基于紅外熱成像技術的瀝青路面降溫特性研究

陳 文 李 進 甘祥麗 吳 霞 何 盛

(1.四川省交通建設集團有限責任公司 成都 611100; 2.重慶交通大學土木工程學院 重慶 400041)

在大風低溫地區瀝青路面施工中,極端天氣出現時低氣溫、大風速會導致瀝青混合料在鋪筑過程中熱量損失加快、溫度快速下降,大大減少有效碾壓時間;若有效碾壓時間過短,不及時調整施工工藝,會導致瀝青混合料的碾壓遍數不足,壓實度難以保證。因此,針對大風、大溫差地區施工展開瀝青混合料的降溫特性研究,預估混合料有效碾壓時間對于確定更加合理的施工工藝具有重要意義。

張成[1]研究了紅外熱像儀在瀝青混合料路面施工過程的應用,結合工程現場實測數據,提出了瀝青混合料離析的評價方法;任文斌等[2]通過室內模擬實驗探究了瀝青混合料降溫特性并提出了有效碾壓時間預估模型;蘇衛國等[3]通過使用Abaqus有限元分析軟件對瀝青路面攤鋪碾壓溫度場在不同大氣溫度、瀝青上面層厚度、初始攤鋪溫度、風速等條件下進行分析,探究了各環境下瀝青路面降溫曲線。但是國內外研究主要通過室內模擬實驗或者有限元數值模擬進行瀝青混合料降溫特性的研究,缺少實際工程瀝青路面施工中的的驗證性研究,且傳統測溫方式準確性和安全性都有一定局限,本文針對傳統紅外溫槍或插入式溫度計等點測法檢測混合料溫度存在的代表性差的缺點,選擇更加高效、快捷、準確的紅外熱成像儀進行現場施工瀝青路面溫度檢測與降溫特性研究。以探究AC-20C和SMA-13 2種瀝青混合料在環境溫度分別為5～10,>10～15,>15～20,>20～25,>25～30 ℃,風速分別為0～3,>3～6 m/s下,鋪筑過程中降溫速率和有效碾壓時間,并建立2種混合料有效碾壓時間的預估模型。

1 紅外熱成像儀在瀝青路面施工中的應用

本文將通過對混合料輻射率的標定和最佳拍攝距離的確定來探究紅外熱成像儀在瀝青路面施工溫度監測中的應用方式與效果,研究過程中所使用的儀器為廣州颯特紅外技術有限公司生產的型號SAT-S280的紅外熱成像儀。

經過現場使用結果驗證,瀝青混合料輻射率設置為0.92時具有較高準確性,更加接近插入式溫度計和水銀溫度計溫度檢測值。本文在室內進行最佳拍攝距離確定探究試驗,為了控制所監測混合料溫度不發生較大變化,根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》規定[4],將拌和站取回的瀝青混合料放入恒溫150 ℃烘箱1 h,并用水銀溫度計檢測多點溫度皆在(150±0.5) ℃后進行溫度檢測;分別距離混合料0.25,0.5,0.75,1,1.25,1.5 m使用紅外熱成像儀進行溫度測量,取混合料區域最高溫、最低溫和平均溫度3個指標進行對比,不同距離溫度檢測值試驗結果見圖1。

圖1 不同距離溫度檢測值

由圖1可知,在檢測過程中最高溫度和最低溫度不夠穩定,有一定的不確定性,不宜作為區域溫度評定指標;在拍攝距離為0.5～1 m時,平均溫度具有較強的代表性和穩定性。當熱成像儀離拍攝目標過近時,高溫的瀝青混合料會影響儀器的正常工作性能,進而影響溫度檢測的準確性,所以在選擇最佳拍攝距離時宜盡量遠離路面;當拍攝距離超過1 m后,受空氣中雜質或其他環境干擾較大,檢測溫度相較于實際會偏低;所以確定1 m為后續使用紅外熱成像儀進行瀝青路面降溫特性研究的最佳拍攝距離。

2 瀝青路面降溫特性研究

在保證相同碾壓設備與施工工藝合理的前提下,影響瀝青路面壓實質量的主要因素為環境因素。本文后續將利用熱成像儀監測2種瀝青混合料在不同環境溫度、不同風速下的降溫曲線,探究其降溫特性。

2.1 環境溫度對瀝青路面降溫特性的影響

考慮相同碾壓設備與合理的施工工藝并控制攤鋪厚度為6 cm,在無風環境下用熱成像儀每隔1 min分別監測環境溫度為5～10,>10～15,>15～20,>20～25,>25～30,>30～35 ℃時AC-20C和SMA-13的降溫曲線,取2次監測平均值為試驗值,0～3 m/s風速下2種混合料在不同環境溫度時降溫曲線圖見圖2。

圖2 不同溫度下降溫曲線

由圖2可知,2種類型瀝青混合料在鋪筑過程中降溫曲線在初始階段180～130 ℃之間的斜率較大,隨著攤鋪過程繼續,斜率也隨之減小。這是因為初始階段混合料與環境存在較大的溫度差,兩者之間發生熱傳遞的效率更快,導致混合料熱量快速散失到空氣中,表現為降溫速率較快。隨著降溫過程的持續發生,混合料的溫度和環境溫度之間的溫度差變小,降溫速率隨之降低;AC-20C瀝青混合料降溫速率在不同溫度階段分別為2.008,1.689,1.606,1.443,1.340,1.123 ℃/min,有效碾壓時間分別為41,44,49,57,73,99 min;SMA-13改性瀝青瑪蹄脂混合料降溫速率在不同溫度階段分別為5.555,3.836,2.633,2.356,2.029 ℃/min,有效碾壓時間不斷增加分別為18,25,36,41,47 min。降溫速率隨著環境溫度的升高不斷降低,有效碾壓時間不斷增加。

2.2 風速對瀝青路面降溫特性的影響

考慮相同碾壓設備與合理的施工工藝并控制攤鋪厚度為6 cm,在風速為3～6 m/s的環境下用熱成像儀每隔1 min分別監測環境溫度為5～10,>10～15,>15～20,>20～25,>25～30 ℃時AC-20C和SMA-13的降溫曲線,取2次監測平均值為試驗值。3～6 m/s風速下2種混合料在不同環境溫度時降溫曲線圖見圖3。

圖3 大風速下不同溫度降溫曲線

由圖3可知,降溫曲線變化規律和有效碾壓時間變化規律與無風環境下基本一致;相較于無風環境下各環境溫度下降溫速率加快,有效碾壓時間都有所減少;AC-20C降溫速率在不同溫度階段分別增大到2.944,2.371,2.118,1.922,1.361 ℃/min。有效碾壓時間分別減少為31,38,44,49,65 min;SMA-13改性瀝青瑪蹄脂混合料降溫速率在不同溫度階段分別增大到5.928,5.023,4.518,3.521,2.689 ℃/min,有效碾壓時間分別減少為16,18,22,28,36 min。這是由于在大風環境下,在風的作用下造成已經和混合料發生熱傳遞的熱空氣散失,混合料繼續和溫度較低的冷空氣發生更快的熱量傳遞,使混合料更加快速的散失到環境中,導致混合料降溫速率加快從而減少有效碾壓時間,不利于攤鋪過程中的壓實作業。

2.3 混合料類型對瀝青路面降溫特性的影響

對比2種類型混合料降溫曲線可知,AC-20C的降溫速率在無風和大風環境下皆小于SMA-13降溫速率。這是由于使用的SMA-13的級配不連續且油石比較大,導致在碾壓過程中不易被壓實,其內部存在較大的空隙增大了與空氣接觸的表面積,加快了混合料與空氣的熱傳遞過程。

3 2種混合料有效碾壓時間預估模型

利用前期監測的現場數據,以風速和環境溫度作為預估變量,通過Origin軟件的多元擬合分析得到2種瀝青混合料有效碾壓時間預估模型式((1)、式(2)),用來預估2種混合料溫度從攤鋪到冷卻至90 ℃時所需的時間。

t1=1.56θ-2.47v+29.4

(1)

t2=1.24θ-3.13v+14.8

(2)

式中:t1為AC-20C有效碾壓時間,min;t2為SMA-13有效碾壓時間,min;θ為環境溫度,℃;v為風速,m/s。預估值與實測值的相關性系數分別為R12=0.914、R22=0.935,說明2個模型具有較高的可靠度和精度,可較為準確地預估2種混合料有效碾壓時間。

為了驗證2種預估模型的準確性,分別監測了部分工況下AC-20C和SMA-13 2種瀝青混合料降溫曲線,有效碾壓時間預估值及實測值見表1。

表1 預估值與實測值對比表

對比2個模型預估值和實測值發現,有效碾壓時間預測與實測的差值δ始終在±5 min以內,說明2種模型都有較高的精度和準確性,作為一種有效碾壓時間的預估手段,能更好地為施工工藝提供一種可靠的理論依據。

4 結語

熱成像儀作為一種可算取平均溫度的溫度檢測手段,能更好地完成瀝青路面溫度檢測任務。試驗驗證紅外熱成像儀最佳拍攝距離為1 m。

2種瀝青混合料降溫速率隨著環境溫度的增加而逐漸降低,有效碾壓時間隨之增長;2種瀝青混合料降溫速率隨著風速的增大而逐漸增大,有效碾壓時間隨之減少。AC-20C降溫速率慢于SMA-13,相應有效碾壓時間更長。

以環境溫度、風速作為變量的2種瀝青混合料有效碾壓時間的預估模型,具有較高的可靠度與預估精度。