有效压实时间对沥青路面压实质量影响的研究

姚怡彤

（甘肃省交通科学研究院有限公司，甘肃 兰州730000）

0 引言

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）规定,规范要求高速公路和一级公路的沥青路面在外界气温低于10℃时不得施工，二级及其以下等级公路的沥青路面在外界环境低于5℃时不得施工。我省高寒地区较多，年平均气温低，工期一般集中在5～10月，有限的施工期限使得这些地区的工期安排处于非常紧张状态，不利于高等级公路的建设。沥青路面之所以不能在低温施工，主要是由于低温状态下沥青混合料降温速度非常快。

导致没有充足的时间将沥青混合料充分压实，因而导致沥青路面的早期破坏。沥青混合料的压实必须在一定得温度范围内完成，研究表明，当温度低于一定的限度（中止温度）后，作用于混合料的压实功并不能显著提高混合料的密实度，仅能改善混合料的平整度。因此，压实必须在路面温度低于中止温度之前完成，否则路面无法达到理想的压实度。

1 有效压实时间的概念及计算方法

有效压实时间是指混合料从运输至现场的温度降至最低允许碾压温度所需的时间。可用于压实的有效时间取决于摊铺后混合料的冷却速度。冷却速度受铺层厚度、碾压的及时性、下承层的表面温度、气温、风力、雨雪等天气因素的影响。沥青混合料在高温时降温相当迅速，之后降温速度逐渐趋于平缓。在铺层较薄、风力较大、雨雪天气等状况下，可用于压实的有效压实时间越短；铺层越厚、天气晴朗、地表温度较高等状况下，可用于压实的有效压实时间越长。掌握沥青路面的有效压实时间对于施工现场作业人员合理安排压实工序，保证压实质量具有非常重大的实践意义。、

图2-1 混合料冷却速度较快的情况（分别是薄层、大风、雨雪天气）

图2-2 混合料冷却速度较慢的情况（分别是厚层晴天、地表温度较高）

沥青混合料对温度非常敏感，根据压实温度的允许范围，计算沥青混合料的有效压实时间，可以施工人员做出合理的压实决策，对于提高沥青路面压实效果意义显著。美国加州大学的Vaughan Voller教授和David Timm博士开发了Multicool软件，用于计算沥青混合料的有效压实时间。

图2-2是MultiCool的程序界面，MultiCool是一个易操作、简单的计算机程序，它可以计算出施工过程中热拌沥青混合料的冷却速率。它要求用户输入时间日期、纬度、气温、风速、混合料特性及每一层的铺层厚度、铺筑的材料类型、混合料温度、土基或基层是否被冻结等。程序可根据这些参数计算出每层热拌沥青混合料的冷却时间及另一层的最佳铺筑时间。有助于现场施工人员决定是否在冷天摊铺及热拌沥青混合料运输到摊铺现场的进度安排。尽管该程序不能代替良好的判断及现场观察，但它在施工计划过程及现场决策过程中起到重要作用。

本文以我国沥青路面常用的路面结构为例，即5cmSMA-16、7cmAC-20、8cmATB-25的组合方式，使用Multicool程序计算沥青混合料有效压实时间的具体步骤为：

1）确定沥青结合料PG等级

SHRP研究人员提出了将历史气温转化为路面设计温度的理念，并提供了计算方式。Superpave设计方法，允许设计者根据可靠度来确定结合料的PG等级。可靠度是年实际温度(极端最低气温或七天高气温)不超过设计温度的百分率。可靠度越高就意味着风险越低。一般情况下，要求沥青胶结料的PG高温等级必须高于气候资料计算的路面高温设计温度，而所需的PG低温等级必须低于按气候等级计算的路面低温设计温度。本文以沥青胶结料的PG等级是PG64-34级进行计算。

2）收集milticool计算所需的数据资料。对施工现场的具体施工参数进行收集，包括纬度、气温、风速、混合料特性及每一层的铺层厚度、铺筑的材料类型、混合料温度、土基或基层是否被冻结。

假设施工温度为20℃，风速为10Km/h，天气晴朗干燥的情况下，表面层选用的是5cm厚的SBS改性沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-16。根据《公路沥青路面施工技术规范》沥青路面施工的最低气温应符合总则1.0.4的要求，寒冷季节遇大风降温，不能保证迅速压实时不得铺筑沥青混合料。SBS改性沥青混合料摊铺后的温度不低于160℃，碾压终了的温度不低于90℃。经计算SMA沥青混合料有效压实时间如图3.7所示，由图知，SMA混合料在天气晴朗的某天早上10:30从摊铺温度到碾压终了的有效压实时间为28min。

图2-3 SMA-16在气温为20℃，晴朗天气状况下的有效压实时间

7cm的下面层AC-20，采用与SMA相同的气温、风速等数据，计算结果如图2-3所示，AC-20混合料在天气晴朗的情况下从摊铺完成到碾压终了的有效压实时间为52min。

图2-4 AC-20在气温为20℃，晴朗天气状况下的有效压实时间

8cm的柔性基层ATB-25，采用与SMA相同的气温、风速等数据，根据通丹高速设计文件，ATB-25采用辽宁盘锦70#沥青，由规范查的，ATB运输至现场的温度不低于145℃，碾压终了的温度不低于70℃，根据这些参数计算ATB-25的有效压实时间，ATB-25混合料在天气晴朗的情况下从摊铺完成到碾压终了的有效压实时间为84min。

上面层5cmSMA-16、下面层7cmAC-20、柔性基层8cmATB-25的有效压实时间分别为28min、52min、84min，由此可知，不同类型的沥青混合料有效压实时间变化非常显著。在有效压实时间已知的情况下，根据施工现场的实际情况，可采取相应的措施，如合理安排压实机械、增加人员配备、增加铺层厚度等措施来保证路面压实质量。沥青混合料有效压实时间的计算，对于保证沥青路面压实质量具有重要的指导意义。

3 有效压实时间的影响因素分析

不同条件下沥青混合料的有效压实时间是不尽相同的，系统的分析有效压实时间的影响因素，并找出这些因素对沥青混合料有效压实时间的影响规律，以期能在施工过程中采取有效的规避措施，从而提高沥青混合料的压实质量和沥青路面的使用寿命。

3.1 铺层厚度

铺层越厚，其有效压实时间越长，压实度越容易达到。其原因是，铺层越厚，其保温时间越长；铺层越薄，沥青混合料的冷却速度急剧增加，而沥青混合料在低温状况下粘性增大不利于压实。

假定气温、风力、混合料类型等参数不变，通过改变面层厚度来分析厚度对混合料有效压实时间的影响。同样，选择上节所所述的SMA-16，厚度分别选为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，计算结果见表3-1。

表3-1 不同路面厚度SMA的有效压实时间

图3-1 SMA面层厚度与有效压实时间的关系

图3-1直观的表明，在其他条件相同的状况下，面层厚度对沥青混合料有效压实时间影响显著，随着面层厚度的增加有效压实时间也呈现线性增长的趋势。在条件允许的情况下，适当的加大铺层厚度可有效的减小沥青混合料的冷却速率，从而增加有效压实时间，有利于压实质量的保证。

3.2 风速

风力大小主要影响铺层的表面温度及温度的下降速率，面层厚度越大，风力对混合料影响相对较小。选择气温为20℃,50mmSMA的沥青混合料压实为例，风速从5Km/h、10 Km/h、15 Km/h、20 Km/h，有效压实时间分别为31、28、27、25min。

由图可知，风速越大，沥青混合料的有效压实时间越短。风为空气的自然对流现象，风的影响促使空气的流动，加快能量的传递。因此，在无风或风力较小的情况下，沥青混合料向空中传递的热量少，混合料的降温速率也较低，用于压实的时间也相对较长。值得注意的是，在风力较大的情况下，新铺的沥青混合料表面由于迅速降温而导致表面硬化，这会导致混合料在振动压路机作用下形成热龟裂，影响沥青路面使用寿命。

3.3 气温及下承层温度

在其他条件不变的情况下，随着气温的升高，有效压实时间也会相应的增加，反之，有效压实时间减少。这是因为，气温较高时，混合料的冷却速度较小，即可用于压实的有效压实时间变长。当下承层的温度较低，由于热传导的作用，铺层混合料的温度下降较快，即有效压实时间缩短。

我国《公路沥青路面施工技术规范》中规定沥青路面不得在气温10℃(高速公路和一级公路)或5℃(其他等级公路)，以及雨天、路面潮湿的情况下施工。寒冷季节遇大风降温，不能保证迅速压实时不得铺筑沥青混合料。由此可见气温对于沥青路面压实特性有重大影响。假定其他条件基本保持不变，且假定下承层温度与气温相同，研究气温变化对有效压实时间的影响程度。还是以SMA混合料为例，选择50mmSMA，分别选择气温为15℃、20℃、25℃、30℃，分别计算混合料的有效压实时间，计算结果分别为26、28、31、34min。

计算结果表明，随着气温的增加，有效压实时间也不断增大。此外，国内外研究数据表明，当风力小于4级时，4cm厚面层的表面和内部温差一般不大，但是当风力大于4级时，表面与内部温差较大，严重时可能会超过20℃，而对于6cm厚的沥青面层，由于内部热量较高并不断向表面扩散，故表面与内部温差较4cm厚的面层要小的多。这说明，通过增加铺层厚度可削减风速对有效压实时间的影响。所以，沥青路面施工宜在温度较高的季节进行，应尽量避开雨天、大风等不良天气。

下承层温度与混合料降温速率也有一定关系,主要原因在铺层顶面与大气接触，铺层底面与下承层接触，导致上下部的降温速率较中间层快，即面层中间与面层顶面和底面存在温度差。随着面层顶面和底面温度的降低,含中间层会向上下两侧传递，因而导致面层中间点温度下降幅度大，即混合料整体降温速率变大。我国《公路沥青路面施工技术规范》中规定下承层的温度低于10℃时，改性沥青混合料或SMA沥青混合料不允许进行摊铺施工。

3.4 压实时间点

沥青混合料在不同的时间点压实，其有效压实时间也不尽相同。假定其他因素不变，分别选择08:30,10:30,12:30，14:30,16:30,18:30六个时间点进行SMA混合料的有效压实时间计算。计算结果如表3-2所示。

表3-2 不同时间点的有效压实时间

图3-2 压实时间点与有效压实时间的关系图

由图3-2可知，压实时间点与有效压实时间呈现抛物线关系，即早上开始压实时，沥青混合料降温速率比较快，到正午时，压实速率较慢，正午之后，沥青混合料降温速率升高，有效压实时间缩短。

3.5 初压温度及其他因素

沥青混合料在摊铺后、初压前的时间段内温度损失很大，而在复压、终压阶段冷却速度较低，所以及时碾压是提高压实质量的基本措施，压路机应紧跟摊铺机作业。如果碾压不及时，沥青混合料温度则会在短时间内下降而造成压实困难。故混合料的初压温度对于有效压实时间意义显著。

此外，太阳辐射、雨雪天气等因素也会影响沥青混合料的有效压实的大小。

4 结语

根据前面定量的分析，各因素对有效压实时间的影响程度从大到小依次为：面层厚度、风力、气温及下承层温度、压实时间点等。对有效压实时间影响最大的是面层厚度。风力、气温、太阳辐射、雨雪天气等是不可控制的环境因素，对于这些不利因素，我们无法改变，只能尽可能避免或采取别的措施进行补救。在施工现场应及时关注气象信息，避免在恶劣天气条件小进行沥青混合料面层的施工。如果使用multicool计算得出的时间不足以充分压实沥青混合料，可以选择一些方式延长时间，例如，通过增加压实厚度、或提高混合料初压温度来获得足够的有效压实时间。在施工前，可用该软件计算有效压实时间，并据此合理安排压实机械的类型与组合方式，可以最大程度地保证混合料的压实质量。

综上所述，环境、机械、设计、人为等因素，都会影响沥青混合料的有效压实时间。通过对有效压实时间影响因素的分析，对沥青路面的施工工序有很多重要的启示。沥青路面施工时，压路机必须紧跟摊铺机作业；合理安排运输车辆，减少等料时间；在运输过程中，应采取有效的保温措施，如加盖蓬布等；尽量减少温度损失，以保证混合料的摊铺温度和初压温度；在条件许可的情况下适当地增加压路机数量，且要合理安排碾压时间段；合理安排压路机作业顺序，从而保证沥青路面的压实质量。

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