低溫環境下路基路面材料的施工性能研究

摘 要：低溫環境對路基路面材料的施工性能產生顯著影響。研究發現，當溫度降低時，填料材料的物理力學性能發生明顯變化，主要表現在材料含水率分布異常，強度特性改變和變形特征復雜化。填料的壓實性能，工作性能和分層填筑性能均受到顯著影響，表現為壓實度難以達標，材料工作性下降和層間結合質量變差。針對這些問題，通過優化壓實技術，改進材料性能，創新施工工藝和完善質量監控體系等措施，有效提升了低溫環境下路基路面材料的施工性能。研究成果為寒冷地區路基路面工程施工提供了重要的技術支持。

關鍵詞：低溫環境 路基路面 材料性能 施工工藝 質量控制

低溫環境對路基路面材料的物理力學性能和施工工藝產生顯著影響，這種影響主要表現在材料的壓實特性，強度性能和耐久性等方面，近年來，隨著我國交通基礎設施建設向寒冷地區不斷延伸，低溫環境下路基路面材料的施工性能研究日益重要，國內外學者針對低溫條件下材料性能變化規律，施工工藝適應性等開展了大量研究，但仍存在諸多技術難題亟待解決，開展低溫環境下路基路面材料施工性能研究，對提高工程質量和使用壽命具有重要意義。

1 路基路面主要材料特性

1.1 填料材料物理特性

路基路面填料材料的物理特性直接影響工程質量和施工性能，填料材料主要包括粗粒土，細粒土和粉質黏土等，不同材料表現出獨特的物理性質，粗粒土具有較高的透水性和較低的毛細作用，其顆粒級配對材料的工程性能影響顯著，良好的級配有利于提高填料的壓實效果和承載能力，細粒土的物理性質受含水量變化影響明顯，塑性指數和液性指數是評價其工程特性的重要指標，這些指標對材料的壓實特性和強度特性具有重要影響[1]，粉質黏土因其較高的比表面積，表現出顯著的吸水性和溫度敏感性，含水量的微小變化會導致其工程性能發生明顯改變，填料材料的重要物理指標包括顆粒組成，天然含水率與密度與孔隙比以及飽和度等，這些指標通過標準試驗方法測定，為評價材料適用性和確定施工工藝參數提供基礎依據。

1.2 填料材料力學特性

填料材料的力學特性體現在強度，變形和穩定性等方面，路基路面填料在荷載作用下表現出復雜的應力-應變關系，其抗剪強度由內摩擦角和粘聚力共同決定，填料的壓縮特性與顆粒組成和結構密實度密切相關，粗粒料表現出較小的壓縮變形，而細粒料則易產生顯著的固結變形，填料材料在動荷載作用下呈現出明顯的彈塑性變形特征，反復荷載會導致材料強度和剛度衰減，材料的CBR值是評價路基填料承載能力的重要指標，通過CBR試驗確定的承載比直接反映填料的支承強度，填料的抗剪強度參數通過直剪試驗或三軸試驗測定，這些力學指標為路基穩定性分析和路面結構設計提供依據[2]，填料材料的應力應變關系表現出顯著的非線性特征，其彈性模量和泊松比隨應力水平變化而改變。

2 低溫環境下材料性能變化規律

2.1 材料含水率變化特征

低溫環境下路基路面填料材料的含水率變化呈現獨特規律，當環境溫度降至0℃以下時，填料中的自由水開始發生相變，形成冰晶，導致材料含水率分布發生顯著變化，在凍結過程中，溫度梯度驅動水分在填料孔隙中遷移，形成水分再分布現象，使填料表層含水率降低而深層含水率升高，凍結作用產生的負壓力促使深層土體中的水分向凍結面遷移，造成凍結區含水率異常增大，細粒土和粉質黏土由于比表面積大，持水性強，在低溫環境下表現出更為明顯的含水率變化特征，實驗研究表明，填料的粒徑分布和孔隙特征直接影響其凍結過程中的含水率變化規律[3]，填料中鹽分含量的高低也會影響水分遷移和相變過程，進而改變材料的凍結特性，在工程實踐中，低溫條件下填料含水率的變化對材料的工程性能產生重要影響，需要采取相應的施工和養護措施加以控制。

2.2 材料強度性能變化

低溫環境對路基路面填料材料的強度性能產生顯著影響，當溫度降低時，填料中水分凍結形成冰晶，使材料內部結構發生改變，導致強度特性產生明顯變化，實驗研究表明，填料的抗壓強度和抗剪強度隨溫度降低呈非線性增長，這種增長主要源于冰晶對顆粒間結構的加固作用，在凍結狀態下，填料的內聚力和內摩擦角均有所提高，但其變形模量和彈性模量則表現出明顯的溫度依賴性，填料在低溫凍結過程中，冰晶體積膨脹會在材料內部產生微觀裂隙，影響材料的整體強度，粉質黏土和細粒土在凍融循環作用下，強度損失較為顯著，表現為承載力下降和變形量增大，通過三軸試驗和無側限抗壓強度試驗發現，低溫條件下填料的應力-應變曲線斜率增大，表明材料剛度提高但脆性增強，這種強度性能的變化規律對路基路面結構的設計和施工工藝選擇具有重要指導意義。

2.3 材料變形特性變化

低溫環境下路基路面填料材料的變形特性呈現復雜的溫度相關性，實驗研究表明，填料在溫度降低過程中，彈性變形和塑性變形的比例發生顯著改變，表現為彈性變形占比增大而塑性變形減小，在凍結狀態下，填料的瞬時變形減小，但長期變形特性受冰晶生長和水分遷移的影響而變得更為復雜，通過固結試驗觀察到，低溫條件使填料的壓縮性降低，壓縮曲線斜率減小，表明材料抵抗變形的能力增強，然而，在反復荷載作用下，凍結填料的累積變形表現出獨特的發展規律，變形速率隨著荷載次數的增加而加快，填料的體積變形受冰晶生長引起的凍脹作用影響，在降溫過程中產生不均勻的膨脹變形[4]，溫度升高時，冰晶融化導致填料結構松散，產生融沉變形，這種變形特性對路基路面結構的穩定性構成潛在威脅，動態荷載試驗結果顯示，低溫環境改變了填料的應變軟化特性，對其長期服役性能產生重要影響。

3 低溫條件對材料施工性能的影響

3.1 填料壓實性能影響分析

低溫條件顯著影響路基路面填料的壓實性能，實驗研究表明，當環境溫度降低時，填料的最佳含水率范圍變窄，壓實曲線呈現出陡峭的特征，在低溫環境下，填料含水量隨溫度變化而波動，導致壓實度難以達到設計要求，壓實試驗數據顯示，相同壓實功下的干密度隨溫度降低而減小，表明低溫條件增加了填料壓實的難度，填料在低溫壓實過程中，由于水分凍結作用，顆粒間摩擦阻力增大，使壓實能量傳遞效率降低，同時，低溫使填料顆粒表面產生冰膜，改變了顆粒間的接觸特性，影響壓實后的結構均勻性，動態荷載作用下，低溫壓實填料表現出較大的彈性回彈，不利于壓實度的有效控制，現場試驗結果表明，低溫條件下填料的壓實度離散性增大，壓實質量的一致性難以保證，這種壓實性能的變化對施工參數的選擇和質量控制提出了更高要求，需要采取針對性的技術措施。

3.2 填料工作性能變化特征

低溫環境下路基路面填料的工作性能發生顯著變化，材料試驗研究表明，溫度降低導致填料的流動性減弱，攤鋪均勻性下降，增加了施工難度，粘性土在低溫條件下表現出較大的粘聚力，使攤鋪設備功耗增加，影響施工效率，砂性土料在低溫環境中因含水率變化而改變其工作性能，表現為松鋪系數增大，不利于均勻壓實，現場試驗數據顯示，填料在低溫下的粒徑級配穩定性降低，細粒料易結團，粗粒料易分離，導致填料混合均勻性變差，低溫使填料的塑性指數和液性指數發生變化，改變了材料的可塑性和可工作性范圍，填料在施工過程中表現出較強的溫度敏感性，其工作性能隨溫度變化而波動，對施工工藝參數的選擇和調整提出更高要求。

3.3 分層填筑施工難度增大

低溫環境對路基路面分層填筑施工造成多重不利影響，現場施工數據表明，填料的分層鋪設厚度控制難度增大，常規20-30厘米的攤鋪厚度需要調整，低溫條件要求減小單層填筑厚度以確保壓實質量，填料運輸過程中溫度持續降低，導致含水率分布不均，造成分層接茬處結合質量下降，試驗研究發現，低溫使填料層間粘結強度減弱，層間結合面易形成冰晶，影響填筑層的整體性，工程實踐顯示，低溫條件下路基填筑的施工時間延長，相鄰填筑層之間的溫度差異加大，增加了層間結合難度，填料在低溫環境中的工作性能降低，導致分層攤鋪均勻性差，各層壓實度離散性增大。

3.4 施工質量控制要點

低溫環境下路基路面材料施工質量控制面臨特殊挑戰，現場監測數據顯示，填料含水率和溫度的動態變化對壓實質量影響顯著，要求加強填料含水率調控和溫度監測頻率，施工質量檢測應重點關注壓實度，壓實均勻性和層間結合程度，采用K30平板荷載試驗和灌砂法檢測相結合的方式，全面評估填筑質量[5]，試驗數據表明，低溫條件下填料的干密度和壓實度檢測值離散性增大，需要增加現場抽檢頻次，確保檢測數據代表性，分層填筑過程中，應嚴格控制每層填筑厚度，通過測厚板實時監控，保證填筑層厚度滿足設計要求，施工現場應建立溫度監測網絡，實時掌握填料和環境溫度變化，及時調整施工參數。

4 材料施工性能提升措施

4.1 壓實性能優化技術

針對低溫環境下路基路面填料壓實性能不足的問題，壓實優化技術主要從設備選擇和工藝參數兩個方面展開，砂類土填料采用靜壓路機進行靜壓，砂石類填料則選用振動壓路機和振動突塊壓路機進行振壓，通過合理匹配壓實設備提高壓實效率，壓實工藝采用由路基兩側向中心縱向碾壓的方式，嚴格執行初壓，復壓，終壓三個階段，初壓采用低速碾壓增強壓實基礎，復壓采用中速提高壓實效果，終壓采用快速碾壓確保壓實質量，壓路機按S形走行，相鄰碾壓帶重疊寬度不小于40厘米，確保壓實均勻性，低溫條件下尤其注重含水量調控，適宜含水量的填料及時碾壓，避免水分損失；含水量不適宜的填料經調整處理后進行碾壓，壓實質量檢測采用K30平板荷載試驗和灌砂法相結合的方式，確保各項指標滿足設計要求（圖1）。

4.2 材料工作性改善措施

針對低溫環境下路基路面填料工作性能下降的問題，通過添加改性劑和調控施工工藝參數實現材料工作性能改善，研究表明，摻入改性劑能有效擴大填料的適宜溫度施工范圍，如表1所示，不同類型改性劑對填料工作性能的改善效果存在顯著差異，石灰改性填料在－5℃環境下仍保持良好的工作性，最佳含水率范圍擴大2%，攤鋪均勻性提高15%，水泥改性填料的工作性能溫度適應范圍從標準－2℃提升至－8℃，且壓實度離散系數降低25%，現場試驗數據顯示，復合改性填料表現出最優的低溫施工性能，工作性能適應溫度范圍擴大，壓實效果和層間結合強度均優于單一改性填料，通過合理選擇改性措施，顯著提升填料在低溫環境下的工作性能。

4.3 分層填筑工藝創新

低溫環境下分層填筑工藝創新主要針對層間結合和壓實質量展開，研究發現，采用預熱養護技術能有效提升填筑層間結合性能，通過便攜式熱風機對下層填料表面進行預熱處理，使層間溫差控制在5℃以內，顯著改善結合面質量，創新型分層填筑工藝采用變厚度控制方案，上層填筑厚度較下層減少5-8厘米，在保證總填筑厚度不變的情況下，提高壓實均勻性，同時，引入智能測溫系統實時監控填料溫度，當溫度低于臨界值時及時調整施工參數，在層間過渡帶設置柔性防水層，通過防水層的保溫作用減緩填料溫度降低速度，延長有效施工時間，現場應用結果表明，創新工藝使填筑層間抗剪強度提高30%，壓實度均勻性提升25%，有效解決了低溫條件下分層填筑施工難題。

4.4 質量監控體系完善

低溫環境下路基路面材料施工質量監控體系的完善需要從監測手段，控制標準和反饋機制三個方面進行優化，智能化監測系統的應用實現了對填料溫度，含水率和壓實度的實時監控，監測數據通過物聯網平臺實現即時傳輸和分析，現場質量控制標準根據低溫特點進行動態調整，壓實度檢測頻率由常規每1000平方米一點提高至每500平方米一點，層間結合面檢測密度增加50%，建立多維度檢測體系，將傳統的灌砂法與核子密度儀結合使用，雙指標檢測提高了數據可靠性，質量監控數據庫的建立為工藝參數優化提供依據，通過大數據分析識別關鍵質量控制點，實現精準施工管理，監控體系增設了溫度預警機制，當填料或環境溫度低于臨界值時自動發出預警信號，確保施工過程持續處于受控狀態。

5 結語

通過對低溫環境下路基路面材料施工性能的系統研究，闡明了溫度對填料材料物理力學性能的影響規律，研究表明，低溫條件改變了填料的含水率分布特征，強度性能和變形特性，對材料施工性能產生全面影響，通過壓實性能優化，材料工作性改善，分層填筑工藝創新和質量監控體系完善等措施，顯著提升了低溫條件下路基路面材料的施工質量和效率，這些研究成果不僅豐富了相關理論知識，也為寒冷地區路基路面工程建設提供了可靠的技術保障，具有重要的理論意義和工程應用價值。

參考文獻：

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[5]王黎明，雋海文.基于凍斷試驗的半柔性路面材料低溫抗裂性影響因素研究[J].公路交通科技，2020，37（07）：39-44.