熱拌公路瀝青混合料在低溫條件下的鋪筑

本文采用有限元與工程經(jīng)驗相結(jié)合的方法，分析了熱拌瀝青混合料的最低碾壓控制溫度與混合料有效碾壓時間，提出以100℃、120℃作為二級公路、高速公路最低控制溫度；路面攤鋪厚度越大越有利于混合料的壓實；當(dāng)施工環(huán)境溫度低于10℃或者0℃后，要保證二級公路壓實度大于96%，高速公路壓實度大于98%，則有效的機械碾壓時間要大于15min或者10min，現(xiàn)場施工時碾壓機械必須緊跟攤鋪機作業(yè)。

表1 路面結(jié)構(gòu)溫度場參數(shù)

工程概況建模及參數(shù)值確定

新疆北部地區(qū)晝夜溫差大，冬季氣候寒冷，氣溫在10℃以下的天數(shù)，約占全年的三分之一左右，年極端最低氣溫能達(dá)到-40℃，凍融循環(huán)劇烈，路面質(zhì)量受自然環(huán)境影響較大。攤鋪面層厚度為6cm，基層為厚15cm的粗粒式密級配瀝青碎石，底基層包括兩部分，一部分是（5%水泥劑量）厚度為38cm的水泥穩(wěn)定碎石，另一部分是（4%水泥劑量）厚度為20cm的水泥穩(wěn)定碎石。

路面溫度場的熱流總量主要受到路面長波輻射、太陽輻射、對流作用三大因素的相互作用影響。假設(shè)各類材料具有非線性特性，各層間保持完全連續(xù)，沒有發(fā)生滑動現(xiàn)象，路面與基層的瀝青混合料、半剛性基層材料都表現(xiàn)出各向均質(zhì)、同性的特征。設(shè)定模型表面熱量流入值等于熱量流出值，整體呈現(xiàn)均衡，模型上部道路表面接受太陽輻射，模型通過向大氣發(fā)散長波輻射實現(xiàn)了與周界的熱對流，溫度傳遞遵循熱傳導(dǎo)定律。水平方向上結(jié)構(gòu)層和最下層無限遠(yuǎn)處應(yīng)力和位移都為零。根據(jù)工程概況、參數(shù)建立有限元模型，劃分面網(wǎng)格。模型當(dāng)中X軸方向指垂直道路方向；Y軸方向垂直X軸，指向上方，模型長設(shè)置為300cm，深度設(shè)置為60cm。瀝青混合料、半剛性基層材料熱傳導(dǎo)參數(shù)，如表1所示。

攤鋪熱流場與攤鋪溫度模擬

熱流量交換與傳遞

將表2工況設(shè)置到ANSYS有限元模型進(jìn)行仿真模擬，可通過計算得到熱流及溫度結(jié)果。混合料攤鋪后10s～30s時間段內(nèi)，在混合料的上面層及中面層內(nèi)熱量較為集中，高溫分布范圍較大。根據(jù)溫度熱傳導(dǎo)定律，熱量逐步傳遞至下面層，混合料的面層以下1.5cm～3cm高溫分布范圍大。混合料攤鋪施工后35min時，由于熱傳遞及熱交換對流的效應(yīng)，整個攤鋪面豎向中間位置溫度較高，攤鋪層豎向上下界面溫度明顯降低，表明此時通過熱量交換，上面層的熱量傳遞到了下面層。

混合料施工后70min，路面溫度呈現(xiàn)出快速下降趨勢，盡管上中面層處于高溫分布的范圍內(nèi)，但是此時熱流量交換最活躍區(qū)域已經(jīng)從上面層表面轉(zhuǎn)移到了面層下15cm的范圍內(nèi)，說明影響深度為面層下10cm～20cm。根據(jù)施工現(xiàn)場的自然氣候環(huán)境，設(shè)10℃為混合料攤鋪的低溫施工環(huán)境，混合料攤鋪的溫度為150℃。進(jìn)一步研究混合料攤鋪期間不同厚度面層溫度變化規(guī)律，t時刻路面熱流分布狀況，如圖1所示。

根據(jù)圖1可知 ，t時刻路面熱流量的分布狀況隨著攤鋪時間不斷延后，面層下2cm的范圍內(nèi)在初始時刻降溫幅度較大，降溫速率迅速下降為零，熱流量交換也降為零；在路面下4cm范圍內(nèi)熱流量增長速率驟然增大，表明熱量向下傳遞速度非常快。與此同時，熱流量交換的中心位置呈現(xiàn)逐步下移的趨勢，在面層以下4cm處與12cm處熱流交換變化規(guī)律彼此相反，4cm～12cm處溫度上升，0cm～4cm處溫度下降。當(dāng)路面厚度大于12cm時受攤鋪的影響不顯著，所以將路面厚度界限值設(shè)置為12cm。

表2 仿真分析預(yù)定42工00s況

圖1 t時刻路面熱流分布狀況

圖2 混合料攤鋪不同厚度深度處溫度

不同攤鋪厚度下路面有限碾壓時間

如圖2所示，攤鋪厚度分別為4cm、6cm、8cm、10cm下攤鋪完成10min之后，不同深度位置路面的溫度分布情況，分析可知，隨著攤鋪完成后時間的延長，不同攤鋪厚度路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度都表現(xiàn)出下降的狀況。當(dāng)從4cm的攤鋪厚度增加到10cm的攤鋪厚度時，攤鋪厚度6cm比4cm的結(jié)構(gòu)層內(nèi)混合料最高溫度增加17.9%，同理攤鋪厚度8cm比6cm最高溫度增加14.5%，攤鋪厚度10cm比8cm最高溫度增加8.5%。綜合分析表明，隨著攤鋪厚度和路面深度的增加，混合料的溫度分布更均勻、壓實度更佳。

如圖3所示，路面攤鋪厚度增加后，混合料的溫度散失速率下降，結(jié)合多年的施工經(jīng)驗與相關(guān)理論可知，若要保證高速公路98%的壓實度，碾壓溫度的控制點要選取為120℃。二級公路及市政道路的路面壓實度要求不低于96%，要達(dá)到96%的路面壓實度必須保證混合料溫度高于100℃，混合料攤鋪后其溫度降低至100℃這段時間認(rèn)為是有效碾壓時間，為了滿足質(zhì)量要求，二級公路結(jié)構(gòu)層的有效碾壓溫度要求不低于100℃，當(dāng)攤鋪厚度設(shè)置成10cm、8cm、6cm、4cm時，相對應(yīng)合理的有效碾壓時間選擇為31min、28min、21min、14min。

圖3 不同攤鋪厚度下路面有限碾壓時間

不同溫度環(huán)境下混合料碾壓時段研究

為了保證寒冷地區(qū)二級公路、高速公路瀝青路面碾壓質(zhì)量，結(jié)合模擬結(jié)論與施工經(jīng)驗，二級公路、高速公路的最低碾壓控制溫度分別設(shè)置為為100℃、120℃。

為了研究不同氣溫工況下有效的碾壓時間，設(shè)置上面層厚度為4cm～5cm，中面層厚度為6cm～8cm，若面層厚度大于8cm時歸納為厚層攤鋪，此時由于混合料溫度散失緩慢，機械碾壓時間可以延長。

壓實度保障是決定路面碾壓質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素之一，有效時間段內(nèi)的碾壓增大了混合料的密度，保證了壓實度，路面耐久性提高，降低了路面產(chǎn)生病害的幾率，公路后期維護(hù)成本大大降低。當(dāng)施工環(huán)境溫度低于0℃后，要保證二級路壓實度大于96%，高速公路壓實度大于98%，則有效的機械碾壓時間要大于10min。當(dāng)施工環(huán)境溫度低于10℃后，則有效的機械碾壓時間要大于15min。為了保證碾壓實度，現(xiàn)場施工時碾壓機械必須緊跟攤鋪機作業(yè)，最大程度地避免出現(xiàn)非作業(yè)的時間空隙，保證路面病害發(fā)生的幾率降到最小。

結(jié)語

混合料攤鋪后10s～0s時，面層以下1.5cm～3cm的混合料熱量較集中，高溫分布范圍較大，35min后，攤鋪面豎向中間位置溫度較高，攤鋪層豎向上下界面溫度明顯降低上面層的熱量傳遞到下面層?；旌狭鲜┕ず?0min時路面溫度呈現(xiàn)出快速下降趨勢，面層下15cm的范圍內(nèi)熱流量交換最活躍。

隨著攤鋪時間不斷延后，面層下2cm的范圍內(nèi)在初始時刻降溫幅度大；在路面下4cm范圍內(nèi)熱流量增長速率驟然增大。與此同時，熱流量交換的中心位置呈現(xiàn)逐步下移的趨勢，路面厚度大于12cm時降溫幅度受攤鋪的影響不顯著。隨著攤鋪厚度增加，路面深度增加溫度分布更均勻，混合料的壓實度更佳。

二級公路、高速公路的最低碾壓控制溫度分別設(shè)置為100℃、120℃。為了保證碾壓實度，現(xiàn)場施工時碾壓機械必須緊跟攤鋪機作業(yè)，最大程度地避免出現(xiàn)非作業(yè)的時間空隙。