鐵路瀝青混凝土溫度離析控制技術(shù)研究

石越峰，蔡德鉤，樓梁偉，姚建平，許俊磊，張世杰

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100081; 3.京張城際鐵路有限公司，北京 100070;4.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

在基床表層與軌道結(jié)構(gòu)之間全斷面鋪設(shè)瀝青混凝土，該種防水封閉結(jié)構(gòu)可有效消除原有封閉體系中的結(jié)構(gòu)縫和伸縮縫，可為路基提供整體化的防水保護(hù)[1-2]。瀝青混凝土的材料性能與溫度關(guān)系密切，其防水效果、壓實(shí)質(zhì)量和使用年限均與施工溫度有關(guān)[3]。

瀝青混凝土施工過(guò)程中的離析是造成瀝青混凝土壓實(shí)度不均勻、空隙率大、平整度差、水損害等早期破壞的重要原因之一，主要包括級(jí)配離析和溫度離析2類(lèi)。溫度離析是指由于環(huán)境條件、施工條件、施工工藝等的影響，造成瀝青混凝土在拌和、運(yùn)輸、攤鋪、壓實(shí)過(guò)程中溫度變化而出現(xiàn)的明顯差異性，主要表現(xiàn)為瀝青混凝土施工溫度分布不均勻。區(qū)別于級(jí)配離析，溫度離析無(wú)法通過(guò)肉眼觀察進(jìn)行判斷，在施工過(guò)程中也很難得以控制[4-8]。為滿足鐵路瀝青混凝土長(zhǎng)期服役性能的要求，選用鐵路專(zhuān)用高黏瀝青進(jìn)行瀝青混凝土的生產(chǎn)，相比于公路行業(yè)普遍采用的改性瀝青，鐵路專(zhuān)用高黏瀝青的低溫黏度更高，因此控制鐵路瀝青混凝土的溫度離析就顯得尤為重要。

依托京張城際鐵路全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的施工，結(jié)合鐵路瀝青混凝土服役壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，本文梳理全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的施工工藝，選用多種手段對(duì)瀝青混凝土施工過(guò)程的溫度進(jìn)行監(jiān)控，研究拌和、運(yùn)輸、攤鋪、壓實(shí)等施工過(guò)程中瀝青混凝土的降溫規(guī)律，分析施工各階段產(chǎn)生溫度離析的原因，最后提出控制鐵路瀝青混凝土溫度離析的合理化建議。

1 熱力學(xué)基礎(chǔ)理論

溫度場(chǎng)是指研究對(duì)象在某一時(shí)刻t一定范圍內(nèi)所有點(diǎn)溫度分布的總稱(chēng)，可用時(shí)間和空間的坐標(biāo)函數(shù)來(lái)描述[9]，表達(dá)式為

Q=f(x,y,z,t)

式中：Q為t時(shí)刻坐標(biāo)為(x,y,z)點(diǎn)的溫度值。

對(duì)式(1)求偏微分可知，若?Q/?t=0即溫度不隨時(shí)間的變化而變化，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)；若?Q/?t≠0，則稱(chēng)為非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。

在生活中熱量的傳遞是常見(jiàn)而復(fù)雜的物理現(xiàn)象。按照熱量傳遞的機(jī)理不同，大致可分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種基本熱傳導(dǎo)方式。

1)熱傳導(dǎo)。導(dǎo)熱是指在連續(xù)介質(zhì)內(nèi)若有溫度差存在或者兩溫度不同的物體直接接觸時(shí)，在物體內(nèi)沒(méi)有可見(jiàn)的宏觀物體流動(dòng)時(shí)所發(fā)生的傳熱現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)是通過(guò)分子、原子、電子等粒子的微觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行熱量交換的熱量傳遞方式。

2)熱對(duì)流。在流體宏觀運(yùn)動(dòng)情況下所發(fā)生的傳熱，稱(chēng)為熱對(duì)流。一般的熱對(duì)流傳熱分為由流體各部分的密度不同而造成的自然對(duì)流，以及有外力作用情況下引起的強(qiáng)制對(duì)流。

3)熱輻射。物體因受熱發(fā)出熱輻射，高溫物體向低溫物體熱輻射，同時(shí)低溫物體向高溫物體熱輻射，最終結(jié)果是高溫物體失去熱量而低溫物體得到熱量。輻射傳熱不需要物體作傳熱媒介，而是依靠物體發(fā)射電磁波來(lái)傳遞熱量。工程上的傳熱過(guò)程多是包括2種或3種基本傳熱方式的傳熱過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)綜合傳熱[10]。

2 施工工藝

瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的施工主要包括灑布透層瀝青和瀝青混凝土的拌和、運(yùn)輸、攤鋪、壓實(shí)、養(yǎng)護(hù)。其主要施工工藝流程如圖1所示。

圖1 主要施工工藝流程

2.1 施工準(zhǔn)備

做好施工前的準(zhǔn)備工作是保證瀝青混凝土質(zhì)量的前提和基礎(chǔ)。施工準(zhǔn)備主要包括以下4個(gè)方面：①原材料進(jìn)場(chǎng)與質(zhì)量證明文件的查驗(yàn)。②施工機(jī)械的準(zhǔn)備與檢查。③基床表層的檢查。瀝青混凝土施工前，應(yīng)確認(rèn)基床表層的中線高程、線間高程、路肩高程、橫坡、平整度等符合TB 10751—2010《高速鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定。④灑布透層瀝青。采用瀝青灑布車(chē)按照1.0 kg/m2均勻噴灑透層瀝青，待其充分滲透且水分蒸發(fā)，盡早進(jìn)行瀝青混凝土的攤鋪。

2.2 瀝青混凝土的拌和

采用3000型瀝青混凝土拌和站(最大理論產(chǎn)量為240 t/h)進(jìn)行瀝青混凝土的集中廠拌。主要生產(chǎn)參數(shù)如下：骨料加熱溫度為190～200 ℃，鐵路專(zhuān)用高黏瀝青加熱溫度為180～190 ℃，拌和時(shí)間60 s，瀝青混凝土的出料溫度為185～195 ℃，出料溫度高于200 ℃的瀝青混凝土應(yīng)廢棄。出廠前，應(yīng)逐車(chē)檢測(cè)瀝青混凝土的質(zhì)量、溫度和外觀，如溫度不符合要求、花白料、結(jié)團(tuán)、嚴(yán)重離析的瀝青混凝土不得出廠。

2.3 瀝青混凝土的運(yùn)輸

圖2 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作原理示意

瀝青混凝土采用大噸位自卸卡車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，同時(shí)采用苫布進(jìn)行覆蓋，以保證瀝青混凝土的到場(chǎng)溫度不低于170 ℃。在運(yùn)輸車(chē)輛上安裝智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)，監(jiān)控車(chē)廂內(nèi)瀝青混凝土的實(shí)時(shí)溫度，獲取運(yùn)輸車(chē)輛的位置，便于現(xiàn)場(chǎng)組織。

2.4 瀝青混凝土的攤鋪

采用3臺(tái)瀝青混凝土攤鋪機(jī)呈階梯形進(jìn)行攤鋪，相鄰攤鋪機(jī)的搭接寬度宜為10～20 cm，攤鋪機(jī)前后錯(cuò)開(kāi)距離不應(yīng)超過(guò)20 m。為保證瀝青混凝土的攤鋪質(zhì)量，規(guī)定攤鋪溫度不得低于170 ℃。瀝青混凝土攤鋪時(shí)應(yīng)緩慢、均勻、連續(xù)作業(yè)，不得隨意變換速度或中途停頓，不得出現(xiàn)明顯的離析、波浪、裂縫、拖痕等現(xiàn)象。

2.5 瀝青混凝土的壓實(shí)

采用“鋼輪壓路機(jī)(先靜壓后振動(dòng))、膠輪壓路機(jī)、鋼輪壓路機(jī)”的組合方式進(jìn)行瀝青混凝土的初壓、復(fù)壓、終壓。結(jié)合本工程選用瀝青混凝土材料的特點(diǎn)，要求初壓開(kāi)始溫度不低于165 ℃，終了溫度不低于145 ℃；終壓開(kāi)始溫度不低于130 ℃，終了溫度不低于110 ℃；在不產(chǎn)生推移和裂縫的前提下，應(yīng)確保初壓、復(fù)壓、終壓在盡可能高的溫度下進(jìn)行。

3 溫度離析成因分析

3.1 拌和離析

瀝青混凝土卸入運(yùn)料車(chē)后，利用ST9450高精度紅外熱成像儀(量程：-25～450 ℃，精度：0.1 ℃)測(cè)量其溫度，測(cè)得瀝青混凝土的溫度在185～192 ℃，溫差達(dá)到7 ℃，產(chǎn)生了一定程度上的溫度離析現(xiàn)象。鐵路專(zhuān)用高黏瀝青在儲(chǔ)存罐中通過(guò)盤(pán)管中的導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，正常生產(chǎn)時(shí)其溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)；礦粉屬于常溫儲(chǔ)存，其溫度變化較小。因此，造成瀝青混凝土拌和過(guò)程中溫度離析的原因主要在于集料。集料在加熱滾筒中通過(guò)旋流火焰進(jìn)行加熱，使集料在幾十秒內(nèi)溫度達(dá)到190～200 ℃。但由于集料粒徑、含水率不同，導(dǎo)致集料的受熱狀態(tài)不均勻，使拌和完成后的瀝青混凝土也存在溫度離析的現(xiàn)象。

3.2 運(yùn)輸離析

在運(yùn)輸車(chē)上安裝智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)，獲取車(chē)廂內(nèi)瀝青混凝土的溫度，同時(shí)通過(guò)GPS獲取運(yùn)輸車(chē)輛的位置信息。

圖3 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)

圖4 瀝青混凝土溫度隨運(yùn)輸距離變化曲線

通過(guò)獲取瀝青混凝土運(yùn)輸途中實(shí)時(shí)溫度，得到瀝青混凝土溫度隨運(yùn)輸距離的降溫規(guī)律，見(jiàn)圖4。可知，瀝青混凝土隨運(yùn)輸距離的降溫呈二次函數(shù)規(guī)律，且相關(guān)性系數(shù)均在0.99以上。美國(guó)國(guó)家交通委員會(huì)提出以10 ℃作為劃分是否發(fā)生溫度離析的標(biāo)準(zhǔn)[11]，但考慮到鐵路專(zhuān)用高黏瀝青的材料特點(diǎn)，最終選擇以 5 ℃ 降溫為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合瀝青混凝土隨運(yùn)輸距離的降溫規(guī)律，推薦瀝青混凝土的最長(zhǎng)運(yùn)輸距離應(yīng)控制在70 km之內(nèi)，以保證瀝青混凝土到場(chǎng)后的施工和易性。

3.3 攤鋪離析

利用MT4 MAX紅外溫槍(量程：-30～350 ℃，精度：0.1 ℃)測(cè)量瀝青混凝土的表面溫度，利用testo 905-T1插入式溫度計(jì)(量程：-50～350 ℃，精度：0.1 ℃)測(cè)量瀝青混凝土的內(nèi)部溫度。瀝青混凝土的虛鋪厚度為10 cm，選取5 cm位置為瀝青混凝土內(nèi)部溫度的測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)溫3次，取平均值作為測(cè)量值。在瀝青混凝土的攤鋪過(guò)程中，對(duì)瀝青混凝土表面溫度及表面以下5 cm處的溫度進(jìn)行記錄，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 瀝青混凝土溫度下降曲線

由圖5可知，瀝青混凝土表面與內(nèi)部溫度散失規(guī)律不同。瀝青混凝土表面的溫度下降呈指數(shù)變化(R2=0.988)，而5 cm處內(nèi)部溫度下降呈線性關(guān)系(R2=0.998)，且表面溫度下降速率明顯快于內(nèi)部。這主要是由于瀝青混凝土上表面與內(nèi)部產(chǎn)生熱傳導(dǎo)的同時(shí)，瀝青混凝土上表面與空氣接觸，熱空氣會(huì)向上流動(dòng)產(chǎn)生熱對(duì)流，因此瀝青混凝土表面降溫速率較快。

利用上述方法對(duì)瀝青混凝土在攤鋪過(guò)程中的溫度空間分布進(jìn)行測(cè)量與記錄。在橫向溫度測(cè)量方面，以攤鋪機(jī)左側(cè)邊緣為原點(diǎn)，垂直于攤鋪機(jī)的行進(jìn)方向以2 m為間距，分別測(cè)量0,2,4,6,8 m的溫度值；在縱向溫度測(cè)量方面，沿?cái)備仚C(jī)的行進(jìn)方向以5 m為間距，分別測(cè)量0,5,10,15,20 m的溫度值。橫向、縱向溫度分布均選取3個(gè)斷面，取其平均值作為測(cè)量值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 瀝青混凝土攤鋪過(guò)程溫度空間分布

由圖6可知：

1)在橫向分布方面(即垂直于攤鋪機(jī)行進(jìn)方向)，攤鋪機(jī)兩端(0和8 m位置)的瀝青混凝土溫度明顯低于攤鋪機(jī)中部的，即呈“Λ”形分布。這主要是因?yàn)閿備仚C(jī)兩側(cè)的瀝青混凝土需經(jīng)螺旋布料器傳送至兩端，在螺旋傳送的過(guò)程中加大了瀝青混凝土與空氣的接觸，致使其溫度較低。因此，攤鋪機(jī)的攤鋪寬度不宜過(guò)寬，避免造成嚴(yán)重的溫度散失。

2)在縱向分布方面(即沿?cái)備仚C(jī)行進(jìn)方向)，每輛運(yùn)輸車(chē)內(nèi)的瀝青混凝土經(jīng)攤鋪機(jī)虛鋪后溫度也呈現(xiàn)“Λ”形分布。其原因在于運(yùn)輸車(chē)輛兩側(cè)和頂部均覆蓋苫布和棉被，車(chē)廂前后兩面未進(jìn)行覆蓋，使得車(chē)廂瀝青混凝土的溫度基本呈“低—高—低”分布。同時(shí)，證明了覆蓋苫布、棉被等措施有利于瀝青混凝土溫度的保持。

3.4 壓實(shí)離析

壓實(shí)過(guò)程采用“鋼輪壓路機(jī)、膠輪壓路機(jī)、鋼輪壓路機(jī)”的組合方式進(jìn)行。鋼輪壓路機(jī)通常會(huì)采用向鋼輪噴水的方式避免瀝青粘到鋼輪上[12]。若灑水量過(guò)多，會(huì)使瀝青混凝土表面溫度過(guò)低，形成硬殼，碾壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而影響防水效果。因此，選取了2個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)壓實(shí)過(guò)程中的溫度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 噴水對(duì)瀝青混凝土溫度的影響

由圖7可知，向鋼輪壓路機(jī)噴水會(huì)造成瀝青混凝土的溫度急劇下降，下降幅值約9～12 ℃。瀝青混凝土表面溫度會(huì)在60 s左右開(kāi)始回升，并在180 s左右趨于穩(wěn)定，但不能回升至起始溫度。據(jù)測(cè)算，在壓實(shí)過(guò)程中平均灑水量為1.0～1.5 kg/m2。溫度較高時(shí)瀝青混凝土表面的水依靠瀝青混凝土的熱量最終汽化，造成了瀝青混凝土表面溫度的流失，屬典型的熱對(duì)流現(xiàn)象。與此同時(shí)，內(nèi)部的瀝青混凝土通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射的方式將熱量傳遞至瀝青混凝土的表面，使其表面溫度回升。

4 控制措施

結(jié)合上述研究，控制瀝青混凝土溫度離析現(xiàn)象的建議如下：

1)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)瀝青混凝土配合比時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度離析問(wèn)題，合理確定礦料級(jí)配，避免集料粒徑偏差過(guò)大。

2)控制集料含水率。一方面在集料儲(chǔ)存區(qū)域設(shè)置防雨棚，保證集料處于干燥狀態(tài)；另一方面正式生產(chǎn)前應(yīng)調(diào)整火焰噴頭的方向、角度，使集料均勻加熱。

3)開(kāi)發(fā)拌和站信息化平臺(tái)。利用拌和站信息化平臺(tái)通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)拌和過(guò)程中瀝青加熱溫度、集料加熱溫度、拌和溫度、出料溫度、瀝青用量、礦料級(jí)配等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄與預(yù)警，保證了瀝青混凝土生產(chǎn)過(guò)程中溫度的穩(wěn)定、可控。

4)加強(qiáng)運(yùn)輸管理。采用大噸位運(yùn)料車(chē)，并控制運(yùn)輸距離和運(yùn)輸時(shí)間，同時(shí)采用苫布、棉被等對(duì)車(chē)廂頂部及周?chē)M(jìn)行覆蓋保溫。針對(duì)部分線路瀝青混凝土拌和站分散的情況，可采用移動(dòng)式瀝青混凝土拌和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

5)確定合理的攤鋪方案。攤鋪機(jī)的攤幅不宜過(guò)長(zhǎng)，建議攤鋪寬度應(yīng)在攤鋪機(jī)的基本攤鋪寬度上加 3 m 范圍內(nèi)為宜，通常不超過(guò)7 m，避免螺旋布料器送料造成溫度的損失。當(dāng)路基較寬時(shí)，可采用2臺(tái)或多臺(tái)攤鋪機(jī)梯形作業(yè)。

6)確定合理的壓實(shí)工藝。壓路機(jī)應(yīng)及時(shí)碾壓瀝青混凝土，將熱量封鎖在瀝青混凝土內(nèi)部。對(duì)于鋼輪壓路機(jī)，在不粘輪的前提下應(yīng)盡量少噴水，減少溫度的散失。

7)加強(qiáng)施工溫度監(jiān)控。采用智能化、信息化測(cè)量手段進(jìn)行施工過(guò)程溫度的監(jiān)控，提高施工溫度控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

1)結(jié)合熱量傳遞分類(lèi)，施工過(guò)程中瀝青混凝土的溫度損失主要包括瀝青混凝土下表面與基床表層之間熱傳導(dǎo)、上表面與空氣的熱對(duì)流以及自身內(nèi)部的熱輻射。

2)鐵路瀝青混凝土的溫度離析主要分為拌和離析、運(yùn)輸離析、攤鋪離析和壓實(shí)離析4類(lèi)。

3)通過(guò)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、控制集料含水率、開(kāi)發(fā)拌和站信息化平臺(tái)、加強(qiáng)運(yùn)輸管理、確定合理的攤鋪和壓實(shí)方案、加強(qiáng)過(guò)程溫度監(jiān)控等手段，提出了控制瀝青混凝土施工過(guò)程溫度離析的合理化建議。