多因素影響下的瀝青混合料溫度散失規律研究

韓振河 賈士麟

（上海市政交通設計研究院有限公司1） 上海 200030） （德州黃河建業工程有限責任公司2） 德州 251100）

0 引 言

在瀝青路面攤鋪現場，由于混合料降溫受攤鋪厚度、攤鋪溫度、氣溫、下承層溫度、風力等諸多因素的影響，混合料降溫很快，降溫規律極其復雜，這就給瀝青混合料現場的施工帶來了很大的困難.因此，國內外積極開展相關課題，從提高壓實度的角度對混合料有效壓實時間進行了全面和深入的研究.Mahboub等［1］科研小組對混合料的降溫規律進行了研究，提出了一種瀝青混合料有效碾壓時間的預估方法.Hensley［2］研究了面層厚度、混合料溫度、氣溫對混合料溫降曲線的影響規律.Daines［3］通過對瀝青混合料溫度變化規律研究，提出了有效壓實時間的預估方法，以便在路面施工過程中更好的進行壓實機械的選擇.Brown［4］對比研究了氣溫和風速兩種因素對瀝青層溫降規律的影響，研究表明風速對混合料降溫速率的影響大于氣溫的作用.

我國也進行了很多關于有效碾壓時間方面的研究，胡長順［5］指出，利用溫度參數可以相當準確地估算有效壓實時間，而有效壓實時間的估計有助于確定合理的碾壓機械組合、碾壓作業段長度等.胡霞光等［6］根據青藏公路瀝青混合料現場實測數據，提出了風速、攤鋪層厚度、氣溫等因素影響下的有效壓實時間的預估公式.上述對瀝青混合料的有效碾壓時間進行的深入的研究，但多是定性的研究的不同因素對碾壓時間的影響，不能有效的指導工程施工，本文借助室內溫度散失試驗，研究攤鋪厚度、風速、氣溫及下臥層溫度對有效碾壓時間的影響規律，回歸有效碾壓時間的預估公式，并通過現場的溫度觀測對預估公式進行驗證.

1 瀝青路面新材料溫度散失試驗

文獻［7］規定，當終壓壓路機采用鋼輪、輪胎、振動壓路機時，其分別對應的碾壓溫度為70，80，65 ℃，而美國的試驗表明，當瀝青混合料的溫度低于90℃時，碾壓實際上已不再明顯增加瀝青混凝土的密實度，因此，室內試驗的測定將瀝青混合料溫度下限定為90℃，研究瀝青路面新材料的溫度散失規律.影響混合料溫度散失規律的因素很多，包括混合料溫度、下臥層溫度、氣溫及太陽輻射、攤鋪層厚度、風速等.室內試驗借助AC－13瀝青混合料的溫度變化規律，初始壓實溫度定為150 ℃，研究攤鋪厚度、氣溫及風速的影響.研究單因素對混合料溫度散失的影響，當變換某一因素水平時，其余因素保持不變，從下列數據中選擇：攤鋪厚度4cm，風速2m／s，氣溫20 ℃，下承層溫度30 ℃.

1.1 攤鋪層厚度

在室內研究不同攤鋪層深度瀝青混合料溫度散失規律的影響，試驗過程中將AC－13瀝青混合料裝填在雙層車轍板試模中，試模中瀝青混合料的厚度分別為4～8cm，裝料前將雙層車轍板試模在烘箱中加熱至與混料出料溫度相同，裝料后均勻搗實并在深度為2cm 位置插入溫度計，記錄不同厚度混合料2cm 深度處的溫度從出料到降至90 ℃的時間.試驗結果見表1［8］.

表1 不同厚度瀝青混合料2cm 深度的有效壓實時間

以攤鋪厚度為橫坐標，有效碾壓時間為縱坐標，繪制有效碾壓時間隨攤鋪厚度的變化曲線，見圖1.

圖1 有效碾壓時間隨攤鋪厚度的變化曲線

由上圖曲線回歸公式可知，攤鋪厚度對混合料有效碾壓時間的影響符合式（1）規律.

式中：t為有效碾壓時間；h為攤鋪層厚度.

式（1）表明面層攤鋪厚度對有效壓實時間有重要的影響，通過提高面層厚度可以有效地降低混合料的冷卻速率和延長有效壓實時間.

1.2 風速

研究不同風速下瀝青混合料溫度散失規律的影響，試驗過程中將4cm 厚的AC－13瀝青混合料裝填在車轍板試模中，開啟電風扇對準混合料表面，風速為1，2，3，4m／s.裝料后均勻搗實并在深度為2cm 位置插入溫度計，記錄不同風速下混合料2cm 深度處的溫度從出料到降至90℃的時間.試驗結果見表2.

表2 不同風速下瀝青混合料2cm 深度的有效壓實時間

以風速為橫坐標，有效碾壓時間為縱坐標，繪制有效碾壓時間隨風速的變化曲線，見圖2.

圖2 有效碾壓時間隨風速的變化曲線

由圖2曲線回歸公式可知，風速對混合料有效碾壓時間的影響符合式（2）規律：

式中：t為有效碾壓時間；w 為風速.

風力大小主要影響面層表面溫度，面層厚度越大，風力對混合料溫度影響越小.實測過程中發現，在風速較小時，面層表面和內部的溫度差一般不大，但是，當大于3m／s時，約1cm厚的混合料表層會結成硬殼，其與內部溫差往往超過20 ℃.對于厚度較大的瀝青面層，由于內部熱量較高并不斷向表層擴散，表層與內部溫差一般不超過20 ℃，若及時進行碾壓，表層溫度的損失并不影響最終壓實質量.

1.3 氣溫

研究氣溫不同時瀝青路面新材料的溫度散失規律，試驗過程中將4cm 厚的AC－13瀝青混合料裝填在車轍板試模中，分別選取上午8點、上午10點、中午12點及下午2點的時間進行溫度散失試驗，裝料后均勻搗實并在深度為2cm 位置插入溫度計，記錄不同氣溫下混合料2cm 深度處的溫度從出料到降至90 ℃的時間.試驗結果見表3.

表3 不同氣溫下瀝青混合料2cm 深度的有效壓實時間

以氣溫為橫坐標，有效碾壓時間為縱坐標，繪制有效碾壓時間隨氣溫的變化曲線，見圖3.

圖3 有效碾壓時間隨氣溫的變化曲線

由圖3曲線回歸公式可知，氣溫對混合料有效碾壓時間的影響符合式（3）規律：

式中：t為有效碾壓時間；T 為氣溫.

在其他條件相同的情況下，隨著氣溫的升高，有效壓實時間迅速增加，如33℃時的有效壓實時間與21 ℃時相比，提高了15min；而隨著氣溫的降低，有效壓實時間下降，當氣溫過低時，即使提高攤鋪溫度和碾壓溫度，也很難保證有充足的壓實時間.

1.4 下承層溫度

為了研究瀝青路面下承層溫度對路面材料溫度散失規律的影響，將下承層溫度分別定為10，20，30及40 ℃，記錄瀝青混合料由初始溫度降至90 ℃時的時間，試驗結果見表4.

表4 不同下承層溫度下瀝青混合料2cm深度的有效壓實時間

以下承層溫度為橫坐標，有效碾壓時間為縱坐標，繪制有效碾壓時間與下承層溫度的變化曲線，見圖4.

圖4 有效碾壓時間隨下承層溫度的變化曲線

由圖4曲線可知，氣溫對混合料有效碾壓時間的影響符合式（4）規律.

式中：Te為下承層溫度；t為有效碾壓時間.

與影響有效碾壓時間的其它因素相比，下承層溫度對瀝青混合料的溫度散失影響較小，近似呈一次線性關系，下承層溫度提高10 ℃，有效碾壓時間增加3min.

2 多因素影響下瀝青路面新材料有效碾壓時間的確定

通過以上單因素影響分析，初步建立了各影響因素與有效壓實時間的關系，為得到實用的有效壓實時間預估模型，需進一步對各因素進行多元回歸.

建立瀝青路面新材料有效碾壓時間的多元回歸模型，并根據室內試驗測得數據，計算模型中各常量的取值.

式中：t為瀝青混合料的有效碾壓時間，min；Tb為碾壓初始溫度，基質瀝青混合料取150℃，改性瀝青混合料160 ℃，溫拌瀝青混合料取120 ℃；Te為碾壓終了溫度，基質瀝青混合料取90 ℃，SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青混合料100℃，溫拌瀝青混合料取70 ℃，OGFC路面取110 ℃，SMA路面取120℃；a，b，c，d，m，n為回歸常數；T 為氣溫，℃；h為攤鋪層厚度，cm；Td為下臥層溫度；w為風速，m／s.

根據室內試驗實測數據，采用Origin數據分析軟件進行多元非線性回歸，求得式（5）中待定系數，可得有效碾壓時間的多元回歸模型為

求得該預估模型殘差平方和SSE＝21.4，相關系數R＝0.927，表明式（6）的預估模型與試驗實測數據有較好的相關性，利用本式可以準確的預估瀝青路面新材料的有效碾壓時間.

3 施工現場碾壓過程溫度觀測

為驗證根據室內溫度散失試驗回歸的有效碾壓時間預估公式的準確性，本文依托陜西洛商高速雙層攤鋪課題試驗路，進行現場溫度散失觀測.施工現場采用優利德235型溫度傳感器對試驗段溫度散失情況進行檢測，將溫度傳感器的探頭分別埋設至面層以下2，5cm 深度處，并與電腦連接，每隔20s自動讀取數據一次，攤鋪機將瀝青混合料雙層攤鋪后不等壓路機開始碾壓，立刻將數據傳輸線按照要求埋入瀝青路面中，開始溫度觀測，讀取數據自動存入表格，直至碾壓完成后拔出.溫度觀測布點位置圖見圖5，溫度檢測方法及頻率見表5.

圖5 溫度散失檢測布點圖

表5 不同攤鋪方案溫度散失檢測

按圖5觀測方案進行布點，對4cm SMA－13＋6cm AC－20，4cm SMA－13＋6cm SMA－16兩種雙層攤鋪方案進行溫度散失觀測，觀測結果見圖6、圖7.

圖6 溫度散失結果

由圖6a）可知，隨著時間的推移，瀝青面層內溫度分布隨之變化，整體呈現下降趨勢，但在部分時間段內有小范圍的溫度波動.同一時段路表以下5cm 處溫度比2cm 處溫度高0.2～4.4℃.攤鋪開始時，兩深度處的溫度相似，隨著時間的增長，溫差逐步增大.瀝青混合料溫度平均散失速度為1.07 ℃／min，依據瀝青混合料碾壓溫度范圍的要求，以此散失速度計算可得到混合料有效碾壓時間為65min.

方案一進行攤鋪時，現場氣溫為18 ℃，下臥層溫度25 ℃，風速2.3 m／s，攤鋪層厚度為10 cm，由式（6）計算有效碾壓時間為60.9min，與現場實測65min接近，表明預估公式可以較為準確的預估瀝青路面新材料的有效碾壓時間.

由圖6b）可知，隨著時間的推移，路表面以下2，5cm 深度處瀝青混合料的溫度均呈線性下降趨勢，攤鋪開始時，2處位置的溫度相近，由于大氣溫度的影響，隨著時間的增長，溫差先逐步增大后逐漸接近；瀝青混合料攤鋪之后，路表以下5cm處的溫度比路表以下2cm 處的溫度高出0～3℃；瀝青混合料溫度平均散失速度為1.1 ℃／min，依據瀝青混合料碾壓溫度范圍的要求，以此散失速度計算可得到混合料有效碾壓時間為55min.

方案二進行攤鋪時，現場氣溫為12 ℃，下臥層溫度17 ℃，風速3.5 m／s，攤鋪層厚度為10 cm，由式（6）計算有效碾壓時間為50.4min，與現場實測55min接近，表明預估公式可以較為準確的預估瀝青路面新材料的有效碾壓時間.

4 結 論

1）通過瀝青混合料的室內溫度散失試驗，回歸了單因素影響下瀝青混合料有效碾壓時間的預估公式.

2）結合單因素影響下有效碾壓時間的預估公式，建立回歸模型，得出了多因素下瀝青混合料有效壓實時間的預估公式，為施工提供指導.

3）結合洛商高速雙層攤鋪試驗路現場溫度觀測結果，與室內試驗總結的預估公式對比，表明可以利用該式較為準確的預估瀝青路面新材料的有效碾壓時間，對提高瀝青路面施工壓實質量具有指導意義.

［1］MAHBOUB K C，ALLEN D L.Calcool：a multilayer asphalt pavement cooling tool for temperature prediction during construction［J］.International Journal of Pavement Engineering，2001（3）：169－185.

［2］HENSLEY J.Establishing hot mix asphalt mixing and compaction temperature at the project level［J］.Asphalt，1998（5）：55－58.

［3］DAINES M E.Cooling of bituminous layers and time available for their compaction［J］.TRRL Research Report，1985（4）：99－105.

［4］BROWN J R，The cooling effects of temperature and wind on rolled asphalt surfacing［J］.TRRL Report SR，1976，624：58－64.

［5］胡長順，黃輝華.高等級公路路基路面施工技術［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［6］胡霞光，張占軍，胡長順，等.青藏公路瀝青混合料有效壓實時間的分析與預估［C］∥第四屆國際道路和機場路面技術大會，昆明，2002：381－389.

［7］交通部公路科學研究所.JTG F40－2004公路瀝青路面施工技術規范［S］.北京：標準出版社，2004.

［8］楊春霞.碾壓溫度對SMA－13瀝青混合料壓實特性影響分析［J］.公路交通科技，2011（5）：47－50.