鄒志輝

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

溫度對瀝青路面的施工質(zhì)量影響較大，《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)中對瀝青混合料的攤鋪溫度等有明確規(guī)定，但鑒于不同瀝青路面工程所處的環(huán)境、所用材料等存在差異，完全遵循規(guī)范可能達不到預定質(zhì)量要求，合理的溫度范圍很大程度上影響了瀝青混合料的壓實特性，為此有必要進行瀝青混合料的溫度相關試驗研究[1]。一般情況下，高溫碾壓可以增強瀝青混合料的路用性能，但碾壓溫度過高反而會加速瀝青乳化，降低瀝青混合料質(zhì)量，碾壓溫度過低則達不到較好的碾壓效果[2]。因此，確定好合理碾壓溫度范圍及碾壓時間是瀝青路面施工的關鍵質(zhì)量控制點。國內(nèi)外學者對瀝青混合料的施工技術、材料組成等進行了研究: 如張乃計等[3]以溫度為研究變量，進行了瀝青混合料不同溫度下的剪切試驗，從而建立了瀝青混合料粘結(jié)層之間溫度-強度的函數(shù)關系式，研究結(jié)果為瀝青路面的整體性能提升提供了依據(jù)；高杰等[1]采用紅外熱像儀就瀝青路面的溫度變化進行了相關試驗，研究了路面溫度對路面壓實度的影響程度，給出了研究路段的實測壓實度代表值等內(nèi)容，并提出了溫度-壓實度之間的相關性。綜上所述，國內(nèi)外研究者在研究瀝青混合料的溫度影響其壓實特性方面均結(jié)合了具體的實際試驗，并獲得了可靠性強試驗結(jié)果，指導了施工實踐，但研究成果全面推廣運用還有待考究。為此，本文基于SMA-13混合料的項目實例，以溫度為研究變量進行SMA-13混合料的現(xiàn)場試驗及施工控制研究，以期獲得可供現(xiàn)場施工質(zhì)量控制的借鑒成果。

1 SMA-13瀝青混合料壓實特性與溫度的關系

1.1 試驗設計

以G5513長沙至益陽高速公路擴容工程為例，試驗路段為K30+884～K31+384左幅，全長500 m。主車道路面結(jié)構(gòu)瀝青上面層采用4 cm厚的SMA-13混合料。

瀝青在混合料中起到潤滑和粘滯作用，故瀝青對SMA混合料的性能影響較大，考慮到溫度能夠影響SMA混合料中的瀝青狀態(tài)及其他組成材料的性能，因此需要重點關注壓實溫度對壓實特性的影響[4]。本文以壓實溫度為變量，進行SMA-13混合料的壓實特性研究，在規(guī)定范圍內(nèi)將壓實溫度分為：170 ℃、160 ℃、150 ℃、140 ℃、 130 ℃、 120 ℃、 100 ℃、80 ℃、60 ℃?？紤]到瀝青在170 ℃時容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象，因此設置的最高碾壓溫度為170 ℃。SMA-13混合料采用馬歇爾試驗進行設計，試件尺寸為101.6 mm×63.5 mm，理論最大密度為2.46 g /cm3，試驗中采用的拌合溫度為 (160±2) ℃，拌合時間為3 min。拌合完成后將SMA-13馬歇爾試件升溫或者降溫使其達到成型溫度，再進行擊實試驗，擊實75次。按照規(guī)范要求制作3個試件，測定馬歇爾試驗指標內(nèi)容，取均值作為最終測定值。

1.2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果見表1，將試件在不同成型溫度下的馬歇爾試驗指標值繪制曲線關系圖見圖1。

表1 不同成型溫度下SMA-13瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果成型溫度/℃毛體積密度/(g·cm-3)空隙率/%瀝青飽和度/%礦料間隙率/%流值/0.1mm穩(wěn)定度/kN602.274.6769.4518.6039.55.2802.363.9275.5218.1837.16.11002.373.8376.0117.6334.96.21202.393.6278.5617.0331.36.21302.403.5279.2216.8230.76.31402.413.2180.1316.3228.96.41502.412.9681.9416.1530.36.61602.412.9282.1816.1333.76.71702.422.6782.7815.9130.86.9

圖1 不同成型溫度下馬歇爾試驗指標關系曲線

1.2.1空隙率、礦料間隙率、流值受成型溫度影響分析

由圖1可知，隨著成型溫度逐漸升高，馬歇爾試件的空隙率、礦料間隙率呈現(xiàn)出反相關關系。當成型溫度達到170 ℃時，試件的空隙率、礦料間隙率最低,造成此類結(jié)果主要原因是合理的碾壓溫度范圍內(nèi)，隨著碾壓溫度升高，瀝青粘度逐漸降低，瀝青扮演的潤滑、填充等作用越來越顯著，瀝青混合料形成更為密實的結(jié)構(gòu)，從而導致瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率降低；當成型溫度較低，如低于80 ℃時，試件的空隙率較大，主要原因是瀝青的粘度高，限制了骨料運動，從而形成的結(jié)構(gòu)不密實，空隙率等指標大，超過了SMA-13混合料空隙率3%～4%的范圍。

瀝青混合料空隙率過大對瀝青路面的透水不利，同時影響瀝青路面的疲勞性能。因此，在施工過程中必須嚴格控制好碾壓溫度，確保瀝青路面的空隙率滿足規(guī)定要求。礦料的間隙率不宜過大或者過小，礦料間隙率過大會影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)車轍等病害；礦料間隙率過小則容易導致SMA-13瀝青混合料的耐久性及抗疲勞能力減弱，從而影響其使用壽命。

流值隨著碾壓溫度增大逐漸變小，在130 ℃時達到最低，但在140 ℃又開始增加，后又減少，并未呈現(xiàn)出線性關系。

1.2.2毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度受成型溫度影響分析

隨著成型溫度升高，SMA-13瀝青混合料的毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度逐漸增大，呈現(xiàn)出明顯的正相關關系。當溫度超過80 ℃后，馬歇爾試件的穩(wěn)定度隨著溫度的升高增長量變小。

造成此結(jié)果主要原因是在合理的碾壓溫度范圍內(nèi)，隨著碾壓溫度逐漸增大，瀝青稠度變小，有助于混合料在受壓情形下形成密實結(jié)構(gòu)，礦料的密實同時增大了瀝青的飽和度。

因此，SMA-13瀝青混合料碾壓過程中要控制好碾壓的溫度，同時注意碾壓的及時性。

1.3 有效碾壓溫度確定

《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)要求SMA混合料路面的壓實度應≥97%，為此，可根據(jù)壓實度指標來確定有效碾壓溫度。

由1.2節(jié)中分析可知，SMA-13混合料的成型溫度與混合料空隙率呈現(xiàn)相反關系，可見要得到較低混合料空隙率需要較高的成型溫度，而規(guī)范對空隙率的要求并不高，對應的成型溫度要求也就不高，但成型溫度過低則試件難以壓實。

試件的礦料間隙率及流值也呈現(xiàn)反相關關系。當試件成型溫度在80 ℃以下時，試件穩(wěn)定度出現(xiàn)拐點，可見80 ℃壓實溫度是試件質(zhì)量控制的關鍵點，且壓實溫度為80 ℃以下時試件的穩(wěn)定度、空隙率不能滿足要求，對應的路面壓實質(zhì)量不能達到要求?？梢哉J為SMA-13混合料的壓實溫度應大于或等于80 ℃。

綜上所述，應控制SMA-13混合料的壓實溫度在80 ℃以上。

1.4 瀝青混合料有效壓實時間分析

瀝青混合料施工應控制好碾壓時間，尤其是在低壓實溫度下。有效壓實時間是指瀝青混合料出場、攤鋪到最終碾壓的時間。一旦出現(xiàn)大氣溫度不高、碾壓時間過長、碾壓過慢等情況，SMA-13混合料的有效碾壓溫度可能得不到保障。因此，需根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境確定碾壓溫度變化與大氣環(huán)境之間的關系。

SMA — 13混合料攤鋪時，攤鋪溫度場具有瞬時特性，大氣溫度、太陽輻射等因素均能影響該溫度場，因此可綜合大氣溫度、風速、太陽輻射等因素考慮碾壓溫度的變化，進而確定攤鋪的控制時間。

《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定了采用輪胎壓路機終壓時，終壓溫度為80 ℃。再結(jié)合1.3節(jié)中確定的80 ℃有效碾壓溫度，選擇80 ℃作為SMA-13混合料壓實的最低控制溫度，以外界氣溫為研究變量，設置多個外界施工氣溫值，考察出場溫度為150 ℃及170 ℃時瀝青混合料的有效碾壓時間，即瀝青混合料出場溫度降低到最低控制溫度的時間?，F(xiàn)場氣溫和瀝青混合料溫度均采用溫度計測得，按照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定進行試驗。

分析時認為瀝青上面層厚4～5 cm，瀝青下面層厚6～8 cm，同時假定8 cm為瀝青厚層與薄層分界厚度，具體計算結(jié)果如表2所示。

表2 有效碾壓時間試驗結(jié)果施工氣溫/℃150 ℃出場溫度下有效碾壓時間/min170 ℃出場溫度下有效碾壓時間/min上面層下面層上面層下面層51112159<101216211317182417212126

由表2可知，施工氣溫影響了瀝青混合料的有效碾壓時間，隨著外界施工氣溫逐漸增大，瀝青混合料的有效碾壓時間逐漸增大。出場溫度不同，有效碾壓時間也有差異，170 ℃的有效碾壓時間較150 ℃的有效碾壓時間長。尤其要注意在氣溫5 ℃下施工時，初始碾壓段落在20 m以上，170 ℃出場溫度的上面層有效碾壓時間低于10 min，這可能給后期瀝青路面質(zhì)量造成隱患。此外，當高速公路路面采用SMA-13混合料時，需提高混合料有效碾壓時間來確保壓實度達到98%的規(guī)范要求。

充分考慮大氣溫度、太陽輻射、風速等因素對碾壓時間的影響，建立多元因素回歸模型，輸入各參數(shù)的實測值，擬合得到SMA-13混合料的有效壓實時間公式：

t=0.127x1-1.03x2+0.004 5x3+

0.266x4+12.31x5-97.79

(1)

式中：x1為大氣溫度，℃；x2為風速，m/s；x3為太陽輻射,W/m2；x4為初壓溫度,℃；x5為鋪層厚度，cm。

施工中只需測定各個參數(shù)實測值，再代入式(1)中，即可獲得有效碾壓時間，從而便于施工技術人員合理安全施工。

2 SMA-13施工現(xiàn)場溫度控制分析

溫度作為控制施工質(zhì)量的重要因素在確保工程質(zhì)量上發(fā)揮了關鍵作用，為此，針對性的進行SMA-13混合料的溫度分析可確保施工溫度滿足規(guī)范要求，從而指導施工實踐[5]。本文就以上試驗路段的瀝青路面采用紅外熱像儀監(jiān)測瀝青路面施工過程中的溫度變化，根據(jù)路面層次的溫度變化來分析路面混合料溫度離析現(xiàn)象。

2.1 溫度離析

瀝青混合料在攤鋪前及攤鋪過程中均會發(fā)生溫度損失，并且不同攤鋪位置的瀝青混合料溫度損失程度不同，再者外界因素不同，瀝青混合料的溫度損失也有差異，這種瀝青混合料在不同區(qū)域內(nèi)的溫度差異稱為溫度離析。溫度離析一般會對瀝青混合料的空隙率、密度等關鍵指標產(chǎn)生影響，溫度離析過大是不利的，會造成瀝青混合料中溫度較低的部分難以壓實，降低路面的平整度及壓實度等，進而導致路面水損，降低路面的使用壽命等?？紤]SMA-13瀝青混合料施工過程中的影響因素，為確保瀝青路面的施工質(zhì)量，進行瀝青混合料的溫度離析分析具有較大的實踐意義。

2.2 攤鋪現(xiàn)場溫度測量

采用紅外熱像儀對攤鋪中的某路段進行的溫度測量。A路段攤鋪紅外熱像分析圖見圖2，攤鋪機溫度變化情況見表3，攤鋪過程中外界溫度為23 ℃。

圖2 A路段攤鋪紅外熱像分析圖

表3 A路段溫度分布表(攤鋪1.7 h)℃最高溫度最低溫度溫度最大差值平均溫度A路段146.7141.65.1143.67

由表3可知，攤鋪1.7 h后，A路段瀝青混合料平均溫度為143.67 ℃，最高溫度與最低溫度的差值為5.1 ℃<10 ℃，不會出現(xiàn)溫度離析。觀測發(fā)現(xiàn)在接縫處有部分溫度發(fā)生變化，但屬正?，F(xiàn)象，對施工無顯著影響。

試驗中對區(qū)域A初壓、復壓、終壓的紅外熱像及溫度進行采集，其中線A為初壓與復壓交界處,復壓階段的紅外熱像圖如圖3所示，終壓階段紅外熱像分析如圖4所示。初壓、復壓、終壓區(qū)域內(nèi)溫度分布如表4所示。

圖3 區(qū)域A復壓階段紅外線圖

圖4 區(qū)域A終壓-紅外熱像分析圖

表4 區(qū)域A、B溫度分布表℃碾壓階段區(qū)域最高溫度最低溫度溫差最大值平均溫度初壓區(qū)域A159.2131.327.9147.2區(qū)域B158.3149.58.7154.3復壓區(qū)域A145.7136.79.0140.5線A139.3122.516.8131.7線A129.191.237.9110.2終壓線B132.2116.116.1124.2線C100.692.97.796.8

表4反映了不同區(qū)域在初壓、復壓、終壓3個階段的溫度分布情況。從最大溫差值來看，區(qū)域A溫差較大，說明經(jīng)過初壓后，碾壓部分溫度下降值較為明顯，但此時瀝青混合料表面溫度的不均勻分布是由施工中鋼輪碾壓時灑水所致，其最終的平均溫度在147.2 ℃。區(qū)域B中最大溫差8.7 ℃<10 ℃，未出現(xiàn)溫度離析現(xiàn)象，平均溫度為154.3 ℃>150 ℃，滿足最低初壓溫度要求。

復壓中，平均溫度為140.5 ℃，最大溫差為9.0 ℃<10 ℃，無離析現(xiàn)象，滿足復壓最低溫度130 ℃。線A為復壓與初壓交界處，對應的復壓區(qū)域平均溫度為131.7 ℃左右，與初壓區(qū)域溫差16.8 ℃左右，說明隨著碾壓次數(shù)增加，瀝青混合料溫度逐漸降低。

終壓中，線A、線B、線C所對應位置處的瀝青混合料溫度具有顯著的漸變趨勢。由于線A橫跨了復壓、終壓區(qū)域，因而溫度差異大，但終壓后溫度能夠維持在100 ℃左右，滿足最低終壓溫度80 ℃的要求。

2.3 現(xiàn)場溫度離析控制措施

溫度離析主要發(fā)生在瀝青混合料運輸及拌合過程中，因此需嚴格按照要求進行瀝青混合料的運輸及拌合?？紤]瀝青混合料的集料存放地點差異，在進行瀝青混合料現(xiàn)場施工配比設計時需考慮原材料差異影響，可結(jié)合各個集料的現(xiàn)狀對混合料的配比值進行微調(diào),以避免集料的差異性影響，從而降低原材料在拌合及運輸中的離析現(xiàn)象。

在瀝青混合料運輸及拌合過程中，全面分析瀝青混合料拌合及運輸中的關鍵技術及工藝，優(yōu)化施工環(huán)境，如增設瀝青混合料轉(zhuǎn)運車輛，進行二次拌合，將“拌合-運輸-攤鋪-壓實”優(yōu)化為“拌合-運輸-中途轉(zhuǎn)運-攤鋪-壓實”。攤鋪中可采用轉(zhuǎn)運車輛，加強拌合力度，確保拌合均勻，同時轉(zhuǎn)運車輛需確保拌合和攤鋪同步進行?？傊ㄟ^科學布局、精確施工，以最優(yōu)的施工工藝降低溫度離析現(xiàn)象。

3 小結(jié)

1) 隨著成型溫度逐漸升高，馬歇爾試件的空隙率、礦料間隙率呈現(xiàn)出了反相關關系，當成型溫度達到170 ℃時，試件的空隙率、礦料間隙率最低。隨著成型溫度的增大，SMA-13瀝青混合料的毛體積密度、瀝青飽和度、穩(wěn)定度逐漸增大，呈現(xiàn)出了明顯的正相關關系。當溫度超過100 ℃后，馬歇爾試件的穩(wěn)定度隨著溫度的升高,其增長量變小。SMA-13瀝青混合料碾壓過程中要控制好碾壓溫度，同時注意碾壓的及時性。

2) 從現(xiàn)場施工及壓實效果來看，將SMA-13混合料的有效碾壓溫度控制在80 ℃及以上能夠確保SMA-13混合料的壓實質(zhì)量。施工氣溫影響瀝青混合料的有效碾壓時間，隨著外界施工氣溫逐漸增大，瀝青混合料的有效碾壓時間逐漸增大。出場溫度不同，有效碾壓時間也有差異，應注意低溫施工的碾壓時間控制。

3) 采用紅外熱像儀對SAM-13瀝青混合料施工初壓、復壓、終壓進行溫度檢測，從檢測數(shù)據(jù)來看，SMA-13混合料施工過程中的溫度控制得當，基本上沒有出現(xiàn)溫度離析情況。