低溫工況下瀝青路面壓實(shí)特性研究

徐曉瑋，穆 柯

(1.西安市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，陜西西安710003;2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710068)

0 引言

壓實(shí)度是評(píng)判瀝青路面功能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，瀝青面層施工過程中，良好的壓實(shí)質(zhì)量是道路密實(shí)性、穩(wěn)定性、耐久性的保障，此外道路的平整度、行車舒適性等指標(biāo)也均需在路面充分壓實(shí)的過程中實(shí)現(xiàn).作為典型的黏彈性材料，瀝青混合料壓實(shí)度具有很強(qiáng)的溫度敏感性.根據(jù) JTG D50—2006《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［1］規(guī)定:一級(jí)公路施工氣溫低于10℃，其他公路低于5℃時(shí)，不宜進(jìn)行熱拌瀝青混合料鋪筑.但對(duì)于部分晝夜溫差大，氣溫下降快的地區(qū)，或工期緊張項(xiàng)目，低溫環(huán)境下進(jìn)行面層施工卻又難以避免.目前碾壓施工過程主要依賴經(jīng)驗(yàn)(如觀察出現(xiàn)較深的碾壓輪跡)進(jìn)行控制，施工過程中如遇壓實(shí)設(shè)備跟進(jìn)不及時(shí)、碾壓不充分等情況，錯(cuò)過了最佳碾壓時(shí)段，往往會(huì)造成冷壓、干壓，反而會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)施工期的破壞.目前，部分學(xué)者針對(duì)瀝青路面低溫工況下的壓實(shí)工藝、施工組織設(shè)計(jì)等已進(jìn)行了系統(tǒng)研究［2-3］，對(duì)于混合料低溫狀態(tài)下的路用性能，也有了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐［4-6］，但這些研究相對(duì)獨(dú)立，缺乏較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性.筆者在總結(jié)已有研究成果基礎(chǔ)上，通過進(jìn)行室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了150，140，130，120，100 ℃溫度下混合料壓實(shí)功與密實(shí)度的關(guān)系，定量研究了溫度對(duì)混合料壓實(shí)特性的影響，同時(shí)建立了混合料攤鋪過程溫度散失有限元模型，對(duì)低溫施工情況下混合料溫度散失規(guī)律進(jìn)行研究，提出其相應(yīng)的有效碾壓時(shí)間段落，為低溫狀態(tài)下瀝青路面施工提供參考.

1 溫度對(duì)壓實(shí)度影響

為了研究壓實(shí)度與溫度的關(guān)系，筆者在150，140，130，120，100 ℃ 溫度下成型了厚度為 63.5 mm的試件，測(cè)量不同擊實(shí)功下混合料的密度，并換算為理論密實(shí)度［7］，結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同溫度下壓實(shí)度與擊實(shí)次數(shù)關(guān)系Fig.1 Curve of compactness and compaction times under different temperature

由圖1可知:壓實(shí)前期，隨著壓實(shí)功的增加，混合料密度迅速增加，30次正反擊實(shí)之后混合料密度增長(zhǎng)開始放緩，其中溫度越低混合料越難以壓實(shí);在高溫狀態(tài)下，如150℃，僅需30次正反擊實(shí)就能達(dá)到100℃條件下100次擊實(shí)效果，

取100℃工況下的壓實(shí)曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在該溫度情況下，及時(shí)進(jìn)行正反100次的擊實(shí)，其馬歇爾密度最多可以達(dá)到2.35 g/cm3，只能達(dá)到96%的壓實(shí)度(理論密度2.45 g/cm3)，而規(guī)范中對(duì)上面層壓實(shí)度為不低于98%.因此可以認(rèn)為:當(dāng)混合料溫度低于100℃時(shí)加大壓實(shí)功，進(jìn)行多遍擊實(shí)，壓實(shí)度也很難達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度.

2 混合料溫度散失有限元模型

2.1 理論基礎(chǔ)

(1)大氣與路面對(duì)流換熱.道路表面與空氣氣流之間由于溫差引起的熱流交換形成為對(duì)流換熱，表示為P:

大氣溫度受自然界很多因素影響，但僅就單日氣溫分布而言，氣溫變化可用下式描述［8］:

(2)路面輻射熱交換.路面溫度場(chǎng)分析時(shí)，將輻射換熱計(jì)算為大氣輻射到路表的熱能與被路面吸收熱能之差［8］，表示為

(3)進(jìn)入路表的熱流量.考慮到路面的吸收率αs，以q表示進(jìn)入路表總熱流.

式中:B為道路表面復(fù)合換熱系數(shù)，B=αr+hr.

2.2 模型的建立

筆者依據(jù)工程西商高速實(shí)際路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，上面層厚度為4 cm AC-16，中面層為6 cm中粒式密級(jí)配瀝青碎石AC-20，下面層為ATB-25，基層為38 cm水泥穩(wěn)定碎石，如圖2所示.參考國(guó)內(nèi)外溫度場(chǎng)建模方法［9］，模型長(zhǎng)為300 cm，深度為60 cm，幾何模型及網(wǎng)格剖分如圖3所示.

圖2 路面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic drawing of pavement structure

圖3 路面溫度場(chǎng)分析網(wǎng)格剖分Fig.3 Mesh generation of pavement structure

在室內(nèi)試驗(yàn)及查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上選取瀝青混合料、半剛性基層材料熱傳導(dǎo)參數(shù)［10-11］，見表1所示.

表1 路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算參數(shù)Tab.1 Parameters for pavement temperature field calculation

3 計(jì)算分析

依據(jù)表1所述工況，選取10℃為低溫環(huán)境，假定混合料攤鋪溫度為150℃，對(duì)混合料被攤鋪之后的熱量傳導(dǎo)、溫度沿深度方向分布狀況以及不同攤鋪厚度下混合料溫降規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖4～6所示.

圖4為不同時(shí)刻路面熱流分布規(guī)律、由圖可知:隨著攤鋪時(shí)間的流逝，路面2 cm深度處熱流量交換逐步下降并最終趨近于0，且前期降幅較大，后期平緩;路面4 cm深度處(攤鋪層與下臥層界面)熱流量交換逐步增加，說明隨時(shí)間流逝攤鋪混合料的熱量快速向下傳遞.從熱流交換上看路面厚度0～4 cm位置處穩(wěn)步下降，4～12 cm處溫度呈上升趨勢(shì)，路面深度大于12 cm時(shí)，基本不受攤鋪混合料影響.

圖5為不同攤鋪厚度下路面溫度分布規(guī)律，由圖5可知:隨著時(shí)間的增加各攤鋪厚度下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度均呈下降態(tài)勢(shì)，路面厚度由10 cm降低至4 cm時(shí)，結(jié)構(gòu)層內(nèi)混合料最高溫度分別降低8.5%、14.5%、17.9%;路面厚度越小，溫度沿路面深度分布越不均勻，越不利于混合料的壓實(shí).

由圖6可知，隨著路面攤鋪厚度的增加，混合料溫度散失速率逐漸變慢，根據(jù)前述研究結(jié)論，當(dāng)混合料溫度低于100℃時(shí)很難再被壓實(shí)，因此取100℃作為混合料有效壓實(shí)的極值點(diǎn)，混合料溫度在100℃前的時(shí)間段為結(jié)構(gòu)層有效碾壓區(qū)間，攤鋪厚度分別為10，8，6，4 cm時(shí)，有效碾壓時(shí)間分別為 31，28，21，16 min.

4 試驗(yàn)路實(shí)測(cè)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證筆者所建立的溫度預(yù)估模型準(zhǔn)確性，筆者依托西商高速實(shí)體工程，采用優(yōu)利德235型溫度傳感器對(duì)攤鋪過程中混合料溫度散失數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè).

該處攤鋪時(shí)間為12 h，混合料攤鋪溫度為171℃，氣溫15℃、下面層表面溫度13.7℃，持續(xù)觀測(cè)時(shí)間47 min，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)估數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示.

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與預(yù)估值對(duì)比Fig.7 Constract actual values with estimated

由圖7可知:筆者所建立的路面攤鋪過程中溫度散失有限元預(yù)估模型具有可靠的預(yù)估精度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與預(yù)估值最大誤差為6.7%，從曲線走勢(shì)上看，2 cm深度處前1 400 s預(yù)估值高于實(shí)測(cè)值，之后預(yù)估結(jié)果開始小于實(shí)測(cè)結(jié)果.

5 結(jié)論

(1)較高的碾壓溫度是瀝青路面有效壓實(shí)的重要保證，當(dāng)混合料溫度低于100℃時(shí)，即使增加碾壓設(shè)備臺(tái)班或碾壓變數(shù)也很難達(dá)到理想的壓實(shí)效果，達(dá)到相同的壓實(shí)目標(biāo)，高溫碾壓所需的壓實(shí)功僅為低溫條件下的30%～50%.

(2)低溫環(huán)境下，攤鋪層厚度越小，沿深度方向混合料溫度分布越離散，壓實(shí)質(zhì)量越難以控制;反之如攤鋪層厚度較大，則保溫效果相對(duì)較好，路面厚度分別為10 cm，8 cm，6 cm，4 cm時(shí)，有效碾壓時(shí)間分別為 31 min，28 min，21 min，16 min.

(3)筆者建立的基于熱傳導(dǎo)學(xué)原理的混合料溫度散失預(yù)估模型具有較高的精度，可以用于不同外界環(huán)境下混合料溫度散失的預(yù)估，為低溫條件下路面施工提供參考依據(jù).

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG D50—2006瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］秦健，孫立軍.瀝青路面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律［J］.公路交通科技，2006，23(8):18-21.

［3］AZARI H，RECHARD H M，STUART K D.Opti2mum compaction temperature for modified binders［J］.Journal of Transportation Engineering，2003，129(5):531-537.

［4］張爭(zhēng)奇，袁迎捷，王秉綱.瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)密實(shí)曲線信息及其應(yīng)用［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2005，18(3):1-4.

［5］李波，岳永和，竇暉，等.溫拌瀝青混合料施工中溫度場(chǎng)的時(shí)空特性［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2011，33(4):61-64.

［6］賈璐.瀝青路面高溫溫度場(chǎng)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2004.

［7］楊學(xué)良，劉伯瑩.瀝青路面溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)耦合的有限元分析［J］.公路交通科技，2006，23(11):1-9.

［8］HERMANSSON A.Simulation model for calculating pavement temperature including maximum temperature［J］.Transportation Research Record，2000，1699:134-141.

［9］馮德成，胡偉超，于飛，等.瀝青路面材料熱物性參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響及敏感性分析［J］.公路交通科技，2011，28(11):12-18.

［10］王輝，李雪連，張起森.高溫重載作用下瀝青路面車轍研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(5):139-144.

［11］馬骉，胡浩，汪海年.考慮溫度非均勻性的瀝青路面溫度應(yīng)力分析［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，31(1):1-5.