公路瀝青路面施工壓實溫度控制研究

柴嘉占

(山西路橋第二工程有限公司,山西 臨汾 041000)

在公路瀝青路面施工中,對于路面施工壓實溫度有著明確的要求,但是在實際的施工過程中,由于施工的實際情況難以達到規范的要求,難以保證施工效果和質量,因此對壓實溫度控制的研究具有重要意義。在進行公路瀝青路面施工壓實溫度控制時,首先應對最低控制溫度進行研究,通過溫度與壓實特性之間的關系,分析其變化情況,確定變化拐點,并結合施工壓實質量的要求,在壓實特性指標滿足要求的情況下,確定需控制的最低壓實溫度。在瀝青混合料從出場到壓實使用存在一定時間,在該時間段內,由于外界環境的因素以及施工的過程等影響,會導致瀝青混合料的溫度降低,所以,需確定當溫度降低至控制溫度時,瀝青混合料的壓實有效時間。通過調控壓實有效時間對施工的流程進行指導和調整,實現對壓實溫度的控制。

1 壓實溫度與壓實特性

1.1 變溫試驗設計

以長沙至益陽高速公路擴容工程中,路段K30+884～K31+384使用的SMA-13混合料作為研究的對象,通過保證常量不變,以壓實溫度作為變量,通過對混合料進行馬歇爾試驗,探究在不同壓實溫度下混合料壓實特性的變化情況,分析壓實溫度與壓實特性之間的關系[1]。

(1)常量設計。

為避免除變量外的其他因素對變溫試驗產生影響,因此需保證其他影響因素為常量,常量主要包括兩部分,分別為SMA-13混合料馬歇爾試件的參數與拌和參數。其中固定SMA-13試件的尺寸為101 mm×64 mm,理論最大密度為2.39 g/cm3,且每個試件的拌和溫度一致,控制在162 ℃,拌和時間設計為4 min。為避免單一試件對試驗結果的偶然性影響,試驗共按照要求設計4個試件。每個試件在進行擊實試驗時,均擊實80次[2]。

(2)變量設計。

以試件的壓實溫度作為變量,用成型溫度代表試件的壓實溫度。SAM-13混合料使用SBS改性瀝青,為防止瀝青老化應將其壓實溫度最高控制在170 ℃。SMA-13混合料經拌和后,其試件的溫度約為162 ℃,通過對試件進行升溫、降溫處理,使試件達到設定的成型溫度,共設定9組不同的成型溫度進行試驗,成型溫度控制如表1所示。

表1 成型溫度參數表

1.2 試驗過程及結果

將4個試件通過升、降溫的方式控制其成型溫度符合試驗要求,通過馬歇爾試驗獲取其壓實特性指標內容,指標包括穩定度、流值、礦料間隙率、瀝青飽和度、空隙率、毛體積密度。每組試驗指標數據取4個試件試驗指標的平均值作為最終的測定值。不同溫度下試件的馬歇爾試驗指標結果如表2所示。

表2 馬歇爾試驗結果表

1.3 結果分析

(1)變化情況分析。

①穩定度變化情況分析。

由圖1可知,隨著成型溫度的升高,SMA-13材料的穩定度在不斷升高,其中80 ℃前后的變化幅度較大,80 ℃作為拐點存在,在80～120 ℃期間變化情況較為平緩,且逐漸升高。

圖1 穩定度與成型溫度變化情況圖

②流值變化情況分析。

由圖2可知,當成型溫度升高,流值逐漸降低,當處于140 ℃時為流值最低點,隨后上升至160 ℃后下降,流值變化的整體不與成型溫度之間呈現明顯的相關關系[3]。

圖2 流值與成型溫度變化情況圖

③礦料間隙率變化情況分析。

由圖3可知,礦料間隙率與成型溫度呈現明顯的負相關,隨著溫度的增長,整體礦料間隙率下降幅度較為穩定,在130～140 ℃區間內,礦料間隙率下降幅度較大,150～160 ℃區間內保持穩定,超過區間后繼續下降。

圖3 礦料間隙率與成型溫度變化情況圖

④瀝青飽和度變化情況分析。

由圖4可知,瀝青飽和度的變化與成型溫度變化呈一定的正相關關系,其中60～80 ℃區間、100～120 ℃區間內,飽和度上升幅度較為明顯,其余成型溫度下,呈現較為穩定上升的狀態。

圖4 瀝青飽和度與成型溫度變化情況圖

⑤空隙率變化情況分析。

由圖5可知,隨著成型溫度的降低,空隙率隨之下降,其中80～130 ℃區間、130～150 ℃區間、160～170 ℃區間內,空隙率的下降幅度較大,變化較為迅速,三者區間相互對比,其中80 ℃為較為明顯的變化拐點。

圖5 空隙率與成型溫度變化情況圖

⑥毛體積密度變化情況分析。

由圖6可知,在60～80 ℃成型溫度變化區間內,隨著成型溫度的提高,毛體積密度變化幅度較大,80～140 ℃區間內,上升變化幅度穩定,無明顯波動,超過140 ℃后,雖然繼續上升,但最終趨于穩定。

圖6 毛體積密度與成型溫度變化情況圖

(2)影響分析總結。

由1.3(1)節變化情況分析可知,排除不存在與成型溫度存在明顯相關關系的流值指標,與成型溫度呈負相關的指標包括礦料間隙率、空隙率。在擬定的最高試驗溫度170 ℃的條件下,SMA-13混合料試件的礦料間隙率、空隙率最低,對在設定溫度下變化情況進行分析,礦料間隙率、空隙率受成型溫度影響的主要原因是瀝青的黏度特性,在成型溫度改變的條件下,瀝青的黏度會受到影響,當溫度升高,瀝青的黏度減弱,對于骨料運動的限制作用降低,瀝青在SMA-13混合料結構中,起到了潤滑、填充的作用,使得混合料的結構更加緊密,進而降低了混合料的礦料間隙率、空隙率。反之,當溫度下降,瀝青的黏度上升,在與骨料的相互作用下,瀝青自身的流動性以及骨料的活動性受限,使混合料整體結構較為松散、不緊密,并且針對SMA-13混合料的空隙率的要求,在成型溫度<80 ℃時,其空隙率>3.93%,幾乎超過了空隙率3%～4%的要求范圍。與成型溫度呈現明顯的正相關的指標包括穩定度、瀝青飽和度以及毛體積密度,其中穩定度主要與其化學性質有關。而瀝青飽和度、毛體積密度主要與包括礦料間隙率、空隙率,上文分析可知,隨著溫度的升高,礦料間隙率、空隙率的下降,混合料的結構變得更加緊密,進而導致混合料的瀝青飽和度與毛體積密度升高。因此為保證混合料在壓實后,其壓實特性指標能保證符合施工要求,要對其溫度進行有效的控制。

2 壓實溫度控制范圍

SMA-13混合料的壓實度直接決定著公路瀝青路面施工的施工質量,而壓實度的控制主要來源于對指標的控制,根據1.3節的分析結果,對于混合料整體壓實度影響最大的指標為空隙率。當空隙率過小時,瀝青路面在高溫、車輛載荷的作用下,會導致瀝青膠漿向側向擠出的現象,降低了瀝青路面的結構強度,面層易產生推擠、轍槽等現象。當混合料的空隙率過大,混合料不密實,形成的結構穩定性較差,并且會加速瀝青的老化,進而使公路瀝青路面產生開裂、車轍等現象,降低了路面的疲勞耐久性,減少了公路瀝青路面的使用壽命。

結合相應的公路瀝青路面施工以及質量控制規范,對于SMA混合料,SMA-13改性瀝青路面在其壓實度達到98%以上,或者公路路面的空隙率≤6%的情況下,可視為壓實合格。在保證滿足壓實度要求的情況下,其對于空隙率的要求限制不高,并根據上文空隙率與壓實溫度的變化情況可知,導致對于壓實溫度的要求較低。結合壓實溫度與其他指標的變化情況,其中80 ℃作為相較而言較為明顯的拐點應充分考慮,在80 ℃以下時,混合料的空隙率、礦料間隙率、穩定度等不足以滿足要求。因此經過綜合考量,SMA-13混合料的最低壓實溫度控制在80 ℃以上時,混合料的壓實才能滿足公路瀝青路面施工的質量要求。

3 壓實有效時間

壓實的有效時間主要包括從混合料出場直至碾壓壓實的時間。由于混合料在拌和后出場,運送至施工現場需要一定的時間,將來料攤鋪并且碾壓壓實也存在一定的時間,在有效時間的時間段內,混合料的溫度會受到外界環境因素的影響導致溫度發生變化,因此需要探明在保證最低壓實溫度的情況下,在外界環境因素,主要包括大氣溫度、太陽輻射、風速的影響下,需要控制的有效時間。在有效時間內完成碾壓壓實施工,可以控制壓實溫度滿足施工的質量要求。

選用長沙至益陽高速公路擴容工程中SMA-13瀝青路面施工案例作為外界環境因素的數據支撐,該工程500 m的主車道路面結構使用了SMA-13混合料,其上面層厚度為4 cm,下面層厚度為7 cm。外界環境的施工溫度以及混合料的來料溫度均采用溫度計實測,并在測量太陽輻射時采用SOLAR-1太陽輻射儀器測量,測量風速時采用OMEGA風速儀器測量。

以外界施工氣溫代表外界環境因素,作為變量設置4組試驗,以混合料出場至碾壓壓實后,當上面層及下面層壓實溫度高于80 ℃作為有效壓實時間,在相同的混合料出場溫度的條件下,探究施工氣溫與有效壓實時間的關系,為避免單一混合料出場溫度對試驗的偶然性影響,設置兩組不同的混合料出場溫度,且控制其他影響因素如車速、攤鋪速度等在不同施工氣溫的條件下保持不變,一共進行8次試驗,混合料出場溫度以及施工氣溫參數如表3所示。

表3 出場溫度以及施工氣溫

混合料出場溫度在150 ℃的條件下,經過試驗得到的不同施工氣溫下壓實有效時間數據如表4所示。

表4 壓實有效時間數據表(出場溫度150 ℃)

混合料出場溫度在170 ℃的條件下,經過試驗得到的不同施工氣溫下壓實有效時間數據如表5所示。

表5 壓實有效時間數據表(出場溫度170 ℃)

由表4、表5可知,隨著施工氣溫的增加,不同出場溫度的混合料的壓實有效時間,均得到了提升,對比表4、表5,不同出場溫度的混合料在相同的施工氣溫的影響下,具有較高出場溫度(170 ℃)的混合料壓實有效時間要長于出場溫度為150 ℃的壓實有效時間。

因此壓實有效時間和施工氣溫存在一定的關系,而施工氣溫與大氣溫度、風速、太陽輻射有關[4],通過在不同施工溫度下測量的數據,建立方程并經過擬合,得到施工溫度與大氣溫度、風速、太陽輻射之間的關系為

T=0.13x-1.02y+0.005z

(1)

式中:T為施工溫度,℃;x為大氣溫度,℃;y為風速,m/s;z為太陽輻射,W/m2。

通過施工的壓實有效時間結合實際施工溫度的數據、瀝青鋪層的厚度、以及實際初壓溫度建立回歸模型[5],有效時間與各因素的關系為

t=T+0.27m+12.3n-52.4

(2)

式中:t為有效時間,min;m為瀝青混合料初壓溫度,℃;n為瀝青混合料鋪層厚度,cm。

結合公式(1)、公式(2),可知壓實有效時間為

t=0.13x-1.02y+0.005z+0.27m+12.3n-

52.4

(3)

通過施工時對現場的有關數據進行測量,即可把控在滿足最低壓實溫度的條件下,施工時間滿足壓實有效時間,可以保證SMA-13混合料在使用的過程中,壓實溫度能夠滿足使用要求,進而保證施工質量能夠滿足要求。

4 溫度控制效果

瀝青混合料在攤鋪的過程中,在不同位置,受不同外界因素的影響,會產生一定的溫度損失,在不同區域內瀝青混合料的溫度被稱為溫度離析。溫度離析過大會導致瀝青混合料施工時溫度較低的部分無法壓實,從而施工質量降低。因此,為探究進行溫度調控后SMA-13混合料的壓實施工質量和效果,需對其溫度離析情況進行分析。

施工當天的氣溫為25 ℃,風速為3.2 m/s,太陽輻射700 W/m2,初壓溫度為160 ℃,攤鋪厚度為4 cm,利用公式(3)可計算,壓實有效時間約為52 min,因此,根據壓實有效時間擬定攤鋪機與壓實機同步進行的施工方式,保證壓實的時間在壓實有效時間內,從而保證最低控制壓實溫度80 ℃的要求。選取工程中的一個路段記作區域A,利用紅外熱像儀進行溫度的監測,壓實施工區域內溫度變化情況如表6所示。

表6 溫度分布情況表 單位:℃

表6中,線A為初壓與復壓的交界線,線B、線C為區域A內選取的監測線,各位置情況如圖7所示。

圖7 區域A紅外熱像圖

由表6可知,在初壓時,區域A的最大溫差為8.6 ℃,<10 ℃,未出現離析現象,且平均溫度高于150 ℃,滿足初壓溫度要求;在復壓時,最大溫差為9.1 ℃,<10 ℃,無離析現象;在終壓時,線A、B、C所對應位置的溫度變化明顯,且由于線A區域橫跨了復壓以及終壓區域,導致溫差較大,但其最低溫度為91.3 ℃,滿足高于最低控制壓實溫度80 ℃的要求。

因此通過對監測數據的分析可知,區域A在檢測的過程中未出現離析現象。通過在瀝青混合料壓實施工中對壓實溫度進行控制,可有效控制瀝青混合料施工時的溫度離析現象,進而保證瀝青路面的施工質量。

5 分析總結

通過對不同壓實溫度下獲取SMA-13混合料壓實指標的變化情況,通過指標數據與相應規范技術要求進行對比,獲取在滿足使用要求的情況下的最低控制壓實溫度為80 ℃,并以80 ℃作為判別標準,分析在不同施工溫度、不同來料溫度影響下有效時間的確定方式,通過在施工中進行調整,保證壓實時間小于壓實有效時間52 min,則可實現對于壓實溫度的控制,使其滿足施工質量要求。

通過有效時間的分析可知,在公路瀝青路面施工中,對壓實溫度進行控制主要可從以下幾方面出發。

(1)盡量減少外界環境的影響,當外界環境的溫度與混合料溫差較大時,會導致混合料溫度下降較為明顯,因此在混合料的運輸中,應注意混合料的保溫、防風處理,在混合料出場時盡量保持處于拌和溫度的上限。

(2)保證攤鋪與壓實同步進行,減少相隔時間,保證初壓的溫度,進而提高壓實有效時間,保證進行后續復壓、終壓工作時,溫度能夠滿足最低壓實溫度,進而保證公路瀝青路面施工效果與質量。

6 結 語

綜上所述,以SMA-13瀝青混合料為例進行分析,根據其特性指標以及相應要求,確定其最低壓實溫度控制范圍,進而明確其進行壓實施工的有效時間,結合壓實有效時間對施工的流程進行調控,保證公路瀝青路面施工的質量。基于此例可引伸其他瀝青混合料在施工中對于壓實溫度的控制方法,為瀝青混合料在公路路面的施工提供參考。