沥青路面施工过程中的离析分析

高华华 瞿建华

【摘要】：本文针对首先介绍沥青路面施工过程中的离析现象的特征，然后基于软球模型利用混合料颗粒模型分析沥青路面施工过程中离析现象产生的原因。

【关键字】：沥青；离析；软球模型；颗粒模型

1.引言

公路特别是高速公路等交通设施的快速发展推动着我国经济的快速发展，改革开发30年来，我国的交通基础设施建设，尤其是公路建设得到迅猛发展，对公路路面施工的提出了更高的要求。而沥青路面施工过程中的离析现象容易导致沥青路面许多病害的发生，影响公路的安全性和功能性，可能造成人民生命和财产的严重损失，必须给予足够的。本文针对首先介绍沥青路面施工过程中的离析现象的特征，然后基于软球模型利用混合料颗粒模型分析沥青路面施工过程中离析现象产生的原因。

2.沥青混合料离析的特征

沥青面层的离析现象主要表现为六方面：(l)接缝离析；(2) 温度离析；(3) 随机性离析；(4) 块状离析；(5) 端部离析。

2.1接缝离析

接缝离析主要是由于在沥青混和料的铺筑过程中往往采用两台摊铺机进行施工而造成的。由于两台摊铺机的温度和摊铺厚度很难达到完全一致，所以在接缝处很容易产生离析。一方面两台摊铺机的温度不一致的情况下，温度差异过大会造成接缝处出现离析现象，另一方面，在两台摊铺机摊铺厚度不一致的情况下，接缝处厚度较薄的部分难以压实，造成离析现象的发生。在两台摊铺机的厚度和温度一致的情况下，接缝处沥青混合料过多和过少也会造成离析，当接缝处厚度过大时，接缝处两侧难以压实，造成离析现象的出现；当接缝处厚度过薄时，接缝处难以压实也会造成离析现象的发生。

2.2温度离析

由于在沥青混合料运输储存过程中，沥青混合料的热量流失情况不同，这样就造成在路面铺设过程中路面沥青混合料的温度不同，造成温度离析现象的出现，温度离析必须通过仪器进行观测（图2-1）。由于路面温度的不同，在温度较高的部位，路面容易压实，沥青混合料的孔隙率小，而在温度较低的部位，路面不易压实，沥青混合料的孔隙率大，这就造成颗粒分布不均匀，路面平整度的下降，并且十分容易造成路面水损现象的发生。

2.3随机性离析

由于原材料的变化，如超限料的增多、冷料的变动太大、设备故降、拌和楼生产的混合料波动过大、筛孔的堵塞或破损、碾压不及时等都可能造成离析现象，由于这些离析现象有很大程度上的随机性，所以称之为随机性离析。于沥青路面施工的随意停工后保温工作不当也可能造成随机性离析的发生，表现为沥青混合料大颗粒和小颗粒的无规律集中分布。为了防止随机性离析，应该做好各方面的协调工作以及细节工作。

2.4块状离析

块状离析主要是由于两方原因造成的。一方面，在沥青路面铺设过程中，摊铺作业进行有规律收斗，由于斗的两侧颗粒较大，所以在有规律的收斗会造成路面间隔性的出现颗粒较大的情况发生，造成块状离析。另一方面，在铺面作业过程中，沥青混合料级配发生变化，并且每斗或者每车有规律性地出料而不是连续出料，沥青混合料就会有规律地发生变化，造成块状离析。为了防止块状离析的发生，就需要保证出料的连续性、级配的一致性和设备的稳定性。

2.5端部离析

端部离析与带状离析正好相反，沥青混合料孔隙率小、压实较好的部位位于公路路面的中部，而沥青混合料孔隙率大、压实较差的部位位于公路路面的两翼。造成端部离析的主要原因是由于摊铺机参数设置不当。从图2-2中可以看出端部沥青混合料纹理深度大，粗颗粒较多，而中部的沥青混合料纹理深度小，细颗粒较多，这说明发生了端部离析。

3. 力学模型在离析分析中的运用

3.1软球模型

为了进行沥青路面施工过程中的离析分析，首先将沥青混合料中的颗粒看成软球进行分析，软球模型如图3-1所示。

图中代表法向变形位移，代表切向变形位移，r代表软球的半径，i，j代表软球的编号。软球的碰撞符合牛顿第二定律，当两个软球发生碰撞后，一个软球阻止另一个小球的运动，碰撞过程中能量消耗，阻力的大小由软球的刚度系数和法向变形位移大小所决定。软球的接触力模型如图3-2所示。

3.2颗粒运动力学分析

两个小球互相作用产生的法向接触力为：

其中，代表j球作用于i球的法向接触力；，代表法向阻尼系数；代表法向刚度系数；n代表碰撞时颗粒i质心指向颗粒j质心的单位法矢量；，代表颗粒i相对于颗粒j的速度矢量。

切向接触力为：

其中代表j球作用于i球的切向接触力； ，代表切向阻尼系数；代表法向刚度系数；代表接触点的切向相对速度(滑移速度)；，代表颗粒i质心指向颗粒j质心的单位切矢量。

由上述公式可以推导出：

其中和分别代表i颗粒和j颗粒的角速度。

由于在沥青混合料的铺设过程中，会有多个软球互相作用的效果，在多个颗粒发生碰撞时，如i颗粒与多个颗粒发生碰撞，那么作用于i颗粒的总接触力和力矩可以表示为：

综合考虑的i颗粒的作用力和i颗粒的总接触力，可以得到

其中代表颗粒i在悬浮过程中流体作用于它的合力。

采用一阶微分形式，在时间后，颗粒的速度、角速度和位置分别为：

其中为颗粒i的直径，上标（0）为时间前的速度。

这样就完成了整体的力学建模过程，可以通过理论计算也可以通过数值模拟的方法对沥青路面施工过程中的离析进行分析。

4.结论

本文首先分析了沥青面层的离析现象，认为离析现象主要表现为接缝离析、温度离析、 随机性离析、 块状离析、 端部离析。

将沥青面层中的颗粒看成弹性软球，根据颗粒运动力学分析对沥青路面的颗粒碰撞运动进行分析，得到颗粒碰撞运动的基本计算公式，为离析现象进一步的完整理论计算以及数值模拟计算提供有力的依据。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。