低溫工況下瀝青路面壓實特性研究

徐曉瑋，穆 柯

(1.西安市市政工程質量監督站，陜西西安710003;2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安710068)

0 引言

壓實度是評判瀝青路面功能優劣的重要指標之一，瀝青面層施工過程中，良好的壓實質量是道路密實性、穩定性、耐久性的保障，此外道路的平整度、行車舒適性等指標也均需在路面充分壓實的過程中實現.作為典型的黏彈性材料，瀝青混合料壓實度具有很強的溫度敏感性.根據 JTG D50—2006《公路瀝青路面施工技術規范》［1］規定:一級公路施工氣溫低于10℃，其他公路低于5℃時，不宜進行熱拌瀝青混合料鋪筑.但對于部分晝夜溫差大，氣溫下降快的地區，或工期緊張項目，低溫環境下進行面層施工卻又難以避免.目前碾壓施工過程主要依賴經驗(如觀察出現較深的碾壓輪跡)進行控制，施工過程中如遇壓實設備跟進不及時、碾壓不充分等情況，錯過了最佳碾壓時段，往往會造成冷壓、干壓，反而會造成路面結構施工期的破壞.目前，部分學者針對瀝青路面低溫工況下的壓實工藝、施工組織設計等已進行了系統研究［2-3］，對于混合料低溫狀態下的路用性能，也有了大量的試驗數據支撐［4-6］，但這些研究相對獨立，缺乏較強的關聯性.筆者在總結已有研究成果基礎上，通過進行室內壓實試驗，系統分析了150，140，130，120，100 ℃溫度下混合料壓實功與密實度的關系，定量研究了溫度對混合料壓實特性的影響，同時建立了混合料攤鋪過程溫度散失有限元模型，對低溫施工情況下混合料溫度散失規律進行研究，提出其相應的有效碾壓時間段落，為低溫狀態下瀝青路面施工提供參考.

1 溫度對壓實度影響

為了研究壓實度與溫度的關系，筆者在150，140，130，120，100 ℃ 溫度下成型了厚度為 63.5 mm的試件，測量不同擊實功下混合料的密度，并換算為理論密實度［7］，結果如圖1所示.

圖1 不同溫度下壓實度與擊實次數關系Fig.1 Curve of compactness and compaction times under different temperature

由圖1可知:壓實前期，隨著壓實功的增加，混合料密度迅速增加，30次正反擊實之后混合料密度增長開始放緩，其中溫度越低混合料越難以壓實;在高溫狀態下，如150℃，僅需30次正反擊實就能達到100℃條件下100次擊實效果，

取100℃工況下的壓實曲線進行分析發現，在該溫度情況下，及時進行正反100次的擊實，其馬歇爾密度最多可以達到2.35 g/cm3，只能達到96%的壓實度(理論密度2.45 g/cm3)，而規范中對上面層壓實度為不低于98%.因此可以認為:當混合料溫度低于100℃時加大壓實功，進行多遍擊實，壓實度也很難達到規定的壓實度.

2 混合料溫度散失有限元模型

2.1 理論基礎

(1)大氣與路面對流換熱.道路表面與空氣氣流之間由于溫差引起的熱流交換形成為對流換熱，表示為P:

大氣溫度受自然界很多因素影響，但僅就單日氣溫分布而言，氣溫變化可用下式描述［8］:

(2)路面輻射熱交換.路面溫度場分析時，將輻射換熱計算為大氣輻射到路表的熱能與被路面吸收熱能之差［8］，表示為

(3)進入路表的熱流量.考慮到路面的吸收率αs，以q表示進入路表總熱流.

式中:B為道路表面復合換熱系數，B=αr+hr.

2.2 模型的建立

筆者依據工程西商高速實際路面結構進行建模，上面層厚度為4 cm AC-16，中面層為6 cm中粒式密級配瀝青碎石AC-20，下面層為ATB-25，基層為38 cm水泥穩定碎石，如圖2所示.參考國內外溫度場建模方法［9］，模型長為300 cm，深度為60 cm，幾何模型及網格剖分如圖3所示.

圖2 路面結構示意圖Fig.2 Schematic drawing of pavement structure

圖3 路面溫度場分析網格剖分Fig.3 Mesh generation of pavement structure

在室內試驗及查閱文獻的基礎上選取瀝青混合料、半剛性基層材料熱傳導參數［10-11］，見表1所示.

表1 路面結構溫度場計算參數Tab.1 Parameters for pavement temperature field calculation

3 計算分析

依據表1所述工況，選取10℃為低溫環境，假定混合料攤鋪溫度為150℃，對混合料被攤鋪之后的熱量傳導、溫度沿深度方向分布狀況以及不同攤鋪厚度下混合料溫降規律進行計算分析，結果如圖4～6所示.

圖4為不同時刻路面熱流分布規律、由圖可知:隨著攤鋪時間的流逝，路面2 cm深度處熱流量交換逐步下降并最終趨近于0，且前期降幅較大，后期平緩;路面4 cm深度處(攤鋪層與下臥層界面)熱流量交換逐步增加，說明隨時間流逝攤鋪混合料的熱量快速向下傳遞.從熱流交換上看路面厚度0～4 cm位置處穩步下降，4～12 cm處溫度呈上升趨勢，路面深度大于12 cm時，基本不受攤鋪混合料影響.

圖5為不同攤鋪厚度下路面溫度分布規律，由圖5可知:隨著時間的增加各攤鋪厚度下路面結構內溫度均呈下降態勢，路面厚度由10 cm降低至4 cm時，結構層內混合料最高溫度分別降低8.5%、14.5%、17.9%;路面厚度越小，溫度沿路面深度分布越不均勻，越不利于混合料的壓實.

由圖6可知，隨著路面攤鋪厚度的增加，混合料溫度散失速率逐漸變慢，根據前述研究結論，當混合料溫度低于100℃時很難再被壓實，因此取100℃作為混合料有效壓實的極值點，混合料溫度在100℃前的時間段為結構層有效碾壓區間，攤鋪厚度分別為10，8，6，4 cm時，有效碾壓時間分別為 31，28，21，16 min.

4 試驗路實測驗證

為了驗證筆者所建立的溫度預估模型準確性，筆者依托西商高速實體工程，采用優利德235型溫度傳感器對攤鋪過程中混合料溫度散失數據進行實測.

該處攤鋪時間為12 h，混合料攤鋪溫度為171℃，氣溫15℃、下面層表面溫度13.7℃，持續觀測時間47 min，并將實測數據與預估數據進行對比，如圖7所示.

圖7 現場實測值與預估值對比Fig.7 Constract actual values with estimated

由圖7可知:筆者所建立的路面攤鋪過程中溫度散失有限元預估模型具有可靠的預估精度，現場實測值與預估值最大誤差為6.7%，從曲線走勢上看，2 cm深度處前1 400 s預估值高于實測值，之后預估結果開始小于實測結果.

5 結論

(1)較高的碾壓溫度是瀝青路面有效壓實的重要保證，當混合料溫度低于100℃時，即使增加碾壓設備臺班或碾壓變數也很難達到理想的壓實效果，達到相同的壓實目標，高溫碾壓所需的壓實功僅為低溫條件下的30%～50%.

(2)低溫環境下，攤鋪層厚度越小，沿深度方向混合料溫度分布越離散，壓實質量越難以控制;反之如攤鋪層厚度較大，則保溫效果相對較好，路面厚度分別為10 cm，8 cm，6 cm，4 cm時，有效碾壓時間分別為 31 min，28 min，21 min，16 min.

(3)筆者建立的基于熱傳導學原理的混合料溫度散失預估模型具有較高的精度，可以用于不同外界環境下混合料溫度散失的預估，為低溫條件下路面施工提供參考依據.

［1］中華人民共和國行業標準.JTG D50—2006瀝青路面施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

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