温度变化对沥青摊铺全过程的影响

白荷军

(甘肃省公路航空旅游投资集团有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

因温度效应使沥青公路结构严重裂损，导致公路事故频发，这样的事在上世纪的全球时有发生，从而引起了人们的充分重视。国内外学者对此大量进行了相关研究，其中的一些被规范采纳，甚至被广泛应用。但就温度变化对沥青摊铺全过程的影响上，却很少有学者进行系统的实验和研究。

在沥青摊铺的全过程中，都必须要考虑温度变化所带来的影响。沥青材料的导热性能较差，在短时间内，沥青摊铺质量受温度影响不明显，但随时间的延长，沥青材料的各方面性能会受温度影响发生明显的变化。综上所述，高温摊铺环境下，沥青的温度场有较明显时空分布的特征，进行相关实验研究也因此具有一定可行性和可操作性。

1 资料与方法

1.1 建立路面结构模型

本文选取的沥青路截面结构。事实上，同路宽方向相比，路面深度方向趋于无限。在研究温度变化对沥青摊铺全过程的影响上，不可能对无限空间内的沥青层面进行实验研究。通过对沥青路面建模经验的总结，选用的沥青样本尺寸为土基深度取5 m，沥青路面宽度取3 m。选取直接铺筑在基层上的下面层沥青混合料AC-25作为研究层。

路面结构假设如下：(1)沥青路面各层都是各向同性和均质的结合体；(2)路面各层接触良好，保持连续的热传导；(3)侧面边界为绝热边界；(4)在沥青层足够深的层面上，温度变化引发的影响忽略不计。

1.2 温度场分析理论

随着摊铺碾压步骤的逐步落实，沥青混合料的温度场会不断地发生变化，并最终趋于稳定，属于瞬态问题。瞬态热传导方程为

[A]{P′}+[M]{P}={G}

(1)

式中:[M]表示沥青温度传导矩阵；[A]表示沥青比热容矩阵；{P}表示青节点温度向量；{P′}表示沥青摊铺过程中的温度对时间的导数；{G}表示节点热流率向量。

当温度发生变化，材料边界条件、热性能也随之变化时，式(1)需要转变为以下形式

[A(P)]{P′}+[M(P)]{P}={G(P)}

(2)

式中:A(P)表示有关比热容矩阵的温度函数；M(P)表示有关节点温度向量的温度函数；G(P)表示随温度发生变化的边界条件函数。

以上两道公式，即为温度场分析理论的数学式表达。通过温度场分析理论的数学式表达，在实验过程中可以更好地进行温度上的计算。

2 沥青摊铺温度实验

2.1 实验条件

本次实验将位于某一沥青路中间路段的沥青路段断截面作为实验样本，沥青路段断截面的具体位置见图1。

图1 测试断面位置(单位:cm)

该沥青路段断截面埋设了温度传感器。温度传感器的具体设置如下。温度测量范围为80～150 ℃；温度测量的精确度为士0.25 ℃。测试仪器采用配套的振弦读数仪，这是一套具备较稳定的系统性能的测试仪器，完全达到沥青摊铺温度实验的温度测试要求。

2.2 实验过程

该实验在保持其他条件不变的情况下，控制温度的变化。在不同的温度条件下，观察和记录沥青路段在压实度、稳定度、毛体积相对密度以及空隙率等方面性能上的转变。

2.3 实验结果分析

(1)压实度方面

沥青路断截面中温度与压实度的对应变化过程如图2所示。

图2 沥青路断截面温度与压实度的对应变化

从图2中可以看出，在数据密度上，沥青压实度比沥青温度场数据密度低，且在同一沥青压实度测点处，有8个沥青温度数值和它互相对应。通过这些数据，可以对每个测点所处的沥青温度场有个大致了解。在对这些数据进行分析后，有以下两个发现。

一方面，在沥青温度保持稳定的情况下，所有实验区域的压实度数据波动强烈。在对沥青温度数据和压实度数据进行相关性分析后，可发现他们的相关性系数较低，数据之间不对应，呈不相关关系。这表明在稳定温度场下，沥青温度与压实度之间的关系不明确，无法进行联系。

另一方面，在图中区域3前1/3位置，温度和压实度数值相近，趋势相似，这表明他们之间的对应关系显著，呈正相关关系。

所以，可得出结论：低温条件下，沥青的压实度不足。在沥青摊铺过程中，需要对低温位置反复碾压，才能保证沥青的压实质量与均匀性。

(2)稳定度方面

沥青路断截面温度与稳定度的对应变化过程如图3所示。

图3 纵向截面中温度与稳定度的对应变化

根据对图3的分析可知，沥青摊铺的成型温度与沥青的稳定度呈正相关关系。拌和温度的变化没使沥青摊铺的稳定度发生明显变化，表明沥青的拌和温度与稳定值之间的关系不对应，无法将沥青的拌和温度纳入沥青摊铺稳定度的影响因素之中。

(3)毛体积相对密度方面

沥青路断截面温度与毛体积相对密度的对应变化过程如图4所示。

图4 纵向截面中温度与毛体积相对密度的对应变化

根据对图4的分析可知，沥青摊铺过程中的拌和温度越高，毛体积相对密度就越大；沥青摊铺的成型温度越高，毛体积相对密度变化的速度就越慢；当沥青摊铺的成型温度为80 ℃时，当沥青摊铺的成型温度为150 ℃和80 ℃时，无论拌和温度在150～180 ℃之间如何变化，毛体积相对密度基本保持恒定状态，且成型温度为150 ℃时的毛体积相对密度最大，成型温度为80 ℃时的毛体积相对密度最小。总体来说，沥青摊铺的拌和温度和成型温度越高，毛体积相对密度就越高，沥青摊铺的质量就越好。

(4)空隙率方面

沥青路断截面温度与空隙率的对应变化过程如图5所示。

图5 纵向截面中温度与空隙率的对应变化

根据对图5的分析可知，沥青摊铺过程中的拌和温度越高，空隙率就越低；沥青摊铺的成型温度越高，空隙率就越低。综上所述，成型温度和拌和温度与沥青摊铺空隙率之间都呈负相关的关系。在沥青摊铺的过程中，保持较高的沥青拌和温度和沥青成型温度才能确保沥青摊铺较低的空隙率。

2.4 实验结果总结

在沥青摊铺的全过程中，温度变化对沥青摊铺的总体质量和各方面性能有着至关重要的影响。要确保沥青摊铺的总体质量过关，就需要有较高的压实度、稳定度和毛体积相对密度以及较低的空隙率。

在实验过程中，拌和温度和成型温度作为自变量，通过控制这两种温度的变化，观测沥青摊铺的压实度、稳定度、毛体积相对密度以及空隙率这些性能方面的变化，从而分析出温度变化对沥青摊铺受温度变化的影响。

通过实验的对比分析，可以得出如下结论。即沥青摊铺过程中的拌和温度越低，压实度和毛体积相对密度就越低，空隙率就越高；沥青摊铺的成型温度越低，稳定度、毛体积相对密度就越低，空隙率就越高。可以看出压实度、稳定度和毛体积相对密度与温度呈正相关关系，而空隙率与温度呈负相关关系。综上所述，在沥青摊铺的全过程中，温度变化对沥青摊铺的总体质量和各方面性能有着至关重要的影响。

3 结束语

本文通过进行沥青摊铺温度实验，对受温度变化影响的性能数值进行分析，发现沥青摊铺过程中的压实度、稳定度、毛体积相对密度以及空隙率这些性能受温度影响较大。在实验过程中，由于天气原因，导致对除自变量以外的变量控制力度不足，使实验结果的准确性受到影响。在之后的研究道路上，会持续加强对无关变量的把控力度，让实验更具说服力。希望沥青摊铺期间的温度变化实验可以为沥青摊铺的相关研究提供新的思路和新的视角，让沥青摊铺的相关研究更进一步。在现实的应用中，为设计和施工提供指导，发挥更大的工程应用价值。