白荷軍

(甘肅省公路航空旅游投資集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

因溫度效應(yīng)使瀝青公路結(jié)構(gòu)嚴(yán)重裂損，導(dǎo)致公路事故頻發(fā)，這樣的事在上世紀(jì)的全球時(shí)有發(fā)生，從而引起了人們的充分重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此大量進(jìn)行了相關(guān)研究，其中的一些被規(guī)范采納，甚至被廣泛應(yīng)用。但就溫度變化對(duì)瀝青攤鋪全過(guò)程的影響上，卻很少有學(xué)者進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和研究。

在瀝青攤鋪的全過(guò)程中，都必須要考慮溫度變化所帶來(lái)的影響。瀝青材料的導(dǎo)熱性能較差，在短時(shí)間內(nèi)，瀝青攤鋪質(zhì)量受溫度影響不明顯，但隨時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青材料的各方面性能會(huì)受溫度影響發(fā)生明顯的變化。綜上所述，高溫?cái)備伃h(huán)境下，瀝青的溫度場(chǎng)有較明顯時(shí)空分布的特征，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也因此具有一定可行性和可操作性。

1 資料與方法

1.1 建立路面結(jié)構(gòu)模型

本文選取的瀝青路截面結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，同路寬方向相比，路面深度方向趨于無(wú)限。在研究溫度變化對(duì)瀝青攤鋪全過(guò)程的影響上，不可能對(duì)無(wú)限空間內(nèi)的瀝青層面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)瀝青路面建模經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，選用的瀝青樣本尺寸為土基深度取5 m，瀝青路面寬度取3 m。選取直接鋪筑在基層上的下面層瀝青混合料AC-25作為研究層。

路面結(jié)構(gòu)假設(shè)如下：(1)瀝青路面各層都是各向同性和均質(zhì)的結(jié)合體；(2)路面各層接觸良好，保持連續(xù)的熱傳導(dǎo)；(3)側(cè)面邊界為絕熱邊界；(4)在瀝青層足夠深的層面上，溫度變化引發(fā)的影響忽略不計(jì)。

1.2 溫度場(chǎng)分析理論

隨著攤鋪碾壓步驟的逐步落實(shí)，瀝青混合料的溫度場(chǎng)會(huì)不斷地發(fā)生變化，并最終趨于穩(wěn)定，屬于瞬態(tài)問(wèn)題。瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為

[A]{P′}+[M]{P}={G}

(1)

式中:[M]表示瀝青溫度傳導(dǎo)矩陣；[A]表示瀝青比熱容矩陣；{P}表示青節(jié)點(diǎn)溫度向量；{P′}表示瀝青攤鋪過(guò)程中的溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；{G}表示節(jié)點(diǎn)熱流率向量。

當(dāng)溫度發(fā)生變化，材料邊界條件、熱性能也隨之變化時(shí)，式(1)需要轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵滦问?/p>

[A(P)]{P′}+[M(P)]{P}={G(P)}

(2)

式中:A(P)表示有關(guān)比熱容矩陣的溫度函數(shù)；M(P)表示有關(guān)節(jié)點(diǎn)溫度向量的溫度函數(shù)；G(P)表示隨溫度發(fā)生變化的邊界條件函數(shù)。

以上兩道公式，即為溫度場(chǎng)分析理論的數(shù)學(xué)式表達(dá)。通過(guò)溫度場(chǎng)分析理論的數(shù)學(xué)式表達(dá)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以更好地進(jìn)行溫度上的計(jì)算。

2 瀝青攤鋪溫度實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

本次實(shí)驗(yàn)將位于某一瀝青路中間路段的瀝青路段斷截面作為實(shí)驗(yàn)樣本，瀝青路段斷截面的具體位置見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)試斷面位置(單位:cm)

該瀝青路段斷截面埋設(shè)了溫度傳感器。溫度傳感器的具體設(shè)置如下。溫度測(cè)量范圍為80～150 ℃；溫度測(cè)量的精確度為士0.25 ℃。測(cè)試儀器采用配套的振弦讀數(shù)儀，這是一套具備較穩(wěn)定的系統(tǒng)性能的測(cè)試儀器，完全達(dá)到瀝青攤鋪溫度實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)試要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

該實(shí)驗(yàn)在保持其他條件不變的情況下，控制溫度的變化。在不同的溫度條件下，觀察和記錄瀝青路段在壓實(shí)度、穩(wěn)定度、毛體積相對(duì)密度以及空隙率等方面性能上的轉(zhuǎn)變。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)壓實(shí)度方面

瀝青路斷截面中溫度與壓實(shí)度的對(duì)應(yīng)變化過(guò)程如圖2所示。

圖2 瀝青路斷截面溫度與壓實(shí)度的對(duì)應(yīng)變化

從圖2中可以看出，在數(shù)據(jù)密度上，瀝青壓實(shí)度比瀝青溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)密度低，且在同一瀝青壓實(shí)度測(cè)點(diǎn)處，有8個(gè)瀝青溫度數(shù)值和它互相對(duì)應(yīng)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)所處的瀝青溫度場(chǎng)有個(gè)大致了解。在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，有以下兩個(gè)發(fā)現(xiàn)。

一方面，在瀝青溫度保持穩(wěn)定的情況下，所有實(shí)驗(yàn)區(qū)域的壓實(shí)度數(shù)據(jù)波動(dòng)強(qiáng)烈。在對(duì)瀝青溫度數(shù)據(jù)和壓實(shí)度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析后，可發(fā)現(xiàn)他們的相關(guān)性系數(shù)較低，數(shù)據(jù)之間不對(duì)應(yīng)，呈不相關(guān)關(guān)系。這表明在穩(wěn)定溫度場(chǎng)下，瀝青溫度與壓實(shí)度之間的關(guān)系不明確，無(wú)法進(jìn)行聯(lián)系。

另一方面，在圖中區(qū)域3前1/3位置，溫度和壓實(shí)度數(shù)值相近，趨勢(shì)相似，這表明他們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系顯著，呈正相關(guān)關(guān)系。

所以，可得出結(jié)論：低溫條件下，瀝青的壓實(shí)度不足。在瀝青攤鋪過(guò)程中，需要對(duì)低溫位置反復(fù)碾壓，才能保證瀝青的壓實(shí)質(zhì)量與均勻性。

(2)穩(wěn)定度方面

瀝青路斷截面溫度與穩(wěn)定度的對(duì)應(yīng)變化過(guò)程如圖3所示。

圖3 縱向截面中溫度與穩(wěn)定度的對(duì)應(yīng)變化

根據(jù)對(duì)圖3的分析可知，瀝青攤鋪的成型溫度與瀝青的穩(wěn)定度呈正相關(guān)關(guān)系。拌和溫度的變化沒(méi)使瀝青攤鋪的穩(wěn)定度發(fā)生明顯變化，表明瀝青的拌和溫度與穩(wěn)定值之間的關(guān)系不對(duì)應(yīng)，無(wú)法將瀝青的拌和溫度納入瀝青攤鋪穩(wěn)定度的影響因素之中。

(3)毛體積相對(duì)密度方面

瀝青路斷截面溫度與毛體積相對(duì)密度的對(duì)應(yīng)變化過(guò)程如圖4所示。

圖4 縱向截面中溫度與毛體積相對(duì)密度的對(duì)應(yīng)變化

根據(jù)對(duì)圖4的分析可知，瀝青攤鋪過(guò)程中的拌和溫度越高，毛體積相對(duì)密度就越大；瀝青攤鋪的成型溫度越高，毛體積相對(duì)密度變化的速度就越慢；當(dāng)瀝青攤鋪的成型溫度為80 ℃時(shí)，當(dāng)瀝青攤鋪的成型溫度為150 ℃和80 ℃時(shí)，無(wú)論拌和溫度在150～180 ℃之間如何變化，毛體積相對(duì)密度基本保持恒定狀態(tài)，且成型溫度為150 ℃時(shí)的毛體積相對(duì)密度最大，成型溫度為80 ℃時(shí)的毛體積相對(duì)密度最小?？傮w來(lái)說(shuō)，瀝青攤鋪的拌和溫度和成型溫度越高，毛體積相對(duì)密度就越高，瀝青攤鋪的質(zhì)量就越好。

(4)空隙率方面

瀝青路斷截面溫度與空隙率的對(duì)應(yīng)變化過(guò)程如圖5所示。

圖5 縱向截面中溫度與空隙率的對(duì)應(yīng)變化

根據(jù)對(duì)圖5的分析可知，瀝青攤鋪過(guò)程中的拌和溫度越高，空隙率就越低；瀝青攤鋪的成型溫度越高，空隙率就越低。綜上所述，成型溫度和拌和溫度與瀝青攤鋪空隙率之間都呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。在瀝青攤鋪的過(guò)程中，保持較高的瀝青拌和溫度和瀝青成型溫度才能確保瀝青攤鋪較低的空隙率。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

在瀝青攤鋪的全過(guò)程中，溫度變化對(duì)瀝青攤鋪的總體質(zhì)量和各方面性能有著至關(guān)重要的影響。要確保瀝青攤鋪的總體質(zhì)量過(guò)關(guān)，就需要有較高的壓實(shí)度、穩(wěn)定度和毛體積相對(duì)密度以及較低的空隙率。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，拌和溫度和成型溫度作為自變量，通過(guò)控制這兩種溫度的變化，觀測(cè)瀝青攤鋪的壓實(shí)度、穩(wěn)定度、毛體積相對(duì)密度以及空隙率這些性能方面的變化，從而分析出溫度變化對(duì)瀝青攤鋪受溫度變化的影響。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論。即瀝青攤鋪過(guò)程中的拌和溫度越低，壓實(shí)度和毛體積相對(duì)密度就越低，空隙率就越高；瀝青攤鋪的成型溫度越低，穩(wěn)定度、毛體積相對(duì)密度就越低，空隙率就越高。可以看出壓實(shí)度、穩(wěn)定度和毛體積相對(duì)密度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，而空隙率與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜上所述，在瀝青攤鋪的全過(guò)程中，溫度變化對(duì)瀝青攤鋪的總體質(zhì)量和各方面性能有著至關(guān)重要的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)進(jìn)行瀝青攤鋪溫度實(shí)驗(yàn)，對(duì)受溫度變化影響的性能數(shù)值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)瀝青攤鋪過(guò)程中的壓實(shí)度、穩(wěn)定度、毛體積相對(duì)密度以及空隙率這些性能受溫度影響較大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于天氣原因，導(dǎo)致對(duì)除自變量以外的變量控制力度不足，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響。在之后的研究道路上，會(huì)持續(xù)加強(qiáng)對(duì)無(wú)關(guān)變量的把控力度，讓實(shí)驗(yàn)更具說(shuō)服力。希望瀝青攤鋪期間的溫度變化實(shí)驗(yàn)可以為瀝青攤鋪的相關(guān)研究提供新的思路和新的視角，讓瀝青攤鋪的相關(guān)研究更進(jìn)一步。在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，為設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)，發(fā)揮更大的工程應(yīng)用價(jià)值。