橡膠瀝青應(yīng)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(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西桂通工程管理集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；3.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114)

0 引言

應(yīng)力吸收層作為道路“白改黑”品質(zhì)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(qiáng)應(yīng)力吸收層施工監(jiān)測，實(shí)時掌控路面施工溫度變化規(guī)律，對提高路面有效壓實(shí)度和路面施工質(zhì)量有著重要意義。

目前，關(guān)于路面施工溫度方面的研究有：Matthew R. Hall等[1]開發(fā)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(tài)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(jì)算得到瀝青混合料的比熱值，根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系換算得到導(dǎo)熱系數(shù)，該方法能夠準(zhǔn)確方便地預(yù)估壓實(shí)過程中的熱流擴(kuò)散等參數(shù)；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(shí)時間的預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)初壓溫度和鋪筑層厚度會影響壓實(shí)過程的整體溫度場，熱拌瀝青混合料中上層溫度場受風(fēng)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(shí)測施工過程中路面內(nèi)部和表面溫度，與Pavecool軟件的計(jì)算溫度進(jìn)行對比，研究發(fā)現(xiàn)該軟件能夠有效預(yù)測路面不同時刻的施工溫度；劉建勛[5]對氣溫、風(fēng)速、面層厚度和攤鋪溫度等因素對有效壓實(shí)時間的影響展開研究，建立預(yù)估模型，并根據(jù)工程實(shí)際溫度測試驗(yàn)證了Pavecool軟件的準(zhǔn)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(shí)時間，并提出了延長有效壓實(shí)時間的方法；阮東偉[7]基于施工現(xiàn)場單一參數(shù)對路面攤鋪壓實(shí)溫度的影響，建立了有效壓實(shí)時間在氣溫、風(fēng)速和初壓溫度等多因素影響作用下的數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)攤鋪厚度的增加在一定程度上可延長有效壓實(shí)時間；尹如軍等[8-9]將氣溫、風(fēng)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(shí)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(shù)與模糊關(guān)系式方程，查詢模糊變量賦值表代入關(guān)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(zhuǎn)化為精確值，即為有效壓實(shí)時間。

綜上所述，數(shù)值模擬法和軟件模擬法是研究瀝青混合料在壓實(shí)過程中的溫度下降與有效壓實(shí)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(guī)律，并計(jì)算有效壓實(shí)時間的模擬值。為此，本文擬采用Pavecool軟件對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的壓實(shí)溫度變化規(guī)律與有效壓實(shí)時間進(jìn)行模擬。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料與級配設(shè)計(jì)

本文所用應(yīng)力吸收層鋪筑瀝青為橡膠瀝青，該瀝青由70#基質(zhì)瀝青、SBS顆粒、廣西交科集團(tuán)生產(chǎn)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(xì)集料為石灰?guī)r，填料為石灰粉。

在應(yīng)力吸收層級配設(shè)計(jì)方面，匯總相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)應(yīng)力吸收層多采用10型連續(xù)級配，細(xì)集料用量較多，與普通連續(xù)型密級配瀝青混合料類似。根據(jù)規(guī)范級配設(shè)計(jì)范圍和相關(guān)實(shí)際工程，本文應(yīng)力吸收層采用10型連續(xù)密級配(見表1)，鋪筑厚度為2.5 cm。

表1 應(yīng)力吸收層級配設(shè)計(jì)表

1.2 Pavecool軟件原理

Pavecool軟件采用計(jì)算機(jī)模擬不同工況和不同環(huán)境條件下的攤鋪路面溫度變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)有效的壓實(shí)時間預(yù)測。軟件運(yùn)算原理主要基于以下假設(shè)和控制方程[10]。

1.2.1 假設(shè)

(1)攤鋪的瀝青路面與地基之間僅進(jìn)行熱傳導(dǎo)；(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(shù)量級，假定熱傳遞為一維；(3)將路面熱傳遞分為兩個區(qū)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(diǎn)，令該點(diǎn)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(jìn)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(shù)，見式(1)；(8)在瀝青層壓實(shí)過程中，在壓實(shí)密度和熱傳遞之間建立第二個函數(shù)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(shè)，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(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)的確定

在使用Pavecool軟件對瀝青路面進(jìn)行預(yù)測過程中，主要輸入的參數(shù)有：環(huán)境參數(shù)(氣溫、風(fēng)速、天氣狀況、緯度)、瀝青混合料參數(shù)(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(shù)(材料類型、表面溫度)。本文以南寧為應(yīng)力吸收層施工地點(diǎn)，確定各參數(shù)的取值如下。

1.3.1 環(huán)境參數(shù)

(1)氣溫：由氣象局的數(shù)據(jù)，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(fēng)速：由氣象局?jǐn)?shù)據(jù)資料，得到南寧2017—2020年南寧風(fēng)速逐日數(shù)據(jù)，其中月最大風(fēng)速分別為6.5 m/s、5.6 m/s、4.8 m/s、6.2 m/s，月最小風(fēng)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?jǐn)?shù)據(jù)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(shù)

(1)瀝青PG分級：根據(jù)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(jù)軟件介紹與學(xué)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(shù)規(guī)范》(JTG F40-2017)(以下簡稱規(guī)范)[13]中提出改性瀝青應(yīng)力吸收層厚度為1.5～3 cm；《Wisconsin Department of Transportation》[14]中Strata應(yīng)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(jù)規(guī)范中給出的改性瀝青混合料的最低攤鋪溫度，因應(yīng)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(shù)

(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(yīng)力吸收層在“白改黑”工程中應(yīng)用，故選擇“Concrete”。

(2)下臥層溫度：根據(jù)水泥路面溫度預(yù)估模型[15]，結(jié)合南寧氣象數(shù)據(jù)，對下臥層溫度進(jìn)行計(jì)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 各因素對有效壓實(shí)時間的影響

2.1.1 氣溫的影響

根據(jù)2017—2020年南寧月最高、最低氣溫值，將溫度梯度分別設(shè)置為5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃；對應(yīng)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(fēng)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(shí)時間。預(yù)估結(jié)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(shí)時間變化曲線圖

圖4 氣溫對有效壓實(shí)時間的影響曲線圖

有效壓實(shí)時間隨著氣溫的升高呈現(xiàn)指數(shù)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(fēng)速的影響

根據(jù)2017—2020年南寧日平均最大、最小風(fēng)速值，將風(fēng)速梯度設(shè)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(yù)估結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 不同風(fēng)速條件下混合料溫度隨有效壓實(shí)時間變化曲線圖

圖6 風(fēng)速對有效壓實(shí)時間的影響曲線圖

隨著風(fēng)速的增加，瀝青混合料的有效壓實(shí)時間不斷減小。當(dāng)風(fēng)速增長初期，混合料的有效壓實(shí)時間明顯減少，但是隨著風(fēng)速進(jìn)一步增大時，有效壓實(shí)時間開始趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)無風(fēng)變?yōu)橛酗L(fēng)時，路面熱量被帶走，使得路面溫度下降速率增快，隨著風(fēng)速的不斷增大，散失熱量的速率增大。但是，瀝青混合料內(nèi)部溫度傳遞速率會趨近于某個定值，溫度的下降便趨于穩(wěn)定。

2.1.3 鋪筑層厚度的影響

應(yīng)力吸收層的鋪筑厚度一般為1.5～3.0 cm，將鋪筑厚度設(shè)定為1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm和3.0 cm。風(fēng)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(yù)估結(jié)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(shí)時間不斷增長。從圖8可知，鋪筑層厚度增加，有效壓實(shí)時間幾乎呈現(xiàn)線性增長，鋪筑層厚度每增加0.5 cm，有效壓實(shí)時間增加約5 min。因?yàn)殡S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(shí)時間。

圖8 鋪筑層厚度對有效壓實(shí)時間的影響關(guān)系圖

2.1.4 攤鋪溫度的影響

根據(jù)規(guī)范，將攤鋪溫度設(shè)定為145 ℃、150 ℃、155 ℃、160 ℃、165 ℃，風(fēng)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(yù)估結(jié)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(shí)時間變化曲線圖

隨著攤鋪溫度的增加，有效壓實(shí)時間呈線性增加。攤鋪溫度每增加5 ℃，有效壓實(shí)時間增加約1 min。這是因?yàn)楫?dāng)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(huán)境之間的熱傳遞時間相對延長。由此得出結(jié)論：提高攤鋪溫度能夠增加混合料的有效壓實(shí)時間，保證施工質(zhì)量，特別在外界氣溫較低時。

圖10 攤鋪溫度對有效壓實(shí)時間的影響關(guān)系圖

2.2 各因素權(quán)重分析

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

表2 有效壓實(shí)時間影響因素顯著性分析表

氣溫、風(fēng)速、鋪筑層厚度和攤鋪溫度對瀝青混合料有效壓實(shí)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(shí)時間存在顯著性影響；結(jié)合F值大小，確定四因素與有效壓實(shí)時間的影響程度由大到小排序?yàn)轱L(fēng)速>氣溫>鋪筑層厚度>攤鋪溫度，可知環(huán)境因素對混合料的有效壓實(shí)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(fēng)或微風(fēng)、天氣炎熱的環(huán)境下進(jìn)行路面鋪筑，由此，能夠延長路面有效壓實(shí)時間，提升路面壓實(shí)質(zhì)量。

3 結(jié)語

(1)Pavecool軟件參數(shù)主要有環(huán)境因參數(shù)(氣溫、風(fēng)速、天氣狀況、緯度)、瀝青混合料參數(shù)(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(shù)(材料類型、表面溫度)三大類。

(2)基于Pavecool軟件探究氣溫、風(fēng)速、鋪筑層厚度和攤鋪厚度對有效壓實(shí)時間產(chǎn)生的影響。研究發(fā)現(xiàn)，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(shí)時間延長；隨著風(fēng)速的增加，混合料的降溫速率加劇，并逐漸趨穩(wěn)，有效壓實(shí)時間顯著縮短。

(3)通過SPSS軟件對各因素進(jìn)行權(quán)重分析，確定其對有效壓實(shí)時間的響應(yīng)程度由大到小排序?yàn)椋猴L(fēng)速>氣溫>鋪筑層厚度>攤鋪溫度。