（机械设计及理论专业论文）“十漫”高速公路沥青路面机械化施工过程质量控制.pdf

摘要 本文以湖北“十漫 高速公路沥青路面工程为依托，对沥青路面机械化施工过程的 质量控制进行了探讨和研究，具有较大的针对性和实用性，研究结论具有一定的参考价 值。 论文首先对沥青混合料原材料料源控制和沥青混合料级配设计进行了研究，完善了 用e x c e l 求解沥青混合料矿料级配的方法，并提出：采用在料场对所有集料重新筛分( 二 次筛分) 的方法，可以控制由于料源不同和初筛设备不同所造成的原材料变异性，减小 原材料的离析和混合料级配的波动。 论文对沥青混合料拌和设备计量系统的标定方法进行研究，分析了影响标定精度的 因素，提出了针对沥青秤、骨料秤、粉料秤的静态标定以及冷料仓流量标定和料斗门标 定的一整套标定方法，可以很好地控制拌和过程中混合料的级配变异与离析。论文提出 对冷、热料仓进行局部改进，可以减小拌和设备待料、溢料和混料等现象，达到提高拌 和设备生产质量和效率的目的。 论文通过对沥青混合料运输摊铺过程中的离析现象进行分析，认为选择合理的摊铺 机工作参数，采用正确的摊铺基准设定方法，进行摊铺设备和拌和设备的合理配套，可 以最大限度地减少混合料的材料离析和温度离析，提高摊铺路面的平整度。另外，摊铺 机螺旋分料器的工作参数对混合料的材料离析有较大的影响，建议螺旋分料器工作时， 转速应低于9 0 r m i n ，并且物料应满埋螺旋叶片，以发挥螺旋分料器的二次搅拌作用， 降低混合料温度和材料的离析程度。论文还分析了螺旋分料器结构对混合料离析的影 响，提出了螺旋分料器的改进方案。 论文针对“十漫”高速公路沥青路面s m a 混合料的碾压工程，进行了不同压实工 艺的对比试验，得出最佳的碾压方案，分析了振荡、振动碾压方式对桥面压实度的影响， 研究了影响沥青路面碾压离析的因素，提出了碾压质量的控制方法。 关键词：标定技术、离析控制、机械化施工、质量控制 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，c o m b i n e dw i t ha s p h a l tp a v e m e n to f s h i m a n ”e x p r e s s w a yp r o j e c ti nh u b e i ， t h em e c h a n i z a t i o no ft h ea s p h a l tp a v e m e n tc o n s t r u c t i o nq u a l i t yc o n t r o la r er e s e a r c h e da n d d i s c u s s e d t h es t u d yh a sg r e a t e rr e l e v a n c ea n du s e f u l n e s s c o n c l u s i o no ft h es t u d yh a sa c e r t a i nv a l u e t h i sp a p e rb e g a nw i t ht h ed e s i g ni d e a so fg r a d e da s p h a l t m i x t u r e ，a n dt h ea s p h a l t m i x t u r eo fr a wm a t e r i a l ss o u r c ec o n t r 0 1 e x c e lf o r a s p h a l tm i x t u r eg r a d i n gm e t h o di s j m p r o v e d a n dp u tf o r w a r d ：t h r o u g ht h er e - s c r e e n i n gm e t h o do fm a t e r i a l s ，t h ev a r i a b i l i t yo f r a wm a t e r i a l sc a u s e db yt h ed i f f e r e n te q u i p m e n ta n ds c r e e n i n gc a l lb ec o n t r o l l e d ，a n dt h e s e g r e g a t i o no fr a wm a t e r i a l sa n dm i x t u r el e v e lw i t ht h ev o l a t i l i t yc a l lb er e d u c e d t h em e a s u r e m e n ts y s t e m so ft h ea s p h a l tm i x i n ge q u i p m e n tc a l i b r a t i o nm e t h o d ，a n d a n a l y s i so ft h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ea c c u r a c yo fc a l i b r a t i o na r es t u d i e di nt h i sp a p e r as e to f c a l i b r a t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d ，w h i c hi n c l u d et h es t a t i cc a l i b r a t i o no fs c a l e s a s p h a l t ， a g g r e g a t es c a l e sa n ds c a l e sp o w d e r , c o l dh o p p e rf l o w ，h o p p e rd o o r sc a l i b r a t i o n ，a n dc o n t r o l t h ep r o c e s so fm i x i n gm i x t u r eo fg r a d e dv a r i a t i o na n ds e g r e g a t i o nw e l l b yt h ec o l d ，h o t h o p p e rl o c a li m p r o v e m e n t ，t h e s ep h e n o m e n as u c ha sb ee x p e c t e d ，t h ee x c e s sm a t e r i a la n d m i x i n go ft h em i x i n ge q u i p m e n tc a nb er e d u c e d ，p r o d u c t i o nq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e m i x i n ge q u i p m e n ta r ei m p r o v e d t h r o u g ht h ep h e n o m e n o no fs e g r e g a t i o ni nt h ep r o c e s so fp a v i n ga n dt r a n s p o r t ，t h a t c h o o s i n gt h er e a s o n a b l ew o r kp a r a m e t e r so fp a v e r ，u s i n gt h ec o r r e c tm e t h o do fs e t t i n g b e n c h m a r k sp a v e r , p a v i n ge q u i p m e n ta n dt h el e g i t i m a t eo fm i x i n ge q u i p m e n t s u p p o r t i n gc a l l m i n i m i z et h em i xo fi s o l a t i o na n d t e m p e r a t u r ei s o l a t i o n ；i m p r o v et h er o a dp a v i n gf o r m a t i o n d e g r e e s i na d d i t i o n ，t h ep a v e rs p i r a l f e e d e rp a r a m e t e r sh a v eg r e a ti s o l a t i o ni n f l u e n c eo nt h e w o r ko ft h em i x t u r e ，w h e nf e e d e r s p i r a la tw o r k ，s p e e ds h o u l db eb e l o w9 0r m i n ，a n d m a t e r i a l ss h o u l db eh i g h e rt h a nt h es p i r a ll e a v e s ，f e e d e rs p i r a lc a n p l a ya tt h es e c o n d a r yr o l e o fm i x i n g ，r e d u c e dm i x t u r eo ft e m p e r a t u r ea n dt h ed e g r e eo fs e g r e g a t i o n t h e i m p a c to f m i x t u r es e g r e g a t i o nb yt h es t r u c t u r eo f s p i r a l f e e d e ri sa n a l y z e d ，t h ei m p r o v e m e n tp r o g r a m m e o ff e e d e rs p i r a li sa l s op r o p o s e d f i n a l l y , c o m b i n e dw i t ht h es m am i x t u r ec o m p a c t i o np r o j e c ti n “s h i m a n ”e x p r e s s w a y a 1 1 1 d if f e r e n tc o m p a c t i o no ft h ec o m p a r a t i v ei st e s t e d ，a n dt h eb e s tr o l l i n gp r o g r a m m ei sp r o p o s e d t h eo s c i l l a t i o na n dt h ev i b r a t i o nm o d eo nt h ed e g r e eo fc o m p a c t i o na l ea n a l y z e d ，a n dt h e i m p a c to ft h ea s p h a l tp a v e m e n tc o m p a c t i o ns e g r e g a t i o nf a c t o r sa n dt h ec o m p a c t i o nq u a l i t y c o n t r o lm e t h o d sa r er e s e a r c h e d k e yw o r d s ： c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y ；s e g r e g a t i o nc o n t r o l ；m e c h a n i z e dc o n s t r u c t i o n ；q u a l i t y c o n t r o l i v 论文独创性声明 本人声明j 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 矽登成 琊年万月2 尸日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：，弓誉氏 导师签名： 上，g 年5 月) 罗日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 我国沥青路面机械化施工的发展状况 进入2 l 世纪，我国公路建设跨入了前所未有的高速发展时期，每年的公路投资额 超过2 0 0 0 亿元人民币，到2 0 0 6 年高速公路通车里程突破4 万公里，居世界第二位，而 且仍以每年新建5 0 0 0 6 0 0 0 k m 高速公路的速度继续发展。由于我国高速公路建设起步 较晚，技术力量储备不足，设备性能较差和配套不合理，施工经验少，管理水平还不高 等原因，特别是很多地区气候和交通荷载恶劣，环境温度高、温差大、车辆超载严重等 原因，加之有些高速公路路面结构、组成设计和施工工艺存在缺陷和不足等问题，所以 路面局部路段修建水平较低，早期损坏现象严重，甚至通车不久就产生了车辙、泛油、 坑槽、推移和开裂等病害，不得不进行大面积维修，降低了路面耐久性，造成了较大的 经济损失和较坏的社会影响，因此预防和控制高速公路沥青路面早期破坏是工程实践中 迫切需要解决的问题，研究和提出符合我国国情的、实用的、切实有效的机械化施工技 术措施尤为关键【啦】。 我国高速公路经过二十年的建设，初具规模，社会经济效益初步显现，但还远远不 能适应日益发展的国民经济和人民物质文化发展的需要，这将对公路提出严峻的挑战， 解决办法主要有两个：一是加紧建设公路网，提高通行能力；二是逐步建设智能运输系 统，提高现有公路使用效率，挖掘潜力。对目前的国情来说首当其冲是建设高质量的高 速公路。由于沥青路面具有足够的力学强度和一定的弹性、塑性变形能力，有较好的减 振性，行车平稳舒适、噪声低，且不扬尘等特点，已修和待建的高等级公路大部分为沥 青路面。1 9 9 0 年前，城市和公路主干道的沥青路面面积占总路面面积的9 0 以上，很 少见到水泥砼路面【3 1 。随着我国基础设施投入的进一步加大，道路交通事业不断发展， 汽车工业的堀起，进一步要求提高城市道路和高速公路的质量，达到快速、安全、舒适、 耐用的目标，所以沥青混凝土施工的质量控制逐步引起了业内人士的广泛关注。根据要 求，沥青混凝土路面必须具有足够的强度、足够的稳定性( 包括干稳定性、水稳定性、 温度稳定性) 、足够的平整度、足够的抗滑性和尽可能低的扬尘性【4 1 。针对这些要求，在 沥青混凝土路面施工中，从选材到工艺和现场施工都应加以严格的控制，才能建成高质 量的沥青路面。近期建成的京沪、京珠等高速公路，通车后运营后状态良好，就充分说 明了这一点。 第一章绪论 与发达国家相比，我国公路施工机械的机种少，已有机种的自动化程度、综合机械 化水平不高，可靠性、安全性也待提高。虽然现在很多施工单位都大量引进了国外发达 国家的先进设备，国内的施工机械生产厂家也不断探索新技术，引进国外先进技术理念， 使国内的施工机械在硬件上得到了一定的提高。但是由于我国高速公路建设起步较晚， 技术力量储备不足，设备性能差和配套不合理，施工经验少，管理水平还不高等原因， 特别是很多地区气候和交通荷载恶劣，环境温度高、温差大、车辆超载严重等原因，加 之有些高速公路路面结构、组成设计和施工工艺存在缺陷和不足等问题，导致国内在经 验上的积累不足，没有形成科学的技术指导。许多施工单位和业主部门都是凭着经验摸 石头过河，这样就导致我国高速公路建设水平低，速度慢，质量不可靠。随着我国高速 公路建设事业的不断扩大，工程项目日益增多，必须加强对工程机械的开发和机械化施 工方法的研究，使我国的工程机械和机械化施工技术水平迈上新的台阶。以现代化生产 方式修建高速公路是当今公路建设的发展方向，机械化施工是实现公路建设向现代化生 产模式转变的重要措施，是高速公路建设事业发展的必然趋势【3 引。 1 2 课题的提出与研究意义 1 2 1 课题的提出 随着交通进一步的快速增加，特别是中、重型车辆的增加，使原来的沥青路面超负 荷运营，设计使用年限为1 5 年的沥青路面往往在二、三年内便遭破坏，出现坑洞、拥包、 网裂，五、六年后便坑洞密布，补不胜补，特别是在高温和雨后的沥青路面更是一番坎 坷景象，过往司机、行人怨声载道，于是投入资金进行大修。造成这种后果的原因一方 面是沥青路面设计理念的落后，沥青路面典型结构一般为热沥青碎石不稳定层、中粒式 沥青混合料、沥青细砂封层；另一方面是虽然我国公路运输事业得到很大发展，高速、 安全的高等级公路的投资建设也在不断加快，但是没有重视提高高等级公路机械化施工 的技术水平，忽视了对高等级公路机械化施工技术的应用与研究。 随着我国公路建设事业的发展，特别是高等级公路建设的快速发展，公路交通运输 量不断增大，特别是重载交通运输的迅速增长，对高等级公路沥青路面的质量要求也越 来越高。尤其对沥青路面的耐久性及早期破坏提出了更高的要求，特别是新材料、新工 艺( 如s b s 改性沥青混合料、s m a 沥青混合料等) 在沥青路面中逐渐推广与应用，更增 加了施工的难度【3 1 。因此沥青混凝土路面工程的机械化、程序化施工对保证工程质量有 很大作用。 2 长安大学硕士学位论文 高等级公路的一般设计寿命为1 2 1 5 年。但是有些路面在未达到使用年限时就已 经开始进行维修，由于各种原因使许多沥青路面出现早期破损，而提早进入养护维修期， 甚至某些路面第一年修建第二年便出现破损，需要维修；而有些路面甚至当年修建当年 就进行维修。这很大原因是由于沥青路面的修建过程中，施工队伍技术水平不高，经验 不足，在施工过程没有进行很好的控制，另外缺乏专业性的技术指导和研究所致。所以 研究沥青路面的机械化施工过程质量控制就显的尤为重要。 1 2 2 研究意义 高速公路沥青路面机械化施工过程质量控制技术是控制沥青路面质量的有效方法， 通过施工前和施工过程中对公路沥青路面施工这个由串联系统组成连续建设线上的各 环节、各单元的工作状态、作业性能进行在线检测，实时监控及时发现潜在的或正在发 生的问题并改正，保证最终建设出优良、高质的沥青混凝土路面。高速公路沥青路面机 械化施工过程质量控制首先是设备控制和工艺控制，即通过对原材料的管理和检验、沥 青混合料搅拌设备的管理和控制、摊铺设备的管理和控制、碾压设备的管理和控制及施 工过程的检测等。 ( 1 ) 提高拌合质量和效率的研究意义 由于以往忽略了间歇式沥青混合料搅拌设备配料计量的准确性主要是由配料秤来 保证，也就是说该秤计量精度直接影响沥青混合料的级配精度和沥青含量偏差，因此设 计或选用高品质的配料秤十分关键。另外在实际当中，该设备所配置的配料秤精度往往 都很高。但由于沥青混合料拌合过程中不可能调整冷料配合比，更不可能改变生产配合 比，标定不当或不校准，造成配料不准或原料本身粒径变化大，因此往往导致沥青拌合 设备出现待料和溢料现象，降低了拌合的质量和效率。 沥青混合料级配的精度直接关系着混合料的质量，而能否对沥青、粗集料、细集料 的质量进行有效的控制关系着沥青混合料级配的精确程度和质量的高低。以往的施工单 位按照常规的方法对材料进行管理，不可避免的存在集料的离析，甚至还出现粗、细集 料混合现象；还有的忽略了对原材料本身的质量控制，这样造成混合料从一开始就质量 偏低，离析严重，降低了整个路面的质量和使用寿命【2 9 1 。 对拌合设备的沥青秤、骨料秤、粉料秤的静态标定和每个冷料仓进行流量和料斗门 的标定进行研究，可以很好的解决拌合设备的待料、溢料问题，提高拌和设备的拌和质 量；对混合料级配的精度和混合料的质量控制进行研究，可以提高沥青路面的质量水平， 3 第一章绪论 修筑优质的沥青路面，在施工过程中及时地对沥青结合料和沥青混合料的性质进行准确 试验将具有较大的现实意义。 ( 2 ) 控制沥青混合料的运输过程和提高其摊铺质量的研究意义 以往施工单位在将拌好的混合料进行装车时忽略了防止混合料的离析，只是简单的 一大堆装料法，这样导致混合料里的粗集料滑落在底部，细集料集中在上部，造成混合 料的离析破坏了混合料的均匀性。在往摊铺机上卸料时再次造成粗集料滑落在摊铺机料 斗的两边，细集料集中在中部，摊铺机在摊铺过程中频繁的收斗，更是加剧了混合料的 离析。另外，在混合料运输过程中忽略了温度的离析，导致车厢外围的混合料温度下降 过大从而导致混合料的温度离析。目前，很多施工单位为了赶进度而采用宽幅摊铺( 例 如采用1 2 米、1 6 米的宽幅摊铺机) ，这样混合料在螺旋分料器向两边分料的过程中又加 剧了混合料的离析，使粗料跑两边细料居中造成摊铺后路面材料的离析。 对混合料的运输和摊铺进行研究，可以降低沥青混合料在运输和摊铺过程中的离 析，提高混合料的质量，防止在施工过程中因离析原因对混合料的废弃，从而在提高沥 青路面的质量和使用寿命上具有较大的经济意义。 ( 3 ) 提高压实度和碾压效率的研究意义 以往施工单位进行路面压实时忽略了针对具体的混合料制定相应的碾压工艺而只 是简单的遵照初压、复压和终压的压实工艺，造成有的地方欠压而有的地方过压，大大 降低了路面的质量。另外，在碾压时混合料出现压实度离析，至今国内外还没有对这一 现象进行研究，也没有相应的控制措施。沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 是近年来在国 际上出现的一种非常引人注目的新型沥青混合料，属于一种间断级配的骨架嵌挤密实结 构，较难施工，较难压实。对提高这种混合料的压实度和碾压效率进行研究，可以在一 定程度上控制碾压离析，提高路面的压实度和碾压效率，具有较好的经济意义。 1 - 3 国内外的研究现状 国外发达国家的高速公路建设起步早，由于其工业的发达，在施工机械的质量、效 率和专业化程度上做了较深的研究，另外发达国家的施工人员普遍经过了专业的培训， 具有较高的综合素质，因而在高速公路建设中，发达国家的机械化施工水平和程度都高 于国内水平，并在这方面取得了很大的成果。2 0 0 0 年美国沥青技术中心( n c a t ) 承担 了公路联合研究项目“热沥青混合料路面的离析 ( n c h i 冲4 4 1 ) ，重点研究了沥青路 面离析的判别检测方法及离析对沥青路面路用性能的影响f 1 4 1 。美国n c a t 也采用红外线 4 长安大学硕十学位论文 温度探测仪专门研究混合料在施工过程中的温度离析，研究结果表明温度离析比人们想 象的要严重很多，对路面性能的影响也极其严重【1 3 l 。国外的工程机械正向多机种( 多样 化) 、自动化、大型化、多功能化的方向发展，高速公路的机械化施工正向综合机械化、 环保化的方向发展。 沥青路面新材料的出现和新技术的应用大大改善了路面使用性能，提高了沥青路面 设计水平，沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 是近年来在国际上出现的一种非常引人注目 的新型沥青混合料，以其优良抗车辙性能和抗滑性能而闻名于世。s m a 是一种由沥青、 纤维稳定剂、矿粉和少量的细集料组成的沥青玛碲脂填充间断级配的沥青混合料、具有 高温稳定性强、低温抗裂性好、耐疲劳性能高、水稳定性好等特点。第一条s m a 路面始 建于2 0 世纪6 0 年代中期的德国，已有4 0 多年的历史，至今仍然在良好地使用着【7 】。1 9 9 2 年，s m a 在我国首都机场高速首次运用，但是不论s m a 结构，还是s u p e r p a v e 结构， 在部分高速公路应用后仍然出现了车辙或坑槽等早期损害现象1 1 , 2 1 。国内外许多公路专家 在经过大量现场勘察与实验室研究发现，高速公路出现这种早期破坏的主要原因是混合 料离析，而出现混合料离析的主要原因是施工过程中存在很多不合理的施工工艺，对机 械化施工过程质量没有进行有效的控制【】。 在高速公路机械化施工技术的研究中，国内很多学者和研究单位做了大量的研究并 且取得了显著一定的成就。如长安大学、同济大学、湖南大学、东南大学、广东冠粤路 桥有限公司等单位进行了研究。长安大学的孙祖望教授对热沥青混合料在施工过程中的 不均匀性及质量控制进行了研究，主要针对热沥青混合料的不均匀性对沥青路面质量的 影响进行了研究【5 】：张春燕的硕士论文主要从s u p e r p a v e 混合料的设计理念出发，通过对 该混合料在机械化施工过程中离析产生的原因与机理的研究，提出了一些针对路面离析 的控制措施【6 】；杨东来的博士论文对振荡轮与热沥青混合料相互作用动力学过程进行了 研究，该论文建立了振荡轮与热沥青混合料相互作用的动力学模型，对其进行了参数动 态识别，并进行了振荡压路机样机的研制及现场试验，对振荡与振动两种压实工艺对压 实效果的影响进行了对比试验研究1 7 】：国内有些研究单位对沥青路面平整度施工质量控 制进行了相关的研究【9 1 。湖南大学赵少忠的工程硕士论文对高等级公路沥青路面质量控 制进行了研究，该论文从土木工程的角度出发，主要针对高等级公路沥青路面的材料对 沥青路面质量的影响方面进行研究，但是对于机械设备方面对沥青路面质量影响的研究 涉及较少。 综上所述，关于沥青路面的施工质量控制，国内外己作了大量的研究。但大多数研 5 第一章绪论 究只是进行局部具体环节的研究，有的研究侧重于材料方面对沥青路面质量的影响，有 的研究侧重于路面结构设计方面对沥青路面质量的影响、有的研究局限于机械设备管理 方面对沥青路面质量的影响，但真正能够把土木工程与机械工程联系起来，从影响沥青 路面质量的各个环节进行深入全面研究的并不多。所以有必要针对我国高等级公路沥青 路面工程质量出现的问题，把机械设备和土木材料、施工工艺结合起来，从路用材料( 包 括沥青、集料、填料及沥青混合料) 、拌和设备的精确标定、施工设备结构的调整、沥 青路面设计、混合料施工工艺各个方面，并根据高速公路所处的地理位置、环境条件及 交通量等，进行系统、更加深入的研究。 1 4 论文的研究背景与内容 1 4 1 论文的工程背景 本论文以“十漫 高速公路建设工程路面第1 2 标段和第1 3 标段为依托，开展在沥 青路面机械化施工过程中从机械设备、沥青混合料、到最后的施工工艺整个过程进行控 制研究，具有较高的实用性和针对性。十( 堰) 漫( 川关) 高速公路是国家确定的 银( 川) 至武( 汉) 公路的西部省际公路通道湖北境内组成路段之一。与大多数高速公 路相比，“十漫 高速公路在地质构造上更为复杂，布线上沿两陨断裂带，地貌高差起 伏大，地质构造复杂，受两陨断裂影响，岩石风化严重，强度低，该地区降雨量丰富， 滑坡、崩塌现象多。而且其近一半里程是由桥隧构成( “十漫 全线共有特大桥、大桥 1 0 7 座，隧道2 8 座，桥隧比将达到4 5 7 1 ) 。针对其气候和环境特点，面层采用沥青 混凝土路面，其主干线路面采用a c - 2 5 c 下面层+ a c 2 0 c 中面层+ s m a l 3 上面层的结 构形式。其修建特点是：标准高( 由世界银行贷款并监督建设) ；投资额高( 全长 1 0 7 。1 3 6 公里，概算投资5 4 4 亿元) ；t 期短( 面层施工工期不到2 年) ；环境条件 差( 地貌高差起伏大，地质构造复杂) ；特重、超重车辆密度大。因而对路面的使用 品质提出了更高的要求；上面层采用的s m a 混合料，属于难施工、难压实的间断级 配混合料。 1 4 2 论文的研究内容 本论文以“十漫”高速公路沥青路面的机械化施工项目为依托，对沥青路面机械化 施工过程的质量控制和施工设备的调整进行研究。主要内容为： ( 1 ) 沥青混合料级配的设计及原材料质量控制的研究 6 长安大学硕士学位论文 针对“十漫 高速公路路面原材料特点，从料场到路面施工现场整个过程对沥青混 合料的所有原材料进行质量控制研究。对沥青混合料级配的设计方法进行研究，并完善 用e x c e l 求解沥青混合料矿料级配的方法。 ( 2 ) 沥青拌合设备的控制及其标定方法的研究 分析“十漫”高速公路沥青拌合设备出现待料和溢料现象的原因，对拌合设备的沥 青秤、骨料秤、粉料秤和冷料仓出料流量的标定方法进行研究，提出一套切实可行的拌 合设备现场标定方法，以提高沥青混合料的生产质量。 ( 3 ) 沥青混合料的运输和摊铺离析研究 结合“十漫 高速公路沥青路面施工过程中，沥青混合料在运输和摊铺过程中产生 离析的原因进行分析，提出相应的对策，并对摊铺设备结构和螺旋分料器结构进行局部 调整和改进。 ( 4 ) 沥青混合料的碾压工艺和桥面铺装工艺研究 本文以“十漫”高速公路沥青路面机械化施工项目为依托，对不同的碾压工艺进行 设备和工艺上的对比分析，提出最有效的碾压施工方案，以提高路面的碾压效率和压实 度，并对桥面铺装压实进行进一步的研究。 1 4 3 论文的研究特点 在高速公路机械化施工过程质量控制的研究中，本论文侧重于沥青拌合设备的计量 系统标定技术与混合料生产质量控制的研究，并对沥青混合料级配采用e x c e l 求解的设 计方法、摊铺机螺旋分料器结构的局部改进进行研究，同时对混合料的离析控制技术作 迸一步的完善。本论文对拌合设备的沥青秤、骨料秤、粉料秤静态标定的研究、对冷料 仓进行流量和料斗门的标定方法进行的研究，可以很好的解决拌合设备的待料、溢料问 题，提高拌和设备的搅拌质量和效率。本论文以“十漫 高速公路建设工程路面第1 2 标 段和第1 3 标段为依托，开展在沥青路面机械化施工过程中从机械设备、沥青混合料、到 最后的施工工艺整个过程进行控制研究，具有较高的实用性和针对性。 7 第一二章沥青混合料的级配与材料质量控制研究 第二章沥青混合料的级配与材料质量控制研究 2 1 研究沥青混合料级配与材料质量控制的意义 大量的沥青路面早期破坏调查与研究表明，沥青路面早期损坏的原因可以归纳以下 方面： ( 1 ) 环境和荷载因素。环境和荷载是导致沥青路面早期损坏的直接原因，高温、 低速、重载条件下，沥青路面的抗力下降，产生车辙、推移；雨季进入路面内部的水分 在荷载的反复作用下产生动力水导致沥青剥落、松散、坑槽等病害。 ( 2 ) 结构因素的影响。要使路面不同的结构层有合理的受力分布，各层应有合理 的厚度和级配组成，若由于结构设计不合理就很难发挥整体抗力，发生结构性破坏。 ( 3 ) 材料组成和施工工艺。混合料的级配组成及施工工艺是影响路面质量的重要 因素，原规范以a c i 型为代表的骨架悬浮连续级配密实型混合料而言，设计空隙率3 6 ，不透水，水损害少，但其组成中粗集料悬浮在沥青胶砂中，承载力低，高温季节 易出现车辙、拥包等病害；对于沥青碎石混合料( a m ) ，粗集料占绝大部分形成骨架嵌 挤结构，具有较好的抗变形能力，但沥青、矿粉较少，设计空隙率4 8 处于水易进难 出的状态，易造成水损害；s u p e r p a v e 混合料属于连续级配骨架嵌挤密实结构，在筛孔 0 4 5 次方的指数曲线上通过控制点，避开限制区，形成粗骨料嵌挤结构，增强了抗车辙 能力，通过限制细集料含量，控制设计空隙率在4 ，施工空隙率在4 - - - 6 之间，路面 不透水，减少了水损害发生，由此可见级配组成对路面性能有决定性影响。除此之外， 施工因素也不可忽视，混合料越是向骨架嵌挤密实方向发展，施工难度越大，对施工技 术的要求越高。如s m a 混合料，属于间断级配骨架嵌挤密实型，对施工变异性非常敏 感，矿料级配和沥青含量的微小波动会造成路面质量的大波动，细集料增加会使骨架嵌 挤结构破坏，向悬浮方向发展，降低了高温稳定性；若沥青玛蹄脂不足，就会造成空隙 率过大，降低水稳定性f l 皂1 3 , 1 0 l 。 在进行路面早期破坏调查时不难发现，路面损坏往往发生在局部，轻微的是个别的 地方出现小坑、油包，较严重的地方会发生小段落的损坏，很少有整个标段或全部损坏 的情况【1 1 l 。对于一条路面而言，在大致相同的环境，载荷条件和相同设计的条件下，为 什么会发现不同的损坏程度呢? 这种损坏与混合料的离析及路面施工变异性有密切的 关系【2 1 。这个问题在公路科技界引起了高度重视。沥青混合料的离析有两种主要的类型， 8 长安大学硕十学位论文 一种是材料离析，另一种是温度离析3 们。材料离析是指沥青混合料中粗集料与细集料分 离、沥青含量波动和孔隙率变化等；温度离析是指原来经充分搅拌、温度均匀的沥青混 合料，经过某一过程后，温度出现较大差异的现剔2 1 。 2 2 “十漫”高速公路沥青混合料的原材料筛选 根据“十漫 高速公路建设指挥部的要求，主干线路面拟采用a c 2 5 c 为下面层和 a c 一2 0 c 为中面层和s m a l 3 为上面层的三层复合结构形式。原材料根据相关技术指标， 本着因地制宜、就地取材的原则选择。项目组对沿线的石料进行调查，对初定的几家料 场以及沥青、纤维等进行了原材料及混和料性能对比，最后选定：中、下面层所用石料 为石灰岩，由十堰顺通和路通两家料场供应；上面层所用石料为辉绿岩，由十堰的土龙 以及黄云铺两家料场提供；矿粉采用十堰三峡和宝石两家公司生产的石灰岩矿粉。下面 层所用沥青为a h 7 0 道路石油沥青，中、上面层所用沥青为i d 级s b s 改性沥青，每 种沥青各有鄂州科氏和湖北国创两个单位的产品备选。筛分结果显示，各料场集料都不 同程度地存在部分筛孔的通过率不符合规范要求的现象，土龙料场的辉绿岩l 号料还存 在少许超粒径颗粒。除此之外，其它各项指标均满足j t g f 4 0 2 0 0 0 公路沥青路面施工 技术规范要求。上面层黄云铺辉料场的绿岩磨耗值偏大，针片状颗粒含量较高。鄂州 科氏以及湖北国创两家公司的送样沥青均能满足规范要求，同类产品中鄂州科氏公司的 沥青基本物理性能略好。三峡公司的矿粉粒度较细，亲水系数较高，使用过程中易吸潮 结团。上面层所用纤维为聚酯纤维，包括一种国产纤维( 湖北天汇强公司的不裂聚酯纤 维) 和一种进口纤维( 美国e m c i 公司的聚酯纤维) 。另外，还有北京福倍安公司的玄 武岩矿物纤维用于隧道沥青混凝土路面上面层。 针对路面面层材料优选及配合比设计，项目组在前期试验结果的基础上提出如下改 进措施： ( 1 ) 集料规格对级配调整以及混合料的性能有重要影响，因此选料时应严格检测 每种集料的规格，特别是4 7 5 m m 以及0 0 7 5 m m 筛孔的通过率。对不符合规格的集料( 例 如土龙料场的l 号料存在超粒径颗粒) ，要求料场适当调整料筛，务必使集料规格满足 规范要求。 ( 2 ) 在进行中面层a c 一2 0 c 级配设计时，对于相同的设计空隙率由于较粗级配所 用油石比较大，容易造成混合料中自由沥青过多，从而降低混合料的抗水损坏能力跟抗 车辙能力。因此在级配设计是，在满足要求的前提下建议选择较细级配作为设计级配。 第二章沥青混合料的级配与材料质量控制研究 ( 3 ) 土龙料场集料的3 、4 号料2 3 6 m m 以下筛孔通过率虽然能满足规范要求，但 是各筛孔通过率均为较低值，从而3 、4 号料较粗，从而在级配调整时，即使使用较细 矿粉，掺加量也达到1 2 ，易造成级配的不稳定。因此，建议要求料场在生产时减小相 应筛孔。 ( 4 ) 选用黄云铺料场的辉绿岩时要加大对石料磨耗值及其针片状颗粒含量的检测 力度。 ( 5 ) 三峡公司的矿粉粒度较细，亲水系数高，当选用该公司的矿粉时，在使用过 程中要特别注意防潮，以防发生团粒结块。 ( 6 ) 鄂州科氏公司及湖北国创公司生产的a h 7 0 道路石油沥青及i d 级s b s 改性 沥青均能满足规范相应要求，性能方面鄂州科氏公司的相应产品性能较优。 ( 7 ) 由于上面层所使用的i d 级s b s 改性沥青性能较优，因此两种聚酯纤维的性 能差别不显著。进口美国e m c i 公司的聚酯纤维的分散性要好，性能也较好，但是价格 较贵，应综合经济因素考虑纤维选择方案。 2 3 沥青质量控制 2 3 1 沥青在路面工程中的作用及种类 沥青路面工程中，沥青材料是作为粘结材料出现的，是各种集料之间的粘接剂。我 国的沥青路面通常分为上、中、下三层，沥青不仅用于沥青路面层，在各沥青层间也将 用到，如粘层油、透层油，只是不同层对沥青的要求会有所不同。 根据用途，沥青大致可以分为以下几类【1 o ，14 】：基质沥青、改性沥青、乳化沥青、煤 油稀释沥青、改性乳化沥青，不同种类的沥青将用于不同的层次。 2 3 2 路面工程中沥青的各项控制指标 路用沥青所处的环境十分复杂，长期日晒雨淋，又受到车辆荷载的长期反复作用， 因此，要求路用沥青具有一定的性质，来抵抗环境的影响。工程中，沥青材料的质量是 通过沥青的各项指标来表示的，沥青质量控制实际上是对沥青各项指标的控制。不同国 家根据自身特点提出不同的指标要求。在我国，对高等级公路沥青路面面层的沥青材料， 公路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 9 4 ) 规定采用重交通石油沥青，其技术要求如 表2 1 【1 6 】。在这些指标中，不同的指标代表着沥青的不同性质。 l o 长安大学硕十学位论文 表2 1 石油沥青的质量技术要求 指标单位a h 一1 3 0 a h 一1 1 0 a n 一9 0a l l 一7 0 针入度( 2 5 c ，l o o g ，5 s ) 0 1 m m1 2 0 1 4 01 0 0 1 2 08 0 1 0 06 8 8 0 延度( 5 c m m i n ，1 5 c ) 不小于 c 1 0 01 0 01 0 08 0 软化点( 环球法) 不小丁4 0 5 04 1 5 l4 2 5 24 4 5 4 闪点( c o c ) 不小于 2 3 0 含腊量( 蒸馏法)不大于 3 密度( 1 5 ) g c m 3实测记录 溶解度不小于 9 9 o 老化 质量损失不大于1 31 21 00 8 试验 针入度比不小于4 54 85 05 5 1 6 3 、 5 h 残留延度2 5 不小于 c m7 57 57 57 5 针入度与沥青路面的使用性能具有密切的关系，在现阶段仍是我国选择沥青标 号的最主要的依据。它不仅表现在高温稳定性上，对低温抗裂性能也同样重要。对油源 相同或温度敏感性相同的沥青，针入度大即较稀的沥青有较低的劲度模量，比较稠沥青 的路面裂缝少。可见，它可反映沥青粘度随温度变化的规律，即反映沥青的路用性能随 温度而变化的规律。 延度指在规定的速度和温度下，拉伸标准试件的两端直到断裂的长度，在1 5 0 。c 时得到的延度试验结果能够间接地反映在路面使用温度时的沥青粘度和剪切敏感性的 关系，其值与沥青的含量及均匀性有关，直观的为抗裂缝能力，传统观点认为反映沥青 的塑性( 在外力作用下不产生破坏的能力) 。 软化点反映沥青的高温性能的指标，是指在特定试验条件下表示沥青软硬程度 的一个条件温度，不能把它误解为由固体变为液体的界限，也不能理解为沥青由粘弹性 状态向流状的过度点，实际上在软化点前后，沥青的性质是不会发生变化的。 闪点试样在规定的开口杯盛样器内按规定的升温速度受热时，所挥发的气体以 规定的方法与试焰接触，初次发生一瞬即灭的火焰时的试样温度，反映沥青在施工过程 中安全性能的指标，是否易燃。 含蜡量反映沥青的蜡对沥青路用性能影响的大小。我国的研究表明，沥青中蜡 对沥青路用性能的影响表现为：蜡在高温时融化，使沥青的粘度降低，影响高温稳定 性，增大温度敏感性；蜡使沥青和集料的亲和力降低，影响沥青的粘接力及抗水剥离 性；蜡在低温时结晶析出，分散在其它各组分之间，减小了分子间的紧密连接，当蜡 结晶超过胶束的界限时，蜡以不均匀态悬浮于沥青中，蜡相当于沥青中的杂质，使沥青 的极限拉伸应变和延度变小，容易造成低温发脆、开裂；减小了低温时的应力松弛性 第二章沥青混合料的级配j 材料质量控制研究 能，使沥青的收缩应力迅速增加而容易开裂；低温时的流变指数增加，复合流动度减 小，时间感应性增加，对测定条件下有相同粘度的沥青，在变形速率减小时，含蜡的沥 青粘度增加更大，劲度也大，这也是造成温度开裂的原因之一；蜡的结晶及融化使一 些测定指标出现假象，使沥青性质发生突变，使沥青性质在这一温度区的变化不连续。 密度是沥青分子致密程度的指标，也是沥青质量性能的指标，它在质量与体积 之间相互换算以及沥青混合料配合比设计时，是必不可少的参数。 溶解度它是测定沥青产品的纯净程度的指标。 薄膜加热用于反映沥青的老化性能。沥青老化是一个逐渐发生的过程，它的速 率直接影响路面的使用寿命，因而是影响沥青路面耐久性的主要因素。 2 3 3 沥青质量的管理与检测 在“十漫”高速公路沥青路面项目中，项目组要求道路石油沥青必须按品种、标号 分开存放，使用期间贮存温度不宜低于1 3 0 4 c ，不得高于1 7 0 。c ，长期不用宣在自然温 度下存储。改性沥青成品的贮存罐必须设搅拌装置进行搅拌，使用前改性沥青必须均匀， 发现产品质量有问题和离析现象时不得使用。 试验路段所用沥青包括两种：下面层为a h 7 0 道路石油沥青，中、上面层为i d 级 s b s 改性沥青。每种沥青分别选用湖北国创和鄂州科氏两家公司的相应产品，进行性能 对比试验。项目组所测的沥青的各项指标如表2 2 、2 3 所示。 表2 2 所测a h - 7 0 道路石油沥青技术性能 项目 国创沥青科氏沥青 技术指标 针入度( 2 5 * 0 ，5 s ，1 0 0 9 ) ( o 1 m m ) 6 0 76 1 7 6 0 8 0 延度( 5 c m m i n ，1 5 ) 不小于( c m ) 1 0 0 1 0 0 1 0 0 软化点( 环球法) ( ) 不小于 4 95 6 4 6 溶解度( 三氯乙烯) 不小于( ) 9 9 9 9 9 7 9 9 5 质量变化s ( ) o 3 20 2 8 4 - 0 8 旋转薄膜烘箱老化 1 6 3 ，8 5 m