大粒徑瀝青混凝土降溫規律研究

劉紅瑛，葉 松

(長安大學 道路結構與材料交通行業重點實驗室，陜西 西安710064)

0 引言

大粒徑瀝青混凝土由于集料的最大公稱粒徑大于26．5 mm，其攤鋪厚度按照規范可達到12 ～18 cm［1］．其施工工藝如攤鋪機速度、碾壓機械的組合、初壓、復壓、終壓溫度等與普通瀝青混凝土施工有明顯不同［1-2］．對熱拌瀝青混凝土路面，碾壓是瀝青路面施工的最后一道工序，壓實對其路用性能和耐久性有很大影響．研究表明［3-4］:在渠化交通條件下，若是壓實不足，壓實度每降低1%，殘留空隙率增加約1%，從而會出現較大的車轍，疲勞壽命將要降低約35%，瀝青混合料的滲透率提高兩倍，瀝青的老化加速;若過壓將會使礦料破碎空隙率過小，易出現泛油和失穩，影響路面的強度和穩定性． 碾壓工作的內容包括多個方面，如碾壓機械的選型和組合、碾壓溫度、速度、碾壓方式等，而瀝青混合料攤鋪后的降溫規律對壓實起到了決定性的作用．

對于大粒徑瀝青混合料國內外主要針對不同級如ATB -25、ATB -30、ATPB -25、ATPB -30等進行級配優化設計;采用大馬歇爾試驗方法確定其最佳瀝青用量，并通過室內試驗對比評價不同大粒徑瀝青碎石的路用性能和力學性能［7-8］．同時針對超大粒徑瀝青混合料(SLSM)的特征，利用旋轉壓實(SGC)法、大馬歇爾擊實法和振動擊實法等成型方法制備試件并計算相關體積參數，分析不同成型方法對混合料性質的影響［9］．

對于瀝青混合料降溫規律，目前國內主要針對普通的瀝青混合料通過室內試驗，對不同攤鋪厚度及環境溫度下的不同基質瀝青、級配類型的熱拌瀝青混合料的降溫情況進行研究，得出了熱拌瀝青混合料的降溫規律，為熱拌瀝青混合料的室內試驗及生產施工控制提供參考［10］，很少提及針對大粒徑瀝青混合料降溫規律的研究．因此，筆者在實驗室研究了大粒徑瀝青混凝土攤鋪后的降溫規律，為瀝青路面碾壓施工提供有效的指導．

1 原材料與試驗方案

1．1 瀝青

采用了埃索A -70#瀝青，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ 052—2000)進行常規指標測試，各項指標結果見表1，其結果滿足重交通道路石油瀝青技術指標A-70#要求．

1．2 集料

粗集料采用了河北鹿泉市石灰巖，礦粉為石灰巖磨制而成．經測定集料的各項性能指標均符合規范《公路工程集料試驗規程》(JTJ 058—2000)要求．各種規格集料密度見表2，粗集料的石料壓碎值為16．5%，與瀝青粘附值(水煮法)為5．

表1 瀝青性質指標Tab.1 The performance indicators of bitumen

1．3 級配確定

本研究采用目前常用3 種大粒徑瀝青混合料級配類型，包括Superpave 級配(簡稱SP)、體積法設計級配(簡稱TJ)以及貝雷法設計級配［5］(簡稱BL)．其設計級配的曲線見表3 所示．

1．4 室內模擬降溫試驗［6］

室內模擬試驗時自制了3 種高度的木箱，用來裝熱拌瀝青混合料，采用可控溫的環境箱模擬降溫環境． 模擬的3 種設計厚度為12 cm、15 cm和18 cm，松鋪系數采用1．15．木箱內尺寸分別為30 cm×30 cm ×13．8 cm、30 cm ×30 cm ×17．25 cm 和30 cm×30 cm ×20．7 cm．試驗時將熱混合料裝入木箱放置在15 ℃、25 ℃、35 ℃的環境中，用溫度傳感器和電子溫度采集儀對瀝青混合料表面、中間和底面3 個部位的溫度進行采集．

表2 集料密度測定結果Tab.2 Aggregate density measurement results

表3 大粒徑瀝青混合料的礦料級配Tab.3 Large size asphalt mixture aggregate gradation

2 大粒徑瀝青混合料總的降溫規律

TJ-31．5、SP -31．5 和BL -31．5 3 種級配混合料的實測溫度結果如圖1 ～圖3．可以看出:

(1)在不同環境溫度和厚度下，所有級配大粒徑瀝青混合料從規范規定的初碾溫度降到碾壓終了溫度，所用時間最短90 min，最長達到210 min 左右;

(2)大粒徑瀝青混合料表面剛與空氣接觸時，降溫速率大，表面溫度迅速降低，與混合料中間溫差可達到15 ～25 ℃，然后保持這種溫差直至表面達到碾壓終了溫度;

(3)大粒徑瀝青混合料中間溫度由于不與空氣接觸，降溫速率開始稍小，然后一直保持較均勻的降溫速率;

(4)大粒徑瀝青混合料底面溫度開始由于與接觸面溫差大，降溫速率大，底面溫度迅速降低，與混合料中間溫差達到15 ～25 ℃，然后降溫速率變的最小，到碾壓終了溫度時與瀝青混合料的溫度趨于一致，相差很小．

3 不同因素對大粒徑瀝青混合料降溫規律影響

3．1 環境溫度的影響

不同環境溫度對級配BL -31．5，SP -31．5，TJ-31．5 混合料儲熱性能的影響如圖4 所示．通過分析圖4，研究氣溫對大粒徑瀝青混合料碾壓時溫度降低的影響可知:①隨著環境溫度的升高，在厚度相同的情況下每種級配下的大粒徑瀝青混合料其表面降低相同的溫度需要的時間也越來越長．②環境溫度越高，混合料表面降至終碾溫度時，內部溫度與表面溫度的差值越小．③環境溫度在混合料熱量散失的初期30 min 以內對表面降溫速率有很大的影響，熱的空氣屏蔽區一旦形成，常溫區離混合料表面較遠，環境溫度的影響減弱．④環境溫度對中間溫度幾乎沒有什么影響，混合料中間一直以較為穩定的降溫速率降溫到終碾完成為止．

3．2 攤鋪厚度的影響

由圖4 分析知，攤鋪厚度對大粒徑瀝青混合料碾壓時降溫規律的影響有以下幾點:①攤鋪厚度由12 cm 增大到18 cm 時，混合料表面降低到終碾溫度需要的時間也越來越長，當環境溫度相同時，一般增長80 ～100 min;②攤鋪厚度越厚，混合料表面降低到終碾溫度時，與中間和底面溫度的差距越小．這是因為攤鋪厚度越大，混合料的儲熱能力越強，在混合料上部更容易形成熱空氣屏蔽區，從而表面溫度與中間溫度及底面溫度差距縮小．

3．3 不同級配的影響

對圖4 分析后發現:在相同條件下級配SP -31．5 混合料降溫速率最小，到達終碾溫度時間要更長一些，這表明混合料中的細集料含量和瀝青含量對降溫速率也有一定的影響，細集料和瀝青含量增加后，由于瀝青和細集料的保溫性能比粗集料更優良，所以混合料降溫速率最小．

4 結論

筆者對大粒徑瀝青混合料攤鋪時降溫規律進行了研究，結果表明:大粒徑瀝青混合料表面降溫速率大，其與混合料中間溫差可達到15 ～25℃，然后保持到表面溫度達到碾壓終了溫度，從而延長了有效壓實時間;大粒徑瀝青混合料中瀝青膜厚度大，施工時攤鋪厚度大，儲熱能力越強，其對溫度離析沒有一般瀝青混合料敏感;環境溫度和攤鋪厚度對大粒徑瀝青混合料的降溫規律有很大的影響，而級配類型的影響相對來說要小的多;大粒徑瀝青混凝土降溫規律為其施工參數如攤鋪厚度、壓實組合、碾壓溫度的確定提供了可靠的技術支撐．

圖4 環境溫度對級配BL－31．5，SP－31．5，TJ－31．5 混合料儲熱性能影響Fig．4 Effect of temperature on BL－31．5，SP－31．5，TJ－31．5 thermal storage

［1］ JTGF 40—2004，公路瀝青路面施工技術規范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］ 魏建國，查旭東，鄭健龍，等．大粒徑瀝青混合料基層施工技術［J］．中外公路，2007，27(6):62 -65．

［3］ 沙慶林．高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［4］ 任傳哲．瀝青穩定碎石混合料(ATB30)溫度下降規律室內試驗研究［J］． 中外公路，2009，29(5):226-228．

［5］ 郝培文，徐金枝，周懷治．應用貝雷法進行級配組成設計的關鍵技術［J］．長安大學學報:自然科學版，2004，11(6):1 -6．

［6］ 葉松．大粒徑瀝青混凝土技術性能研究［D］．西安:長安大學公路學院，2005．

［7］ 李惠霞，王建，童申家．大粒徑瀝青碎石下面層的材料設計［J］．中外公路，2012，32(5)，213 -215．

［8］ 江曉霞，沙愛民． 超大粒徑瀝青混合料的成型方法［J］．長安大學學報:自然科學版，2012，32(4):7-11．

［9］ FAKHRI M，MAHMOODINIA N． Rutting resistance evaluation of large stone asphalt mixtures［J］．Journal of Civil Engineering，2012，23(1):123 -135．

［10］賴文忠，孫楊勇，陳強． 熱拌瀝青混合料降溫規律試驗研究［J］．西部交通科技，2012(8):4 -9．