橡膠瀝青應力吸收層施工溫度影響因素研究

王秋敏，譚巧攀，陳海濤.3

(1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西桂通工程管理集團有限公司，廣西 南寧 530029；3.長沙理工大學，湖南 長沙 410114)

0 引言

應力吸收層作為道路“白改黑”品質提升工程中的一個重要組成部分，對提升路面反射裂縫能力、延長路面使用壽命有著重要影響。故加強應力吸收層施工監測，實時掌控路面施工溫度變化規律，對提高路面有效壓實度和路面施工質量有著重要意義。

目前，關于路面施工溫度方面的研究有：Matthew R. Hall等[1]開發了一種簡化一維熱流建模工具，通過有限差分法模擬出了瀝青混合料動態溫度曲線；Huanan Yu等[2]提出了一種瀝青及瀝青混合料熱性能的評價方法，采用差示掃描量熱法(DSC)測定了瀝青混合料的熱流曲線，計算得到瀝青混合料的比熱值，根據轉換關系換算得到導熱系數，該方法能夠準確方便地預估壓實過程中的熱流擴散等參數；Guoping Qian等[3]基于瀝青路面的溫度場模型建立了瀝青混合料有效壓實時間的預測模型，發現初壓溫度和鋪筑層厚度會影響壓實過程的整體溫度場，熱拌瀝青混合料中上層溫度場受風速和氣溫的影響，底層溫度受下臥層溫度的影響。李波等[4]依托天定高速公路瀝青路面工程，實測施工過程中路面內部和表面溫度，與Pavecool軟件的計算溫度進行對比，研究發現該軟件能夠有效預測路面不同時刻的施工溫度；劉建勛[5]對氣溫、風速、面層厚度和攤鋪溫度等因素對有效壓實時間的影響展開研究，建立預估模型，并根據工程實際溫度測試驗證了Pavecool軟件的準確性；張瑞瑞[6]基于Pavecool軟件研究不同因素下的瀝青路面有效壓實時間，并提出了延長有效壓實時間的方法；阮東偉[7]基于施工現場單一參數對路面攤鋪壓實溫度的影響，建立了有效壓實時間在氣溫、風速和初壓溫度等多因素影響作用下的數學模型，研究發現攤鋪厚度的增加在一定程度上可延長有效壓實時間；尹如軍等[8-9]將氣溫、風速、面層厚度、攤鋪溫度和初壓溫度這5種因素定義為輸入模糊變量，將有效壓實時間定義為輸出模糊變量，采用精確量離散化方法，將輸入模糊變量分為幾個論域，確定模糊隸屬函數與模糊關系式方程，查詢模糊變量賦值表代入關系式方程，得到各輸出變量的模糊向量值，通過模糊方法將之轉化為精確值，即為有效壓實時間。

綜上所述，數值模擬法和軟件模擬法是研究瀝青混合料在壓實過程中的溫度下降與有效壓實時間的主要方法，且Pavecool軟件能夠有效地模擬瀝青路面攤鋪碾壓過程中的溫度變化規律，并計算有效壓實時間的模擬值。為此，本文擬采用Pavecool軟件對橡膠瀝青應力吸收層的壓實溫度變化規律與有效壓實時間進行模擬。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料與級配設計

本文所用應力吸收層鋪筑瀝青為橡膠瀝青，該瀝青由70#基質瀝青、SBS顆粒、廣西交科集團生產的30～80目橡膠粉、白色催化劑以及黑色催化劑按照一定的比例制備而成。所用粗、細集料為石灰巖，填料為石灰粉。

在應力吸收層級配設計方面，匯總相關規范標準，發現國內應力吸收層多采用10型連續級配，細集料用量較多，與普通連續型密級配瀝青混合料類似。根據規范級配設計范圍和相關實際工程，本文應力吸收層采用10型連續密級配(見表1)，鋪筑厚度為2.5 cm。

表1 應力吸收層級配設計表

1.2 Pavecool軟件原理

Pavecool軟件采用計算機模擬不同工況和不同環境條件下的攤鋪路面溫度變化規律，從而實現有效的壓實時間預測。軟件運算原理主要基于以下假設和控制方程[10]。

1.2.1 假設

(1)攤鋪的瀝青路面與地基之間僅進行熱傳導；(2)在0.1 m的豎向長度下，橫向長度比豎向長度尺寸大一個數量級，假定熱傳遞為一維；(3)將路面熱傳遞分為兩個區域：一是瀝青層Ztop>Z>Zbase，二是地基層Zbase>Z>0(見圖1)；(4)碾壓過程中，瀝青層的變形由瀝青層表面形變方程Ztop(t)表述；(5)假定地基下存在一個不受溫度影響的點，令該點位置為絕熱層Z=0；(6)假定僅在瀝青表面Ztop的位置與空氣進行熱傳遞；(7)將瀝青層和地基之間的熱傳遞建立一個溫變函數，見式(1)；(8)在瀝青層壓實過程中，在壓實密度和熱傳遞之間建立第二個函數方程，見式(2)。

圖1 瀝青層溫度熱傳遞示意圖

1.2.2 控制方程

基于上述假設，模型的控制方程如下：

瀝青層：

(1)

地基：

(2)

式中：T——溫度(K)；

ρ——密度(kg/m3)；

c——比熱(J/kg·K)；

k——導熱系數(W/m·K)。

1.3 試驗參數的確定

在使用Pavecool軟件對瀝青路面進行預測過程中，主要輸入的參數有：環境參數(氣溫、風速、天氣狀況、緯度)、瀝青混合料參數(瀝青PG分級、混合料類型、鋪筑層厚度、攤鋪厚度)與下臥層參數(材料類型、表面溫度)。本文以南寧為應力吸收層施工地點，確定各參數的取值如下。

1.3.1 環境參數

(1)氣溫：由氣象局的數據，得到2017—2020年廣西南寧月最高氣溫分別是36.4 ℃、35.6 ℃、36.4 ℃、37.1 ℃，月最低氣溫分別是7.6 ℃、2.9 ℃、4.5 ℃、4.8 ℃。

(2)風速：由氣象局數據資料，得到南寧2017—2020年南寧風速逐日數據，其中月最大風速分別為6.5 m/s、5.6 m/s、4.8 m/s、6.2 m/s，月最小風速為1.0 m/s、0.8 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s。

(3)天氣狀況：由氣象局數據資料，得到2018—2019年南寧的天氣狀況。南寧天氣以雨天為主，占比約39.7%，其次為陰天36.2%、晴天為16.2%，最少為多云7.9%。本文選晴天展開研究。

(4)緯度：通過廣西年鑒[11]得到南寧緯度為北緯22°48′。

1.3.2 瀝青混合料參數

(1)瀝青PG分級：根據性能測試，20%膠粉摻量橡膠瀝青的PG分級為82-16。

(2)混合料類型：本文混合料類型為公稱最大粒徑9.5 mm的密級配瀝青混合料，根據軟件介紹與學者[5][12]推薦，Pavecool軟件中混合料類型為“Fine/Dense”。

(3)鋪筑厚度：《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2017)(以下簡稱規范)[13]中提出改性瀝青應力吸收層厚度為1.5～3 cm；《Wisconsin Department of Transportation》[14]中Strata應力吸收層厚度值為2.54 cm。故鋪筑層厚度為1.5～3 cm。

(4)攤鋪溫度：根據規范中給出的改性瀝青混合料的最低攤鋪溫度，因應力吸收層鋪筑厚度為1.5～3 cm，故最低攤鋪溫度為145 ℃～165 ℃。

1.3.3 下臥層參數

(1)下臥層材料類型：Pavecool軟件中下臥層材料分別是：Asphalt、Concrete、Granular Base和Subgrade Soil。本文研究橡膠瀝青應力吸收層在“白改黑”工程中應用，故選擇“Concrete”。

(2)下臥層溫度：根據水泥路面溫度預估模型[15]，結合南寧氣象數據，對下臥層溫度進行計算：

57.992 5Z)]

(3)

Z——距離路表的深度(mm)；

圖2 2018—2020年廣西南寧日氣溫振幅曲線圖

2 試驗結果與分析

2.1 各因素對有效壓實時間的影響

2.1.1 氣溫的影響

根據2017—2020年南寧月最高、最低氣溫值，將溫度梯度分別設置為5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃；對應下臥層溫度分別為12.5 ℃、18.3 ℃、24.1 ℃、29.9 ℃、35.6 ℃、41.4 ℃、47.2 ℃、53.0 ℃。2017—2020年平均風速為2.0 m/s，鋪筑厚度為2.5 cm，攤鋪溫度為165 ℃。此外，因下臥層表面溫度需≥10 ℃，本文僅研究氣溫≥10 ℃時的有效壓實時間。預估結果如圖3～4所示。

圖3 不同氣溫條件下混合料溫度隨有效壓實時間變化曲線圖

圖4 氣溫對有效壓實時間的影響曲線圖

有效壓實時間隨著氣溫的升高呈現指數增長模式。隨著氣溫的升高，瀝青混合料和空氣之間的溫差減小，熱傳遞激烈程度降低，同時氣溫越高，下臥層的表面溫度也越高，使得攤鋪碾壓過程中瀝青混合料的溫度下降速率減慢。

2.1.2 風速的影響

根據2017—2020年南寧日平均最大、最小風速值，將風速梯度設為0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s。氣溫為30 ℃，下臥層溫度為41.4 ℃，鋪筑厚度為2.5 cm，攤鋪溫度為165 ℃。預估結果如圖5～6所示。

圖5 不同風速條件下混合料溫度隨有效壓實時間變化曲線圖

圖6 風速對有效壓實時間的影響曲線圖

隨著風速的增加，瀝青混合料的有效壓實時間不斷減小。當風速增長初期，混合料的有效壓實時間明顯減少，但是隨著風速進一步增大時，有效壓實時間開始趨于穩定。這是因為當無風變為有風時，路面熱量被帶走，使得路面溫度下降速率增快，隨著風速的不斷增大，散失熱量的速率增大。但是，瀝青混合料內部溫度傳遞速率會趨近于某個定值，溫度的下降便趨于穩定。

2.1.3 鋪筑層厚度的影響

應力吸收層的鋪筑厚度一般為1.5～3.0 cm，將鋪筑厚度設定為1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm和3.0 cm。風速為2.0 m/s，攤鋪溫度為165 ℃，氣溫為30 ℃，下臥層溫度為41.4 ℃。預估結果如圖7～8所示。

隨著鋪筑層厚度的增加，瀝青混合料的有效壓實時間不斷增長。從圖8可知，鋪筑層厚度增加，有效壓實時間幾乎呈現線性增長，鋪筑層厚度每增加0.5 cm，有效壓實時間增加約5 min。因為隨著鋪筑厚度增加，攤鋪的瀝青混合料總量增加，其儲存的熱量值增多，使得熱傳遞時間相對增加；隨著攤鋪厚度增加，熱傳遞的路徑變長，使得混合料熱量損失的時間變長，從而延長了有效壓實時間。

圖8 鋪筑層厚度對有效壓實時間的影響關系圖

2.1.4 攤鋪溫度的影響

根據規范，將攤鋪溫度設定為145 ℃、150 ℃、155 ℃、160 ℃、165 ℃，風速為2.0 m/s，鋪筑厚度為2.5 cm，氣溫為30 ℃，下臥層溫度為41.4 ℃。預估結果如圖9～10所示。

圖9 不同攤鋪溫度條件下混合料溫度隨有效壓實時間變化曲線圖

隨著攤鋪溫度的增加，有效壓實時間呈線性增加。攤鋪溫度每增加5 ℃，有效壓實時間增加約1 min。這是因為當攤鋪溫度不斷升高時，其與終壓溫度之間的差值不斷增大，瀝青混合料與外界環境之間的熱傳遞時間相對延長。由此得出結論：提高攤鋪溫度能夠增加混合料的有效壓實時間，保證施工質量，特別在外界氣溫較低時。

圖10 攤鋪溫度對有效壓實時間的影響關系圖

2.2 各因素權重分析

基于SPSS軟件將氣溫、風速、鋪筑層厚度和攤鋪溫度4種因素對有效壓實時間的影響程度進行方差分析(見表2)。

表2 有效壓實時間影響因素顯著性分析表

氣溫、風速、鋪筑層厚度和攤鋪溫度對瀝青混合料有效壓實時間有顯著影響。由表2可知，Sig值均<0.05，即各因素對有效壓實時間存在顯著性影響；結合F值大小，確定四因素與有效壓實時間的影響程度由大到小排序為風速>氣溫>鋪筑層厚度>攤鋪溫度，可知環境因素對混合料的有效壓實時間影響較大。故可通過增加攤鋪層厚度，提升攤鋪溫度以及選擇在無風或微風、天氣炎熱的環境下進行路面鋪筑，由此，能夠延長路面有效壓實時間，提升路面壓實質量。

3 結語

(1)Pavecool軟件參數主要有環境因參數(氣溫、風速、天氣狀況、緯度)、瀝青混合料參數(瀝青PG分級、混合料類型、鋪筑層厚度、攤鋪厚度)與下臥層參數(材料類型、表面溫度)三大類。

(2)基于Pavecool軟件探究氣溫、風速、鋪筑層厚度和攤鋪厚度對有效壓實時間產生的影響。研究發現，隨著氣溫、鋪筑層厚度和攤鋪溫度的提升，混合料降溫速率減緩，有效壓實時間延長；隨著風速的增加，混合料的降溫速率加劇，并逐漸趨穩，有效壓實時間顯著縮短。

(3)通過SPSS軟件對各因素進行權重分析，確定其對有效壓實時間的響應程度由大到小排序為：風速>氣溫>鋪筑層厚度>攤鋪溫度。