王友宝 王飞 王浩：摊铺机螺旋分料级配离析机理

级配离析是影响路面使用性能的关键问题，容易使路面出现一系列病害，细集料集中的地方，缺少粗集料的骨架支撑作用，常会出现车辙、塌陷和拥包等现象；粗集料聚集的地方，缺少细料的填充，常会出现渗水现象，在重荷载的作用下，容易形成水动力，使面层剥离而损坏并影响路面的使用寿命。

摊铺机摊铺过程中存在四种级配离析：横向离析、竖向离析、纵向带状离析和窝状离析。横向离析表现为从中间往两端大料越来越多、细料越来越少，且摊铺宽度越大，横向离析现象越严重；竖向离析表现为下部大料多、细料少，上部细料多、大料少；纵向带状离析发生于中部螺旋分料箱和每个螺旋吊座处；窝状离析则是由于料车往摊铺机料斗中倒料时，大料滚落于料斗两侧，每车料摊铺完收料斗时就会把大料集中输送至摊铺机后方并形成路面。

对于竖向离析和窝状离析大家认为是由大料滚落引起的，但对于为什么大料更容易滚落则未见有理论上的分析。对于纵向带状离析，有学者认为是由于螺旋分料箱和螺旋吊座导致了螺旋分料的不连续。

对于横向离析，有的研究运用理论力学和流体力学知识，对混合料粒料在螺旋布料器料槽中的动力学和运动学进行了分析。还有的研究将摊铺机螺旋分料机构类比于螺旋输料机进行了分析，并指出质量大的物料动能更大、具有更强的运动能力。现有研究尚不能从根本上解释摊铺机螺旋分料过程中大料为什么会从细料中分离出来从而形成横向离析。

本文基于摩擦二项式定律分析了沥青混合料的摩擦力与骨料尺寸的相对关系，并针对螺旋分料转速不匀和料堆滚落两种情况建立了数学模型，解释了大料从细料中分离出来的机理。

设沥青混合料骨料的粒径为d，则其体积V与粒径立方成正比，即

（ 1 ）

其中，a为体积系数，例如当骨料为正方体且d为边长时，a=1。

表面积S与粒径平方成正比，即

    （2）

其中，b为面积系数，例如当骨料为正方体且d为边长时，如仅计算单侧表面，则面积系数b=1。

对于金属等塑性材料而言，两物体接触时的实际接触面积远远小于其宏观表面积而基本正比于法向载荷，其摩擦力正比于法向载荷，摩擦系数与宏观表面积无关。对于热沥青混合料而言，其骨料表面裹附了一层粘性沥青，且不同级配的物料嵌挤在一起，因此其摩擦性质与塑性材料有本质的不同。

分子-机械摩擦理论认为滑动摩擦是克服表面粗糙峰的机械啮合和分子吸引力的过程，因而摩擦力就是机械作用和分子作用阻力的总和。从而沥青混合料骨料的摩擦力可以表示为

    （3）

上式称为摩擦二项式定律，其中 为由摩擦表面的物理和机械性质决定的系数，A为实际接触面积，W为法向载荷。摩擦二项式定律经实验证实相当满意的适用于边界润滑问题和实际接触面积较大的干摩擦问题，热沥青混合料的摩擦性质也可以用摩擦二项式定律来解释。

对于热沥青混合料的骨料，虽然其实际接触面积与表面积不完全相等，但可以合理地假设实际接触面积正比于骨料的表面积，即

对于满埋螺旋分料机构而言，物料会沿着螺旋和挡料板形成的相对稳定的输送通道运动。通道包含三个区域：通道底部为已经堆积好的物料层，最终形成铺层；熨平板挡料板前部的死料区，施工过程中基本不变化；螺旋挡料板与螺旋叶片之间的推移区，受螺旋输送的影响，持续不断地推移更新。

可以合理地认为，对于匀速旋转的螺旋分料机构而言，由螺旋机构所限定的圆柱体内（对于变直径螺旋分料机构而言为圆锥体）的物料的横向速度总是等于螺旋分料机构的转速乘以螺距，远离圆柱体的骨料的速度则递减，此时物料没有离析的倾向。

当螺旋分料机构的转速减缓例如急停时，骨料的速度并不会立即减小到0，而是在与周围物料摩擦力的影响下逐渐减小到0。设骨料的密度为ρ，则骨料的质量为

容易知道，骨料的粒径d越大，则其加速度越小，也即其可以前进的距离也越远。

对于位于物料层内部的骨料而言，其法向载荷可以认为是位于其上方的物料的重量，如骨料在料堆内所处的深度为定值，则可以认为位于其上方的物料的重量与所分析的骨料的表面积成正比，设其比例系数为 ，从而有

同样可知，骨料的粒径d越大，则其加速度越小。

因此当螺旋分料转速不稳且处于减速阶段时，在惯性的作用下，大料会比细料移动更远的距离。在螺旋转速反复变化的情况下，大料相比于细料更容易到达螺旋分料通道的两端，从而形成横向离析。

大量颗粒状物质被倾倒于水平面上堆积为锥体，堆积物的表面与水平面所成内角即为安息角，其与物料密度、颗粒的表面积和形状以及该物料的摩擦性质息息相关。

设热沥青混合料堆的安息角为θ，此时斜面上的骨料的重力G、料堆支撑力以及摩擦力恰好处于平衡状态F3，如图1所示。

对于上式无法直接求出安息角θ的解析解，但容易发现，在0到90°范围内，当θ增大时，等式左边增大，则骨料粒径d需要变小，也即安息角θ与骨料粒径d负相关。骨料粒径d越大，安息角θ越小，骨料越容易从料堆滚落，这就解释了竖向离析和窝状离析发生的机理。此外，对于同样的物料级配而言，安息角与摩擦性质息息相关，如果选用粘结性能更好的沥青，增大物料之间的摩擦力，也可以减小安息角。

对于满埋螺旋分料机构而言，物料会沿着螺旋和挡料板形成的相对稳定的输送通道运动，通道内物料的表面不会形成斜坡从而也容易产生骨料横向滚落现象。但当物料填充系数较小时，料位高度不稳定，两螺旋叶片之间容易形成内高外低的斜坡，从而大料更容易横向滚落更远的距离，也即大料相比于细料有更大几率到达分料通道的两端从而形成横向离析。

此外，由于摊铺机输料口高度通常会高于分料通道内的料位高度，也容易在输料口两侧形成内高外低的斜坡，导致更多的大料滚落到输料通道外侧，会导致中间输料宽度内细料多、外部大料多的横向离析现象。

1.热沥青混合料的摩擦性质符合摩擦二项式定律，其摩擦力与法向载荷不成正比。

2.当螺旋分料机构转速减缓时，大料减速的加速度更小，大料会比细料移动更远的距离，因此保持分料转速稳定对于减轻横向离析具有重要意义。

3.骨料粒径d越大，安息角θ越小，骨料越容易从料堆滚落，这也是竖向离析和窝状离析发生的机理。

4.螺旋分料通道内物料填充系数较小时，两螺旋叶片之间容易形成内高外低的斜坡，大料更容易滚落更远的距离，因此保持螺旋分料通道物料满埋及料位高度一致对于减轻横向离析有重要意义。

5.适当降低摊铺机输料口高度，减小输料口与分料通道内料位高度的落差，有利于缓解中间细料多、外部大料多的横向离析现象。

6.选用粘结性能更好的沥青，增大物料之间的摩擦力，也可以减轻物料级配离析的程度。