温拌沥青混合料压实机理分析_赖万松

第１５卷第３期交　通　科　技　与　经　济Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．３２０１３年５月Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　＆Ｅｃｏｎｏｍｙ　ｉｎ　Ａｒｅａｓ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｍａｙ，２０１３温拌沥青混合料压实机理分析赖万松，于　江，李林萍，宋卿卿（新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐８３００４７）摘　要：温拌沥青混合料的压实问题关系到温拌沥青混合料技术的推广运用。

根据温拌沥青混合料的固有属性，从沥青路面材料、固结－液体流模型、温度应力场、压实机械等方面入手，分析温拌沥青路面材料性能、固结－液体流模型、温度梯度等对温拌沥青混合料压实机理的影响，探讨温拌沥青混合料压实应注意的问题。

关键词：道路工程；温拌沥青混合料；压实机理；注意事项中图分类号：Ｕ４１６．２１７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８－５６９６（２０１３）０３－０００５－０４Ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｗａｒｍ　ｍｉｘ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅＬＡＩ　Ｗａｎ－ｓｏｎｇ，ＹＵ　Ｊｉａｎｇ，ＬＩ　Ｌｉｎ－ｐｉｎｇ，ＳＯＮＧ　Ｑｉｎｇ－ｑｉｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００４７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｗａｒｍ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｉｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ　ｗａｒｍ　ｍｉｘ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ　ｏｆ　ｗａｒｍ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ，ｉｔｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｉｍｂｅｒ，ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ－ｌｉｑｕｉｄ　ｆｌｏｗ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｔｏｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｒｍ　ｍｉｘ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｎ　ｗａｒｍｍｉｘ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ，ｆｒｏｍ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ－ｌｉｑｕｉｄ　ｆｌｏｗｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏａｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｗａｒｍ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ；ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｍａｔｔｅｒｓ　ｎｅｅｄｉｎｇ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ收稿日期：２０１２－１２－１６基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１６８０４４）作者简介：赖万松（１９８７－）男，硕士研究生，研究方向：道路工程． 温拌沥青混合料技术是一种推广的新型绿色筑路技术。

温拌沥青混合料（ＷＭＡ）与传统的热拌沥青混合料（ＨＭＡ）相比具有降低温室气体排放、保护环境、节约能源和燃料、延长施工时间、有利于长距离运输、改善工人工作条件、提高生产率等优点，具有十分广阔的应用前景。

然而，温拌沥青混合料在我国的应用时间较短，拌合与压实缺少理论依据，低温环境中能否施工压实存在关键技术难题，本文在充分调研和理论分析的基础上研究温拌沥青混合料的压实机理。

１　温拌沥青路面材料１．１　沥　青沥青是一种玻璃态物质，没有固定的熔沸点，遇热会软化，具有一定的流动性，温度降低时会硬化，这是一个可逆的过程。

粘弹力学认为沥青是一种粘弹塑性材料，其强度是温度和作用时间的函数。

即在一定的作用时间下，强度随温度的升高而降低；在一定的温度下，强度随荷载作用时间的增加而降低。

一般认为，在一定的温度范围内，温度越高，沥青的粘度越小，流动性越好，沥青起润滑的作用，混合料容易被压实。

但流动性太大沥青易离析影响储存和运输，流动性可以保证混合料具有一定的稳定性和韧性，以免裂缝，所以选择的基质沥青粘度不宜太小。

１．２　集　料集料是影响温拌沥青混合料压实的关键。

特别是集料的形状和表面纹理，还有集料的强度和集料的酸碱性等。

一般地，卵石比破口石易于压实；有明显纹理的集料比没有明显纹理的集料易于压实；板状集料比块状集料易于压实。

高强的集料在压实过程中不会被压碎，容易形成嵌挤骨架密实结构。

一般的碱性集料压实好于酸性集料，主要是沥青酸酐一般显酸性，与酸性集料吸附性弱于碱性集料。

１．３　温拌沥青混合料采用物理和化学方法添加温拌剂，改善沥青混合料的施工操作性，在完成混合料成形后，这些物理和化学添加剂并不对路面使用性能构成负面影响的一种沥青混合料技术。

当沥青含量较低时，温拌沥青混合料易出现花料，难以压实；当沥青用量较多时，形成的混合料不稳定且容易出现沥青脆断现象（即开裂）。

集料的级配也影响着压实。

粗集料含量多，集料与集料之间的嵌挤力就大，混合料很难被压实；相反，细集料含量多，集料在混合料中起填充作用，易于压实，但细集料如果含量太多反而不易压实，主要是因为在压路机的作用下会推移粒料。

２　温拌沥青混合料力学模型２．１　温拌沥青混合料压实的一般过程温拌沥青混合料的压实过程是从松散颗粒，软塑状态逐步过渡到紧密块体，硬塑粘聚态，抗拉强度，抗剪切能力剧烈提高的过程。

高温时（通常认为高于碾压温度），混合料的压实近似于粘性土。

即高温状态下温拌沥青胶结料的粘度降低，内聚力较小，近似于符合库伦定理，颗粒可以自由变形和重新组合，压实容易；随着温度的降低，温拌沥青胶结料的粘度增大，内聚力变大，颗粒可以自由变形和重新组合的概率变小，压实趋于困难；当温度继续下降到碾压温度范围以下，颗粒的自由变形和重新组合受阻，几乎压不实，出现类似于“橡皮土”。

在此，进一步研究集料颗粒的重新组合受到集料之间摩擦力阻抗，棱角性小的凸粒，近似于圆形混合料比棱角性大的易于压实。

采用Ｄｉｒａｃ－Ｃｏｕｌｏｍｂ方程估算温拌沥青胶结料的抗侧移强度，当胶结料的内聚力（Ｃ）和内摩擦角（φ）最小时，抗侧移也最小，用最小的压实功就能使胶结料混合料充分挤密压实。

２．２　固结－液体流模型温拌沥青混合料是一种多相非均质的混合料。

类似土的固结原理，它比粗粒类体系“软”，又比细粒类“硬”。

所以，对温拌沥青混合料压实机理提出一种粘塑性基本观点。

主要体现在：沥青自身特性如何表现，集料颗粒如何重新排列。

由于温拌沥青混合料在压实温度范围内，存在一定的流动性，这种流动性与水相似，但粘度比水大（可量化），采用修正的固结理论类比于压实过程中胶结料的性能，将会更加接近于实际工程压实机理。

３　温度应力场温拌沥青混合料技术没有被广泛的推广应用的一个最主要的因素就是压实。

压实中最关键的因素就是温度。

本文认为温拌沥青混合料的热传递过程是非稳态传热过程。

在温度应力场中主要抓住了层厚、风速、下卧层温度、空气环境温度等因素变化时温度场变化规律，分析温度场对外界条件变化的敏感性。

３．１　摊铺层厚度根据热传导定理，温拌沥青混合料面层摊铺碾压过程中逐渐散失的热量使混合料表面附近的空气形成一个较高的温度区域，这一高温区域的形成对抑制热量的散失起到屏蔽作用，热的空气屏蔽作用形成，外界环境中的常温区就已经远离混合料，从而保护了温拌沥青混合料的热量损失。

当摊铺层较厚时，这种屏蔽效应更加明显，从而减少了较低温环境对混合料的影响。

由于温拌剂的加入能更好地促进混合料的压实，密实的沥青混合料更能有效地减少热量的散失。

３．２　风　速由热对流原理，风速对温拌沥青混合料降温速率也较为明显。

风的影响主要是能够促使空气的流动，加快热传递。

从整个摊铺层温度来看，风速越大，在相同时间内温度下降越快，并且表面散热最快，底部温度下降较缓，而摊铺层中部温度保持稳定状态，这主要是由于风速越大，表面与空气热交换加快，温度曲线从对称逐渐发展为不对称，可见在大风天气情况下，下卧层温度对摊铺层温度的影响具有很重要的作用。

如果在无风或风力很小的情况下，摊铺层表面附近一定区域形成的高温空气屏蔽区相对稳定和完整，因而温拌沥青混合料向空中传递的热量就较少，混合料温度也将以较低的速率下降；如果风是不间断地、无固定方向的，摊铺层上方的空气对流交换热量，使摊铺层表面与上层空气的温差一直比较大，这样混合料通过热对流向空气传递热量就多。

因此，风力对温度场的影响很大。

而且风的冷却影响可导致混合料的表面产生一种硬壳面，厚度一般约为１ｃｍ。

这种硬壳面在钢轮压路机的碾压作用下，会造成路面的热龟裂，严重影响温拌沥青路面将来的使用寿命。

因此，在风速较大的情况·６·交　通　科　技　与　经　济 第１５卷下，应抓紧时间碾压，以免影响工程质量。

３．３　下卧层温度采用温度梯度分析下卧层温度的影响。

下卧层温度主要影响摊铺层底部的温度，下卧层温度越高摊铺层底部温度越高，而摊铺层表面、中面的温度基本不发生变化，主要是因为摊铺层底部直接与下卧层接触，而且温度梯度较大，进行热传递的速率也大，而摊铺层表面与中面的温度梯度较小进行热传递的速率较小的缘故。

３．４　空气环境温度空气温度主要对热流和长波辐射的对流系数有影响。

由于空气的比热容很小，还有摊铺层上一定范围内的热屏蔽作用，使得空气环境温度对摊铺层温度随时间有减小的趋势，但总体影响的速率较小。

远不及风速和下卧层对温度应力场的影响。

总体分析认为，外部因素对温拌沥青混合料降温速率影响的敏感性排序为：层厚＞风速＞下卧层温度＞空气温度。

４　压实机械４．１　传统压实机械对于典型的传统压实机械，温拌沥青混合料与滚轮的接触面积小，提供的应力是快速且持续时间非常短。

短时间的作用不足以使温拌沥青混合料发生粘塑性流动，引起胶结料的高弹性劲度的响应；较小的接触面积，会产生较大的应力可能会压碎大的集料影响粗集料的骨架结构，还可能产生一个很大的水平推力；光轮压路机可能产生热龟裂，影响路面的使用性能。

４．２　理想的压实机械基于对温拌沥青混合料材料性能、固结－液体流模型、温度应力场等的分析，希望找到这样一种压实机械。

１）具有大的接触面积。

大接触面积可以有助于温拌沥青混合料的压实，排除空气、空隙分布均匀；大接触面积可以产生的水平推力最小，抑制沥青膜两侧的材料隆起。

２）作用时间长。

基于固结－液体流模型，认为温拌沥青混合料在碾压温度范围内，类似于细粒土的固结原理。

根据有效应力原理，最初作用对细粒土的冲击作用由孔隙水来承担。

由此认为，温拌沥青混合料在短期作用下不发生流动，通过增大胶结料劲度来抵抗荷载作用。