多因素影响下的沥青混合料温度散失规律研究

韩振河 贾士麟

（上海市政交通设计研究院有限公司1） 上海 200030） （德州黄河建业工程有限责任公司2） 德州 251100）

0 引 言

在沥青路面摊铺现场，由于混合料降温受摊铺厚度、摊铺温度、气温、下承层温度、风力等诸多因素的影响，混合料降温很快，降温规律极其复杂，这就给沥青混合料现场的施工带来了很大的困难.因此，国内外积极开展相关课题，从提高压实度的角度对混合料有效压实时间进行了全面和深入的研究.Mahboub等［1］科研小组对混合料的降温规律进行了研究，提出了一种沥青混合料有效碾压时间的预估方法.Hensley［2］研究了面层厚度、混合料温度、气温对混合料温降曲线的影响规律.Daines［3］通过对沥青混合料温度变化规律研究，提出了有效压实时间的预估方法，以便在路面施工过程中更好的进行压实机械的选择.Brown［4］对比研究了气温和风速两种因素对沥青层温降规律的影响，研究表明风速对混合料降温速率的影响大于气温的作用.

我国也进行了很多关于有效碾压时间方面的研究，胡长顺［5］指出，利用温度参数可以相当准确地估算有效压实时间，而有效压实时间的估计有助于确定合理的碾压机械组合、碾压作业段长度等.胡霞光等［6］根据青藏公路沥青混合料现场实测数据，提出了风速、摊铺层厚度、气温等因素影响下的有效压实时间的预估公式.上述对沥青混合料的有效碾压时间进行的深入的研究，但多是定性的研究的不同因素对碾压时间的影响，不能有效的指导工程施工，本文借助室内温度散失试验，研究摊铺厚度、风速、气温及下卧层温度对有效碾压时间的影响规律，回归有效碾压时间的预估公式，并通过现场的温度观测对预估公式进行验证.

1 沥青路面新材料温度散失试验

文献［7］规定，当终压压路机采用钢轮、轮胎、振动压路机时，其分别对应的碾压温度为70，80，65 ℃，而美国的试验表明，当沥青混合料的温度低于90℃时，碾压实际上已不再明显增加沥青混凝土的密实度，因此，室内试验的测定将沥青混合料温度下限定为90℃，研究沥青路面新材料的温度散失规律.影响混合料温度散失规律的因素很多，包括混合料温度、下卧层温度、气温及太阳辐射、摊铺层厚度、风速等.室内试验借助AC－13沥青混合料的温度变化规律，初始压实温度定为150 ℃，研究摊铺厚度、气温及风速的影响.研究单因素对混合料温度散失的影响，当变换某一因素水平时，其余因素保持不变，从下列数据中选择：摊铺厚度4cm，风速2m／s，气温20 ℃，下承层温度30 ℃.

1.1 摊铺层厚度

在室内研究不同摊铺层深度沥青混合料温度散失规律的影响，试验过程中将AC－13沥青混合料装填在双层车辙板试模中，试模中沥青混合料的厚度分别为4～8cm，装料前将双层车辙板试模在烘箱中加热至与混料出料温度相同，装料后均匀捣实并在深度为2cm 位置插入温度计，记录不同厚度混合料2cm 深度处的温度从出料到降至90 ℃的时间.试验结果见表1［8］.

表1 不同厚度沥青混合料2cm 深度的有效压实时间

以摊铺厚度为横坐标，有效碾压时间为纵坐标，绘制有效碾压时间随摊铺厚度的变化曲线，见图1.

图1 有效碾压时间随摊铺厚度的变化曲线

由上图曲线回归公式可知，摊铺厚度对混合料有效碾压时间的影响符合式（1）规律.

式中：t为有效碾压时间；h为摊铺层厚度.

式（1）表明面层摊铺厚度对有效压实时间有重要的影响，通过提高面层厚度可以有效地降低混合料的冷却速率和延长有效压实时间.

1.2 风速

研究不同风速下沥青混合料温度散失规律的影响，试验过程中将4cm 厚的AC－13沥青混合料装填在车辙板试模中，开启电风扇对准混合料表面，风速为1，2，3，4m／s.装料后均匀捣实并在深度为2cm 位置插入温度计，记录不同风速下混合料2cm 深度处的温度从出料到降至90℃的时间.试验结果见表2.

表2 不同风速下沥青混合料2cm 深度的有效压实时间

以风速为横坐标，有效碾压时间为纵坐标，绘制有效碾压时间随风速的变化曲线，见图2.

图2 有效碾压时间随风速的变化曲线

由图2曲线回归公式可知，风速对混合料有效碾压时间的影响符合式（2）规律：

式中：t为有效碾压时间；w 为风速.

风力大小主要影响面层表面温度，面层厚度越大，风力对混合料温度影响越小.实测过程中发现，在风速较小时，面层表面和内部的温度差一般不大，但是，当大于3m／s时，约1cm厚的混合料表层会结成硬壳，其与内部温差往往超过20 ℃.对于厚度较大的沥青面层，由于内部热量较高并不断向表层扩散，表层与内部温差一般不超过20 ℃，若及时进行碾压，表层温度的损失并不影响最终压实质量.

1.3 气温

研究气温不同时沥青路面新材料的温度散失规律，试验过程中将4cm 厚的AC－13沥青混合料装填在车辙板试模中，分别选取上午8点、上午10点、中午12点及下午2点的时间进行温度散失试验，装料后均匀捣实并在深度为2cm 位置插入温度计，记录不同气温下混合料2cm 深度处的温度从出料到降至90 ℃的时间.试验结果见表3.

表3 不同气温下沥青混合料2cm 深度的有效压实时间

以气温为横坐标，有效碾压时间为纵坐标，绘制有效碾压时间随气温的变化曲线，见图3.

图3 有效碾压时间随气温的变化曲线

由图3曲线回归公式可知，气温对混合料有效碾压时间的影响符合式（3）规律：

式中：t为有效碾压时间；T 为气温.

在其他条件相同的情况下，随着气温的升高，有效压实时间迅速增加，如33℃时的有效压实时间与21 ℃时相比，提高了15min；而随着气温的降低，有效压实时间下降，当气温过低时，即使提高摊铺温度和碾压温度，也很难保证有充足的压实时间.

1.4 下承层温度

为了研究沥青路面下承层温度对路面材料温度散失规律的影响，将下承层温度分别定为10，20，30及40 ℃，记录沥青混合料由初始温度降至90 ℃时的时间，试验结果见表4.

表4 不同下承层温度下沥青混合料2cm深度的有效压实时间

以下承层温度为横坐标，有效碾压时间为纵坐标，绘制有效碾压时间与下承层温度的变化曲线，见图4.

图4 有效碾压时间随下承层温度的变化曲线

由图4曲线可知，气温对混合料有效碾压时间的影响符合式（4）规律.

式中：Te为下承层温度；t为有效碾压时间.

与影响有效碾压时间的其它因素相比，下承层温度对沥青混合料的温度散失影响较小，近似呈一次线性关系，下承层温度提高10 ℃，有效碾压时间增加3min.

2 多因素影响下沥青路面新材料有效碾压时间的确定

通过以上单因素影响分析，初步建立了各影响因素与有效压实时间的关系，为得到实用的有效压实时间预估模型，需进一步对各因素进行多元回归.

建立沥青路面新材料有效碾压时间的多元回归模型，并根据室内试验测得数据，计算模型中各常量的取值.

式中：t为沥青混合料的有效碾压时间，min；Tb为碾压初始温度，基质沥青混合料取150℃，改性沥青混合料160 ℃，温拌沥青混合料取120 ℃；Te为碾压终了温度，基质沥青混合料取90 ℃，SBS改性沥青、胶粉改性沥青混合料100℃，温拌沥青混合料取70 ℃，OGFC路面取110 ℃，SMA路面取120℃；a，b，c，d，m，n为回归常数；T 为气温，℃；h为摊铺层厚度，cm；Td为下卧层温度；w为风速，m／s.

根据室内试验实测数据，采用Origin数据分析软件进行多元非线性回归，求得式（5）中待定系数，可得有效碾压时间的多元回归模型为

求得该预估模型残差平方和SSE＝21.4，相关系数R＝0.927，表明式（6）的预估模型与试验实测数据有较好的相关性，利用本式可以准确的预估沥青路面新材料的有效碾压时间.

3 施工现场碾压过程温度观测

为验证根据室内温度散失试验回归的有效碾压时间预估公式的准确性，本文依托陕西洛商高速双层摊铺课题试验路，进行现场温度散失观测.施工现场采用优利德235型温度传感器对试验段温度散失情况进行检测，将温度传感器的探头分别埋设至面层以下2，5cm 深度处，并与电脑连接，每隔20s自动读取数据一次，摊铺机将沥青混合料双层摊铺后不等压路机开始碾压，立刻将数据传输线按照要求埋入沥青路面中，开始温度观测，读取数据自动存入表格，直至碾压完成后拔出.温度观测布点位置图见图5，温度检测方法及频率见表5.

图5 温度散失检测布点图

表5 不同摊铺方案温度散失检测

按图5观测方案进行布点，对4cm SMA－13＋6cm AC－20，4cm SMA－13＋6cm SMA－16两种双层摊铺方案进行温度散失观测，观测结果见图6、图7.

图6 温度散失结果

由图6a）可知，随着时间的推移，沥青面层内温度分布随之变化，整体呈现下降趋势，但在部分时间段内有小范围的温度波动.同一时段路表以下5cm 处温度比2cm 处温度高0.2～4.4℃.摊铺开始时，两深度处的温度相似，随着时间的增长，温差逐步增大.沥青混合料温度平均散失速度为1.07 ℃／min，依据沥青混合料碾压温度范围的要求，以此散失速度计算可得到混合料有效碾压时间为65min.

方案一进行摊铺时，现场气温为18 ℃，下卧层温度25 ℃，风速2.3 m／s，摊铺层厚度为10 cm，由式（6）计算有效碾压时间为60.9min，与现场实测65min接近，表明预估公式可以较为准确的预估沥青路面新材料的有效碾压时间.

由图6b）可知，随着时间的推移，路表面以下2，5cm 深度处沥青混合料的温度均呈线性下降趋势，摊铺开始时，2处位置的温度相近，由于大气温度的影响，随着时间的增长，温差先逐步增大后逐渐接近；沥青混合料摊铺之后，路表以下5cm处的温度比路表以下2cm 处的温度高出0～3℃；沥青混合料温度平均散失速度为1.1 ℃／min，依据沥青混合料碾压温度范围的要求，以此散失速度计算可得到混合料有效碾压时间为55min.

方案二进行摊铺时，现场气温为12 ℃，下卧层温度17 ℃，风速3.5 m／s，摊铺层厚度为10 cm，由式（6）计算有效碾压时间为50.4min，与现场实测55min接近，表明预估公式可以较为准确的预估沥青路面新材料的有效碾压时间.

4 结 论

1）通过沥青混合料的室内温度散失试验，回归了单因素影响下沥青混合料有效碾压时间的预估公式.

2）结合单因素影响下有效碾压时间的预估公式，建立回归模型，得出了多因素下沥青混合料有效压实时间的预估公式，为施工提供指导.

3）结合洛商高速双层摊铺试验路现场温度观测结果，与室内试验总结的预估公式对比，表明可以利用该式较为准确的预估沥青路面新材料的有效碾压时间，对提高沥青路面施工压实质量具有指导意义.

［1］MAHBOUB K C，ALLEN D L.Calcool：a multilayer asphalt pavement cooling tool for temperature prediction during construction［J］.International Journal of Pavement Engineering，2001（3）：169－185.

［2］HENSLEY J.Establishing hot mix asphalt mixing and compaction temperature at the project level［J］.Asphalt，1998（5）：55－58.

［3］DAINES M E.Cooling of bituminous layers and time available for their compaction［J］.TRRL Research Report，1985（4）：99－105.

［4］BROWN J R，The cooling effects of temperature and wind on rolled asphalt surfacing［J］.TRRL Report SR，1976，624：58－64.

［5］胡长顺，黄辉华.高等级公路路基路面施工技术［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［6］胡霞光，张占军，胡长顺，等.青藏公路沥青混合料有效压实时间的分析与预估［C］∥第四届国际道路和机场路面技术大会，昆明，2002：381－389.

［7］交通部公路科学研究所.JTG F40－2004公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：标准出版社，2004.

［8］杨春霞.碾压温度对SMA－13沥青混合料压实特性影响分析［J］.公路交通科技，2011（5）：47－50.