李漢光，高 英，張李明，施 炎（.徐州市高速公路建設(shè)指揮部，江蘇 徐州 00；.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 0096；.天津市市政工程設(shè)計(jì)院，天津 0005）

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瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間確定方法

李漢光1，高 英2，張李明3，施 炎2
（1.徐州市高速公路建設(shè)指揮部，江蘇 徐州 22100；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 210096；3.天津市市政工程設(shè)計(jì)院，天津 300051）

瀝青路面使用性能與路面壓實(shí)質(zhì)量密切相關(guān)，碾壓工作須在有效壓實(shí)時(shí)間內(nèi)完成。文章通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了瀝青混合料在碾壓過(guò)程中的溫度下降規(guī)律；然后采用數(shù)值計(jì)算方法，得出了瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的多因素回歸公式；最后結(jié)合工程應(yīng)用，提出了以下臥層表面溫度確定瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的方法。

瀝青路面；有效壓實(shí)時(shí)間；下臥層；表面溫度

1　概述

大量的研究和實(shí)踐表明，壓實(shí)質(zhì)量對(duì)于路面的使用性能影響巨大。瀝青混合料的溫度從攤鋪開(kāi)始就在急速下降，瀝青路面的有效壓實(shí)時(shí)間定義為瀝青混合料從攤鋪到其溫度降低到繼續(xù)碾壓不能增加其壓實(shí)為止的時(shí)間。路面的壓實(shí)是在有效壓實(shí)時(shí)間內(nèi)完成路面的碾壓，因此確定瀝青路面的有效壓實(shí)時(shí)間至關(guān)重要。

瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的確定過(guò)程實(shí)際上就是確定瀝青混合料攤鋪碾壓過(guò)程中的降溫歷程。在施工過(guò)程中，瀝青混合料溫度場(chǎng)分布受到諸多因素的影響，如瀝青混合料類(lèi)型、氣溫、風(fēng)速等。國(guó)外對(duì)路面溫度場(chǎng)的研究開(kāi)展得較早。1957年，Barber得出了氣溫與太陽(yáng)輻射作用下均質(zhì)半無(wú)限體瀝青路面的溫度預(yù)估模型［1］。1998年，Hensley繪制了瀝青混合料在不同厚度與氣溫等條件下的降溫曲線［2］。近年來(lái)，國(guó)外還用紅外熱像儀直接觀測(cè)瀝青路面表面的溫度變化。

國(guó)內(nèi)的尹如軍等人在2000年根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，得到了瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間的回歸公式［3］。2006年，陳驍結(jié)合瀝青混合料的粘溫特性探討了其壓實(shí)過(guò)程中的降溫規(guī)律［4］。2007年，王輝等人根據(jù)實(shí)測(cè)的瀝青面層溫度數(shù)據(jù)給出了瀝青面層最高溫度出現(xiàn)的位置［5］。朱夢(mèng)良等也對(duì)瀝青混合料攤鋪碾壓過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行了相應(yīng)的研究［6-8］。

國(guó)內(nèi)外的研究主要是通過(guò)瀝青混合料溫度的冷卻速率建立模型，進(jìn)而得到瀝青混合料的有效壓實(shí)時(shí)間。這些成果具有較好的準(zhǔn)確度，但形式復(fù)雜，不利于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件變化時(shí)的及時(shí)應(yīng)用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與室內(nèi)模擬，給出瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的估算公式，然后進(jìn)行簡(jiǎn)化，盡量采用較少的檢測(cè)，獲取滿(mǎn)足工程精度需求的瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間。

2　瀝青路面碾壓溫度場(chǎng)

瀝青路面的有效壓實(shí)時(shí)間是指瀝青混合料從攤鋪的溫度降至允許碾壓的最低溫度所需要的時(shí)間。對(duì)于常用的瀝青混合料，其溫度降到85 ℃左右時(shí)，碾壓實(shí)際上已經(jīng)不能明顯地增加路面的密實(shí)度，結(jié)合施工規(guī)范，本文以瀝青混合料從攤鋪開(kāi)始到溫度降至85 ℃需要的時(shí)間定義為有效壓實(shí)時(shí)間。結(jié)合京福高速公路徐州西繞城段試驗(yàn)路，本文測(cè)試了瀝青面層層中位置在攤鋪碾壓過(guò)程中的溫度變化，以及外界環(huán)境，包括：大氣溫度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等，對(duì)瀝青路面材料溫度變化的影響。

2.1氣溫對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)的影響

氣溫的高低直接影響了瀝青混合料的熱量散失速度。本文在京福高速公路徐州西繞城段試驗(yàn)路測(cè)試了多天不同氣溫下瀝青混合料攤鋪后的溫度變化情況。此處選擇秋季溫差較大一天的早上和中午，氣溫分別為23.5 ℃和33.6 ℃的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，分析氣溫對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)的影響，見(jiàn)圖1。當(dāng)天風(fēng)速均勻，但太陽(yáng)輻射變化較大，分析時(shí)需考慮其影響。這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)厚度相同、攤鋪溫度接近，可以認(rèn)為不會(huì)由此造成有效壓實(shí)時(shí)間的差異。

圖1　不同氣溫條件下瀝青面層層中溫度場(chǎng)

由圖1可知，瀝青混合料在攤鋪后最初的5 min內(nèi)熱量損失極大，溫度急劇下降，降幅高達(dá)25 ℃左右。隨著碾壓工序的跟進(jìn)，瀝青混合料的降溫幅度逐漸變緩?？梢?jiàn)，瀝青路面施工中壓實(shí)過(guò)程應(yīng)緊跟攤鋪過(guò)程。壓實(shí)開(kāi)始時(shí)的溫度高將有助于保證瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量。

圖1顯示，氣溫較低情況下瀝青混合料的降溫幅度較高。尤其是在碾壓開(kāi)始的10 min內(nèi)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的混合料溫度相差接近15 ℃，并一直保持到了碾壓過(guò)程結(jié)束。同時(shí)本文溫度較高的測(cè)點(diǎn)時(shí)太陽(yáng)輻射較大，同樣延緩了瀝青混合料溫度的降低。可見(jiàn)，高氣溫明顯抑制了瀝青混合料的熱量散失，延長(zhǎng)瀝青路面的有效壓實(shí)時(shí)間。

2.2風(fēng)速對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)的影響

風(fēng)速大小也關(guān)系到瀝青混合料熱量的散失速度。本文選取了氣溫、太陽(yáng)輻射及瀝青混合料攤鋪溫度等條件相同，僅施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速不同的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，分析不同風(fēng)速條件下瀝青面層層中溫度場(chǎng)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同風(fēng)速條件下瀝青面層層中溫度場(chǎng)

圖2顯示，風(fēng)速大的情況下瀝青混合料的熱量散失更快、溫度降幅更大。兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的初壓溫度幾乎相同，但30 min后，風(fēng)速大測(cè)點(diǎn)的瀝青混合料溫度已比另一測(cè)點(diǎn)低了近10 ℃。兩測(cè)點(diǎn)的有效壓實(shí)時(shí)間相差接近10 min。瀝青路面施工遇到大風(fēng)天氣時(shí)，應(yīng)提高碾壓效率，保證壓實(shí)質(zhì)量。

2.3太陽(yáng)輻射對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)的影響

太陽(yáng)輻射對(duì)施工中瀝青混合料溫度場(chǎng)影響情況見(jiàn)圖3，圖中兩測(cè)點(diǎn)的氣溫、結(jié)構(gòu)及風(fēng)速等條件皆相同。

圖3　不同太陽(yáng)輻射下瀝青面層層中溫度場(chǎng)

可見(jiàn)，太陽(yáng)輻射對(duì)瀝青混合料的降溫速率有一定影響。碾壓初始時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)溫度相差僅1 ℃，隨著瀝青混合料的不斷碾壓，10 min后兩測(cè)點(diǎn)混合料出現(xiàn)溫度差，太陽(yáng)輻射值大處瀝青混合料溫度下降幅度略為緩慢。兩測(cè)點(diǎn)的有效壓實(shí)時(shí)間相差5 min左右。

2.4厚度對(duì)瀝青路面溫度場(chǎng)的影響

其他各條件皆相同，僅瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度不同的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的混合料溫度變化情況見(jiàn)圖4。圖4顯示，瀝青路面的攤鋪層厚度是影響混合料溫度場(chǎng)變化的重要因素。較厚的攤鋪層明顯有助于瀝青混合料熱量的保持，測(cè)點(diǎn)處混合料降溫速率緩慢。隨著瀝青混合料越來(lái)越密實(shí)，這種保溫效果更加明顯，兩測(cè)點(diǎn)的有效壓實(shí)時(shí)間可相差10 min左右。薄瀝青面層施工中應(yīng)更注重混合料的及時(shí)碾壓。

圖4　不同厚度瀝青面層層中溫度場(chǎng)

3　瀝青路面碾壓溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

瀝青路面攤鋪碾壓過(guò)程中的溫度場(chǎng)可以通過(guò)實(shí)測(cè)獲取，符合實(shí)際情況，但在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期的觀測(cè)中需要耗費(fèi)大量的人員、物資不具備普適性。本文采用ABAQUS分析軟件，對(duì)瀝青路面攤鋪碾壓的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬考察各因素對(duì)瀝青混合料溫度場(chǎng)分布的影響。

3.1材料熱特性參數(shù)

瀝青路面碾壓溫度場(chǎng)數(shù)值模擬所需路面材料的熱特性參數(shù)取自以往的研究成果，通過(guò)查閱路面溫度場(chǎng)研究文獻(xiàn)，確定路面各材料的熱特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　路面材料熱物理參數(shù)取值

3.2邊界條件

對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)，假設(shè)水平方向混合料的溫度梯度為零，不予考慮側(cè)面的邊界條件，因此，路面的上表面為主要邊界，底部無(wú)限深處為次要邊界。

瀝青路面施工過(guò)程中混合料與外界的熱交換主要集中在上表面，包括吸收太陽(yáng)輻射、空氣對(duì)流換熱及空氣輻射換熱；路面結(jié)構(gòu)水平方向假定不存在溫度梯度，側(cè)面邊界不予考慮，即認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)只存在豎向的熱傳導(dǎo)；土基較深處溫度波動(dòng)非常小，可以視為恒溫邊界。因此，本研究分析瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)時(shí)，各邊界條件實(shí)現(xiàn)如下：

（1） 吸收太陽(yáng)輻射

本文依托京福高速公路徐州西繞城段試驗(yàn)路，實(shí)地測(cè)量了攤鋪碾壓過(guò)程中太陽(yáng)輻射值的大小變化情況，在數(shù)值模擬時(shí)采用施工期間平均值，設(shè)定瀝青混合料表面吸收太陽(yáng)輻射的比率為0.85。

（2） 空氣對(duì)流換熱和空氣輻射換熱

瀝青路面表層和空氣間存在著對(duì)流換熱以及輻射換熱，在ABAQUS中可以通過(guò)Surface film condition和Surface radiation to ambient定義這種熱量交換情況。對(duì)流換熱及輻射換熱與空氣溫度相關(guān)，數(shù)值模擬時(shí)的氣溫采用工地施工時(shí)的實(shí)測(cè)值。

（3） 底部恒溫邊界

本次研究將路面結(jié)構(gòu)底部邊界視為恒溫邊界，取底部邊界恒溫T=20 ℃。在ABAQUS中通過(guò)Creat boundary condition定義底部邊界條件。

設(shè)路面各結(jié)構(gòu)層之間的接觸良好，在界面上既無(wú)熱源，也無(wú)熱量損失。也即，在層間界面，上下兩層的溫度T及熱流q是完全連續(xù)的。

3.3溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

通過(guò)有限元建模分析，可以得出在不同的外界氣候因素條件下，不同類(lèi)型、不同層厚的瀝青混合料在攤鋪后的溫度下降情況，得出混合料隨時(shí)間的降溫規(guī)律曲線見(jiàn)圖5、圖6。

圖5　不同大氣溫度下混合料碾壓溫度場(chǎng)

圖6　不同初壓溫度下混合料壓實(shí)溫度場(chǎng)

通過(guò)各個(gè)單因素影響分析，初步建立了各影響因素與有效壓實(shí)時(shí)間的關(guān)系，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)多元回歸方法，得到有效壓實(shí)時(shí)間的多元回歸模型：式中：t為瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間；x1、x2、x3、x4、x5分別為大氣溫度、 風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、初壓溫度和層厚。

4　基于下臥層溫度的瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的確定

上文得到的瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的預(yù)估公式包含多種因素，測(cè)量麻煩，應(yīng)用起來(lái)比較困難。考慮到下臥層表面溫度與外界條件息息相關(guān)，如能以下臥層表面溫度直接代替包括太陽(yáng)輻射、風(fēng)速及大氣溫度在內(nèi)的外界條件，用來(lái)計(jì)算有效壓實(shí)時(shí)間，則可以節(jié)省大量的儀器準(zhǔn)備和測(cè)試工作，只需要知道瀝青層層厚和初壓溫度即可，有利于施工單位更便利地應(yīng)用多因素回歸后的有效壓實(shí)時(shí)間計(jì)算公式預(yù)測(cè)混合料壓實(shí)時(shí)間。

結(jié)合徐州一級(jí)公路鄭集和張集兩段試驗(yàn)路，在瀝青混合料尚未攤鋪路段，每隔5 min左右記錄下臥層溫度，并同時(shí)讀取風(fēng)速、大氣溫度及太陽(yáng)輻射的測(cè)量值。共采集了近100組下臥層表面溫度與外界條件的數(shù)據(jù)。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)下臥層溫度與大氣溫度、太陽(yáng)輻射存在正相關(guān)關(guān)系。大氣溫度越高，輻射越強(qiáng)烈，下臥層溫度越高；而風(fēng)速越大，下臥層溫度越低?？梢?jiàn)，下臥層溫度可以宏觀體現(xiàn)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)赝饨鐨夂驐l件。為了減少參數(shù)的獲得，更方便地利用多因素回歸模型計(jì)算有效壓實(shí)時(shí)間，本文利用下臥層溫度代替氣溫、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射，獲得瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間計(jì)算公式如下：

式中：t為瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間；x1，x2，x3分別為下臥層溫度、 初壓溫度和層厚。

瀝青混合料的粘度隨溫度降低而增大，并對(duì)瀝青路面的碾壓產(chǎn)生影響，從以往研究獲得的瀝青粘度與溫度的關(guān)系曲線，及瀝青路面施工需求，可以認(rèn)為在攤鋪碾壓過(guò)程中，10 min的時(shí)間差并不會(huì)對(duì)瀝青混合料的碾壓產(chǎn)生大的影響，是允許的誤差范圍。本文以試驗(yàn)路某一天的測(cè)試驗(yàn)證應(yīng)用下臥層表面溫度計(jì)算有效壓實(shí)時(shí)間的可行性。當(dāng)時(shí)氣溫25.7 ℃，風(fēng)速2 m/s，太陽(yáng)輻射700 W/m2，瀝青混合料初壓溫度164 ℃，攤鋪結(jié)構(gòu)層厚度4 cm，下臥層表面溫度27 ℃，采用多因素回歸模型可得瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間為50.8 min，采用下臥層表面溫度估算瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間為50.2 min，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間為52 min，兩種方法預(yù)估的壓實(shí)時(shí)間都在可接受范圍，可見(jiàn)采用下臥層計(jì)算得到有效壓實(shí)時(shí)間的方法是可行的。

5　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了瀝青混合料在碾壓過(guò)程中的溫度下降規(guī)律，然后采用數(shù)值計(jì)算方法，得出了瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的多因素回歸公式，最后結(jié)合工程實(shí)際情況，提出了以下臥層表面溫度確定瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間的方法。

（1）熱拌瀝青混合料在攤鋪后及最初的碾壓過(guò)程中溫度急劇下降，損失極大，在攤鋪后的5 min內(nèi)，一般會(huì)下降25 ℃左右，此后，溫度下降幅度逐漸減小。

（2）混合料攤鋪時(shí)的溫度場(chǎng)變化與大氣溫度、太陽(yáng)輻射及風(fēng)速等因素密切相關(guān)，通過(guò)回歸分析，建立了各影響因素與有效壓實(shí)時(shí)間的關(guān)系，得到實(shí)用的有效壓實(shí)時(shí)間預(yù)測(cè)模型。

（3）對(duì)瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間預(yù)估公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，獲得了基于下臥層表面溫度的瀝青路面有效壓實(shí)時(shí)間確定方法。

［1］Barber，E. S.. Calculation of Maximum Pavement Temperatures From Weather Report，Bulletin 168，1957：1-8.

［2］Hensley Jal. Establishing hot mix asphalt mixing and compaction temperature at the project level［J］. ASPHALT，1998.

［3］尹如軍，李玉婷，張占軍.瀝青混合料有效壓實(shí)時(shí)間的實(shí)測(cè)和分析［J］.公路，2001（2）:83-86.

［4］陳驍，楊平，吳亞中，等.基于粘溫特性的瀝青混合料施工溫度指標(biāo)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（2）：45-51.

［5］王輝，吳亮，張起森.瀝青路面實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)的分析［C］∥中國(guó)公路學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)，2007.

［6］朱夢(mèng)良，蘇舉.瀝青穩(wěn)定碎石（ATB30）的溫度與壓實(shí)的關(guān)系［J］.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，21（4）：21-26.

［7］ 鄭健龍，錢(qián)國(guó)平.熱拌瀝青混合料施工壓實(shí)過(guò)程中溫度場(chǎng)變化規(guī)律研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.

［8］ 劉凱.瀝青路面溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

Calculation Method of Effective Compaction Time for Asphalt Pavement

Li Hanguang1， Gao Ying2， Zhang Liming3， Shi Yan2
（1. Xuzhou Highway Construction Management Bureau， Xuzhou 221002， China；
2. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， China；
3. Tianjing Municipal Engineering Design & Research Institute， Tianjing 300051， China）

Performance of asphalt pavement directly depended on the quality of compaction. All the compaction work should be finished in the effective compaction time. The cooling rule of asphalt mixture was got by in situ temperature measurement of test roads. The effective compaction time estimation equation was founded by numerical computation method. Based on the surface temperature of underlying layer， it recommended a calculation method of effective compaction time.

asphalt pavement； effective compaction time； underlying layer； surface temperature

U414

A

1672-9889（2016）02-0023-03

國(guó)家自然基金（項(xiàng)目編號(hào)：51108081）；江蘇省第四期“333工程”科研資助項(xiàng)目

李漢光（1966-），男，江蘇邳州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事路基路面工程方面的工作。

（2015-09-28）