Xiao[28]的研究中给出了必要的调整因素的值, 他们的研究中对SST剪切模量以及沥青混合料的动态模量根据建设的四阶段 (混合料配合比设计阶段、场地拌合阶段、现场施工阶段以及运营服务阶段) 进行, 对四类混合料分别进行试件制备和测试: (1) 实验室制备和压实的混合料; (2) 现场拌合并在实验室压实的混合料; (3) 一星期内的路面取芯试件; (4) 建造后一年的路面取芯试件。采用同样的材料以及目标空隙率对比各类混合料, 可以对实验条件、混合料老化时间、压实方法以及服务时间对混合料模量的影响。实验室采用的是4小时短期老化沥青。由于建造过程中实际的空隙率会偏离目标值, 因此, 为了对比混合料的模量, 测试得到的力学参数需要标准化为同样的空隙率以保持对比因素的一致性。
研究中发现在实验室制备和老化的沥青混合料的模量要比采用场地拌合并在实验室压实成型的沥青混合料模量值平均高30%, 比现场路面取芯测得的值高65%。而不同混合料类型之间的差距很大。如表4所示为对于不同类型混合料的平均调整系数。图7所示为研究中的混合料的变化比率。
表4中是调整后的平均值, 其与图7中所示值并不直接相等, 如SR-56混合料偏差比较大而被剔除, 这样做是为了剔除过大误差提高结果的精确度。其中I65、SR64、I74和US31等都是SMA混合料, 他们之间的差异并不明显。
3.3 混合料动态模量与剪切模量的关系
线粘弹性理论公式:|G*|=|E*|/2 (1+v*) , 如果泊松比v*=0.5, 则动态模量是剪切模量3倍。然而实际测试获得的动态模量与剪切模量的关系并不完全符合理论的关系, 实际中模量会随着温度的增加而减小, 从而产生误差的增大。测试获得的剪切模量要比通过动态模量理论换算值要低, 需要用到8个泊松比方能使得两模量值成立等式关系, 此外, 测试获得的相位角也存在明显的差别, 采用简单剪切试验获得的相位角明显要偏大[5,6,29]。
有许多的理论可用于解释这个问题:其中一些理论将产生误差的原因归结于设备本身的机械缺陷;有些理论将误差原因归结为试验方法本身的问题和缺点[5,6,29,30,31]。Saahed等人[29]修正理论方法解释混合料在动力荷载作用下的力学行为, 其研究认为SST实验测试中包含了永久应变而动态模量测试试验在分析的过程中并未考虑蠕变的影响, 并认为实际上由于塑性和粘性变形导致的能量消散应该成为粘性反应, 虽然这是一个强制性的说法, 永久应变在SST试验中并不能累积, 因此关于永久应变的假定性说法应在单一循环荷载下进行。
尽管剪切模量和动态模量模型的理论不尽一致, 在SST剪切模量试验可获得的前提下通过转化的方式获得动态模量预测结果也是可行的方法。可以通过两种方法实现:根据经验的回归公式获得或者利用Hirsch预测模型转换。Christensen等人[5]基于非线性回归关系|G*|=a|E*|b建立预测模型, 其中a=0.0603, b=1.0887。Pellinen和Xiao[24]也研究了在不同建设时期下的剪切模量与动态模量关系模型, 研究结果表明关系式中参数的取值依赖与混合料的类型。此外, 时间的制备方法等均影响所获得的两者之间的关系。采用场拌法获得的混合料比实验室拌合混合料具有更好的相关性, 这是由于场地拌合能使得混合料更加均匀, 相反地, 采用压路机现场压实以及厂拌混合料的整体差异性会导致现场取芯试件模量的相关性不好, 尽管对空隙率进行了标准化控制——平均7.5%, 表5中列出了研究中获得的相关系数。
由于动态模量和剪切模量都与沥青的刚度相关联, 因此可以通过混合料的动态模量预测剪切, 反之亦然。Pellinen和Xiao建议基于Hirsch模型利用剪切模量能通过建模预测获得混合料的动态模量, 同样可以基于Hirsch模型通过根据沥青模量估算混合料的剪切模量。这整个过程都可以借助微软Excel软件中的求解函数很方便地实现。分析表明测试及预测的沥青混合料剪切模量之间具有很好的相关性, 因此通过反算能获得适用于实际工程足够精度的沥青剪切模量, 在根据剪切模量的试验数据预测沥青混合料的动态模量, 反之亦然。
4 沥青混合料模量预测及分析
4.1 分析方法及预测值
取用9类沥青混合料及其对应的沥青材料, 用于评价三种预测模型根据沥青模量预测沥青混合料模量等方法的精确性。FHWA-ALF试验用沥青混合料是采用了4小时短期老化方法并采用旋转压实方法, 控制混合料的空隙率与现场基本一致。MnROAD试验用沥青混合料采用1999年MnROAD建设过程中现场拌合的沥青混合料, 并在实验室采用旋转压实的方法成型试件, 试件预热至130度后进行压实成型, 分析中沥青混合料采用旋转薄膜烘箱老化沥青数据[6,7], 沥青参数测试温度分别为15到80度、34到64度。混合料动态模量的测试温度:ALF数据测试温度为-9、4、21、38、54度[6];MnROAD数据测试温度为-20、-10、4、20、40和54度[8]。由于沥青和混合料的测试数据均是在不同温度和荷载频率作用下, 主曲线是用于获得需要的混合料及沥青的模量组成, 所有的主曲线均以温度34度作为参考, 沥青的主曲线是根据CAM模型获得, 混合料的主曲线采用S形回归函数关系式获得, 其允许不同的回归系数[33]。MnROAD所用的沥青主要是设计用于增加混合料在低温状态下的柔性, 然而ALF所用沥青多为弹性低密度聚乙烯, 主要起到填充混合料的作用。表6中给出了沥青的PG分级以及对应的沥青粘度的回归系数A以及VTS值。在主曲线构建中, 沥青的模量取Gg=1259MPa。
表7分别列出了在Arrhenius和WLF公式中的沥青混合料的相关回归系数, 主曲线根据S形回归曲线函数以及不断调整回归系数所获得, 平均的表观活化能Ea=195kJ, WLF公式中的C1和C2分别为20.5以及210, 表7中还给出了通过回归分析获得的沥青混合料的模量值。
表8中给出了Hirsch模型和Witczak模型中需要的混合料的体积参数, 以及Witczak模型中需要的级配。Global DB模型只需要4个常量:混合料静态模量、混合料玻璃态模量、沥青玻璃态模量以及转换因子。基于5类混合料的模型常数校正, Di Benedetto等人[2]提出α=2.82, 建议采用Einf-binder=2100MPa, Einf-binder=36000MPa以及E0-mix=65MPa。
为了分析实际混合料参数对预测结果的影响, 在分析中采用了混合料主曲线静态模量及玻璃态模量, 此外, 采用Di Benedetto等人研究中给出的参数[2]。为了建立混合料属性与参数的关系, 采用最小二乘法拟合测试及预测结果。
表9中归纳了研究的变量, 如统计分析中用到的混合料和模型的组成参数, Global DB模型由四项组成:def 是一个默认值;def_fit由拟合推荐静态模量值与值;mix由静态模量值拟合获得 (如表7所示) ;mix_fit由表8中的值与α值。
4.2 模量预测及平均误差
图8、9归纳了对所有混合料及模量的预测结果, 图10中给出了各模型的误差值。对比发现, 整体上Hirsch模型能获得最为精确的预测结果, 采用ALF混合料建立数据库是合理的。然而, Hirsch在预测高温状态下的模量值过高, 而且在Pellinen和Xiao等的相对较软的厂拌混合料测试结果中研究中同样发现该问题。Global DB模型采用不断调整混合料模量的预测平均值、最大值和最小值界限的方法, 但图8和9中发现拟合系数并不能明显改善整体的预测结果。
如图10、11所示, 误差的产生与温度、混合料类型以及老化的条件有关, 此处的误差为均方差, 由图10可知, 对于ALF混合料, 在中等温度状态下预测结果最为精确, 随着温度的降低或升高误差也随着增大。整体上预测的平均误差达到42%, 此值比较大, DB模型给出了对比的预测结果, 并取用默认常量代替实际混合料的参数。由图11可知, 采用MnROAD混合料以及RTFO老化沥青数据, 整体的误差增大到了80%, 采用Witczak模型在高温状态下的预测结果误差最大, 然而DB模型获得最小的平均误差。如图12所示为MnROAD混合料的预测结果误差, 平均误差值达到122%, 采用Hirsch模型和Witczak模型获得的模量预测结果都不理想, 而DB模型能给出最佳的预测结果, 尽管误差也达到了50%。
图13、14和15分别对比了不同温度下, 采用不同预测模型所获得的结果与试验测试结果的对比, 对于ALF混合料, 所有的预测模型获得的结果基本在同一数量级上, 但是在高温状态下, DB模型与Hirsch模型、Witczak模型差异较小, 对于MnROAD混合料数据系统有同样的发现。一般地, DB模型的预测结果要低, 而Hirsch模型和Witczak模型的预测结果要高, DB模型在高温状态下的预测结果偏低, 预测结果有时要低于Witczak模型和Hirsch模型。
表10中给出了各预测模型的总体平均误差, 表中过大误差取正, 过小误差取负。由表可知, 对于ALF混合料的模量预测结果要优于MnROAD混合料, 其总体的偏差要小, 精度更高。对于MnROAD混合料, RTFO法老化沥青模量预测结果优于PAV法老化沥青预测结果。在Di Benedetto模型中, 沥青模量的对混合料模量的预测结果影响较大。由上可知各个模型并不是能准确地用于各类混合料的力学行为预测。
Hirsch模型和Witczak模型是回归公式模型, 然而DB模型是根据流变理论以及时间、温度的叠加效应进行推导获得, 因此模量预测结果是与温度相关的系统变量, 回归模型呈现出能极大地减小误差而其关于变量的敏感性欠缺。
5 讨论
与Dongré等人[11]类似的研究发现:Hirsch模型和Witczak模型能用于预测实验室制备的混合料而不能预测其他情况下生产的拌合混合料。然而, 与Birgisson等人[12]的研究有着不同的研究发现:通过剪切模量的沥青混合料模量表证沥青的粘度并不会导致比试验测试结果过高的预测结果。
系数的值波动范围较大, 其主要与混合料的属性有关, 体积的相关参数数据用于回归得到系数, 研究中发现填充沥青的空隙率与系数有着最好的相关性, 如图16所示。此外, Hirsch模型中的参数——接触体积与系数有着很好的相关性。
Dongré 等人[11]研究中的混合料其预测结果与测试结果对比效果较差, 认为仍有很多比较重要的作用混合料模量的因素并没有充分地考虑到预测模型之中, 预测中温度的敏感性较强, 因此沥青模量的差异性加上其他拌合过程中的不确定因素是主要影响预测模型的方面, 这些其他的因素包括:集料水分含量、吸收能力的变化、拌合条件以及其他。表11列出了可能影响混合料力学响应的因素, 表中部分在预测模型中直接采用的变量用黑体标示了出来, 对于混合料模量的预测模型可能的应用是用于其质量的控制, 但其尚不能取代实验室的测试。
图17中总结了模量预测模型的可能应用及其应用途径, 如图17所示, 最为精确的预测模型可用于实验室制备的短期老化以及旋转压实的沥青混合料。
对于储存时间少于一个月以及老化的厂拌混合料, 最为合理的选择是采用RTFOT法老化沥青的模量。此外, 集料水分的含量也需要考虑, 现场刚铺筑路面的取芯试件的预测结果会相对较大, 这是由于现场压路机压实的混合料比实验室旋转压实法制备的沥青混合料要柔软一些。因此, 如果必须通过现有的预测模型获得厂拌及现场沥青混合料的模量, 需要在预测模型中考虑调整系数以减小误差。
实际应用中, 动态模型预测模型并不能很好地区分在特定环境和其他条件下, 不同混合料的不同力学响应。关于动态模量的实验室测试在实际应用中仍然十分必要。
6 结论
本研究通过对比Di Benedetto模型、Witczak模型以及Hirsch模型等三个沥青混合料模量预测模型, 研究结果体现:采用这些预测模型均能获得某一特定条件下混合料的模量;由于高温状态下模量的预测存在较大的差异, 因此如果想获得更为精确的模量值推荐采用试验测试的方法, 通常预测的误差在40%左右, 而测试的误差常低于20%;类似地, 由于低温状态下预测模量的差异也较大, 推荐采用固定的玻璃态模量值以及Bonaquist等人[34]提出的混合料模量理论主曲线方法;沥青模量根据混合料要求的条件确定, 为减小预测结果的误差同样需要考虑调整系数;从理论上分析, Hirsch模型采用粘弹性液态模型, 其更便于做进一步的调整, 如考虑混合料的蠕变特性等;如果结构设计中需要考虑沥青混合料的小应变状态下的模量预测, Hirsch模型和Witczak模型均可以采用。
Hirsch模型和Witczak模型的预测结果相似, 且两个模型对与实验室混合料的预测误差比较相近, 然而, 对于厂拌混合料, 两个模型获得的RTFO法老化沥青混合料的预测模量偏大, 采用PAV法老化沥青混合料的预测结果偏低。结果体现回归模型更为精确仍然没有Di Benedetto模型预测结果精确, 这是由于Di Benedetto模型考虑了时间、温度的叠加效应, 如果系数取值正确, 将能获得非常精确的预测结果。对于MnROAD混合料的模量预测, 低温状态下沥青的各参数值需要重点考虑, 其会影响沥青主曲线, 最终影响到动态模量的预测结果。
致 谢
本论文研究中部分试验数据来之美国明尼苏达州交通部门的研究经费资助, 在此表示感谢。
摘要：本文研究基于沥青混合料粘弹性特性, 根据实验结果对现有沥青混合料的预测模型的有效性。尤其采用了Di Benedetto等人的模型与现在美国新路面设计指南中采用的Witczak模型以及Hirsch模型等进行了对比分析。Di Benedetto模型与其他模型的不同之处是对沥青及混合料同样考虑了流变模型。本研究采用的沥青混合料动态模量以及沥青混合料的试验测试数据均来源于联邦公路管理局加速荷载设备 (FHWA-ALF) 测试结果以及明尼苏达州公路研究项目。预测中采用旋转薄膜烘箱法 (RTFO) 及压力老化容器法 (PAV) 的老化沥青测试数据, 并根据现有的经验转化公式将沥青模量转化为粘度。研究结果表明在满足一定条件下采用三种模型均能用于预测沥青混合料的模量。预测模型中应老化沥青的条件应符合沥青混合料的设计要求, 为减少预测模型的误差应根据实际情况对各参数进行调整。理论上, 采用基于粘弹性液态模型Hirsch模型能更便于进一步的调整, 如引入混合料的蠕变行为等。对比结果表明, 采用Di Benedetto模型能获得更为精确的预测结果, 但是在低温及高温条件下如不引入混合料的相关参数将导致更大的误差。
关键词：热拌沥青混合料,动态模量,预测模型,沥青及混合料主曲线
参考文献
[1]National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) . 1-37A-2002 Design Guide (Draft) . Washington, DC, 2004.
[2]Olard, F., Di Benedetto, H., “General“2S2P1D”modeland relationbetween the linear viscoelastic behaviors of bitu-minous binders and mixes”, Road Materials and PavementDesign, Volume 4, Issue 2, 2003.To be published.
橡胶沥青混合料疲劳试验 第7篇
关键词：橡胶沥青混合料,疲劳试验,试验分析
橡胶沥青是以沥青为基质,使用废旧轮胎磨细而成的橡胶粉进行改性的一种改性沥青。橡胶沥青混合料可以有效降低路面噪声,延缓反射裂缝,减薄路面厚度,对抵抗低温开裂有明显的优势。橡胶沥青使用废旧的橡胶粉,可有效利用废旧轮胎,减少污染和处理费用,符合循环经济原则。同时,橡胶沥青相较其他改性沥青,成本较低,具有良好的经济性。
对橡胶沥青混合料的疲劳试验及分析进行了研究。
1 试验材料
使用埃索70号沥青作为基质沥青,外掺22%的山东邹平产40目橡胶粉进行改性。橡胶沥青指标见表1。
石料使用江苏沭阳的玄武岩和浙江湖州的石灰岩,使用各分档集料配料。混合料不用矿粉,使用2%的普通硅酸盐水泥。混合料级配见表2。
橡胶沥青混合料在180 ℃条件下拌合,沥青用量为9%,使用小型振动压路机压实。
2 疲劳试验方案
2.1 试验设备
采用四点梁弯曲疲劳试验(Four Point Bending Fatigue Test,AA-SHTOTP8-94)评价橡胶沥青混合料的疲劳性能。仪器使用澳大利亚IPC公司生产的四点弯曲疲劳试验机。
使用疲劳程序模块,可以显示试验过程中的最大/最小弯拉应力,最大/最小弯拉应变,劲度模量,荷载,挠度,相位角,耗散能等试验结果。
2.2 试验过程
1)成型试件。
根据设计的级配和油石比,采用振动压实成型试件,切割成尺寸为400 mm×63 mm×50 mm的小梁,压实方向做好标记,试验时加载方向和压实方向一致;
2)试件保温。
将试件放入(20±0.5)℃的保温箱中至少保温2 h,以使试件温度达到试验要求的温度;
3)打开控制程序和试验设备。
开通气源,冷干机,打开控制程序;
4)试验。
设定好试验参数,将试件放入夹固内,夹紧试件,开始试验。
2.3 试验方案
橡胶沥青混合料用作旧路面白改黑夹层,高沥青用量和低孔隙率,级配偏细,以提高其疲劳性能。对于疲劳试验,有应力控制和应变控制两种模式。应力控制模式为实验过程中对试件施加恒定应力荷载,也称之为常应力疲劳试验;应变控制模式为实验过程中对试件施加恒定应变荷载,也称之为常应变疲劳试验。美国SHARP研究成果显示,对于较厚路面,采用应力控制模式更符合路面实际情况;对于较薄路面,采用应变控制模式更符合路面实际情况[1]。
对路面弹性层状体系的分析表明,面层厚度大于12.6 cm时,由于基层刚度相对比较小,荷载重复作用使面层应变增长较快,以致最后迅速增大而出现路面破裂,这一过程比较符合应力控制模式[2]。白改黑路面一般加铺层厚较薄,小于12.6 cm,适宜应变控制模式。对于橡胶沥青混合料,采用大应变疲劳试验,选取1 500 με进行试验。加载波形为半正弦,频率为10 Hz,试验在劲度模量降到初始劲度模量的15%～25%结束。
3 结果分析
疲劳程序采集数据,在设定的劲度模量减少处停止,试验采用15%～25%的初始劲度模量作为判断标准。程序默认方法为AASHTO T321方法(94),疲劳寿命定义为材料的劲度模量下降为初始劲度模量的50%时所经历的加载次数;另一种方法为考虑材料疲劳破坏不同发展阶段的耗散能(dissipated energy)变化情况,以及根据能量比(Energy Ratio)的方法[3]。Rowe和Bouldin根据Hopman的应变控制中能量比(Energy Ratio,ER)概念,提出简化能量比R
在同一应变水平下,使用50%劲度模量对应的作用次数作为疲劳寿命,各试样的劲度模量相差不大,均为2 100 MPa左右。劲度模量不同,但是疲劳寿命变化不大,说明其对劲度模量不敏感。而采用简化能量比的疲劳次数,则为50%劲度模量对应疲劳寿命的10倍左右,其累计耗散能为50%劲度模量对应疲劳的4.4倍～6.2倍,取平均值则约为5倍,说明随着荷载作用次数的增加,耗散能没有对应的成比例增加,疲劳试验后期,耗散能对作用次数的敏感性减弱,则疲劳试验对材料疲劳的区分减弱。
在图1中,劲度模量随着荷载作用次数有三个变化区段:首先,随次数增加剧烈减少,中间段随次数增加而减少趋于平缓,末段劲度模量减少速率又增加了,末段大致对应着简化能量比的峰值。在末段,试件内部微裂缝发生并发展,新增加界面需要耗费更多能量。而50%劲度模量对应的区段尚在中间段,即没有明显的变化段,不能很好的反映材料的疲劳性能。
Rowe和Bouldin提出,在疲劳试验中沥青混合料表现出四个不同阶段:内部加热阶段,微裂缝形成阶段,裂缝形成以及发展阶段。在50%劲度模量情况下,材料内部可能没有达到裂缝形成和发展阶段就已经停止了试验。累计耗散能相差5倍,说明使用简化能量比方式更能够反映裂缝形成和发展阶段。
4 结语
橡胶沥青混合料应变控制模式下的疲劳试验,使用传统的50%劲度模量对应的疲劳使命时,材料可能没有达到其疲劳寿命,而使用简化能量比则能较好的反映材料疲劳情况。疲劳试验不应该在劲度模量降低到初始的50%就停止,而应继续到劲度模量的20%左右结束。
参考文献
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沥青混合料回收料 第8篇
1 原材料性质及方法
本次研究采用90#重交通道路基质沥青, 根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》的方法对沥青原材料的性能进行测试, 技术指标满足规范标准。橡胶沥青制备方法为机械简单搅拌60 min, 搅拌温度60℃[3,4]。
试验集料采用阿城地区所产的玄武岩, 分别为石屑 (0~3 mm) 、碎石 (3~5 mm) 、碎石 (5~10mm) 。集料采用水筛法进行筛分, 最终合成级配见表1。
为确定SMA-10级配是否形成骨架嵌挤结构, 需测出粗集料捣实状态下的松装间隙率VCRDRC, 测得结果见表2。
注:γsb为合成矿料毛体积相对密度;γsa为合成矿料表观相对密度;γse为合成矿料有效相对密度;VCRDRC为粗集料捣实状态下的间隙率。
根据长安大学吴奇峰, 等人的研究结果, 将橡胶沥青混合料拌合温度确定为190℃, 击实温度为170℃。马歇尔试件击实次数包括50次与75次, 马歇尔试件在50次击实条件下已达到密实, 但随着交通事业的发展, 重载、超载问题严峻, 50次击实方式可能达不到预期的紧密程度, 因此采用75次击实方式[5—8]。
参考美国沥青协会研究成果[9], 沥青混合料的空隙率在4%时混合料的路用性能综合最优, 空隙率偏小混合料易出现车辙变形, 偏大导致水分空气进入混合料内部, 影响路面水稳定性及耐久性。故采用以空隙率为4%时的沥青用量作为最佳沥青用量。
2 实验结果与分析
2.1 不同级配条件下的马歇尔体积指标结果
根据公路沥青混合料试验规程制作马歇尔试件, 测得个油石比条件下的体积指标结果如表3所示。
注:VV为混合料空隙率;VMA为混合料矿料间隙率;VFA为混合料的沥青饱和度;VCAmix为混合料马歇尔试件的粗集料间隙率。
由表3得出各级配的空隙率随沥青用量的变化趋势, 并估算出各级配下的最佳沥青用量见表4。
为更直观地表示出各级配指标与关键筛孔通过率的关系, 将表4绘制成图1。
由关键筛孔2.36 mm通过率可知级配1至级配5粗集料逐渐减少, 细集料逐渐增加。从图1可以看出各马歇尔指标与关键筛孔通过率具有较好的相关性, 相关系数都在0.97以上。随着细集料的增加, 粗集料间隙率逐渐被细集料填充, 矿料间隙率逐渐减小, 矿料比表面积增大, 矿料间隙率逐渐减小, 沥青用量逐渐减少, 一方面是因为粗集料含量一定的情况下, 粗集料所留下的间隙也是固定的, 细集料的增加导致容纳橡胶沥青的空隙减少, 另一方面, 橡胶沥青中的胶粉颗粒不仅起到改性作用, 胶粉的填充作用也不可忽视。
但随着细集料的进一步增加, 粗集料间隙逐渐增大, 骨架嵌挤结构被破坏, 如图中级配4与级配5粗集料间隙率达到43.3%、45.4%, 已超出粗集料捣实状态下的间隙率, 已构不成骨架嵌挤结构, 建议关键筛孔通过率不宜大于27%。由此可知, 细集料偏少时, 矿料间隙率较大, 容纳的橡胶沥青较多, 细集料使用量较大时, 骨架结构易破坏, 所以存在一个最佳级配, 使混合料的生产费用低而且满足工程要求。
2.2 不同胶粉类型马歇尔体积指标结果
由以上结果级配3所用沥青用量最少, 而且满足所有技术标准, 因此以下实验采用的配合比为级配3。测得各指标如表5。
由表5得出各混合料空隙率随油石比的变化规律, 根据其中的变化规律估算出空隙率为4%时的油石比, 对各胶粉类型的最佳油石比进行汇总见表6所示。
由表6可以看出, 最佳沥青用量、矿料间隙率、沥青饱和度及粗集料间隙率随胶粉粒径的变化规律相同, 随胶粉粒径的减小呈增大趋势, 最佳油石比差值达到0.4。但胶粉粒径减小到60目时, 沥青用量变化不再显著。究其原因, 可能是胶粉粒径小的胶粉比表面积大, 更能与基质沥青充分反应, 制得的橡胶沥青黏度偏大, 导致在击实时需要的击实功也大, 由于采用相同的马歇尔试件制作方法, 其压实功的值是一定的, 所以60、80目的混合料若要达到相同的空隙率4%等体积指标, 则需要更多的自由沥青裹附在集料表面来提高集料间的润滑作用。当胶粉粒径减小到一定程度时, 沥青胶结料的黏度增加幅度减小, 甚至不再增加, 此时所需的击实功也不再增加, 沥青用量就不再随胶粉粒径的减小而增加。此外, 掺加大粒径胶粉的混合料不宜控制密集配的矿料间隙率, 对橡胶沥青的用量也有影响。
2.3 不同胶粉掺量马歇尔体积指标结果
表7为不同胶粉掺量条件下的混合料体积指标。
注:防止混合料析漏, 不掺胶粉的情况下添加0.3%的木质纤维, 木纤维密度为1.36 g/cm3。
由表7估算出各胶粉掺量下的最佳油石比, 对结果汇总见表8。
为更直观地表示马歇尔各体积指标与胶粉掺量的关系, 将表8绘制成图2。
由图2可以看出混合料的油石比、矿料间隙率、沥青饱和度及粗集料间隙率与胶粉掺量具有非常好的相关性, 相关系数均在0.99以上。油石比、矿料间隙率、沥青饱和度、粗集料间隙率均随着胶粉掺量的增加而增加。经过计算, 与基质沥青混合料 (即胶粉掺量为0) 相比, 橡胶沥青混合料中的基质沥青用量更高, 比如胶粉掺量为20%的橡胶沥青混合料中基质沥青为8.9/ (1+20%) =7.42%>7.3%。究其原因, 橡胶沥青混合料中的基质沥青一部分被胶粉吸收溶胀, 矿料间隙率与粗集料间隙率也随着胶粉掺量的增加而增加, 由此可以看出, 橡胶沥青混合料需要增加一定的矿料间隙率来容纳所增加的基质沥青与胶粉颗粒, 橡胶沥青混合料中胶粉颗粒的填充作用不容忽视, 这也是SMA橡胶沥青混合料矿料间隙率高于其他SMA改性沥青混合料的原因。
此外, 在进行马歇尔击实实验时, 胶粉掺量超过24%的橡胶沥青混合料开始变得干涩, 给混合料拌合和试件的击实带来困难, 因此建议胶粉掺量不宜超过24% (外掺) 。
3 结论
通过对不同类型混合料进行的马歇尔配合比实验, 得出了各SMA-10橡胶沥青混合料类型的最佳油石比, 并分析了产生油石比差异的原因, 结论如下:
(1) 不同级配的最佳沥青用量与级配关键筛孔通过率有较高的相关性, 橡胶沥青中的胶粉颗粒有着填料的作用, 细集料的增加势必造成矿料间隙率的减少与粗集料间隙率的增加, 增加到一定程度时, 就会撑破粗集料骨架结构, 影响级配骨架嵌挤的效果, 建议选取的级配不宜偏细, 并严格控制粗集料间隙率, 关键筛孔通过率不宜大于27%。
(2) 与级配的粗细类型相比, 胶粉粒径的变化对沥青用量的影响较小。最佳油石比随胶粉粒径的减小呈增大趋势, 最佳油石比差值达到0.4。当胶粉粒径减小到一定程度时, 最佳油石比变化不再显著, 最佳胶粉类型为60目。
(3) 橡胶沥青混合料的沥青用量随胶粉掺量的增加而增加。混合料的油石比、矿料间隙率、沥青饱和度及粗集料间隙率与胶粉掺量具有非常好的相关性, 相关系数均在0.99以上, 考虑到混合料的施工性能, 胶粉掺量不宜超过24% (外掺) , 油石比宜控制在8.5~9.5范围内。
参考文献
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沥青路面沥青混合料针对性设计 第9篇
近年来,随着交通量不断增长以及车辆行驶的渠化,高温车辙病害已成为我国高等级公路和城市道路早期损坏的主要形式。究其原因,主要是沥青路面在高温季节行车荷载反复作用下永久变形的累积,轮迹处沥青层厚度减薄,削弱了面层及路面结构的整体强度。另外,因雨天车辙内积水而导致车辆飘滑和车辆更换车道时方向失控,影响了行车的安全。
目前大部分治理工作都集中在沥青路面养护维修阶段,而在沥青混合料设计时考虑得相对较少,导致了在道路使用阶段养护费用的增加,造成了不必要的浪费。下面根据车辙产生的主要原因提出针对性设计措施。
1 沥青路面车辙产生原因
我国高等级公路和城市道路主要是灰土路基和半刚性基层沥青路面组成的路基路面结构,路基的强度较高,在交通荷载作用下形成的结构型车辙较少,而面层沥青混合料的高温稳定性不足导致的失稳型车辙则是主要的。该类车辙主要由沥青混合料原材料性能、配合比和中面层混合料设计方面的原因引起。
1.1 集料表面纹理和颗粒形状的影响
实践证明,悬浮密实型沥青混合料抗车辙能力较差,主要原因是集料颗粒和颗粒之间未形成嵌挤骨架。若集料颗粒表面粗糙,形状接近立方体,集料易形成嵌挤结构,则有利于沥青混合料抗车辙性能的提高。
1.2 矿料化学性质的影响
矿质材料的性质对沥青混合料高温稳定性的影响,主要从它与沥青的相互作用表现出来,能够与沥青起化学吸附作用的矿质材料,可提高沥青混合料的抗变形能力。
在矿质混合料中,对沥青混合料高温稳定性影响最大的是矿粉。因为矿粉具有最广大的表面,特别是活化矿粉,活化矿粉对提高沥青混合料的抗剪切能力起特殊作用。由于活化的结果改变了矿粉与沥青相互作用条件,改善了吸附层中沥青的性能,从本质上改善了沥青混合料的结构力学性质。
1.3 沥青性质的影响
对于组份确定的混合料,其车辙性能将取决于沥青的高温粘度、劲度。另外,沥青中含蜡量偏高,蜡在高温时融化使沥青粘度降低,影响高温稳定性,增大沥青的温度敏感性;蜡使沥青与集料的亲和力变小,影响沥青的粘结力。
1.4 矿料级配的影响
沥青混合料的矿料级配,对路面抗剪强度的影响很大。沥青混合料中,起骨架作用的粗集料必须有足够数量,才显示出较大的内摩擦力和抵抗变形能力。足够数量中间的颗粒使沥青混合料有良好的和易性和要求的密实性。细集料用量过多会使沥青混合料在车辆荷载作用下的一部分弹性变形不能及时恢复。
关于级配类型传统想法认为,间断级配混合料的抗车辙能力优于连续级配混合料,但试验表明,合理连续级配混合料的高温稳定性优于间断级配的沥青混合料,但SMA除外。
沥青混合料中矿粉与沥青的比值即粉胶比,对沥青混合料抗剪强度影响很大。在一定范围内,其比值越大,则抗剪强度和抵抗变形的能力愈高。然而,当矿粉与沥青比例一定时,较多数量的矿粉将引起沥青混合料抗变形能力的降低。
1.5 沥青混合料空隙率VV、矿料间隙率VMA的影响
沥青混凝土的抗剪强度取决于粘聚力和内摩阻力,它们的高温稳定性不仅与材料本身的性质有关,而且与混合料的空隙率有密切关系。VV较大的沥青混合料,路面抗剪强度主要取决于内摩阻力,而内摩阻力基本上不随温度和加荷速度而变化。因此,具有较高的高温稳定性;VV较小的沥青混合料路面,则相对来说沥青含量较大,温度升高沥青粘度降低,粘聚力和内摩阻力也降低,使沥青混合料抗变形能力下降。
VMA过大或过小都会对沥青混合料的路用性能产生不利影响。VMA过大主要是由于沥青用量过大、细集料用量偏多等原因造成,这会对沥青混合料高温稳定性产生负面影响,容易出现车辙病害。VMA过小主要是由于沥青混合料的VV和沥青用量过小造成的,同样会对沥青混合料的高温抗变形性能产生不利影响。
1.6 路面中面层沥青混合料性能的影响
我国沥青路面面层结构一般为上、中、下三层,大量试验研究结果显示,沥青面层的最大剪应力位于中面层。其次是上面层,最后是下面层。我国不少设计部门往往只重视上面层的沥青混合料设计,忽视中面层的车辙控制,造成整个面层的总车辙量增大。
2 沥青混合料的针对性设计措施
2.1 原材料的选择
2.1.1 集料
考虑集料外形对混合料抗车辙能力的影响,应优先挑选碎石含量多的矿料,并控制碎石中的扁平、针状颗粒的含量不超规定,同时粗、细集料都必须有较好的表面纹理和粗糙度。考虑沥青与集料的粘附性对沥青混合料高温稳定性的影响,混合料最好采用碱性集料,如石灰岩、玄武岩等。
2.1.2 矿粉
碱性矿粉表面具有活性,这种活化矿粉与沥青相互作用,形成了较强的结构沥青膜,大大提高了沥青的粘聚力,降低了沥青混合料的部分空隙率,因而降低了自由沥青的含量,这对沥青混合料抗剪切能力有很大提高。因此,应选用石灰岩轧磨的矿粉配制的沥青混合料。
2.1.3 沥青
(1)根据不同温度的车辙试验研究结果,沥青混合料温度在软化点附近时,产生车辙的速率最快,因此我国南方等温度较高和交通量较大的地区应优先选用针入度较小、软化点高的沥青,考虑与其它改性剂相比,SBS改性剂提高混合料软化点的效果最好。
(2)应采用含蜡量低的沥青。
(3)选用粘度高的沥青。
2.2 矿料配合比
(1)上面层和中面层沥青混合料宜采用嵌挤型级配,如S型嵌挤密实型级配和SMA间断级配。嵌挤型沥青混合料的强度是以矿料间的嵌挤力和内摩阻力为主、沥青粘结力为辅而构成,其受温度影响较小。
(2)改变采用粗级配抗车辙能力较强的传统观念,上面层和中面层沥青混合料宜采用中级配。
(3)选择合理的VMA。
2.3 沥青用量
(1)确定上、中面层沥青混合料的沥青用量时,采用略小于马歇尔试验确定的最佳沥青用量OAC的值。
(2)适当增大粉胶比,保持粉胶比为1～1.2。保证集料颗粒表面具有充足的沥青膜厚度,以确保沥青与集料之间具有足够的粘结力。
2.4 空隙率
研究表明,剩余空隙率达6%～8%的沥青路面和剩余空隙率大于10%的沥青碎石(表面需加密实防水层)路面,在陡坡路段和停车站处经10年的使用,均平整稳定,未出现波浪、推挤等病害。即使是使用稠度较低、粘结力较小的渣油作为胶结材料也能保证必要的高温稳定性;而剩余空隙率为1%～3%的沥青混凝土路面却出现了严重的车辙病害。
3 结论
(1)沥青路面车辙的产生与集料表面纹理和颗粒形状、矿料化学性质、沥青性质、矿料级配、沥青混合料空隙率、矿料间隙率、路面中面层沥青混合料的性能有关。
(2)沥青混合料原材料选择时,粗细集料宜优先挑选碎石含量多的矿料,并控制碎石中的针片状颗粒的含量不超规定,上、中面层混合料尽量选用玄武岩。
(3)沥青混合料原材料选择时,矿粉宜选用石灰岩轧磨的矿粉。
(4)上、中面层沥青混合料均可使用SBS改性沥青,基质选用含蜡量低、粘度高的沥青。
(5)矿料级配宜采用S型嵌挤密实型级配和SMA间断级配;不要盲目选用粗级配,中级配往往效果更加;用合理的VMA控制矿料配合比设计。
(6)上、中面层沥青混合料采用略小于马歇尔试验确定的OAC的值;适当增大粉胶比,保持粉胶比为1～1.2。
(7)沥青混合料配合比设计时,要控制沥青混合料的设计空隙率为3%～4%。
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解析热压式沥青混合料路面施工工艺 第10篇
关键词：热压式沥青混合料;路面;施工工艺
国内自改革开放以来，经济实力与综合国力都得到比较大的提升，公路建设发展很快，尤其是高速公路。而在高速公路主要采用沥青路面，这种路面在国内的应用规模日益增大，人们越来越重视其质量控制力度。到目前为止，大部分沥青路面的施工工艺都是比较常规的施工技术，一旦在施工过程中存在任何差错，都会导致质量隐患。因此，沥青路面的施工工艺是否优劣，对路面的使用性能造成直接影响。必须采用先进的施工工艺，确保路面质量。
1 热压式沥青混合料路面概述
热压式沥青混合料可以简称为HRA，其结构具有悬浮密实性，主要从沥青、矿粉与细集料形成的胶浆劲度中获得强度。在热压式沥青混合料中，细集料比较多，粗集料比较少，导致HRA的空隙率接近0，而且用油量比较高，使得HRA有比较高的抗拉、耐磨、抗滑和密实抗渗的优点。HRA能够在一定程度上减少紫外线的穿透，从而延长混合料的使用寿命。一般来说，HRA在海拔比较高、温差比较大，而且比较湿冷的地区路面中适用。
2 热压式沥青混合料路面的施工工艺分析
对于一般的沥青混凝土路面来说，热压式沥青混合料路面在嵌入层的施工与其相同。但是也存在区别，即上面层的沥青预拌碎石骨料的撒布与碾压。
2.1 摊铺嵌入层施工工艺分析
2.1.1 摊铺厚度
在热压式沥青混合料路面嵌入层的摊铺中，其施工工艺和普遍的沥青混合料摊铺的施工工艺比较相似。这一施工工艺最关键的地方就在于对嵌入层的摊铺厚度进行良好的控制，使得嵌入层摊铺厚度与嵌入碎石骨料粒径的大小、集料的含量等相对应。比如在嵌入层中，骨料粒径为14毫米的碎石含量应该为35%。而且当热压式沥青混合料路面上层撒布的碎石骨料粒径为20毫米时，则嵌入层摊铺厚度范围应该在45毫米至50毫米之间。
2.1.2 摊铺的环境温度
根据我国沥青路面施工规范的相关要求，嵌入层的沥青混合料摊铺的施工环境温度应该在100C以上。而对于热压式沥青混合料来说，在干燥而且没有风的情况下，即使环境温度为00C也可以施工。但是需要注意的是，当环境温度下降达到-30C时，则必须停止热压式沥青混合路面嵌入层的摊铺施工。而在下雨的情况下，则需要推迟嵌入层的摊铺施工时间，而且要注意不应该在覆盖有雪或者结冰的下承层面上进行摊铺施工。
2.1.3 下承层的质量检查与清洁度
与摊铺热拌沥青混合料的施工相似，在对热压式沥青混合料的嵌入层进行铺筑之前，应该对其下承层，即基面、路面中面层或者下面层等方面进行质量检查。在摊铺之前，应该对其表面进行清洁。而且清洁的路面宽度范围应该超过要摊铺施工的范围，使得沥青混合料路面达到干燥清洁这一要求。由现场负责人对路面清洁度进行检验，通过之后才可以进行铺筑施工。要保证沥青层的粘结效果，就应该通过沥青洒布车将粘层油适量地喷洒在沥青层上。要注意撒布量范围应该为0.25kg/m2至0.35kg/m2，确保粘层油在路面上的覆盖均匀，避免路面出现花白现象。
2.1.4 摊铺施工工艺注意要点分析
（1）在摊铺机前，应该确保有适量的料车等候，避免摊铺机等待运料车而耽误施工。
（2）摊铺机就位之后，应该对熨平板的预拱度、工作仰角等进行妥善调整。在摊铺混合料前，应该对摊铺机进行一个小时左右的预熱，从而使得夯板、分料器与熨平板等部件的温度达到100摄氏度以上。然后，在受料斗的表面涂抹比较少量的隔离剂，从而避免混合料出现粘附现象。
（3）在对热压式沥青混合料进行摊铺时，摊铺机应该备有两台以上，从而进行梯队作业。相邻两边在摊铺的过程中，要注意留有3厘米至5厘米的摊铺重叠。如果摊铺作业的地区为高寒陡坡地段，在气候条件不好的情况下，相邻两台摊铺机不应该保持太远的距离，一般应该在5米至10米之间。
（4）要注意摊铺机的输出量应该和沥青混合料的运输、拌合等方面的能力相匹配，从而保证摊铺的连续性。而摊铺速度应该根据摊铺宽度、厚度、施工机具配套情况以及拌合厂的产量等方面来确定，要达到2m/min～4m/min这一要求。如果无法进行连续摊铺，则应该做好施工缝，从而避免冷接缝。
（5）在摊铺的过程中，要对摊铺状态进行不断调整，从而确保沥青混合料可以连续摊铺。在摊铺的时候，熨平板应该根据其铺筑厚度而采用中、强夯等级来确保沥青路面的初始压实度应该至少达到85%。
2.2 沥青碎石骨料的预拌与撒布分析
要注意在选用骨料时，确保其耐磨性与棱角性，而且要具有均匀的粒径大小。将骨料与沥青混合预拌，完毕之后通过机械将其撒布在热压式沥青混合料路面上，也可以采用人工撒布。在撒布骨料的过程中，要注意面面俱到，直到骨料已经完全撒布在路面上，避免有的路面没有撒到。如果采用机械撒布存在不均匀的现象，则需要采取人工补撒措施。另外，可以采用拖挂式碎石撒布机来确保预拌碎石撒布的均匀性。在热压式沥青混合料路面中，磨耗层预拌碎石是比较重要的组成部分，有利于增强路面的耐磨耗性能与抗滑性，对路面发挥着很重要的功能性作用。有关研究表明，当预拌耐磨碎石骨料在路面上的撒布量达到12kg/m2的时候，会使其表面达到1.5毫米的构造深度，而且分布均匀，可以增强热压式沥青混合料路面的耐磨与抗滑能力。
2.3 预拌沥青碎石骨料的碾压分析
在热压式沥青混合料路面上撒布预拌沥青碎石骨料之后，需要使用压路机对其进行碾压。在这个过程中，要注意控制好压路机的碾压时机。一般来说，当预拌沥青碎石骨料在路面上撒布完毕之后，在温度较高的情况下，压路机对撒布的碎石进行碾压时，可以将其完全压进嵌入层中，无法实现表面露石的目的。而在温度比较低的情况下，嵌入层已经具有一定的硬度，压路机对撒布的碎石进行碾压时，要将碎石骨料压进嵌入层，就会存在一定难度。而且这种情况下，路面的耐久性能也会变差，导致车辆在路面上行驶时，骨料非常容易脱落。因此，要把握好压路机的碾压时机。
在热压式沥青混合料中，细集料比较多，实际上比较容易压实，而且有比较好的施工和易性。压实的次数在压路机对路面进行碾压时，是比较关键的影响因素。有研究表明，当压实次数为45次时，热压式沥青混合料的空隙率达到2%，矿料的间隙率会达到15.3%，而且沥青的饱和度会达到91.0%。而超过45次的压实次数，则会使得前述指标渐渐处于比较稳定的状态。因此，对热压式沥青混合料成型造成影响的压实次数主要集中在压实的前45次上，然后影响逐渐下降。当碾压温度范围为100C至1200C时，无论压实次数是多少，都有比较好的可压实性。而在撒布碎石之后，最好的路面碾压温度范围应该是1100C至1200C。
结束语
在热压式沥青混合料路面上，可以撒布粒径具有均匀性的预拌沥青碎石，在构造上具有较大的深度，而且有良好的抗滑优点，可以节省优质石料，降低修筑成本，推广与应用前景比较好。但是在国内，热压式沥青混合料路面的发展仍然处于研究的起步阶段，必须加大其研究与实践力度，实现其良好发展。
参考文献：
[1]杨彭.热压式沥青混合料路面施工工艺过程控制的研究[D].西南交通大学，2011.
[2]梅万波.热压式沥青混合料路面结构行为研究[D].西南交通大学，2013.
沥青混合料回收料 第11篇
本文结合渔平高速公路B1合同段沥青混合料的现场施工过程中出现的一些问题, 从以下几个方面浅谈一下沥青混合料离析成因及控制措施。
一、工程概况:
渔平高速公路根据预测交通量及其组成以及公路的使用功能、等级、特点、使用要求及所经地区的气候、水文、地质等自然条件和筑路材料来源、施工机具、劳力和施工技术条件等因素, 结合福建省该地区高等级路面的设计和施工经验进行。该路面设计本着技术先进、经济合理、安全适用、环境协调、合理选材、方便施工、利于养护原则进行路面方案的综合设计。沥青混合料路面结构层采用:4.5cm AC-16C改性沥青砼抗滑表层+5.5cm AC-20C中粒式改性沥青砼下面层+16cm ATB-25沥青稳定碎石上基层。
二、引起沥青混合料离析的成因大致有如下几种类型:
1、材料离析:沥青混合料的材料离析问题一直贯穿在整个施工过程中, 在原材料从石场运至拌合站堆放时, 由于高度原因, 大骨料滚落在料堆的底部, 形成原材料粗集料的第一次集中, 这种离析现象会使拌和机在冷料上料时不易控制不同料仓的上料比例;沥青混合料从成品仓向运输自卸车放料时, 由于高度落差, 大骨料会滚落在车厢两侧, 形成粗集料的第二次集中;运输车的混合料卸向摊铺机时, 大骨料滚落在摊铺机半厢附近, 形成粗集料的第三次集中;摊铺机送料器在送料过程中, 先将中间集料送于布料器, 剩余粗集料留存在料斗中, 摊铺机收斗时, 行车粗集料的第四次集中。
2、温度离析:沥青混合料在运输、摊铺的过程中, 由于不同位置的混合料温度下降不一致, 导致不同位置的混合料产生温度差异, 产生温度离析。通常沥青混合料的温度离析多是在沥青混合料运输过程中形成的, 由于车厢内外温差原因所造成, 进而形成混合料表层及车厢壁部位沥青混合料温度下降, 甚至表层形成结壳现象, 形成温度离析, 还有就是在摊铺机的两翼混合料也易形成温度离析。
3、级配不当引起的离析:沥青混合料在生产、运输、摊铺过程中的不当操作易造成混合料粗细集料分布不均, 从而使得混合料级配不合理, 产生沥青混合料的级配离析。
4、机械离析:在沥青混合料摊铺过程中, 由于摊铺机螺旋布料器及熨平板拼接宽度过宽, 造成摊铺机两侧粗集料集中, 细集料偏少, 摊铺机中央区域细料多的现象, 进而造成沥青混合料的带状离析。
5、摊铺厚度与集料的最大公称粒径关系不匹配造成的混合料离析。
6、随机离析:沥青混合料在施工过程中, 由于设备故障、摊铺机停机、沥青拌合站生产的混合料波动较大、碾压不及时等也会造成沥青混合料的离析, 统称随机离析。
三、针对上述不同的离析成因可以采取下述预防措施
1、原材料控制:首先要控制原材料的料源, 保证料源出自固定的堂口;原材料进场堆放控制各档料应分仓堆放, 以免混杂;集料进场应分层堆放, 并控制每层集料的堆垛高度。底部卸料按图a) 所示斜堆, 顶部卸料图b) 所示平堆。上料时, 装载机应从底部按顺序竖直装料, 减小集料离析;所有集料分批验收, 验收合格的的材料方可进场。
2、运料车在运输过程中加盖苫布, 防止混合料表面因降温结壳。在运输途中不得随意停歇, 按指定的路线进入施工场地。在运料车到达现场后, 逐车检查混合料是否满足出场温度, 。
3、保证沥青混合料拌和机连续生产, 避免因前场待料而停机。同时拌和机设置储料仓, 一般现有沥青摊铺运输车辆均要求一次装运在40t以上, 如果在热料口装料, 一次只有3-4t的混合料, 基本上装10余次, 在这种装料情况下, 一方面待料时间过长而导致混合料料温不均, 另一方面无论车辆怎样前后移动, 减少混合料在运输车内的离析效果均不理想。通过储料仓一次性放料, 而且储料仓向运料车放料时, 采用多次卸料法, 运料车应前后移动, 分几堆装料, 以减少粗集料的离析现象, 即分次卸装, 可以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。具体卸装图示如下:
4、摊铺机应调整到最佳工作状态, 调好螺旋布料器两端的自动料位器, 并使料门开度、链板送料器的速度和螺旋布料器的转速相匹配。螺旋布料器内混合料表面以略高于螺旋布料器2/3为度, 使熨平板的挡板前混合料的高度在全宽范围内保持一致, 避免摊铺层出现离析现象。
5、采取在摊铺机输送螺旋的前挡板下部加设柔性挡板;运料车增加尾侧挡板, 并多级顶升卸料;摊铺机喂料斗翼板慢速合拢等措施, 以有效减少离析, 确保摊铺均匀性。
6、要注意摊铺机接料斗的操作程序, 以减少粗细料离析。摊铺机集料斗应在刮板尚未露出, 尚有约10cm厚的热拌料时, 下一辆运料车即开始卸料, 做到连续供料, 并避免粗料集中。积极采取相应措施, 尽量做到摊铺机不拢料, 以减小面层离析。
7、沥青混合料类型与实际施工的路面结构层厚度应匹配, 由于集料最大粒径过大, 大粒径集料偏多, 造成混合料容易离析、压实困难、空隙率偏大。在今后施工中应严把材料关, 同时合理分配分层厚度 (美国Superpave研究表明沥青结构层厚度要求大于集合料最大公称尺寸的3倍, 当粗集料含量高时, 这个比值应更高) 。
8、用机械摊铺的混合料未压实前, 施工人员不得进入踩踏, 一般不用人工不断地整修, 只有在特殊情况下, 如局部离析, 需在现场主管人员指导下, 允许用人工找补或更换混合料, 缺陷较严重时应予铲除, 并调整摊铺机或改进摊铺工艺。
结论:
沥青路面的离析现象会造成沥青路面的早期损害, 大大缩短沥青路面的使用寿命, 因此今后施工应尽最大可能地减少、避免沥青混合料的离析现象出现。
摘要：沥青混合料施工过程中均会不同程度地出现混合料离析现象, 混合料离析程度的大小直接影响沥青路面的施工质量, 本文结合渔平高速公路B1合同段的现场施工, 浅谈沥青混合料施工过程中混合料出现离析的成因及预防措施, 给今后沥青混合料施工给予一点参考。
关键词：沥青混合料,施工,离析成因,预防措施
参考文献
[1]公路沥青路面施工技术规范 (JTG F40-2004) .北京:人民交通出版社, 2004.
[2]公路沥青路面设计规范 (JTG D50-2006) .北京:人民交通出版社, 2006.
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