高華華 瞿建華

【摘要】：本文針對(duì)首先介紹瀝青路面施工過程中的離析現(xiàn)象的特征，然后基于軟球模型利用混合料顆粒模型分析瀝青路面施工過程中離析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

【關(guān)鍵字】：瀝青；離析；軟球模型；顆粒模型

1.引言

公路特別是高速公路等交通設(shè)施的快速發(fā)展推動(dòng)著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，改革開發(fā)30年來，我國的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其是公路建設(shè)得到迅猛發(fā)展，對(duì)公路路面施工的提出了更高的要求。而瀝青路面施工過程中的離析現(xiàn)象容易導(dǎo)致瀝青路面許多病害的發(fā)生，影響公路的安全性和功能性，可能造成人民生命和財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失，必須給予足夠的。本文針對(duì)首先介紹瀝青路面施工過程中的離析現(xiàn)象的特征，然后基于軟球模型利用混合料顆粒模型分析瀝青路面施工過程中離析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

2.瀝青混合料離析的特征

瀝青面層的離析現(xiàn)象主要表現(xiàn)為六方面：(l)接縫離析；(2) 溫度離析；(3) 隨機(jī)性離析；(4) 塊狀離析；(5) 端部離析。

2.1接縫離析

接縫離析主要是由于在瀝青混和料的鋪筑過程中往往采用兩臺(tái)攤鋪機(jī)進(jìn)行施工而造成的。由于兩臺(tái)攤鋪機(jī)的溫度和攤鋪厚度很難達(dá)到完全一致，所以在接縫處很容易產(chǎn)生離析。一方面兩臺(tái)攤鋪機(jī)的溫度不一致的情況下，溫度差異過大會(huì)造成接縫處出現(xiàn)離析現(xiàn)象，另一方面，在兩臺(tái)攤鋪機(jī)攤鋪厚度不一致的情況下，接縫處厚度較薄的部分難以壓實(shí)，造成離析現(xiàn)象的發(fā)生。在兩臺(tái)攤鋪機(jī)的厚度和溫度一致的情況下，接縫處瀝青混合料過多和過少也會(huì)造成離析，當(dāng)接縫處厚度過大時(shí)，接縫處兩側(cè)難以壓實(shí)，造成離析現(xiàn)象的出現(xiàn)；當(dāng)接縫處厚度過薄時(shí)，接縫處難以壓實(shí)也會(huì)造成離析現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2溫度離析

由于在瀝青混合料運(yùn)輸儲(chǔ)存過程中，瀝青混合料的熱量流失情況不同，這樣就造成在路面鋪設(shè)過程中路面瀝青混合料的溫度不同，造成溫度離析現(xiàn)象的出現(xiàn)，溫度離析必須通過儀器進(jìn)行觀測(cè)（圖2-1）。由于路面溫度的不同，在溫度較高的部位，路面容易壓實(shí)，瀝青混合料的孔隙率小，而在溫度較低的部位，路面不易壓實(shí)，瀝青混合料的孔隙率大，這就造成顆粒分布不均勻，路面平整度的下降，并且十分容易造成路面水損現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3隨機(jī)性離析

由于原材料的變化，如超限料的增多、冷料的變動(dòng)太大、設(shè)備故降、拌和樓生產(chǎn)的混合料波動(dòng)過大、篩孔的堵塞或破損、碾壓不及時(shí)等都可能造成離析現(xiàn)象，由于這些離析現(xiàn)象有很大程度上的隨機(jī)性，所以稱之為隨機(jī)性離析。于瀝青路面施工的隨意停工后保溫工作不當(dāng)也可能造成隨機(jī)性離析的發(fā)生，表現(xiàn)為瀝青混合料大顆粒和小顆粒的無規(guī)律集中分布。為了防止隨機(jī)性離析，應(yīng)該做好各方面的協(xié)調(diào)工作以及細(xì)節(jié)工作。

2.4塊狀離析

塊狀離析主要是由于兩方原因造成的。一方面，在瀝青路面鋪設(shè)過程中，攤鋪?zhàn)鳂I(yè)進(jìn)行有規(guī)律收斗，由于斗的兩側(cè)顆粒較大，所以在有規(guī)律的收斗會(huì)造成路面間隔性的出現(xiàn)顆粒較大的情況發(fā)生，造成塊狀離析。另一方面，在鋪面作業(yè)過程中，瀝青混合料級(jí)配發(fā)生變化，并且每斗或者每車有規(guī)律性地出料而不是連續(xù)出料，瀝青混合料就會(huì)有規(guī)律地發(fā)生變化，造成塊狀離析。為了防止塊狀離析的發(fā)生，就需要保證出料的連續(xù)性、級(jí)配的一致性和設(shè)備的穩(wěn)定性。

2.5端部離析

端部離析與帶狀離析正好相反，瀝青混合料孔隙率小、壓實(shí)較好的部位位于公路路面的中部，而瀝青混合料孔隙率大、壓實(shí)較差的部位位于公路路面的兩翼。造成端部離析的主要原因是由于攤鋪機(jī)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。從圖2-2中可以看出端部瀝青混合料紋理深度大，粗顆粒較多，而中部的瀝青混合料紋理深度小，細(xì)顆粒較多，這說明發(fā)生了端部離析。

3. 力學(xué)模型在離析分析中的運(yùn)用

3.1軟球模型

為了進(jìn)行瀝青路面施工過程中的離析分析，首先將瀝青混合料中的顆?？闯绍浨蜻M(jìn)行分析，軟球模型如圖3-1所示。

圖中代表法向變形位移，代表切向變形位移，r代表軟球的半徑，i，j代表軟球的編號(hào)。軟球的碰撞符合牛頓第二定律，當(dāng)兩個(gè)軟球發(fā)生碰撞后，一個(gè)軟球阻止另一個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)，碰撞過程中能量消耗，阻力的大小由軟球的剛度系數(shù)和法向變形位移大小所決定。軟球的接觸力模型如圖3-2所示。

3.2顆粒運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

兩個(gè)小球互相作用產(chǎn)生的法向接觸力為：

其中，代表j球作用于i球的法向接觸力；，代表法向阻尼系數(shù)；代表法向剛度系數(shù)；n代表碰撞時(shí)顆粒i質(zhì)心指向顆粒j質(zhì)心的單位法矢量；，代表顆粒i相對(duì)于顆粒j的速度矢量。

切向接觸力為：

其中代表j球作用于i球的切向接觸力； ，代表切向阻尼系數(shù)；代表法向剛度系數(shù)；代表接觸點(diǎn)的切向相對(duì)速度(滑移速度)；，代表顆粒i質(zhì)心指向顆粒j質(zhì)心的單位切矢量。

由上述公式可以推導(dǎo)出：

其中和分別代表i顆粒和j顆粒的角速度。

由于在瀝青混合料的鋪設(shè)過程中，會(huì)有多個(gè)軟球互相作用的效果，在多個(gè)顆粒發(fā)生碰撞時(shí)，如i顆粒與多個(gè)顆粒發(fā)生碰撞，那么作用于i顆粒的總接觸力和力矩可以表示為：

綜合考慮的i顆粒的作用力和i顆粒的總接觸力，可以得到

其中代表顆粒i在懸浮過程中流體作用于它的合力。

采用一階微分形式，在時(shí)間后，顆粒的速度、角速度和位置分別為：

其中為顆粒i的直徑，上標(biāo)（0）為時(shí)間前的速度。

這樣就完成了整體的力學(xué)建模過程，可以通過理論計(jì)算也可以通過數(shù)值模擬的方法對(duì)瀝青路面施工過程中的離析進(jìn)行分析。

4.結(jié)論

本文首先分析了瀝青面層的離析現(xiàn)象，認(rèn)為離析現(xiàn)象主要表現(xiàn)為接縫離析、溫度離析、 隨機(jī)性離析、 塊狀離析、 端部離析。

將瀝青面層中的顆?？闯蓮椥攒浨?，根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)瀝青路面的顆粒碰撞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得到顆粒碰撞運(yùn)動(dòng)的基本計(jì)算公式，為離析現(xiàn)象進(jìn)一步的完整理論計(jì)算以及數(shù)值模擬計(jì)算提供有力的依據(jù)。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。