高性能沥青混合料材料特性与施工技术研究

论文摘要

当前我国高速公路建设呈跳跃式发展态势。但由于技术储备不足,加之车流量大,车辆超载严重等原因,导致在高速公路快速发展的同时,沥青路面的早期损坏问题同样十分突出。调查研究表明:产生沥青路面早期损坏的原因十分复杂,除了环境和荷载因素外,还与路面结构形式、混合料组成设计、施工技术等许多方面有关。尽管近些年来在沥青路面结构和混合料组成设计上进行了大量的研究,而且在室内试验研究中取得了良好的综合性能,但是许多实体工程路面早期损坏问题依然十分严重。特别是有些路面虽然直接采用了国外的先进设计理念,也没有得到满意的结果。愈来愈多的工程实践表明:在高速公路建设中混合料的施工特性、设备应具备的性能、设备之间的匹配关系、设备与材料之间的相互作用特性等对保证和提高路面质量具有重要的作用。本文针对以上问题进行了系统的理论与工程应用研究。沥青混合料因矿料级配不同构成了不同的组织结构,由混合料的结构状况、体积性能和施工特性共同决定了其使用性能。高性能混合料不同于传统混合料的级配与性能,其粗、细集料用量有严格的范围,粗一级集料形成的空隙决定了细一级集料的用量,形成多级嵌挤密实结构,使混合料既具有高抗车辙能力又有抗水损坏的综合性能。因此本文中首先分析研究了高性能混合料的级配特征、参数控制、体积特性和影响体积性能的因素、施工质量控制等方面的问题,提出了保证混合料优良性能的级配允许变化范围和施工参数控制范围。机械设备应针对具体的作业对象选择功能和确定参数,以适应千变万化的路面结构、材料组成及环境要求,发挥其最佳的工作特性。因此本文分析了沥青路面施工中的主要设备的结构原理、工作特性和影响设备性能的因素,提出了主要控制指标。深入研究了搅拌设备与材料相互作用特性,摊铺设备与材料相互作用特性。建立了搅拌设备拌和均匀性的数学模型和采用自动调平系统摊铺机的工作装置运动学模型并进行了应用研究。沥青路面施工是由一系列机械设备,通过各单机组合形成的一个有机整体,并相互协调进行规模化生产,实现最佳的工作质量和最优的工作效率。因此要求各机型之间有合理的匹配关系。本论文基于混合料压实的共振理论,研究了碾压过程中材料压实度随压实次数变化的规律,得出了多功能摊铺机振动夯实系统的压实度随摊铺速度变化的数学模型,确定了摊铺机合理的作业区段,建立了以保证作业质量为目标的主要设备、辅助设备与核心设备作业性能相适应的新型匹配关系。由于高性能沥青混合料对施工变异性十分敏感,沥青路面一旦发生变异将严重影响其耐久性和使用寿命。近年来虽然对施工过程中造成路面质量变异性的原因以及相应的处理措施进行了研究,但缺乏全面性、系统性,忽视了设备对施工变异性的影响。本文从材料特性、机械性能及其相互作用特性上研究了沥青混合料设计、生产、运输、摊铺、碾压全过程的材料离析、温度离析和压实离析现象与机理,提出了预防与控制的技术途径和离析的判别标准体系。以上研究成果已在多条高速公路实体工程中得到应用。本文将理论研究与工程实践紧密结合,分别在“襄十”高速公路、“汉宜”高速公路和“老集”高速公路进行了试验验证及广泛的推广应用。结果表明:研究成果对预防与控制沥青路面早期病害,提高施工质量,增加路面耐久性等方面效果十分显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状及本项目研究必要性
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 高性能沥青混合料的材料特征及施工控制
• 2.1 对沥青混合料的基本要求
• 2.1.1 高温稳定性
• 2.1.2 低温抗裂性
• 2.1.3 耐久性
• 2.1.4 抗滑性
• 2.1.5 施工特性
• 2.2 沥青混合料的强度机理
• 2.3 高性能沥青混合料的级配特征
• 2.3.1 基本概念
• 2.3.2 混合料级配设计方法
• 2.3.3 高性能混合料的级配特征
• 2.4 沥青混合料体积参数和影响因素
• 2.4.1 体积参数与混合料质量
• 2.4.2 影响体积参数的因素
• 2.5 高性能混合料的施工质量控制
• 2.5.1 贝雷参数值与混合料的施工特性
• 2.5.2 沥青混合料体积参数的施工控制
• 2.6 小结
• 第3章 高性能沥青混合料拌和质量控制
• 3.1 搅拌设备的配置与性能要求
• 3.1.1 沥青混合料搅拌设备结构
• 3.1.2 对间歇式沥青混合料搅拌设备的性能要求
• 3.2 影响搅拌设备生产能力的因素
• 3.2.1 影响干燥筒生产能力的因素
• 3.2.2 影响搅拌器生产能力的因素
• 3.3 搅拌器的拌和均匀性研究
• 3.3.1 建立拌和均匀性数学模型
• 3.3.2 拌和均匀性的试验研究
• 3.4 小结
• 第4章 高性能沥青混合料摊铺技术研究
• 4.1 摊铺机的工作原理与特性
• 4.1.1 高速公路摊铺机选型
• 4.1.2 摊铺设备的工作原理与自动控制系统配置
• 4.2 配置自动调平系统的工作装置特性研究
• 4.2.1 配置自动调平系统的熨平板运动学模型
• 4.2.2 自动调平熨平板的阶跃响应
• 4.2.3 自动调平熨平板的斜坡激励响应
• 4.3 自动调平系统的工作原理
• 4.3.1 自动调平系统的工作原理
• 4.3.2 自动调平系统的主要调平方式
• 4.3.3 调平系统配置与基准工作特性
• 4.4 摊铺试验研究
• 4.4.1 平衡梁基准的工作特性
• 4.4.2 摊铺机工作装置滞后特性对横坡度的影响
• 4.4.3 平衡梁基准摊铺试验研究
• 4.5 小结
• 第5章 高性能沥青混合料施工设备匹配特性研究
• 5.1 多功能摊铺机振动夯工作特性研究
• 5.1.1 振动夯击实理论
• 5.1.2 材料压实度增长特性
• 5.1.3 多功能摊铺机振动夯的工作特性
• 5.2 基于作业质量的设备之间的合理匹配技术研究
• 5.2.1 核心设备的作业性能
• 5.2.2 主要设备、辅助设备配套
• 5.2.3 设备匹配参数验算
• 5.3 小结
• 第6章 高性能沥青混合料离析控制技术研究
• 6.1 沥青路面离析的现象与机理
• 6.1.1 混合料材料离析现象与机理
• 6.1.2 混合料温度离析现象与机理
• 6.1.3 混合料压实离析现象与机理
• 6.2 离析的判别方法与判别标准
• 6.2.1 离析判别方法
• 6.2.2 离析判别标准
• 6.3 沥青混合料离析的控制与预防
• 6.3.1 材料离析的预防与控制
• 6.3.2 温度离析的预防与控制研究
• 6.3.3 压实离析的预防与控制
• 6.4 小结
• 第7章 现场试验研究与研究结论
• 7.1 现场试验研究
• 7.1.1 路面构造深度检测结果
• 7.1.2 路面空隙率检测结果
• 7.1.3 路面平整度检测结果
• 7.1.4 级配组成及沥青含量检测结果
• 7.1.5 弯道摊铺检测结果
• 7.2 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 1、博士研究生在学期间公开发表的学术论文
• 2、博士研究生在学期间科研项目
• 3、博士研究生在学期间获奖情况
• 4、博士研究生在学期间申请专利和编写标准情况