多因素影響下的瀝青混合料溫度散失規(guī)律研究

韓振河 賈士麟

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司1） 上海 200030） （德州黃河建業(yè)工程有限責(zé)任公司2） 德州 251100）

0 引 言

在瀝青路面攤鋪現(xiàn)場，由于混合料降溫受攤鋪厚度、攤鋪溫度、氣溫、下承層溫度、風(fēng)力等諸多因素的影響，混合料降溫很快，降溫規(guī)律極其復(fù)雜，這就給瀝青混合料現(xiàn)場的施工帶來了很大的困難.因此，國內(nèi)外積極開展相關(guān)課題，從提高壓實(shí)度的角度對混合料有效壓實(shí)時間進(jìn)行了全面和深入的研究.Mahboub等［1］科研小組對混合料的降溫規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了一種瀝青混合料有效碾壓時間的預(yù)估方法.Hensley［2］研究了面層厚度、混合料溫度、氣溫對混合料溫降曲線的影響規(guī)律.Daines［3］通過對瀝青混合料溫度變化規(guī)律研究，提出了有效壓實(shí)時間的預(yù)估方法，以便在路面施工過程中更好的進(jìn)行壓實(shí)機(jī)械的選擇.Brown［4］對比研究了氣溫和風(fēng)速兩種因素對瀝青層溫降規(guī)律的影響，研究表明風(fēng)速對混合料降溫速率的影響大于氣溫的作用.

我國也進(jìn)行了很多關(guān)于有效碾壓時間方面的研究，胡長順［5］指出，利用溫度參數(shù)可以相當(dāng)準(zhǔn)確地估算有效壓實(shí)時間，而有效壓實(shí)時間的估計(jì)有助于確定合理的碾壓機(jī)械組合、碾壓作業(yè)段長度等.胡霞光等［6］根據(jù)青藏公路瀝青混合料現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，提出了風(fēng)速、攤鋪層厚度、氣溫等因素影響下的有效壓實(shí)時間的預(yù)估公式.上述對瀝青混合料的有效碾壓時間進(jìn)行的深入的研究，但多是定性的研究的不同因素對碾壓時間的影響，不能有效的指導(dǎo)工程施工，本文借助室內(nèi)溫度散失試驗(yàn)，研究攤鋪厚度、風(fēng)速、氣溫及下臥層溫度對有效碾壓時間的影響規(guī)律，回歸有效碾壓時間的預(yù)估公式，并通過現(xiàn)場的溫度觀測對預(yù)估公式進(jìn)行驗(yàn)證.

1 瀝青路面新材料溫度散失試驗(yàn)

文獻(xiàn)［7］規(guī)定，當(dāng)終壓壓路機(jī)采用鋼輪、輪胎、振動壓路機(jī)時，其分別對應(yīng)的碾壓溫度為70，80，65 ℃，而美國的試驗(yàn)表明，當(dāng)瀝青混合料的溫度低于90℃時，碾壓實(shí)際上已不再明顯增加瀝青混凝土的密實(shí)度，因此，室內(nèi)試驗(yàn)的測定將瀝青混合料溫度下限定為90℃，研究瀝青路面新材料的溫度散失規(guī)律.影響混合料溫度散失規(guī)律的因素很多，包括混合料溫度、下臥層溫度、氣溫及太陽輻射、攤鋪層厚度、風(fēng)速等.室內(nèi)試驗(yàn)借助AC－13瀝青混合料的溫度變化規(guī)律，初始壓實(shí)溫度定為150 ℃，研究攤鋪厚度、氣溫及風(fēng)速的影響.研究單因素對混合料溫度散失的影響，當(dāng)變換某一因素水平時，其余因素保持不變，從下列數(shù)據(jù)中選擇：攤鋪厚度4cm，風(fēng)速2m／s，氣溫20 ℃，下承層溫度30 ℃.

1.1 攤鋪層厚度

在室內(nèi)研究不同攤鋪層深度瀝青混合料溫度散失規(guī)律的影響，試驗(yàn)過程中將AC－13瀝青混合料裝填在雙層車轍板試模中，試模中瀝青混合料的厚度分別為4～8cm，裝料前將雙層車轍板試模在烘箱中加熱至與混料出料溫度相同，裝料后均勻搗實(shí)并在深度為2cm 位置插入溫度計(jì)，記錄不同厚度混合料2cm 深度處的溫度從出料到降至90 ℃的時間.試驗(yàn)結(jié)果見表1［8］.

表1 不同厚度瀝青混合料2cm 深度的有效壓實(shí)時間

以攤鋪厚度為橫坐標(biāo)，有效碾壓時間為縱坐標(biāo)，繪制有效碾壓時間隨攤鋪厚度的變化曲線，見圖1.

圖1 有效碾壓時間隨攤鋪厚度的變化曲線

由上圖曲線回歸公式可知，攤鋪厚度對混合料有效碾壓時間的影響符合式（1）規(guī)律.

式中：t為有效碾壓時間；h為攤鋪層厚度.

式（1）表明面層攤鋪厚度對有效壓實(shí)時間有重要的影響，通過提高面層厚度可以有效地降低混合料的冷卻速率和延長有效壓實(shí)時間.

1.2 風(fēng)速

研究不同風(fēng)速下瀝青混合料溫度散失規(guī)律的影響，試驗(yàn)過程中將4cm 厚的AC－13瀝青混合料裝填在車轍板試模中，開啟電風(fēng)扇對準(zhǔn)混合料表面，風(fēng)速為1，2，3，4m／s.裝料后均勻搗實(shí)并在深度為2cm 位置插入溫度計(jì)，記錄不同風(fēng)速下混合料2cm 深度處的溫度從出料到降至90℃的時間.試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 不同風(fēng)速下瀝青混合料2cm 深度的有效壓實(shí)時間

以風(fēng)速為橫坐標(biāo)，有效碾壓時間為縱坐標(biāo)，繪制有效碾壓時間隨風(fēng)速的變化曲線，見圖2.

圖2 有效碾壓時間隨風(fēng)速的變化曲線

由圖2曲線回歸公式可知，風(fēng)速對混合料有效碾壓時間的影響符合式（2）規(guī)律：

式中：t為有效碾壓時間；w 為風(fēng)速.

風(fēng)力大小主要影響面層表面溫度，面層厚度越大，風(fēng)力對混合料溫度影響越小.實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速較小時，面層表面和內(nèi)部的溫度差一般不大，但是，當(dāng)大于3m／s時，約1cm厚的混合料表層會結(jié)成硬殼，其與內(nèi)部溫差往往超過20 ℃.對于厚度較大的瀝青面層，由于內(nèi)部熱量較高并不斷向表層擴(kuò)散，表層與內(nèi)部溫差一般不超過20 ℃，若及時進(jìn)行碾壓，表層溫度的損失并不影響最終壓實(shí)質(zhì)量.

1.3 氣溫

研究氣溫不同時瀝青路面新材料的溫度散失規(guī)律，試驗(yàn)過程中將4cm 厚的AC－13瀝青混合料裝填在車轍板試模中，分別選取上午8點(diǎn)、上午10點(diǎn)、中午12點(diǎn)及下午2點(diǎn)的時間進(jìn)行溫度散失試驗(yàn)，裝料后均勻搗實(shí)并在深度為2cm 位置插入溫度計(jì)，記錄不同氣溫下混合料2cm 深度處的溫度從出料到降至90 ℃的時間.試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 不同氣溫下瀝青混合料2cm 深度的有效壓實(shí)時間

以氣溫為橫坐標(biāo)，有效碾壓時間為縱坐標(biāo)，繪制有效碾壓時間隨氣溫的變化曲線，見圖3.

圖3 有效碾壓時間隨氣溫的變化曲線

由圖3曲線回歸公式可知，氣溫對混合料有效碾壓時間的影響符合式（3）規(guī)律：

式中：t為有效碾壓時間；T 為氣溫.

在其他條件相同的情況下，隨著氣溫的升高，有效壓實(shí)時間迅速增加，如33℃時的有效壓實(shí)時間與21 ℃時相比，提高了15min；而隨著氣溫的降低，有效壓實(shí)時間下降，當(dāng)氣溫過低時，即使提高攤鋪溫度和碾壓溫度，也很難保證有充足的壓實(shí)時間.

1.4 下承層溫度

為了研究瀝青路面下承層溫度對路面材料溫度散失規(guī)律的影響，將下承層溫度分別定為10，20，30及40 ℃，記錄瀝青混合料由初始溫度降至90 ℃時的時間，試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 不同下承層溫度下瀝青混合料2cm深度的有效壓實(shí)時間

以下承層溫度為橫坐標(biāo)，有效碾壓時間為縱坐標(biāo)，繪制有效碾壓時間與下承層溫度的變化曲線，見圖4.

圖4 有效碾壓時間隨下承層溫度的變化曲線

由圖4曲線可知，氣溫對混合料有效碾壓時間的影響符合式（4）規(guī)律.

式中：Te為下承層溫度；t為有效碾壓時間.

與影響有效碾壓時間的其它因素相比，下承層溫度對瀝青混合料的溫度散失影響較小，近似呈一次線性關(guān)系，下承層溫度提高10 ℃，有效碾壓時間增加3min.

2 多因素影響下瀝青路面新材料有效碾壓時間的確定

通過以上單因素影響分析，初步建立了各影響因素與有效壓實(shí)時間的關(guān)系，為得到實(shí)用的有效壓實(shí)時間預(yù)估模型，需進(jìn)一步對各因素進(jìn)行多元回歸.

建立瀝青路面新材料有效碾壓時間的多元回歸模型，并根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，計(jì)算模型中各常量的取值.

式中：t為瀝青混合料的有效碾壓時間，min；Tb為碾壓初始溫度，基質(zhì)瀝青混合料取150℃，改性瀝青混合料160 ℃，溫拌瀝青混合料取120 ℃；Te為碾壓終了溫度，基質(zhì)瀝青混合料取90 ℃，SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青混合料100℃，溫拌瀝青混合料取70 ℃，OGFC路面取110 ℃，SMA路面取120℃；a，b，c，d，m，n為回歸常數(shù)；T 為氣溫，℃；h為攤鋪層厚度，cm；Td為下臥層溫度；w為風(fēng)速，m／s.

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，采用Origin數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元非線性回歸，求得式（5）中待定系數(shù)，可得有效碾壓時間的多元回歸模型為

求得該預(yù)估模型殘差平方和SSE＝21.4，相關(guān)系數(shù)R＝0.927，表明式（6）的預(yù)估模型與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)有較好的相關(guān)性，利用本式可以準(zhǔn)確的預(yù)估瀝青路面新材料的有效碾壓時間.

3 施工現(xiàn)場碾壓過程溫度觀測

為驗(yàn)證根據(jù)室內(nèi)溫度散失試驗(yàn)回歸的有效碾壓時間預(yù)估公式的準(zhǔn)確性，本文依托陜西洛商高速雙層攤鋪課題試驗(yàn)路，進(jìn)行現(xiàn)場溫度散失觀測.施工現(xiàn)場采用優(yōu)利德235型溫度傳感器對試驗(yàn)段溫度散失情況進(jìn)行檢測，將溫度傳感器的探頭分別埋設(shè)至面層以下2，5cm 深度處，并與電腦連接，每隔20s自動讀取數(shù)據(jù)一次，攤鋪機(jī)將瀝青混合料雙層攤鋪后不等壓路機(jī)開始碾壓，立刻將數(shù)據(jù)傳輸線按照要求埋入瀝青路面中，開始溫度觀測，讀取數(shù)據(jù)自動存入表格，直至碾壓完成后拔出.溫度觀測布點(diǎn)位置圖見圖5，溫度檢測方法及頻率見表5.

圖5 溫度散失檢測布點(diǎn)圖

表5 不同攤鋪方案溫度散失檢測

按圖5觀測方案進(jìn)行布點(diǎn)，對4cm SMA－13＋6cm AC－20，4cm SMA－13＋6cm SMA－16兩種雙層攤鋪方案進(jìn)行溫度散失觀測，觀測結(jié)果見圖6、圖7.

圖6 溫度散失結(jié)果

由圖6a）可知，隨著時間的推移，瀝青面層內(nèi)溫度分布隨之變化，整體呈現(xiàn)下降趨勢，但在部分時間段內(nèi)有小范圍的溫度波動.同一時段路表以下5cm 處溫度比2cm 處溫度高0.2～4.4℃.攤鋪開始時，兩深度處的溫度相似，隨著時間的增長，溫差逐步增大.瀝青混合料溫度平均散失速度為1.07 ℃／min，依據(jù)瀝青混合料碾壓溫度范圍的要求，以此散失速度計(jì)算可得到混合料有效碾壓時間為65min.

方案一進(jìn)行攤鋪時，現(xiàn)場氣溫為18 ℃，下臥層溫度25 ℃，風(fēng)速2.3 m／s，攤鋪層厚度為10 cm，由式（6）計(jì)算有效碾壓時間為60.9min，與現(xiàn)場實(shí)測65min接近，表明預(yù)估公式可以較為準(zhǔn)確的預(yù)估瀝青路面新材料的有效碾壓時間.

由圖6b）可知，隨著時間的推移，路表面以下2，5cm 深度處瀝青混合料的溫度均呈線性下降趨勢，攤鋪開始時，2處位置的溫度相近，由于大氣溫度的影響，隨著時間的增長，溫差先逐步增大后逐漸接近；瀝青混合料攤鋪之后，路表以下5cm處的溫度比路表以下2cm 處的溫度高出0～3℃；瀝青混合料溫度平均散失速度為1.1 ℃／min，依據(jù)瀝青混合料碾壓溫度范圍的要求，以此散失速度計(jì)算可得到混合料有效碾壓時間為55min.

方案二進(jìn)行攤鋪時，現(xiàn)場氣溫為12 ℃，下臥層溫度17 ℃，風(fēng)速3.5 m／s，攤鋪層厚度為10 cm，由式（6）計(jì)算有效碾壓時間為50.4min，與現(xiàn)場實(shí)測55min接近，表明預(yù)估公式可以較為準(zhǔn)確的預(yù)估瀝青路面新材料的有效碾壓時間.

4 結(jié) 論

1）通過瀝青混合料的室內(nèi)溫度散失試驗(yàn)，回歸了單因素影響下瀝青混合料有效碾壓時間的預(yù)估公式.

2）結(jié)合單因素影響下有效碾壓時間的預(yù)估公式，建立回歸模型，得出了多因素下瀝青混合料有效壓實(shí)時間的預(yù)估公式，為施工提供指導(dǎo).

3）結(jié)合洛商高速雙層攤鋪試驗(yàn)路現(xiàn)場溫度觀測結(jié)果，與室內(nèi)試驗(yàn)總結(jié)的預(yù)估公式對比，表明可以利用該式較為準(zhǔn)確的預(yù)估瀝青路面新材料的有效碾壓時間，對提高瀝青路面施工壓實(shí)質(zhì)量具有指導(dǎo)意義.

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