溫度變化對瀝青攤鋪全過程的影響

白荷軍

(甘肅省公路航空旅游投資集團有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

因溫度效應使瀝青公路結構嚴重裂損，導致公路事故頻發，這樣的事在上世紀的全球時有發生，從而引起了人們的充分重視。國內外學者對此大量進行了相關研究，其中的一些被規范采納，甚至被廣泛應用。但就溫度變化對瀝青攤鋪全過程的影響上，卻很少有學者進行系統的實驗和研究。

在瀝青攤鋪的全過程中，都必須要考慮溫度變化所帶來的影響。瀝青材料的導熱性能較差，在短時間內，瀝青攤鋪質量受溫度影響不明顯，但隨時間的延長，瀝青材料的各方面性能會受溫度影響發生明顯的變化。綜上所述，高溫攤鋪環境下，瀝青的溫度場有較明顯時空分布的特征，進行相關實驗研究也因此具有一定可行性和可操作性。

1 資料與方法

1.1 建立路面結構模型

本文選取的瀝青路截面結構。事實上，同路寬方向相比，路面深度方向趨于無限。在研究溫度變化對瀝青攤鋪全過程的影響上，不可能對無限空間內的瀝青層面進行實驗研究。通過對瀝青路面建模經驗的總結，選用的瀝青樣本尺寸為土基深度取5 m，瀝青路面寬度取3 m。選取直接鋪筑在基層上的下面層瀝青混合料AC-25作為研究層。

路面結構假設如下：(1)瀝青路面各層都是各向同性和均質的結合體；(2)路面各層接觸良好，保持連續的熱傳導；(3)側面邊界為絕熱邊界；(4)在瀝青層足夠深的層面上，溫度變化引發的影響忽略不計。

1.2 溫度場分析理論

隨著攤鋪碾壓步驟的逐步落實，瀝青混合料的溫度場會不斷地發生變化，并最終趨于穩定，屬于瞬態問題。瞬態熱傳導方程為

[A]{P′}+[M]{P}={G}

(1)

式中:[M]表示瀝青溫度傳導矩陣；[A]表示瀝青比熱容矩陣；{P}表示青節點溫度向量；{P′}表示瀝青攤鋪過程中的溫度對時間的導數；{G}表示節點熱流率向量。

當溫度發生變化，材料邊界條件、熱性能也隨之變化時，式(1)需要轉變為以下形式

[A(P)]{P′}+[M(P)]{P}={G(P)}

(2)

式中:A(P)表示有關比熱容矩陣的溫度函數；M(P)表示有關節點溫度向量的溫度函數；G(P)表示隨溫度發生變化的邊界條件函數。

以上兩道公式，即為溫度場分析理論的數學式表達。通過溫度場分析理論的數學式表達，在實驗過程中可以更好地進行溫度上的計算。

2 瀝青攤鋪溫度實驗

2.1 實驗條件

本次實驗將位于某一瀝青路中間路段的瀝青路段斷截面作為實驗樣本，瀝青路段斷截面的具體位置見圖1。

圖1 測試斷面位置(單位:cm)

該瀝青路段斷截面埋設了溫度傳感器。溫度傳感器的具體設置如下。溫度測量范圍為80～150 ℃；溫度測量的精確度為士0.25 ℃。測試儀器采用配套的振弦讀數儀，這是一套具備較穩定的系統性能的測試儀器，完全達到瀝青攤鋪溫度實驗的溫度測試要求。

2.2 實驗過程

該實驗在保持其他條件不變的情況下，控制溫度的變化。在不同的溫度條件下，觀察和記錄瀝青路段在壓實度、穩定度、毛體積相對密度以及空隙率等方面性能上的轉變。

2.3 實驗結果分析

(1)壓實度方面

瀝青路斷截面中溫度與壓實度的對應變化過程如圖2所示。

圖2 瀝青路斷截面溫度與壓實度的對應變化

從圖2中可以看出，在數據密度上，瀝青壓實度比瀝青溫度場數據密度低，且在同一瀝青壓實度測點處，有8個瀝青溫度數值和它互相對應。通過這些數據，可以對每個測點所處的瀝青溫度場有個大致了解。在對這些數據進行分析后，有以下兩個發現。

一方面，在瀝青溫度保持穩定的情況下，所有實驗區域的壓實度數據波動強烈。在對瀝青溫度數據和壓實度數據進行相關性分析后，可發現他們的相關性系數較低，數據之間不對應，呈不相關關系。這表明在穩定溫度場下，瀝青溫度與壓實度之間的關系不明確，無法進行聯系。

另一方面，在圖中區域3前1/3位置，溫度和壓實度數值相近，趨勢相似，這表明他們之間的對應關系顯著，呈正相關關系。

所以，可得出結論：低溫條件下，瀝青的壓實度不足。在瀝青攤鋪過程中，需要對低溫位置反復碾壓，才能保證瀝青的壓實質量與均勻性。

(2)穩定度方面

瀝青路斷截面溫度與穩定度的對應變化過程如圖3所示。

圖3 縱向截面中溫度與穩定度的對應變化

根據對圖3的分析可知，瀝青攤鋪的成型溫度與瀝青的穩定度呈正相關關系。拌和溫度的變化沒使瀝青攤鋪的穩定度發生明顯變化，表明瀝青的拌和溫度與穩定值之間的關系不對應，無法將瀝青的拌和溫度納入瀝青攤鋪穩定度的影響因素之中。

(3)毛體積相對密度方面

瀝青路斷截面溫度與毛體積相對密度的對應變化過程如圖4所示。

圖4 縱向截面中溫度與毛體積相對密度的對應變化

根據對圖4的分析可知，瀝青攤鋪過程中的拌和溫度越高，毛體積相對密度就越大；瀝青攤鋪的成型溫度越高，毛體積相對密度變化的速度就越慢；當瀝青攤鋪的成型溫度為80 ℃時，當瀝青攤鋪的成型溫度為150 ℃和80 ℃時，無論拌和溫度在150～180 ℃之間如何變化，毛體積相對密度基本保持恒定狀態，且成型溫度為150 ℃時的毛體積相對密度最大，成型溫度為80 ℃時的毛體積相對密度最小。總體來說，瀝青攤鋪的拌和溫度和成型溫度越高，毛體積相對密度就越高，瀝青攤鋪的質量就越好。

(4)空隙率方面

瀝青路斷截面溫度與空隙率的對應變化過程如圖5所示。

圖5 縱向截面中溫度與空隙率的對應變化

根據對圖5的分析可知，瀝青攤鋪過程中的拌和溫度越高，空隙率就越低；瀝青攤鋪的成型溫度越高，空隙率就越低。綜上所述，成型溫度和拌和溫度與瀝青攤鋪空隙率之間都呈負相關的關系。在瀝青攤鋪的過程中，保持較高的瀝青拌和溫度和瀝青成型溫度才能確保瀝青攤鋪較低的空隙率。

2.4 實驗結果總結

在瀝青攤鋪的全過程中，溫度變化對瀝青攤鋪的總體質量和各方面性能有著至關重要的影響。要確保瀝青攤鋪的總體質量過關，就需要有較高的壓實度、穩定度和毛體積相對密度以及較低的空隙率。

在實驗過程中，拌和溫度和成型溫度作為自變量，通過控制這兩種溫度的變化，觀測瀝青攤鋪的壓實度、穩定度、毛體積相對密度以及空隙率這些性能方面的變化，從而分析出溫度變化對瀝青攤鋪受溫度變化的影響。

通過實驗的對比分析，可以得出如下結論。即瀝青攤鋪過程中的拌和溫度越低，壓實度和毛體積相對密度就越低，空隙率就越高；瀝青攤鋪的成型溫度越低，穩定度、毛體積相對密度就越低，空隙率就越高。可以看出壓實度、穩定度和毛體積相對密度與溫度呈正相關關系，而空隙率與溫度呈負相關關系。綜上所述，在瀝青攤鋪的全過程中，溫度變化對瀝青攤鋪的總體質量和各方面性能有著至關重要的影響。

3 結束語

本文通過進行瀝青攤鋪溫度實驗，對受溫度變化影響的性能數值進行分析，發現瀝青攤鋪過程中的壓實度、穩定度、毛體積相對密度以及空隙率這些性能受溫度影響較大。在實驗過程中，由于天氣原因，導致對除自變量以外的變量控制力度不足，使實驗結果的準確性受到影響。在之后的研究道路上，會持續加強對無關變量的把控力度，讓實驗更具說服力。希望瀝青攤鋪期間的溫度變化實驗可以為瀝青攤鋪的相關研究提供新的思路和新的視角，讓瀝青攤鋪的相關研究更進一步。在現實的應用中，為設計和施工提供指導，發揮更大的工程應用價值。